密集型塔基桩孔开挖控制爆破技术.pdf

第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 012 密集型塔基桩孔开挖控制爆破技术 徐国挺 （四川公路桥梁建设集团有限公司 大桥分公司， 成都 610041） 摘 要 针对泸定大渡河特大桥塔基桩孔布置密集的状况和开挖区基岩节理裂隙发育的特点， 应用短进 尺、 锥形掏槽的减震光面爆破技术进行直径 2 8 m 圆形桩孔的全断面掘进。尤其是在桩孔间净距仅为3 2 m 时， 采用锥形掏槽逐孔毫秒延迟起爆技术， 并通过在掏槽中心空孔内布设 0 1 0 2 kg 的抛渣药包后于掏槽 孔起爆， 达到提高爆破效果、 减弱爆破振动目的。在详细给出桩孔开挖控制爆破技术措施、 爆破参数和施工 方法的基础上， 利用现场实测数据进行爆破效果、 振动效应和围岩稳定等分析。工程实践表明 锥形掏槽逐 孔毫秒延迟起爆技术能使邻近桩孔围岩的爆破振动强度得到有效控制， 开挖爆破在邻近桩孔内产生的最大 峰值振动速度小于 10 cm/ s， 满足围岩安全振动控制标准； 爆破前后桩孔围岩波速的平均下降率 3 74， 远 小于技术规范规定的 10的声波下降率量化标准； 桩孔单循环爆破进尺约 1 2 1 3 m， 开挖壁面平整， 基本 没有超欠挖， 保持了围岩的完整性和稳定性。 关键词 桩孔开挖；锥形掏槽；逐孔延迟起爆；光面爆破；振动速度；声波速度 中图分类号 TD235 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0061 -07 Control Blasting Technique of Excavation in Intensive Tower Footing Pile Holes XU Guo-ting （Sichuan Road Bridge Group Co Ltd， Chengdu 610041， China） Abstract Owing to the extra-large bridge of Luding Dadu river with the condition of intensive pile holes in tower footing and joint fissures， the short footage and damping smooth blasting technology with conical cut were taken into the whole section excavating with diameter 2 8 m pile hole Especially， when the clear distance between pile holes was only 3 2 m， the millisecond delaying detonation technology of conical cut hole-by-hole was designed By charging 0 1 to 0 2 kilogram explosive into empty holes bottom which detonated behind cutting holes， the good blasting effect and reduced blasting vibration were obtained When the detail ination of the technical measures of controlled blasting， the blasting parameters and construction s on the excavation of pile holes were given， the field test data was used to analyze the blasting effect， the vibration effect and stability of surrounding rock The engineering practice shows that the blasting vibration of the adjacent pile hole could be better controlled by the millisecond dela- ying detonation technology of conical cut hole-by-hole， and the peak vibration velocity in the adjacent pile hole caused by excavation blasting could be controlled less than 10 cm/ s， which met the control standard of safety vibra- tion of surrounding rocks well The P-wave velocity of surrounding rock of the pile hole decreased by the average rate of 3 74， far less than 10 sound waves reduction rate of quantitative criteria By designing the single blasting foot- age of pile hole with 1 2 1 3 m， the excavation surface and over and back break were controlled well， finally the integrity and stability of the surrounding rock was kept well Key words excavation of pile hole；conical cut；delay detonating of hole-by-hole；smooth blasting；vibration velocity；P-wave velocity 收稿日期 2015 -11 -10 作者简介 徐国挺 （1975 - ） ， 男， 高级工程师， 主要从事大型桥梁施 工与项目管理工作，（E-mail） 364257584 qq com。 随着挖孔灌注桩在高层建筑和桥梁基础、 滑坡 防治以及结构锚固工程中的广泛采用， 如何高效、 快 速地成孔就成为各建设单位迫切需要解决的技术问 题。由于石质桩孔的断面小 （2 8 m2） ， 所采用的 开挖方法在很大程度上决定着工程质量、 施工进度 和施工安全。近二十年来， 在穿越岩层的桩孔开挖 中已广泛采用爆破法施工， 不仅取得了较好的工程 效益和社会效益 ［1-4］， 而且在邻近重要建筑物、 构筑 物区域的桩孔开挖也采用了减震控制爆破技术 ［5-7］。 然而， 对于特大桥密集型桩基的桩孔开挖爆破， 因桩 孔深度大、 桩间净距小， 既要求开挖过程中保持桩孔 围岩稳定， 不允许桩孔周壁产生宏观裂缝， 又必须保 证桩孔不因相邻桩孔爆破而引起围岩和钢筋混凝土 护壁的开裂。结合雅安康定高速公路泸定大渡河 特大桥 （悬索桥） 雅安岸塔基密集型嵌岩桩孔开挖， 介绍有关的光面爆破与降振控制爆破技术与方法， 给出相关爆破参数与技术措施， 并通过现场爆破振 动监测和爆破前后的围岩声波量测结果， 分析所采 用爆破方法的有效性和可靠性。 1 工程概况 大渡河特大桥主桥为 1100 m 单跨悬索桥， 全长 1402 m， 引桥为 3 m 30 m 及 3 m 34 m 3 m 34 m连续梁桥。悬索桥两岸设置桩柱式墩台， 主塔 设计高度 188 m。雅安岸和康定岸主塔基础采用 50 根直径为 2 8 m 挖孔灌注圆桩， 桩基础按列式布 置。其中雅安岸桩中距 6 0 m， 桩长40 52 m， 嵌入 中风化闪长岩内， 图 1 示出了雅安岸主塔桩基平面 布置形式。 图 1 泸定大渡河特大桥雅安岸桩基平面布置方式 （单位 cm） Fig 1 The pile layout on Yaan shore of grand bridge of LuDing Dadu river （unit cm） 桩基上部为花岗岩， 其中强风化花岗岩质地较 软， 中风化花岗岩质地较硬， 含风化卸荷裂隙， 稳定 性较差； 桩基下部为闪长岩， 其中强风化闪长岩质地 较硬， 稳定性不高， 基桩嵌入中风化闪长岩内。桩基 所在区域发育有 2 3 组节理裂隙， 其上部卸荷张裂 隙的充填物以粉土和砂为主， 岩体较破碎 较完整， 整体呈块碎镶嵌结构， 岩石普氏系数 f 2 6， 可爆 性较好。 2 塔基桩孔控制爆破方案 综合分析塔基所处工程地质条件、 桩孔几何尺 寸及布置方式可知， 桩孔开挖爆破的主要难点为 （1） 桩孔围岩的稳定性较差， 开挖爆破作用及其振 动效应易造成桩孔周壁围岩塌落， 尤其是开挖深度 达 40 52 m， 桩孔开挖作业的安全风险高；（2） 桩孔 断面约 6 m2， 作业空间狭小， 在单自由面爆破条件 下岩体的夹制作用很大， 爆破振动效应较强， 对桩孔 围岩的稳定性影响大， 须严格控制爆破振动效应； （3） 桩孔布置很密集， 在线路中心两侧边长 28 8 m 的正方形区域内各布置了 25 根直径 2 8 m 的桩基， 桩孔间净距仅为 3 2 m， 开挖爆破振动对邻接的桩 孔围岩及其钢筋混凝土护壁的扰动大。 针对塔基桩孔的爆破条件以及爆破质量和爆破 振动的控制要求， 需要使爆破主导方向尽可能指向 桩孔中央， 并采取一定的周壁保护措施。为此， 在桩 孔中央位置需首先形成一个具有足够体积的补偿空 间， 以利于桩孔的掘进爆破； 而在桩孔的周边则应用 光面爆破方法进行围岩保护。综上所述， 为实现桩 孔全断面掘进， 本次爆破采用中央锥形掏槽、 四周崩 落、 周边光面的同次分段毫秒延迟起爆的控制爆破 技术， 具体技术措施如下。 26爆 破 2016 年 3 月 （1） 将所有桩孔按照间隔的方式分 2 批次爆破 开挖， 第 1 批次开挖 20 m 后才能开始第 2 批次的桩 孔开挖， 减弱相邻桩孔间爆破振动对新浇筑钢筋混 凝土护壁的影响。 （2） 常规桩孔开挖爆破的单循环进尺约为桩径 的06 倍， 为减弱桩孔开挖爆破地震效应， 本工程的 单循环进尺选取为12 m， 其值约为桩径的045 倍。 （3） 为减少爆破作用对桩孔围岩的损伤， 避免 造成桩孔周壁垮塌， 采用锥形掏槽方式在桩孔中央 布置 4 个锥形掏槽孔， 并由内向外依次布置辅助孔 和周边光爆孔； 掏槽孔深度比辅助孔、 周边孔超深 0 2 m， 其孔底间距 0 1 0 2 m， 掏槽角约 82。 （4） 为进一步降低爆破振动强度， 在掏槽孔的 中心布置 3 个空孔作为掏槽孔爆破的自由面和补偿 空间， 空孔深度比掏槽孔增加 10 15 cm， 并在 1 个 中心空孔内放置 0 1 0 2 kg 炸药 （不堵塞） ， 较掏 槽孔延期 50 ms 起爆， 以便将掏槽孔爆破形成的岩 块抛出掌子面， 从而在桩孔中央位置形成辅助孔爆 破的新自由面和体积补偿空间。 （5） 为防止桩孔围岩受到明显的爆破损伤， 周 边光爆孔采用径向和轴向不耦合装药结构。 （6） 掏槽孔、 中心空孔、 辅助孔和周边光爆孔之 间依次采用毫秒延期起爆， 各类炮孔的延迟时间不小 于50 100 ms， 避免各类炮孔爆破的地震波叠加。 3 控制爆破设计 根据现场施工条件， 爆破施工的炮孔直径 D 40 mm （钻头直径 38 mm） 。 3 1 爆破参数设计 （1） 炮孔深度。按照 1 2 m 单循环进尺和工程 类比方法及现场开挖爆破试验结果， 设计选取各类 炮孔深度为 掏槽孔1 6 m， 辅助孔和光爆孔1 4 m， 中心空孔 1 8 m。 （2） 炸药单耗。桩孔开挖爆破效果受岩体重力影 响较大， 为保证爆破效果， 便于人工清渣， 炸药单耗应 比等断面的隧洞掘进爆破稍大。根据岩体性质及其可 爆性特点， 初步选取炸药单耗 q 18 22 kg/ m3。 （3） 单循环爆破的炸药量。根据单循环进尺确 定的岩体破碎体积， 按式 （1） 计算。 Q qsLη （1） 式中 Q 为单循环炸药量， kg； L 为炮孔深度， m； η 为 炮孔利用率， 一般取 0 85 0 95。经计算得到单循 环炸药耗 Q 13 2 16 1 kg。 （4） 平均单孔装药量和炮孔总数。单孔装药量 由炮孔深度、 装药系数和药卷质量及其长度按照式 （2） 计算。 Q0 αLG/ h（2） 式中 Q0为单孔装药量， kg； α 为装药系数， 按照爆 破类型的不同 （光面爆破除外） ， 一般取 0 30 0 7， 炮孔深度小取小值， 反之， 取大值； L 为炮孔深度， m； G 为单个药卷质量， kg； h 单个药卷长度， m。 由于炮孔深度较小， 必须保证堵塞长度， 取平均 装药系数为 0 3 进行计算， 得平均单孔装药量 Q0 0 42 kg， 炮孔总数为 31 38 个。 （5） 炮孔间距。每对掏槽孔孔口距为 0 5 m， 相 邻辅助孔距为 0 6 0 8 m， 中心空孔间距 0 1 0 15 m。 （6） 周边孔距与最小抵抗线。光爆孔的孔距按 a光 （10 18） d 计算， 选取为 0 4 0 5 m。最小抵 抗线与周边孔间距相关， 炮孔密集系数在 1 1 1 2 时的光爆效果较好。据此， 选取最小抵抗线 0 5 0 6 m。 （7） 光爆孔线装药密度。根据桩孔开挖岩体多 为中硬岩， 且岩体较为破碎、 孔深较小， 结合同类工 程经验， 选取光爆孔的线装药密度 q1 0 18 0 23 kg/ m。 （9）炮孔堵塞长度。除周边孔的堵塞长度约为 0 4 m 外， 其他炮孔堵塞长度不小于 0 7 0 8 m。 3 2 爆破施工设计 （1） 炮孔布置。根据塔基桩孔断面形状尺寸及 炮孔均匀布置的原则， 整个断面共布置 35 个炮孔， 由里向外布置 1 圈掏槽孔、 1 圈辅助孔和 1 圈周边 光爆孔。4 个掏槽孔均匀布置在距桩孔中心 0 25 m 的圆周上； 桩孔中心布置有 3 个中心空孔， 空孔间距 0 1 m； 辅助孔均匀的布置在距桩孔中心 0 85 m 的 圆周上； 周边光爆孔均匀布设置在开挖边界上。钻 孔时， 掏槽孔向中心倾斜 8， 周边孔向外倾斜 5， 周 边孔的底距开挖边界约 0 1 m。图 2 示出了塔基桩 孔爆破的炮孔平面布置图及其剖面图。 （2） 单孔装药量。各类型炮孔的数量及其装药 量列于表 1 中。 单循环爆破设计进尺为 1 2 m， 爆破体积按 7 39 m3计， 设计的平均炸药单耗为 1 92 kg/ m3， 与 爆破参数设计计算值相符， 说明炮孔布置合理。 （3） 装药结构。施工采用 2岩石乳化炸药。掏 槽孔、 辅助孔和空孔用  32 mm 的药卷， 采用连续 装药结构。周边光爆孔采用径向不耦合和轴向不耦 合装药结构， 单孔装药量均匀分布在炮孔内。为改 善爆破效果， 中心空孔、 掏槽孔、 辅助孔均采用反向 起爆方法引爆孔内炸药， 起爆药包置于孔底。为确 36第 33 卷 第 1 期 徐国挺 密集型塔基桩孔开挖控制爆破技术 保装药质量和光爆效果， 光面爆破孔的药卷绑扎在 导爆索上装入孔内。各类炮孔装药结构如图 3 所 示。 图 2 基桩开挖爆破炮孔布置图 （单位 m） Fig 2 Arrangement of blasting holes in pile excavation （unit m） 表 1 塔基桩孔开挖爆破的装药参数 Table 1 Charge parameters of excavation blast of tower footing 炮孔类型孔深/ m孔长/ m 孔数/ 个 装药长度/ m 单孔药量/ kg 装药卷数/ 卷 小计/ kg 中心空孔1 81 8030 20 210 2 掏槽孔1 61 6140 80 843 2 辅助孔1 41 4080 60 634 8 周边光爆孔1 41 40200 326 0 合计3514 2 图 3 炮孔装药结构示意图 （单位 m） Fig 3 Structural representation of charge holes （unit m） （4） 起爆网路。所有炮孔采用非电导爆管雷管 起爆方法 （周边孔的导爆索也用非电雷管起爆） ， 簇 并联连接方式。各炮孔之间采用孔内毫秒延迟起 爆。为增强掏槽孔的爆破效果， 4 个掏槽孔同时起 爆， 而中心空孔的底部装药比掏槽孔延迟 50 ms 起 爆。各类炮孔的起爆顺序为掏槽孔、 中心空孔、 辅助 孔、 周边光爆孔， 相应的起爆段别为 1、 5、 7、 9 或 1、 3、 5、 7。所有周边孔用导爆索在孔外采用 T 形连接 方式， 形成双向传爆的导爆索起爆网路， 在 2 3 个 周边孔的炸药卷内各用 1 发同段雷管起爆。 需要说明的是， 第 2 批次桩孔开挖爆破时， 桩孔 间净距只有 4 1 m， 为减小其掏槽孔爆破地震效应 对已开挖桩孔围岩和护壁的影响， 掏槽孔分 4 段进 行起爆， 即掏槽孔用 1、 2、 3、 4 段， 中心空孔用 7 段， 辅助孔用 9 段， 周边孔用 11 段。 3 3 爆破振动验算与安全防护 按照 爆破安全规程（GB67222014） 的相关 规定， 爆破振动安全检算采用萨道夫斯基公式估算 爆破的振动强度 v K （ 3 Q/ R） α （3） 式中 Q 为同段起爆的最大装药量， kg； R 为爆破中 心至被保护对象的距离， m； K 为爆破地震波衰减系 数 （与岩性有关） ； α 为爆破地震波衰减指数 （与岩 性和地形条件有关） 。由于桥台基桩围岩为岩质较 硬、 岩体较破碎 较完整的中等风化闪长岩， 按照相 46爆 破 2016 年 3 月 关规定和经验选取 K 180， α 1 8。 已有研究成果表明 ［8-11］， 尽管掏槽孔的装药量 不是最大， 但由于其自由面条件最差， 岩体爆破的夹 制性最大， 因而掏槽孔爆破的地震效应是所有爆破 炮孔中最强烈的。因此， 按照掏槽孔最大单段炸药 量验算爆破振动强度。 当第 1 批次桩孔爆破时， 掏槽孔最大单段装药 量 Q 3 2 kg， 爆破中心与相邻桩孔壁距离 10 1 m； 当第 2 批次桩孔爆破时， 掏槽孔最大单段装药量 Q 0 8 kg， 爆破中心与相邻桩孔壁距离 4 1 m。计 算得到相应的爆破地震波峰值振动速度分别为 5 63 cm/ s和 12 42 cm/ s。 按照 爆破安全规程 中井巷爆破作业的振动 安全允许标准的规定， 对于中等稳固的围岩， 一般应 将爆破振动速度控制在 15 20 cm/ s 以内。由此可 知， 塔基桩孔开挖爆破产生的爆破地震波峰值振动 速度不会对相邻桩孔周壁的围岩完整性、 稳定性造 成影响。 由于桩孔开挖的掏槽孔属于加强抛掷爆破。当 桩孔开挖深度较小时， 为防止爆破飞石飞出桩孔外 造成安全危害， 采用直径为 10 mm 钢筋制作间距为 10 15 cm 的钢筋网， 罩住地表桩孔孔口， 并在钢筋 网上用土袋压实。 4 爆破效果及爆破对围岩影响的检测 分析 4 1 爆破效果 由于中心空孔底部装药使掏槽孔爆破形成的岩 块抛出掌子面， 在桩孔开挖深度小于 20 m 时， 有爆 破飞石击打在桩孔口处的防护钢筋网上， 但未飞出 孔口， 保证了周边环境的安全。 爆破碎块多在 20 cm 内， 爆堆松散， 便于爆渣清 运， 单循环爆破进尺达到 1 2 1 3 m； 爆破形成的 桩孔壁面较为平整， 无超欠挖， 最大不平整度 5 10 cm， 图 4 为桩孔爆破前后的照片。 图 4 桩孔爆破前后的照片 Fig 4 Photos before and after pile holes blasting 4 2 爆破对桩孔围岩影响的检测分析 为了解桩孔开挖爆破对桩孔围岩的影响程度， 明确爆破方案的可靠性， 在桩孔开挖过程中分别进 行爆破振动实时监测和爆破前后的围岩声波检测。 爆破振动监测在与爆破桩孔相邻接的桩孔内进行， 声波检测在爆破桩孔内进行。 （1） 爆破振动的影响分析。爆破振动监测点布 置在邻接桩孔的迎爆侧孔壁上 （用膨胀螺栓和钢板 固定） ， 并与爆破中心位于同一水平面上， 共进行了 6 次爆破振动监测， 图 5 给出了典型的桩孔爆破振 动速度波形。从图中可看出， 桩孔爆破地震波的有 效持续时间较短， 一般只有 200 300 ms， 而且掏槽 孔爆破的振动速度最大。所有爆破振动的监测结果 列于表 2 中， 由表中数据可知， 间隔桩孔爆破的振动 效应较小， 实测值与验算值相差小于 20； 第 2 批次 桩孔爆破时， 尽管桩孔间净距只有41 m， 但由于采用 掏槽孔逐孔起爆技术， 其单段最大爆破药量仅 08 kg， 因而实际的振动强度并不大， 且小于验算值。 图5 第 1 次桩孔爆破振动监测的测点径向振动速度波形 Fig 5 Radial velocity wave of vibration of monitoring point in the first time of the pile hole blasting vibration monitoring 56第 33 卷 第 1 期 徐国挺 密集型塔基桩孔开挖控制爆破技术 表 2 邻近桩孔的振动监测结果 Table 2 Vibration monitoring results of adjacent pile hole 序号 爆源 距/ m 开挖面 深度/ m 竖向/ （cms -1） 径向/ （cms -1） 切向/ （cms -1） 110 15 11 145 793 71 210 16 41 366 292 23 310 17 51 216 772 94 44 18 94 999 435 30 54 111 42 498 624 52 64 114 22 459 715 14 对比各次开挖爆破在三个方向上的峰值振动速 度发现， 邻接桩孔围岩的振动强度以径向大、 切向次 之， 竖向最小， 这主要与监测点与爆破中心处于同一 水平有关。监测到的最大峰值振速为 9 43 cm/ s， 该值小于围岩振速不大于 15 20 cm/ s 的控制标 准。因此， 开挖爆破振动不会对邻近桩孔壁围岩的 完整性和稳定性造成影响。 （2） 爆破作用对围岩扰动的影响分析。在桩孔 的爆破掌子面围岩处利用声波检测仪进行爆破前后 的岩体纵波速度量测， 通过爆破前后的波速降低率 来分析爆破作用对围岩产生的扰动情况。为了使声 波检测结果准确可靠， 在同一次爆破前后共进行了 6 个检测点的声波测量， 表 3 给出了爆破前后的声 波检测数据及其分析结果。 表 3 桩孔爆破前后的声波检测结果 Table 3 Acoustic test results before and after pile hole blasting 测点号 爆前 波速 cP1/ （cms -1） 爆后 波速 cP2/ （cms -1） 波速差 cP1-cP2/ （cms -1） 波速降低 率/ 119842045-61-3 07 221231945178 8 38 321022143-41-1 95 421861987199 9 10 520932138-45-2 15 62169190626312 12 从表 3 可知， 与桩孔开挖爆破前的围岩声波速 度相比， 爆破后相同测点的岩体声波速度并不是完 全呈现下降的趋势， 总体上爆破前后岩体声波速度 基本都在 2000 m/ s 上下波动。 桩孔开挖爆破后各测点处的波速下降率基本上 均小于 10， 仅测点 6 的波速下降率为 12 12。 由于开挖桩孔断面积较小， 为不失一般性， 并考虑声 波测量误差的影响， 岩体声波的变化率可取测点 1 6的平均下降率作为判定爆破对所需保留岩体完 整性的影响指标。将表 3 中测点的声波速度下降率 进行算术平均后得到围岩波速的平均下降率 374。远小于 水工建筑物岩石基础开挖工程技 术规范（SL4794） 中规定的声波下降率量化标准 （10） ， 据此可得出桩孔开挖爆破对围岩 （基） 的完 整性、 连续不会造成明显影响的结论。 综上所述， 爆破振动监测与爆破前后的声波检 测结果证实， 桩孔开挖爆破作用及其地震效应不会 对桩孔周壁围岩的完整性和稳定性产生明显影响， 提出的控制爆破技术可应用于密集型塔基桩孔的开 挖施工， 且具有较强的实用性和可靠性。 5 结论 （1） 短进尺、 锥形掏槽的减震光面爆破技术可 应用于密集型基桩孔的一次成型开挖施工， 既能形 成平整的开挖壁面， 又能使邻近桩孔围岩的爆破振 动强度得到有效控制， 确保相邻桩孔的围岩稳定， 达 到施工安全要求。 （2） 采用锥形掏槽逐孔毫秒延迟起爆技术能达到 设计要求的单循环进尺， 通过在掏槽中心空孔内布设 01 02 kg 的抛渣药包后于掏槽孔起爆， 可保证掏槽 深度， 改善后续炮孔爆破的自由面条件， 增大了岩体碎 胀的补偿空间， 有利于获得较好的爆破效果。 （3） 在节理裂隙发育的岩体中采用光面爆破既 能减少超欠挖， 获得较平整的开挖壁面， 又能避免爆 破作用对围岩的过大扰动， 保证围岩的连续性和稳 定性。 （4） 与桩孔开挖爆破前的围岩声波速度相比， 爆破后相同测点的岩体声波速度并不是完全呈现下 降的趋势， 桩孔开挖爆破后各测点处的波速下降率 基本上均小于 10， 且围岩波速的平均下降率 374， 远小于技术规范规定的 10的声波下降率 量化标准。 参考文献 （References） ［1］ 李辉红 曼哈顿大厦桩孔爆破技术 ［j］ 爆破， 1995， 12 （3） 31-32 ［1］ LI Hui-hong Technology of pile hole blasting in the Man- hattan building ［j］ Blasting， 1995， 12 （3） 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