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(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室， 武漢 430010)

1 研究背景

隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，水利資源顯現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)趨勢，與之相關(guān)的地下工程呈現(xiàn)出大規(guī)模大埋深的特點。以雅礱江錦屏一級、二級及南水北調(diào)西線為代表的西部水利水電工程在高山峽谷和深部巖體中修建，具有超長、大埋深、超高地應(yīng)力、超高外水壓等特點，如錦屏二級引水隧洞單洞長16.6 km，一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深2 525 m，最大埋深處地應(yīng)力達70 MPa，最大外水壓力10.2 MPa，施工中的巖爆、突水事件頻現(xiàn)。大渡河丹巴電站引水線路圍巖垂直埋深一般為500～800 m，最大埋深1 220 m，最大地應(yīng)力超過30 MPa，基本上與工程圍巖的強度接近，軟巖大變形問題突出。這些深部巖石工程中面臨的高地應(yīng)力、高外水壓力引起的結(jié)構(gòu)安全、巖爆、大變形等問題是近10余年來巖石力學(xué)研究的難點與熱點[1-2]。

由于賦存環(huán)境不同，與淺埋隧洞相比，深部工程巖體具有獨特的“三高與時間效應(yīng)”，即高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓力和高應(yīng)力流變等特點。開挖后巖體的力學(xué)響應(yīng)將會表現(xiàn)出與淺部巖體根本的差別，其變形和強度特性表現(xiàn)出明顯的高應(yīng)力作用效應(yīng)特征：①巖石的流變性明顯增大，即使硬巖也會因大的應(yīng)力差產(chǎn)生明顯的時效變形；②巖石強度曲線改變，在低圍壓下服從線性莫爾-庫侖強度準則的巖石，在高圍巖下存在著明顯的非線性特征；③脆性-延性轉(zhuǎn)化，在較低圍壓下強度峰值后表現(xiàn)為脆性的巖石，在高圍壓下轉(zhuǎn)化為延性；另外，深部巖石工程近場圍巖在開挖卸荷后還會產(chǎn)生明顯的瞬時變形及時效變形，難以采用傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論解釋。

針對深部地下工程的開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展前景，國家自然科學(xué)基金委員會于2003年啟動了《深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用》和《持續(xù)高應(yīng)力作用下深埋長隧洞軟弱圍巖長期變形研究》重點科研項目；2007年度啟動了雅礱江聯(lián)合基金重點項目《深部巖體工程特性的理論與實驗研究》；2010年度科技部啟動了973項目《深部重大工程災(zāi)害的孕育演化機制與動態(tài)調(diào)控理論》。依托不同的工程背景，均對深部巖石工程的力學(xué)特性開展了系統(tǒng)研究，這些研究均促進了深部巖石力學(xué)特性研究及地應(yīng)力測試方法的進展。

本文重點對深部巖石試驗技術(shù)、高應(yīng)力復(fù)雜應(yīng)力路徑下的巖石力學(xué)特性、深部巖石的流變特征、深部圍巖的質(zhì)量分級與評價、地應(yīng)力測試與分析等方面研究成果的進展作簡要綜述。

2 深部巖石試驗技術(shù)

我國的水利水電工程巖石力學(xué)試驗技術(shù)主要起源于20世紀50年代后期啟動的三峽工程巖基研究，在自主創(chuàng)新、引進消化相結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出和發(fā)展了系列室內(nèi)與現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗方法，包括巖石室內(nèi)物理與力學(xué)試驗、巖體與結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場強度試驗、巖體變形特性現(xiàn)場試驗、現(xiàn)場大尺度三軸試驗、隧洞彈性抗力試驗等內(nèi)容，并編制了巖石力學(xué)試驗規(guī)程[3]。20世紀90年代以來，針對復(fù)雜條件巖石力學(xué)試驗問題，1990年許東俊等[4]研制出巖石高壓真三軸室內(nèi)試驗設(shè)備，1994年葛修潤等[5]研制出伺服性三軸與剪切試驗系統(tǒng)等設(shè)備，推動了復(fù)雜應(yīng)力條件巖石室內(nèi)試驗技術(shù)的進步。

隨著科技進步，巖石試驗設(shè)備的穩(wěn)壓系統(tǒng)采用伺服閉環(huán)控制、滾珠絲杠和液壓相結(jié)合開始成為主流。在巖石力學(xué)室內(nèi)試驗技術(shù)發(fā)展上，為了研究高應(yīng)力并增強成果代表性，試驗設(shè)備向大尺寸、高噸位方向拓展。例如，同濟大學(xué)2002年研制出巖石雙軸流變試驗機，垂直軸方向的最大加載壓縮力為500 kN，最大加載拉伸力為250 kN，水平軸方向的最大加載壓縮力為300 kN，立方體試樣尺寸可達30 cm[6]；長江科學(xué)院2004年與廠家聯(lián)合研制出TLW-2000型巖石三軸蠕變試驗儀，圍壓達70 MPa，軸向荷載達2 000 kN，最大試樣尺寸為Φ100 mm×200 mm[7]。針對深部巖體的高溫、高滲透壓力等特點，趙陽升等[8]研制出20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機，該試驗系統(tǒng)最大軸壓和側(cè)壓達10 000 kN，最高加熱溫度600℃，試件尺寸Φ200 mm×400 mm。在節(jié)理剪切-滲流耦合試驗方面，也有重要進展[9]。

針對錦屏二級引水隧洞等工程現(xiàn)場高應(yīng)力條件下的巖石力學(xué)試驗技術(shù)，長江科學(xué)院在高應(yīng)力條件下的現(xiàn)場三軸試驗及流變試驗技術(shù)方面取得研究進展。2010年張宜虎等[10]研制出YXSW-12型微機控制現(xiàn)場巖體真三軸伺服試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供15 MPa圍壓和20 MN軸向載荷，試樣尺寸50 cm×50 cm×100 cm，可獲得高壓真三軸復(fù)雜應(yīng)力路徑條件的全過程應(yīng)力-應(yīng)變試驗曲線。在現(xiàn)場巖體流變試驗方面，研制出RXZJ-20000型微機伺服控制巖體真三軸流變試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高應(yīng)力、大尺寸、實時采集等特點[11]。

總體而言，在模擬深部巖石力學(xué)特性的研究方面，室內(nèi)試驗設(shè)備發(fā)展相對成熟，變形測試精度高，現(xiàn)場試驗設(shè)備因荷載大，運行環(huán)境惡劣，設(shè)備的可靠性與測試設(shè)備的穩(wěn)定性需要進一步研究。

3 高應(yīng)力復(fù)雜應(yīng)力路徑下的巖石力學(xué)特性

主要針對錦屏引水隧洞等深埋隧洞工程的深部巖體力學(xué)特性問題，基于MTS和RMT等高應(yīng)力巖石力學(xué)伺服型試驗系統(tǒng)，開展了大量的高應(yīng)力加卸載復(fù)雜應(yīng)力路徑條件巖石的變形破壞規(guī)律及非線性強度特性研究。在高應(yīng)力條件下的試驗中，室內(nèi)巖石試樣三軸試驗最大圍壓可達150 MPa，軸向壓力5 000 kN。現(xiàn)場高應(yīng)力條件下的力學(xué)試驗，大試件巖樣圍壓可達15 MPa, 軸向載荷水平達30 000 kN。

下面介紹一些典型的研究成果。 高春玉等[12]利用錦屏一級水電站的大理巖試件進行了加載和卸載條件下的系列三軸試驗， 對大理巖在加、 卸載條件下的力學(xué)參數(shù)進行了計算整理，揭示了大理巖在加、 卸載條件下力學(xué)特性的差異； 周宏偉等[13]通過巖塊實驗， 研究深部巖體在高圍壓作用下脆性變形向延性變形的轉(zhuǎn)化點; 陳景濤等[14]針對拉西瓦新鮮花崗巖， 在設(shè)定的加載方式下， 通過真三軸試驗?zāi)M了高地應(yīng)力條件下地下工程開挖引起的復(fù)雜應(yīng)力路徑的演化規(guī)律； 李宏哲等[15]對大理巖開展卸圍壓破壞及卸圍壓多級破壞試驗， 討論了其變形特性的差異性， 表明卸荷更容易導(dǎo)致巖石破壞； 汪斌等[16]針對錦屏引水隧洞大理巖， 利用MTS試驗系統(tǒng)對巖石試樣開展了單軸加載全過程， 單軸加-卸載循環(huán)全過程試驗， 高應(yīng)力三軸壓縮試驗以及高應(yīng)力條件下的峰前、 峰后卸圍壓4種不同應(yīng)力路徑的試驗，得到了應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線、 變形破壞特征和主要力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律； 黃潤秋等[17]基于室內(nèi)三軸卸荷試驗及破裂斷口SEM細觀掃描分析， 研究了高應(yīng)力條件下不同卸載速率對大理巖的變形與破壞過程的影響規(guī)律； 周火明等[18]在錦屏引水隧洞平洞內(nèi)，進行大理巖原位高壓真三軸卸載試驗， 開展了大尺度(50 cm×50 cm×100 cm)、高應(yīng)力(σ2=11.2 MPa)、 真三軸卸σ3的力學(xué)試驗， 獲得了真三軸卸載條件下巖體的強度參數(shù)； 陳衛(wèi)忠等[19]對大理巖進行三軸試驗和峰前、 峰后卸圍壓試驗， 提出用非線性冪函數(shù)型Mohr強度準則反映大理巖峰前、 峰后卸圍壓的強度特征； 汪斌等[20]基于室內(nèi)巖石三軸加、卸載力學(xué)試驗， 研究了高應(yīng)力條件及應(yīng)力路徑對巖石強度參數(shù)的影響規(guī)律。 研究表明， 在高應(yīng)力加載和卸載應(yīng)力路徑下的巖石破壞的強度判據(jù)可采用冪函數(shù)型Mohr準則來描述。

4 深部巖石的流變特征

流變性質(zhì)是指材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨時間變化的性質(zhì)。材料變形與強度特性隨時間變化的現(xiàn)象稱為流變。大量的工程現(xiàn)場測量與試驗結(jié)果表明，軟弱巖石以及含有泥質(zhì)充填物和夾層破碎帶的巖體，其流變特性通常比較顯著。堅硬巖體，若受多組節(jié)理裂隙切割，或在高應(yīng)力作用下，也需要考慮巖體流變的影響。因此，巖石流變性質(zhì)的研究是巖石力學(xué)特性研究的重要內(nèi)容。

孫鈞[21]就巖石流變力學(xué)及其工程應(yīng)用研究的若干進展問題，圍繞軟巖和節(jié)理發(fā)育巖體的流變試驗、流變模型辨識及其參數(shù)確定、高應(yīng)力隧洞圍巖非線性流變、巖石流變損傷與斷裂及其相關(guān)應(yīng)用等進行了系統(tǒng)梳理和總結(jié)。近年來，圍繞錦屏水電站等高應(yīng)力條件下的巖石流變力學(xué)問題，在高應(yīng)力條件下復(fù)雜加卸載路徑室內(nèi)流變力學(xué)試驗、現(xiàn)場流變試驗、巖石流變力學(xué)特性及非線性流變模型研究及參數(shù)辨識等方面，取得一些研究進展，尤其是針對深部巖石的流變特征，開展流變規(guī)律的非線性描述和考慮卸荷特點的流變試驗等方面成果較多。

以下介紹一些代表性成果：曹樹剛等[22]針對巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變試驗過程，分析巖石試驗裂隙的擴展與破壞，反映巖石黏滯系數(shù)由大到小的變化規(guī)律，據(jù)此將常參數(shù)流變模型中的粘滯系數(shù)改為與巖石變形特性及時間相關(guān)的變量，構(gòu)建相應(yīng)的非線性黏塑性流變模型；徐衛(wèi)亞等[23]將非線性黏塑性體與5元件線性黏彈性模型串聯(lián)，建立了1個由7元件組成的非線性黏彈塑性流變模型，通過改變參數(shù)取值，可以反映巖石流變3個階段的流變特性，并基于試驗得到的綠片巖三軸流變試驗曲線，驗證了模型的合理性；朱杰兵等[24]以錦屏引水洞綠砂巖為對象，采用恒軸壓、逐級卸圍壓的應(yīng)力路徑開展室內(nèi)巖樣的流變試驗，研究巖石在高應(yīng)力(最大圍壓40 MPa)卸載條件下的流變特性，并探討了考慮損傷演化條件下的非線性損傷黏彈性Burgers模型的建立問題。

熊良宵等[25]對Bingham體的線性黏滯體進行修正，將黏滯系數(shù)轉(zhuǎn)換為時間及應(yīng)力的衰減函數(shù)，并與線性黏彈性流變模型組合，形成能反映加速蠕變的非線性黏彈塑性流變模型，基于砂板巖的室內(nèi)蠕變曲線，對所建立的流變模型進行了驗證；沈明榮等[26]對錦屏二級含綠片巖軟弱結(jié)構(gòu)面的大理巖試樣進行了加載剪切流變試驗，研究了不同法向應(yīng)力條件下巖體結(jié)構(gòu)面的蠕變力學(xué)特性及其規(guī)律，并討論了利用改進的非線性Burgers模型描述結(jié)構(gòu)面蠕變特性的適用性；夏才初等[27]對現(xiàn)有的參數(shù)非線性流變力學(xué)模型及其建立的方法進行了系統(tǒng)的總結(jié)，提出了處理參數(shù)非線性理論流變模型的3種方式。長江科學(xué)院鄔愛清等[28]針對錦屏電站的錦屏T2b大理巖、T1綠片巖以及T2y大理巖等，開展了室內(nèi)高應(yīng)力下三軸壓縮與三軸卸荷流變、單軸壓縮流變、結(jié)構(gòu)面剪切流變及現(xiàn)場三軸流變等試驗，重點研究了工程圍巖在高應(yīng)力及復(fù)雜路徑條件下巖石的流變特性，在通過高應(yīng)力條件下的試驗手段揭示深部巖體流變特性方面取得較為系統(tǒng)的研究成果。

5 深部圍巖的質(zhì)量分級與評價

目前，我國針對工程圍巖分類主要采用水電圍巖分類HC法、巴頓等人建立的Q系統(tǒng)法、Bieniawski提出的RMR法、國標BQ法等。而深部地下工程巖體具有的高地應(yīng)力、高地溫、高滲透水壓等特點。就應(yīng)用效果而言，以上幾種方法的適應(yīng)性，在學(xué)術(shù)及工程應(yīng)用上，存在各類不同的觀點，部分應(yīng)用成果表明，巖體評價結(jié)果與現(xiàn)場實際相差較大?；谏畈康叵鹿こ炭辈旒癟BM施工的要求，在上述分級方法的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者針對深部工程的具體特點開展了相應(yīng)的分級修正方法研究，取得一些研究進展。

以下介紹一些典型成果：王廣德等[29]結(jié)合錦屏引水隧洞的圍巖分級實踐，通過引入地應(yīng)力修正系數(shù)、巖爆烈度、水力劈裂的臨界水頭壓力等，建立了反映高地應(yīng)力、高外水壓力特色的圍巖分類方法——深埋隧洞圍巖分類方法 JPHC分類；劉業(yè)科等[30]以RMR分級為基礎(chǔ)，通過引入水弱化修正系數(shù)RW、熱弱化修正系數(shù)Rθ、巖石流變?nèi)趸拚禂?shù)Rt對巖石的單軸抗壓強度σc進行修正，同時增加地應(yīng)力修正項P7，并對分類指標P1，P2，P3和P7進行連續(xù)性修正，建立深部巖體工程圍巖分類修正RMR系統(tǒng)；劉現(xiàn)春等[31]針對西南某電站引水隧洞TBM施工中的圍巖質(zhì)量分類問題，發(fā)現(xiàn)TBM施工方法對結(jié)構(gòu)面的節(jié)理組數(shù)，節(jié)理間距等揭露不充分，在Q系統(tǒng)基礎(chǔ)上對該系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整，建立適合TBM施工的JPQT系統(tǒng)，經(jīng)應(yīng)用檢驗，JPQT系統(tǒng)在TBM開挖引水隧洞適用性較好；鄔愛清等[32]在國標《工程巖體分級標準》修訂的基礎(chǔ)上，通過對與國標相關(guān)的各類文獻成果的整理分析，研究了國標BQ法、RMR法、Q系統(tǒng)及水電工程HC法等方法的相關(guān)性，國標對包含高應(yīng)力條件在內(nèi)的工程巖體質(zhì)量評價中的應(yīng)用效果，對高應(yīng)力條件下的工程巖體分級問題進行了討論。

盡管如此，國內(nèi)外尚無公認的適用于深埋地下工程圍巖質(zhì)量分級的統(tǒng)一標準，對于高應(yīng)力、高外水壓力、高地溫等賦存環(huán)境下的洞室圍巖質(zhì)量評價及圍巖分級問題屬前沿性研究課題。

6 地應(yīng)力測量方法與測試技術(shù)進展

巖體中初始地應(yīng)力的存在以及巖體應(yīng)力對巖體工程的重要影響， 是巖石力學(xué)有別于其他學(xué)科的重要特征。 通過一定測試方法和分析手段， 獲得工程所在部位巖體初始應(yīng)力及應(yīng)力場特征， 是巖石力學(xué)的重要研究內(nèi)容。目前， 工程上普遍采用的應(yīng)力測量技術(shù)為鉆孔應(yīng)力測量， 包括套鉆孔應(yīng)力解除法和水壓致裂法等方法。 巖體初始應(yīng)力測量方法與測試技術(shù)進展主要體現(xiàn)為： ①通過測試方法的改進， 使得巖體應(yīng)力測量對鉆孔地質(zhì)條件的適應(yīng)性更強； ②通過對水壓致裂方法的研究和改進， 獲得巖體三維應(yīng)力測量的測試方法； ③高應(yīng)力條件下的地應(yīng)力測量問題； ④千米級及以上深度巖體初始應(yīng)力測量問題。

6.1 鉆孔應(yīng)力解除法方面的進展

劉允芳等[33-34]對深鉆孔三維應(yīng)力解除法進行了改進和發(fā)展。該方法在20世紀80年代引進瑞典深孔水下三向應(yīng)變計鉆孔孔壁應(yīng)變解除法基礎(chǔ)上，自行研制CKT-1型水下粘結(jié)計，并將空心包體式三向應(yīng)變計替代原水下應(yīng)變計，形成了地質(zhì)適應(yīng)性更強的深鉆孔三維應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量方法，相繼在三峽以及廣蓄、惠州及陽江等抽水蓄能電站中得到應(yīng)用，最大測試深度達365 m。葛修潤等[35]研發(fā)了三維地應(yīng)力BWSRM 測量方法及其測井機器人，提出了鉆孔局部壁面應(yīng)力解除法(BWSRM)三維地應(yīng)力測量方法的原理，以及基于BWSRM方法的地應(yīng)力測井機器人，并在錦屏水電站引水隧洞試驗平洞內(nèi)得到應(yīng)用。

6.2 水壓致裂地應(yīng)力測量方法及技術(shù)上的進展

劉允芳[36]提出了利用鉆孔中原生裂隙的重張試驗，在單鉆孔中進行水壓致裂法的三維地應(yīng)力測量原理和計算方法。劉允芳等[37]提出的水壓致裂三孔交匯三維地應(yīng)力測量方法應(yīng)用于水布埡地下廠房實際工程的地應(yīng)力測量，并對水壓致裂測量經(jīng)典理論成果進行了對比分析與討論。蔡美峰等[38]為實現(xiàn)厚度達700 m煤田上覆層的巖體應(yīng)力測量，對傳統(tǒng)水壓致裂法測量方法和設(shè)備進行了改進，增強測量系統(tǒng)的耐壓能力，提高相關(guān)測試精度，使得地應(yīng)力測試深度超過1 100 m，最大測量深度1 105 m，創(chuàng)造了國內(nèi)水壓致裂地應(yīng)力鉆孔測試的新記錄。馬鵬等[39]針對錦屏二級水電站引水隧洞超高地應(yīng)力的特點，研制出最大測試壓力為100 MPa的水壓致裂法地應(yīng)力測試系統(tǒng)，已完成現(xiàn)場6組三維地應(yīng)力的測試，單孔實測最高巖體致裂壓力達92.1 MPa。

6.3 其它測試方法上的進展

林為人[40]針對以科學(xué)研究為目的的深鉆孔地應(yīng)力測量問題，提出了結(jié)合鉆孔法和巖芯法獲得三維地應(yīng)力的大小和方向的測試方法-非彈性應(yīng)變恢復(fù)量測法，并給出了具體應(yīng)用實例(巖樣獲取深度783 m)，該方法可作為鉆孔解除法及水壓致裂法的一種有效補充。B.C.HAIMSON[41]提出了一種測量深部垂直鉆孔中3個初始主應(yīng)力的混合方法，該方法利用鉆孔崩落的定向圖像及鉆孔巖樣強度特性，建立極限平衡方程，由此獲得鉆孔最大主應(yīng)力。

7 存在的問題與展望

盡管圍繞上述深部巖石工程科學(xué)問題在理論和應(yīng)用方面已取得了大量和富有成效的成果，但巖土體本身的復(fù)雜多異性和地下工程日益超大規(guī)?；S多理論方法還有待進一步提高，很多問題還需要進一步地深入研究。

(1) 高地應(yīng)力下巖石類工程介質(zhì)材料本構(gòu)模型的研究是合理分析地下工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題，而這一特殊環(huán)境下洞室開挖擾動導(dǎo)致了圍巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了明顯的劣化和彈脆性破損。因此，如何考慮圍巖變形破壞過程中巖體力學(xué)參數(shù)的變化過程，以及如何反映巖體的彈脆塑性力學(xué)行為的硬巖本構(gòu)模型特別是峰值后應(yīng)力下降段的力學(xué)行為還需要進一步研究。

(2) 地下工程洞室開挖對圍巖的擾動是一個動態(tài)過程，故圍巖二次應(yīng)力場調(diào)整也是一個動態(tài)過程，二次應(yīng)力場這種變化特性對圍巖的損傷破壞也是動態(tài)變化的。因此，采用合適的指標用以描述二次應(yīng)力大小、方向和彈性勢能的改變，分析對圍巖損傷的影響過程和影響程度，并在此基礎(chǔ)上評價和預(yù)測圍巖的穩(wěn)定性，以及變形機理和破壞模式還有待進一步研究。

(3) 計算參數(shù)取值一直是困擾巖土工程數(shù)值模擬的“瓶頸”。如何吸取現(xiàn)有優(yōu)化算法，系統(tǒng)地形成巖體參數(shù)反分析思路，并結(jié)合工程現(xiàn)場多種監(jiān)測信息，獲得對數(shù)值分析正確性影響最為明顯的巖體等效參數(shù)值，是數(shù)值模擬方法較好地服務(wù)工程建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。

(4) 地應(yīng)力測量方法和技術(shù)方面，現(xiàn)深部地應(yīng)力直接測量主要是水壓致裂法，國外改進設(shè)備測深達9 000 m，而我國目前最大測深約千余米，需對傳統(tǒng)水壓致裂設(shè)備升級改造，研制耐高溫高壓的封隔器以及深孔成像技術(shù)，并從理論上建立考慮巖體非線性、孔隙彈性效應(yīng)的破裂準則。另外，由于軟巖或破碎巖體非線性和非連續(xù)性突出，現(xiàn)仍無有效測量方法。軟弱破碎巖體地應(yīng)力測量研究也將是今后的研究重點。

(5) 針對滿足當(dāng)前水利資源配置需求的長距離調(diào)水問題，研究以線路鉆孔勘察為主要手段的基于鉆孔條件下的巖體特性測試與評價方法，也是深部巖石力學(xué)特性研究的一種新的需求。

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