Geomecanica Aplicada a Excavaciones en Roca Para Obras Viales

Congreso Internacional deXIV Infraestructura Vial& Expo Vial y TransporteLima, 21 y 22 de Agosto 2015

INSTITUTO DE LA CONSTRUCCIÓN Y GERENCIA – ICGe-mail: [email protected] / Web: www.construcción.org

XIV Congreso Internacional Infraestructura Vial & Expo Vial y Transporte 2015

XIV& Expo Vial y TransporteInfraestructura Vial

Congreso Internacional de

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1. Introducción2. Objetivos3. Metodología

3.1. Análisis de variables de la excavación3.1.1. Variables Geológicas.3.1.2. Variables operativas o controlables

4. Interrelación de variables geológicas y operativas5. Resultados6. Conclusiones

CONTENIDO

GEOMECANICA APLICADA A EXCAVACIONES EN ROCA PARA OBRAS VIALESGEOMECANICA APLICADA A EXCAVACIONES EN ROCA PARA OBRAS VIALES

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La excavación en roca para obras viales

requiere generar taludes con pendientes que

sean estables por muchos años; sin

embargo debido al desconocimiento de la

complejidad del macizo rocoso, hace que

varíen los parámetros geomecánicos no

previstos en el estudio y diseño, que luego

influyen de manera decisiva en los

resultados de la excavación con explosivos.

Por tanto las secciones previstas en el

diseño no se reflejan durante la excavación,

muy por el contrario se transforman en

taludes inestables que ocasionan sobre -

excavación, incremento de costos, etc.


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- Verificación de las condiciones geomecánicas del macizo rocoso, antes y

durante la excavación.

- Análisis teórico practico del fracturamiento y derivación de los tipos de falla

en el macizo.

- Estimar la relación directa de las operaciones de excavación (perforación y

voladura) con los parámetros geomecánicos del macizo rocoso.

- Verificación y control de las condiciones geomecánicas del macizo durante y

después de la excavación, para disminuir los daños por efectos de la voladura.

GEOMECANICA APLICADA A EXCAVACIONES EN ROCA PARA OBRAS VIALES

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MACIZO ROCOSO MASIVO LIGERAMENTE FRACTURADO

MACIZO ROCOSO MODERADAMENTE

FRACTURADO

1 metro

1 metro





MACIZO ROCOSO MUY FRACTURADO

1 metro

1 metro

MACIZO ROCOSO FRACTURADO


MACIZO ROCOSO INTENSAMENTE FRACTURADO

MACIZO ROCOSO TRITURADO A SUELO RESIDUAL

1 metro






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ɸj < α < β ɸj = Angulo de fricción interna del macizo rocoso

en la superficie de rotura.α = Buzamiento de la fractura (ángulo vertical), es

mayor que su ángulo de fricciónβ = Angulo vertical del taludLa orientación de las fracturas deben ser no mas de 20° respecto a la orientación del plano de talud.

(90º - Ψp) ≤ (Ψf - ɸp)Ψp = Buzamiento de los estratos (ángulo vertical)Ψf = Buzamiento del plano de talud (ángulo vertical)ɸp = Angulo de fricción del plano de fracturasLa orientación de las fracturas deben ser algoparalelas al plano del talud

β > α > ɸjβ = Inclinación del talud (vertical) α = Inclinación de la línea de intersección (ángulo

vertical) ɸj = Angulo de fricción del macizo rocosoLa inclinación de la línea de intersección debe ser menor que la inclinación del talud. y mayor que su ángulo de fricción.

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También denominadas como variables no controlables, son la presencia de fracturas odiscontinuidades que pueden estar abiertas, cerradas o rellenas, que influyen de maneradecisiva en las propiedades físicas y mecánicas del macizo,

Los planos de fracturas en el macizo pueden ser de distintos tipos: estratificación, laminación,foliación primaria, esquistosidad, juntas, etc., por tanto, pueden demostrar diferentes grados detransmisión de la energía del explosivo, así como influir en la orientación de los taladros deperforación. Estas fracturas representan superficies donde se reflejan las ondas de choqueatenuando y disipando la energía producida por el explosivo.

Además, debido al desconocimiento de la complejidad e interacción natural de cada macizo rocoso, hace que varíen los parámetros geomecánicos no previstos en el estudio y diseño, que luego durante y después de la excavación (geodinámica post excavación), no se reflejan las secciones proyectadas, muy por el contrario se transforman en taludes inestables que ocasionan sobre - excavación, incrementando los costos y niveles de riesgo.

Las fracturas tienen diferentes orientaciones respecto al talud natural, que pueden intersecaro ser paralelas al talud, que pueden dar formas y volúmenes de roca dentro del macizo yque estas pueden ocasionar diferentes tipos de rotura para la inestabilidad del talud.

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Rotura tipo cuña; Mollendo -Arequipa Rotura tipo cuña, Rimac-Lima. Rotura tipo volteo. Rimac-Lima

Rotura tipo volteo, Camilaca-Tacna Rotura tipo Planar, Huaylas-Ancash Rot. tipo Planar y cuña, [email protected]





PARAMETROS FISICO MECANICOS DE LA ROCA PARA PERFORACION Y VOLADURA

Tipo de roca u origen (metamórfica, sedimentaria, ígnea e intrusiva)

Densidad o peso especifico

Dureza y tenacidad de la roca

Expansión y esponjamiento

Coeficiente de expansión

Resistencia a la compresión simple Resistencia a la tensión

Radio de Poison o radio de precorte

Frecuencia sísmica

Porosidad

Resistencia dinámica

Peso especifico aparentePropiedadesfísicas

Abrasibidad

Propiedadesmecánicas

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DiseñoAntes de iniciar el diseño y perforación es importante tomar en cuenta un elementofundamental en la planificación: el ángulo del talud existente con el ángulo de inclinación orelación de corte proyectado (Horizontal: Vertical), el cual determina la seguridad como larentabilidad de la excavación. Siendo los siguientes:

- Burden - Espaciamiento entre taladros- Diámetro y profundidad del barreno - Sub-barrenación - Tamaño y material del taco - Numero de taladros por voladura- Dirección del movimiento de la voladura

También se debe controlar el tiempo de la voladura: - Selección de retardos para lograr una voladura geométrica- Seleccionar el sistema de iniciación para lograr secuencia apropiadas de la salida de los

taladros- Diseñar un patrón que controle las vibraciones - Diseñar los tiempos adecuados para lograr la máxima fragmentación, mínimo golpe de aire, reducir el lanzamiento de roca (Flyrock) y tener control, sobre la pared del talud final.

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Perforación

Carguío e iniciación

Es una de las primeras actividades que se desarrolla en el campo, que tiene el objetivo de abrirhoyos de un determinado diámetro, longitud e inclinación, con la distribución, paralelismo ygeometría adecuada dentro del macizo rocoso, que puede ser por métodos mecánicos depercusión, rotación y roto percusión. Una vez que se ha perforado los taladros estaránpreparados para colocar los explosivos y accesorios de iniciación de la voladura (carguío).

Los sistemas de carguío e iniciación son dispositivos que permiten transferir una señal a cadahoyo en un tiempo determinado para iniciar la detonación. La selección apropiada de unsistema de iniciación es un factor muy crítico e importante para el éxito de una buena voladura,porque no solo controla la secuencia de iniciación de cada hoyo, sino que también afecta:• La cantidad de vibraciones generadas• La cantidad de fragmentación producida• El sobre quiebre y la violencia con que esto ocurre

Empleando un cebo o prima el cual es un conjunto formado por un cartucho de dinamita,emulsión o hidrogel sensible al fulminante, al que se le ha insertado un fulminante, undetonador eléctrico, o un extremo de cordón detonante y que se utilizan para activar e iniciarla detonación de la carga explosiva principal en un taladro de voladura.

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En la figura, se presenta la relación de las diferentes dimensiones que se usan en el diseño de la malla de perforación y voladura, se muestra en una vista geométrica, con las variables que intervienen y sobre las cuales se tienen control.

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El mecanismo de rotura pasa por 5 faces iniciando con la detonación del explosivo, la alta presión producida, supera la resistencia a la compresión de la roca, produciendo un fenómeno de trituración y pulverización. La presión asociada con la onda de choque llega a una cara libre a través de la línea de menor resistencia (Burden), ella es reflejada, lo cual hace que la presión decaiga, dando paso a una onda de tracción. Esta onda viaja hacia la roca, y como esta es menos resistente a la tracción que a la compresión se produce el proceso de fragmentación de la roca.

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Efectos de la Voladura


En general, las voladuras generan vibraciones en el macizo rocoso, las cuales pueden tenerdiferentes mecanismos de daño producto de la voladura y tienen efectos realmente nocivosen la estabilidad del macizo rocoso, generan zonas de daño producido según el tipo de roturapresente. Adicionado a esta las malas técnicas de perforación y voladura, producirán efectosde grado considerable en la estabilidad del talud. Por tanto los daños y efectos inducidos enel macizo rocoso por la voladura serán:

• Generación de nuevas fracturas a las existentes. • Apertura de discontinuidades pre - existentes.• Reducción de la resistencia al corte de las discontinuidades.• Degradación de la Calidad Geomecánica del Macizo Rocoso.• Activación de Energías Geodinámicas presentes en el macizo rocoso.• Las voladuras generan daños, dado que estas son fuentes sísmicas y liberan gases a través

de fracturas.• A medida que las vibraciones actúan generan continuas deformaciones a la roca, que se

traduce en tracciones, compresiones y esfuerzos de corte dinámicos. Pueden generar un nivel de deformaciones que supere la resistencia de la roca, por lo que se producirá daño.

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Problemas principales en las operaciones de perforación y voladura


• Incumplimiento del diseño de malla de perforación, se tiene un diseño para diferentes tipos deroca, sin embargo esta no se cumple por factores de tiempo y costo. Deficiencia en el modo deperforación, por falta de paralelismo de los taladros, longitud incompleta de los taladrosperforados, variaciones en la inclinación de los taladros, inadecuada cara libre o insuficientestaladros de alivio, inadecuado espaciamientos y Burden.

• Deficiencias en el secuenciamiento de los tiempos en la malla de la voladura, la secuenciade los tiempos de retardo en los faneles debe iniciarse siempre desde la cara libre y en ordenprogresivo hasta el último grupo de taladros que explosionara, para aprovechar unaadecuada distribución de la energía en la malla de voladura.

• Mala distribución de la carga explosiva cuando las discontinuidades son subverticales y ladirección de salida es normal a la de éstas, pues es frecuente la sobre-excavación detrás de laúltima fila de barrenos, lo cual obliga a una perforación inclinada para mantener la dimensióndel Burden en la primera línea.

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4. INTERRELACIÓN DE VARIABLES GEOLÓGICAS Y OPERATIVAS


Se describe la relación que debe existir entre las condiciones del terreno rocoso, los elementos básicos de la geomecánica del macizo, versus las condiciones de operación. Buscando que los daños deben extenderse hasta un rango o área permisible para concluir en una excavación estable, considerando lo siguiente:

• Se debe tener clara diferencia entre una muestra de roca y un macizo rocoso, para las pruebas mecánicas de laboratorio se utilizan muestras; pero los resultados en el macizo son influenciados por la presencia de fracturas. Por tanto los parámetros mecánicos de una muestrapueden resultar altos mientras que la de la masa rocosa puede ser muy bajos.

• Cuando las fracturas forman (rotura en cuña) con ángulos suplementarios, se origina liberación desigual de energía del explosivo, llegando la roca a fragmentarse excesivamente en las zonas con ángulos agudos y produciendo grandes bloques en las zonas con ángulos obtusos.

• Cuando las fracturas son sub-verticales (rotura de volteo), la perforación debe ser inclinada y laúltima fila de barrenos debe estar ligeramente alejada de la sección de proyecto, para evitar la sobre-excavación en el talud final.

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• En macizos rocosos muy fracturados (espaciamiento < 20cm) o menos de tres familias defracturas, las vibraciones de la voladura se propagara a través de las fracturas einducirá a la inestabilidad de la excavación.

• La demarcación de los puntos a perforar asegura que el espaciamiento y el Burden seanuniformes y adecuados, además de que permite delimitar la sección a perforar y que la cargaexplosiva y su energía se distribuyan de manera uniforme.

• Se debe minimizar el daño al macizo rocoso en su entorno, protegiendo la integridad de losbancos y la estabilidad del talud.

• Control de vibraciones, cuyo objetivo es es el cálculo de las cargas que garanticen que nohabrá repercusión de daños sobre estructuras próximas.

• La energía explosiva ocasiona alteración al macizo rocoso circundante a la voladura.Existen técnicas para controlar el daño. Un precorte debe ir acompañad de buenasvoladuras controladas.

• Sin embargo, se considera que por el momento no hay explosivo que no genere vibración,que al final de la excavación siempre existirá la zona de daño; pero que esta no debe extendersede los límites permisibles y que dependerá de las características del terreno y el métodoo procedimiento de excavación.

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PARAMETROS GEOMECANICOS DETERMINANTES DEL RMR Y USADOS EN EL DISEÑO DE PERFORACION Y VOLADURA

• RESISTENCIA UNIAXIAL DEL FRAGMENTO DE ROCA INTACTA (MPa)• ESPACIAMIENTO O SEPARACION ENTRE FRACTURAS (m)• GRADO DE FRACTURAMIENTO (RQD)%• LA ORIENTACION DE LAS FRACTURAS• LONGITUD O CONTINUIDAD DE LAS FRACTURAS (m)• ABERTURA DE LAS FRACTURAS (mm)• RELLENO DE LAS FRACTURAS (arenas, arcillas)• EXISTENCIA DE AGUA SUBTERRANEA

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PARAMETROS GEOMECANICOS

1.- ( Rc ) Resistencia de la matriz rocosa en MPa

2.- (RQD) Grado de Fracturamiento en %

3.- (S) Separación entre fracturas en m.

4.- (J) Estado o condición de las fracturas A- Longitud o continuidad de la fractura (m)B- Abertura de la fractura (mm)C- Relleno de la fracturaD- Rugosidad de la pared de la fracturaE- Alteración de la pared de la fractura

5.- (W) Agua subterránea

(Unidad) Mpa % (m) (-) (-)

RMRb = Rc + RQD + S + J + WPuntuación (0-15) + (3-20) + (5-20) + (0-30) + (0-15)

RMR = RMRb + A

Donde: RMRb = RMR básicoA = Ajuste por orientación de

Fracturas, con valores de 0 a -60 para taludes


CLASIFICACION GEOMECANICA RMR ( Valoración del Macizo Rocoso)




RESULTADOS


PARAMETROS Y UBICACIONREGISTRO DE MACIZO -1 REGISTRO DE MACIZO -2 REGISTRO DE MACIZO -3

Condiciones Puntuación Condiciones Puntuación Condiciones Puntuación

(Rc) Resistencia de la matriz rocosa (MPa) 70 7 125 - 159 12 97 - 153 7 - 12

RQD (%) 60 13 81 - 92 17 - 20 94 - 98 20

(S) Espaciamiento (m) 1.0 15 - 0.25 – 1.0 10 - 15 0.70 – 1.10 15

(J) Estado de las fracturas 13 13 17 - 24 15 - 24 17 - 19 17 - 19

(W) Agua freática Húmedo 3 Seco 15 Seco 15

RMR básico - 58 - 69 - 86 - 71 - 76

(A) Ajuste orientación de Fr. Media -7 Media -5 Favorable -2

RMR total 51 64 - 81 69 - 72

Clase III (Media) II – I (Buena a muy buena) II (Buena)

Tipo de roca Andesita Dacita Dacita

Tamaño de bloques Pequeño Mediano a grande Mediano

Dureza y abrasibidad - Muy dura y algo abrasiva Muy dura y algo abrasiva

Ubicación de los registros De 15 a 50m alejadas del muro perimétrico

A 2m del muro perimétrico (corte)

A 2m del muro perimétrico (corte)

Nº de zonas registradas 03 04 04

Criterio de excavación Mecánico y voladura Voladura Voladura



Del análisis de variables geológicas y operativas, para mejorar el diseño y la estabilidad durantela ejecución de la excavación, se debe priorizar lo siguiente:

• El estudio y diseño debe aportar más información geotécnica con respecto a las variables de terreno como es el fracturamiento y los parámetros del macizo, para la excavación con explosivos.

• Antes de efectuar el diseño de la malla de perforación, se debe establecer el replanteo geo-estructural y orientación de las fracturas respecto a la orientación del frente de excavación.

• En macizos con fracturamiento leve a moderado, el espaciamiento (E) estimado entre taladros, debe tener relación directa con el espaciamiento de las fracturas. En macizos muyfracturados, el espaciamiento entre taladros debe ser amplio para una baja fragmentación.

• Si la voladura bajo cualquiera de las condiciones conduce a resultados desfavorables, puedeser necesario reorientar el frente a fin de sacar las ventajas geológicas más favorables; pero, si estos cambios no son posibles, las condiciones operativas debe tomar interés en estos factores. Al estimar una relación entre las variables geológica y operativa se minimizara el daño al macizo y su entorno protegiendo la integridad de los bancos y la estabilidad de lostaludes.





• Se deben efectuar controles o evaluaciones diarias, durante y después de laexcavación, verificando el grado de fracturamiento y espaciado promedio entrefracturas paralelas, registro de fracturas con orientación respecto a la orientación deltalud, dureza y alterabilidad de la roca, abertura y relleno de las fracturas, registro defracturas originadas por la voladura y las preexistentes, presencia de fracturas en la coronadel talud, formas de volumen de roca dentro del macizo que genera los tipos de roturapara estimar la estabilidad post-voladura. Ver cuadro de evaluación diaria de excavación.

• Al estimar una relación entre las variables geológica y operativa se minimizara el daño almacizo y su entorno protegiendo la integridad de los bancos y la estabilidad de los taludes.

• Se deben efectuar controles o evaluaciones diarias, durante y después de la excavación,verificando el grado de fracturamiento y espaciado promedio entre fracturas paralelas,registro de fracturas con orientación respecto a la orientación del talud, dureza yalterabilidad de la roca, abertura y relleno de las fracturas, registro de fracturasoriginadas por la voladura y las preexistentes, presencia de fracturas en la corona del talud,formas de volumen de roca dentro del macizo que genera los tipos de rotura paraestimar la estabilidad post-voladura. Ver cuadro de evaluación diaria de excavación.

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RELACION DE LOS PARAMETROS GEOMECANICOS DEL RMR CON LA PERFORACION Y VOLADURA

PARAMETROS GEOMECANICOS DE LA VALORACION RMR

PARAMETROS DE PERFORACION Y VOLADURA

EFECTOS DE LA PERFORACION Y VOLADURA

OBJETIVOS DE LA PERFORACION Y

VOLADURA

Resistencia de la matriz rocosa (MPa)

- Diámetro de perforación- Sobre perforación

- Abrasividad- Desgaste de brocas- Velocidad de perforación- Diseño de carga- Vida útil de la broca

- Adecuada fragmentación y apilamiento- Evitar daños del macizo por efectos de vibración

- Obtener la geometría perfilada en el diseño

- Grado de seguridad del personal y los equipos

Grado de fracturación (RQD) %- Frecuencia de fracturas- Espaciamiento de taladros- Burden- Altura de banco- Altura de taladro-Tipo de explosivo -Velocidad sísmica del macizo rocoso

- Tamaño de bloque- - Diseño de malla- Índice de volabilidad- Consumo especifico de explosivos- Secuencia de salida del disparo o arranque-Atenuación de la velocidad de propagación de las ondas de tensión y compresiónragmentabil

Espaciamiento entre fracturas (m)

Estado de las fracturas(persistencia, abertura, relleno, alteración, rugosidad). orientación

Agua subterránea (seco a flujo de agua) - Tipo de explosivo -





CONSIDERACIONES GEOEMECANICAS QUE INFLUYEN EN EL COSTO Y RENDIMIENTO DE PERFORACION Y VOLADURA

RMR PARAMETROS GEOMECANICOS COSTO RENDIMIENTO

II - I

Resistencia mayor de 100 MPa Se incrementa- Costo de perforación,- Explosivo- Consumo de explosivo por m3

o tonelada de roca movible- Mayor cantidad de taladros.

A menor velocidad promedio de perforación, mayor tiempo de perforación

RQD mayor de 80%

Espaciado entre fracturas mayor de 1.0m

Longitud de fracturas menor de 2m

IV - III

Resistencia menores de 100 MPa

Disminuye- Costo de perforación- Menor cantidad de explosivos- Consumo de explosivo por m3

- Menor cantidad de taladros.

A mayor velocidad promedio de perforación, menor tiempo de perforación

RQD menores de 80%

Espaciado entre fracturas menores de 1.0m

Longitud de fracturas mayores de 2m

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FORMATO DE EVALUACIÓN GEOTÉCNICA DIARIA POST - VOLADURA, PARA EVALUACIÓN DE ESTABILIDAD PRELIMINAR

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Evidencias de una buena voladura conTaladros de precorte y menor daño ocasionado

Talud final con huellas buena y mala con precorte y sin precorte

La voladura y fragmentación del ayer, sin considerar los parámetros geomecánicos [email protected]



6. CONCLUSIONES6. CONCLUSIONES

• Toda fractura en el macizo rocoso se caracteriza por su inclinación y dirección, son intrínsecas y por tanto inmodificables. Las variables operativas son fácilmente modificables a criterio del diseñador.

• Para que la excavación tenga estabilidad, debe darse interés a las variables geológicas comola inclinación y dirección de las fracturas, inclinación y dirección del frente, ángulo entre la dirección del frente de excavación y la dirección de las fracturas.

• Dentro de las variables operativas se debe realizar pre-cortes y acompañado de voladura controlada, para minimizar los daños por efectos de voladura en el talud final o sección deexcavación diseñada.

• El éxito de una voladura, está en función de la calidad del macizo rocoso, es decir, más que los parámetros del explosivo y parámetros de Perforación y voladura; los parámetros de la roca son los que en definitiva jugaran el papel más importante.





• Para obtener voladuras con fragmentación uniforme, la perforación debe ser lo más exactoposible en términos de espaciamiento y burden de los taladros.

• Durante el diseño y ejecución de las voladuras, es muy importante el control y ajustecontinúo de los parámetros de diseño.

• En el Patrón Triangular de perforación, existe una mejor distribución de la energíaexplosiva que en las mallas de patrón cuadrado.

Recomendaciones

• Durante la etapa de estudio y elaboración de expediente técnico se debe efectuar con mas detalle la evaluación de parámetros geomecánicos que sean de utilidad preliminar para eldiseño de la perforación y voladura.

• Se debe efectuar técnicas de caracterización geomecánica mas aplicadas y que sean deayuda para el diseño de la voladura, como son la aplicación de refracción sísmica.

• Toma de datos geomecánicos y tratamiento durante la perforación de los taladros.

• Se debe dar énfasis durante la excavación el uso de índices de volabilidad, y correlaciones para el consumo de explosivos, relacionados con los parámetros geomecánicos del macizo rocoso.


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