(57)【要約】【課題】  簡単な構造によって伸縮量を大きくすることができると共に、伸縮量を大きくしても掘削時に発生する曲げモーメントに対して強固な支持作用を発揮することができるカッタスポークを提供する。【解決手段】  トンネル掘削機のセンターシャフト10の先端部外周面に筒状スポーク２の基端を固着し、この筒状スポーク２内に設けている油室８にピストン３を摺動自在に配設すると共に該ピストン３の内外両面から外方及び内方に第１、第２ピストンロッド４、５を延設して第１ピストンロッド４を筒状スポーク２の内周面に摺動自在に支持させている一方、第２ピストンロッド５の先端部をセンターシャフト10の外周部に設けているガイド穴７内に摺動自在にスプライン嵌合させてあり、さらに、筒状スポーク２の前面と第１ピストンロッド４の先端部とにカッタビット6A、6Bを突設している。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル掘削機のセンターシャフトの先端部外周面から外方に向かって放射状に突設しているカッタスポークであって、基端をセンターシャフトの先端部外周面に固着している筒状スポークと、この筒状スポーク内に摺動自在に配設されたピストンと、ピストンから外方に延び且つ外周面を筒状スポークの内周面に摺接させている第１ピストンロッドと、ピストンから内方に延びた第２ピストンロッドとからなり、筒状スポークとこの筒状スポークの先端から出没する上記第１ピストンロッドの先端部とに複数本のカッタビットを突設していると共に、上記センタシャフトの外周部に第２ピストンロッドの先端部を摺動自在に内嵌させたガイド穴を設けていることを特徴とするカッタスポークの構造。
【請求項２】
筒状スポークの先端部に、第１ピストンロッドの先端部に突設したカッタビットを受け入れる切欠凹部を設けていると共に、第１ピストンロッドの上記カッタビットの前方に向かっての突出長をその突出端が筒状スポークに突設しているカッタビットの突出端に達した長さに形成していることを特徴とする請求項１に記載のカッタスポークの構造。
【請求項３】
第２ピストンロッドの先端部とこの先端部を摺動自在に挿嵌させているセンターシャフトの外周部に設けたガイド穴とは、第２ピストンロッドを回り止め状態で長さ方向にのみ摺動させる非円形断面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のカッタスポークの構造。
【請求項４】
筒状スポークの基端部内周面に第２ピストンロッド５の外周面を長さ方向に摺動自在に且つスプライン嵌合等によって回り止め状態にして摺接させていることを特徴とする請求項１に記載のカッタスポークの構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル掘削機において、拡縮可能なカッタヘッドを構成するカッタスポークの構造、特にその伸縮機構の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、径方向に拡縮可能にしてトンネルの掘削径を大小に変化させるようにしたカッタヘッドにおけるカッタスポークの構造としては、センターシャフトの先端部外周面に複数本の円筒状固定スポークを放射状に突設し、これらの固定スポーク内に円筒状可動スポークを摺動自在に挿嵌すると共に固定スポークの前周部を略全長に亘って切除して一定幅のガイド部を設け、このガイド部に上記可動スポークの前周部に全長に亘って固着している回り止め部材を摺動自在に係合させると共に該回り止め部材に複数本のカッタビットを前方に向かって突設し、固定スポーク内に配設した油圧ジャッキによって可動スポークを伸縮させるように構成したものが知られている。
【０００３】
しかしながら、このようなカッタスポークの構造では、固定スポークにはカッタビットが設けられていないので、掘削効率が悪いばかりでなく大径のトンネルを掘削することが困難であり、また、固定スポークに切欠き形成しているガイド部をシールすることが難しくて土砂がガイド部に付着したり、固定スポーク内に侵入して作動不能となる虞れがあった。
【０００４】
このため、例えば、特許文献１に記載されているように、内外の円筒状固定スポーク間に先端が閉じられている円筒状の中間可動スポークを介在させ、内側固定スポーク内に配設した油圧ジャッキによって上記中間可動スポークを内外固定スポークの先端から出没させると共に、外側の固定スポークと中間可動スポークとに複数本のカッタビットを前方に向かって突設してこれらのカッタビットにより地盤の掘削を行うようにし、さらに、中間可動スポークの外周面基端部に回り止め部材を固着し、この回り止め部材を固定スポークの内周面に全長に亘って形成しているガイド溝に摺動自在に係合させてなるカッタスポークが開発されている。
【特許文献１】特開平８−１９３４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このカッタスポークの構造では、油圧ジャッキと内外固定スポークと中間可動スポークとの四重構造となって製作に手間がかかるばかりでなくコスト高になり、また、内外固定スポークから突出した可動スポーク部分には回転掘削時における曲げモーメントが作用するが、これを支持する部分は内側固定スポークと可動スポークとの摺接部分と、外側固定スポーク側のガイド溝に係合した可動スポーク側の回り止め部材とであって、片持ち支持構造であるから曲げに対する支持力が弱く、そのため、スポークを太くしてできるだけ支持力を高める必要がある。しかし、スポークを太くすると、隣接するスポーク間の間隔、即ち、カッタヘッドの開口面積が狭くなり、所望の開口率が得られなくなるといった問題点がある。
【０００６】
さらに、このカッタスポークの最大伸長量は、外側固定スポークの長さ×1/2 −回り止め部材の長さとなり、これ以上の伸長量は望めない。従って、小口径トンネル掘削機における急曲線トンネル部を掘削するためのコピーカッタや、トンネル掘削後に掘削機本体を発進立坑側に撤去、回収する場合のトンネル掘削機におけるカッタスポークのように、スポークの伸縮量を大きくする必要がある場合に対応することができないといった問題点があった。また、内外固定スポーク間の隙間に可動スポークに突設したカッタビットを収納させるように構成しているので、カッタビットが出入りするその隙間の開口端から土砂が侵入するのを防止することができなく、故障が発生し易くなる。
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡単な構造によって伸縮量を大きくすることができると共に、伸縮量が大きくなってもスポーク径を太くすることなく掘削時に発生する曲げモーメントに対して強固な支持力を発揮することができ、その上、故障が生じ難くて円滑に伸縮が可能なカッタスポークの構造を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のカッタスポークの構造は、請求項１に記載したよ・ち、トンネル掘削機のセンターシャフトの先端部外周面から外方に向かって放射状に突設しているカッタスポークであって、基端をセンターシャフトの先端部外周面に固着している筒状スポークと、この筒状スポーク内に摺動自在に配設されたピストンと、ピストンから外方に延び且つ外周面を筒状スポークの内周面に摺接させている第１ピストンロッドと、ピストンから内方に延びた第２ピストンロッドとからなり、筒状スポークとこの筒状スポークの先端から出没する上記第１ピストンロッドの先端部とに複数本のカッタビットを突設していると共に、上記センタシャフトの外周部に第２ピストンロッドの突出端部を摺動自在に内嵌させたガイド穴を設けてなる構造としている。
【０００９】
このように構成したカッタスポークにおいて、請求項２に係る発明は、上記筒状スポークの先端部に、第１ピストンロッドの先端部に突設したカッタビットを受け入れる切欠凹部を設けていると共に、第１ピストンロッドの上記カッタビットの前方への突出長をその突出端が筒状スポークに突設しているカッタビットの突出端に達した長さに形成していることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、上記第２ピストンロッドの突出端部とこの突出端部を摺動自在に挿嵌させているセンターシャフトの外周部に設けた孔部とを、第２ピストンロッドを回り止め状態で長さ方向にのみ摺動させる非円形断面に形成していることを特徴とする一方、請求項４に係る発明は、筒状スポークの基端部内周面に第２ピストンロッド５の外周面を長さ方向に摺動自在に且つスプライン嵌合等によって回り止め状態にして摺接させていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のカッタスポークによれば、基端をセンターシャフトの先端部外周面に固着し、且つ、複数本のカッタビットを突設している筒状スポークと、この筒状スポークをシリンダとして使用して該筒状スポーク内に摺動自在に配設したピストンに、該ピストンを中央にして内外方向に延設してなる第１、第２ピストンロッドとからなり、外方に延びる第１ピストンロッドの先端部にカッタビットを突設してなるものであるから、筒状スポークをシリンダとする一本のジャッキ構造に構成されているので、構造が極めて簡単で安価に提供することができる。
【００１２】
その上、筒状スポークの基端を固着させているセンターシャフトの外周面にガイド穴を設けてこのガイド穴にピストンから内方に向かって延設している上記第２ピストンロッドの突出端部を摺動自在に挿嵌させているので、ピストンを中心とするピストンロッド全体がその外端部側を筒状スポークの内周面に、内端部側をセンターシャフトに設けている上記ガイド穴にそれぞれ摺動自在に支持された両端支持構造となり、従って、掘削時に筒状スポークから突出する第１ピストンロッドのカッタビットに作用する曲げモーメントに対する支持力が極めて強力で且つ安定し、第１ピストンロッドの伸長量を大きくしても掘削時に発生する曲げモーメントに対して強固な支持力を発揮することができる。そのため、小口径トンネル掘削機における急曲線トンネル部を掘削するためのコピーカッタや、トンネル掘削後に掘削機本体を発進立坑側に撤去、回収する場合のトンネル掘削機におけるカッタスポークのように、スポークの伸縮量を大きくする必要がある場合に対応することができる。
【００１３】
さらに、第１ピストンロッドは伸長時においても縮小時においても、常に、筒状スポークの先端側内周面にその外周面を摺接させているので、土砂等が筒状スポーク内に侵入する虞れはなく、従って、故障が発生し難いばかりでなく、円滑な伸縮動作が可能となるものである。
【００１４】
また、請求項２に係る発明によれば、上記筒状スポークの先端部に、第１ピストンロッドの先端部に突設したカッタビットを受け入れる切欠凹部を設けているので、第１ピストンロッドをその先端に至るまで筒状スポークに収めることができ、そのため、カッタスポークの伸縮量を大きくすることができるものであり、その上、第１ピストンロッドの先端部に突設しているカッタビットの突出長を、該カッタビットの突出端が筒状スポークに突設しているカッタビットの突出端に達する長さに形成しているので、第１ピストンロッドのカッタビットによって掘削される切羽面が筒状スポーク側のカッタビットによって掘削される切羽面に対して後方に位置することなく面一状となり、曲線トンネルの掘削時には第１ピストンロッド側のカッタビットにより曲線トンネルの外側湾曲部を先堀りさせながら円滑に掘進していくことができる。
【００１５】
さらにまた、請求項３に係る発明によれば、第２ピストンロッドの突出端部とこの突出端部を摺動自在に挿嵌させているセンターシャフトの外周部に設けた孔部とを非円形断面に形成しているので、別に回り止め部材を使用することなく、簡単な構造によって第２ピストンロッドの回り止めを確実に行うことができ、切羽地盤を円滑に且つ効率よく掘削することができる。このような回り止め手段としては、請求項４に記載したように、筒状スポークの基端部内周面に第２ピストンロッド５の外周面を長さ方向に摺動自在に且つスプライン嵌合等によって回り止め状態にしておいてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の具体的な実施の形態を図面について説明すると、図１はトンネル掘削機におけるセンターシャフト10の先端部外周面に装着しているカッタスポーク１の縦断面図であって、このカッタスポーク１は、基端部外周面に一体に形成しているフランジ部2aをセンターシャフト10の外周面にボルト11により固着してなる筒状のスポーク２と、この筒状スポーク２内に摺動自在に配設されたピストン３と、このピストン３の一方の面（外面）から筒状スポーク２の長さ方向に外方に向かって延設している第１ピストンロッド４と、ピストン３の他方の面（内面）にから筒状スポーク２の長さ方向に内方に向かって延設している第２ピストンロッド５とを有し、上記筒状スポーク２の前面両側部に長さ方向に適宜間隔毎に前方に向かって複数本のカッタビット6Aを突設していると共に上記第１ピストンロッド４の先端部における前面側両側部に同じく前方に向かってカッタビット6Bを突設してあり、さらに、上記センターシャフト10の外周部に第２ピストンロッド５の突出端部（内端部）を摺動自在に内嵌させたガイド穴７を設けてなる構造としている。
【００１７】
このカッタスポーク１の構造をさらに詳細に説明すると、上記筒状スポーク２は、その基端から長さ方向の中間部に至る一半部分内に上記ピストン３を該ピストン３の外周面に装着したシール材20を介して摺動自在に内嵌させた油室８を設けている一方、この油室８の先端面から筒状スポーク２の先端面に至る他半部内にピストン３よりも小径、即ち、油室８よりも小径の上記第１ピストンロッド４を挿通させた挿嵌孔９を設けてなり、この挿嵌孔９の全長に亘って第１ピストンロッド４の外周面を該挿嵌孔９の内周面の所定箇所に設けたシール材21を介して摺接させている。
【００１８】
さらに、上記センターシャフト10の外周面に設けられたガイド穴７は、カッタスポーク１の筒状スポーク２の装着部分に対応して設けられているもので、このガイド穴７の深さをピストン３よりも小径に形成された上記第２ピストンロッド５の長さよりも深くしていると共にピストン３の外面から第２ピストンロッド５の突出端面間の長さを油室８の長さよりも長くして該第２ピストンロッド５の突出端部（先端部）5aを常に筒状スポーク２の基端から内方、即ち、センターシャフト10側に向かって突出させて上記ガイド穴７内に摺動自在に挿嵌させている。その上、この第２ピストンロッド５の突出端部5aの外周面を図２に示すように、ガイド穴７にスプライン嵌合させて第２ピストンロッド５が周方向に回転するのを阻止している。なお、ガイド穴７に第２ピストンロッド５を回り止め状態に嵌合させるには、上記スプライン嵌合に限らず、これらのガイド穴７と第２ピストンロッド５とを、断面多角形や楕円形状等の非円形断面に形成しておけばよい。また、油室８をガイド穴７に直接、連通させた構造としているが、筒状スポーク２の基端部を閉止してこの閉止部を貫通させて第２ピストンロッド５の突出端部をガイド穴７内に挿嵌させておいてもよい。
【００１９】
上記筒状スポーク２の先端部（突出端部）の前側両側部には、上記第１ピストンロッド４の先端部における前面側両側部に突設した上記カッタビット6B、6Bを受け入れる切欠凹部2b、2bが形成されてあり、これらの切欠凹部2b、2bにカッタビット6B、6Bを収納した状態においては、第１ピストンロッド４が全長に亘って筒状スポーク２内に収められた状態となるように形成している。そして、この切欠凹部2bの底面近傍部における筒状スポーク２の内周面、即ち、挿嵌孔９の内周面に上記シール材21が装着されている。
【００２０】
また、第１ピストンロッド４の先端部に前方に向かって突設している上記カッタビット6Bの突出長を筒状スポーク２に前方に向かって突設しているカッタビット6Aの突出長と等しい長さに形成しておいてもよいが、本発明の実施形態においては、第１ピストンロッド４に突出しているカッタビット6Bの長さを筒状スポーク２に突設しているカッタビット6Aよりも長くしてこれらのカッタビット6A、6Bの突出端を同一垂直面上となるように構成している。なお、第１ピストンロッド４の先端部前面両側のカッタビット6B、6B間の間隔を図３に示すように筒状スポーク２に突設している周方向に隣接するカッタビット6A、6A間の間隔寄りも狭くして、これらのカッタビット6B、6Bがカッタビット6A、6A間の間隔内に納まるように形成されてあり、従って、両カッタビット6B、6Bを受け入れる上記両側切欠凹部2b、2bの深さを深くしても、これらの切欠凹部2b、2bは筒状スポーク２におけるカッタビット6A、6A間の前面部分に設けられるように構成している。
【００２１】
そのため、図においては、第１ピストンロッド４の先端部における前面両側部にのみ、左右一対のカッタビット6B、6Bを前方に向かって突設しているが、この第１ピストンロッド４の前面両側部に左右一対のカッタビット6B、6Bを長さ方向に所定間隔毎に数対、突設する一方、上記両側切欠凹部2b、2bの深さ（長さ）を筒状スポーク２の挿嵌孔９の長さの範囲内においてこれらの数対のカッタビット6B、6Bを収納できる深さ（長さ）に形成しておけばよい。
【００２２】
上記センターシャフト10内には、上記各カッタスポーク１における油室８に機内側から圧油を供給、排出するための２本の油路12、13が設けられてあり、一方の油路12をピストン３によって仕切られた該ピストン３の内面側の油室８内に、他方の油路13を筒状スポーク２の壁内を通じてピストン３の外面側の油室８内にそれぞれ連通させている。
【００２３】
このように構成したカッタスポーク１は、図３に示すように、複数本（図においては４本）、上記センターシャフト10の先端部外周面からこのセンターシャフト10の軸心に対して直交する方向に向かって放射状に突設することによりトンネル掘削機のカッタヘッド20を構成している。
【００２４】
次に、上記カッタスポーク１の作用を述べると、カッタヘッド20の径を拡大させて大径のトンネルを掘削する場合には、一方の油路12を通じて各カッタスポーク１のピストン３の内面側の油室８内に圧油を供給すると共に他方の油路13を通じてピストン３の外面側の油室８内の圧油を排出することによりピストン３を押し上げる。そうすると、第１ピストンロッド４の先端部に前方に向かって突設しているカッタビット6B、6Bが筒状スポーク２の先端部における前面両側部に形成している切欠凹部2b、2bから離脱して外方に突出し、カッタヘッド20が拡径する。
【００２５】
この状態にしてカッタヘッド20を回転させながらトンネル掘削機全体を推進させることによってトンネルを掘進する。この際、第１ピストンロッド４から前方に向かって突設しているカッタビット6Bの突出長を、その突出端が筒状スポーク２から前方に向かって突設しているカッタビット6Aの突出端に達する長さに形成しているので、これらのカッタビット6A、6Bによって掘削される切羽面が面一状となり、曲線トンネルの掘削時には第１ピストンロッド４側のカッタビット6Bにより曲線トンネルの外側湾曲部を先堀りさせながら円滑に掘進していくことができる。また、急曲線トンネルの掘削時や方向修正時においても筒状スポーク２から第１ピストンロッド４を大きく外径方向に突出させて深いオーバカットを掘削することができ、方向修正等が容易に行うことができる。
【００２６】
さらに、カッタヘッド20を回転させながらトンネルを掘削する時に、第１ピストンロッド４にカッタヘッド20の回転方向と反対方向に曲げモーメントが作用するが、この第１ピストンロッド４は筒状スポーク２の挿嵌孔９に摺接して支持されてあり、第１ピストンロッド４とピストン３を介して一体の第２ピストンロッド５の突出端部5aがセンターシャフト10に外周面に穿設しているガイド穴７に支持されていて、これらの第１、第２ピストン３、５からなる全体のロッドが両端支持構造となり、上記曲げモーメントに対して強力で且つ安定した支持作用を発揮する。
【００２７】
その上、第１ピストンロッド４の先端部前面から前方に突設しているカッタビット6Bによって切羽面を掘削した時に、その掘削時の反力によっ第１ピストンロッド４が軸心回りに回転しようとするが、この第１ピストンロッド４と一体の第２ピストンロッド５の突出端部5aがガイド穴７にスプライン嵌合等によって回り止めされているので、第１ピストンロッド４は回転する虞れはない。また、第１ピストンロッド４は伸長した時においても収縮した時においても常にその外周面をシール材21を介して筒状スポーク２の挿嵌孔９に摺接させているので掘削土砂が侵入する虞れはない。カッタビット6A、6Bによって掘削された土砂は周方向に隣接するカッタスポーク１、１間の開口部を通じて機内に取り込まれ、排出手段によって後方に排出される。
【００２８】
カッタヘッド20を縮径させる場合には、拡径時とは反対に他方の油路13を通じて各カッタスポーク１のピストン３の内面側の油室８内に圧油を供給すると共に一方の油路12を通じてピストン３の外面側の油室８内の圧油を排出することによりピストン３を押し下げる。そうすると、第１ピストンロッド４が内径方向に収縮してその先端部に前方に向かって突設しているカッタビット6B、6Bが筒状スポーク２の先端部における前面両側部に形成している切欠凹部2b、2b内に収納し、第１ピストンロッド４の先端面が筒状スポーク２の先端面と面一になった状態で筒状スポーク２内に収められる。
【００２９】
なお、以上の実施の形態においては、上記筒状スポーク２において、該筒状スポーク２の基端から長さ方向の中間部に至る一半部分内（図においては下半部内）に油室８を設けているが、図４に示すように、筒状スポーク２内の長さ方向の中央部に油室８を設けた構造としておいてもよい。この場合には、油室８内に摺動自在に配設しているピストン３の外面側から外方に延設している第１ピストンロッド４は、上記実施の形態と同様に、油室８と筒状スポーク２の先端面間の該筒状スポーク２の中央部に設けている挿嵌孔９にシール材を介して摺動自在に挿通しているが、ピストン３の内面側から内方に延設している第２ピストンロッド５は、油室８と筒状スポーク２の基端面間の該筒状スポーク２の中央部に設けている挿嵌孔9a内を挿通してその先端部5a' をセンターシャフト10の外周面に設けているガイド穴７内に挿脱可能に挿嵌させている。
【００３０】
この場合、上記実施の形態においては、第２ピストンロッド５の突出端部5aは、カッタスポーク１を最大限まで伸長させてもガイド穴７に回り止め状態で挿嵌しておくように構成しているが、この実施の形態においては、油室８が筒状スポーク２の中央側に位置させている分だけ、筒状スポーク２の基端からガイド穴７側に突出する長さを短くしているため、カッタスポーク１を伸長させた時に第２ピストンロッド５の先端部5a' がガイド穴７から離脱することになる。従って、ロッドの回り止めは、第２ピストンロッド５の外周面を筒状スポーク２の基部側の挿嵌孔9aにスプライン嵌合させることにより行わせている。なお、回り止めはスプライン嵌合に限らず、筒状スポーク２の挿嵌孔9aと第２ピストンロッド５の外周面を該第２ピストンロッド５が長さ方向に摺動可能な非円形断面に形成しておけばよい。
【００３１】
そして、第１ピストンロッド４を図５に示すように伸長させてその前面先端部に前方に向かって突設しているカッタビット6Bと筒状スポーク２の前面に突設しているカッタビット6Aとによって切羽面を掘削する時に、第１ピストンロッド４と第２ピストンロッド５とからなるロッド全体を筒状スポーク２の先端側の挿嵌孔９と基部側の挿嵌孔9aとにより両端支持構造として支持させながら掘削するものである。その他の構造については上記実施の形態と同様であるので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３２】
また、上記いずれの実施の形態においても、油室８の長さを長くして第１ピストンロッド４の伸縮量、即ち、カッタヘッドの拡縮量を大きくしているが、それにもかかわらず、上述したように、ロッド全体を両端支持構造にするために、第２ピストンロッド５の長さを油室８の長さ（ピストン３の移動量）よりも長くして常にその先端部をガイド穴７内、或いは、挿嵌孔9a内に摺接、支持させた構造としている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のカッタスポークの一実施の形態を示す縦断側面図。
【図２】ガイド穴にスプライン嵌合した第２ピストンロッドの横断面図。
【図３】カッタヘッドの簡略正面図。
【図４】本発明の別な実施の形態を示す縦断側面図。
【図５】その第１ピストンロッドを伸長させた状態の縦断側面図。
【符号の説明】
【００３４】
１  カッタスポーク
２  筒状スポーク
３  ピストン
４  第１ピストンロッド
５  第２ピストンロッド
6A、6B  カッタビット
７  ガイド穴
８  油室
９  挿嵌孔
10  センターシャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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