盾构施工作业指导书3Word文档下载推荐.docx
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k0——侧压力系数(一般取0.39);
γ——土的容重;
h——刀盘中点处的埋深。
在盾构机掘进过程中,由于土层的不断的变化,开挖面中心地层静止土压力、水压力也随之而变化。
因此,初始土压力值也应随土层的变化而变化,以满足土压仓的土压力足以平衡开挖面的稳定。
土压平衡掘进时,切削土体主要靠刮刀,此时中心刀需换成刮刀式,为减少滚刀磨损,可将滚刀拆下,但考虑到深圳地质的离散性较大的特点,即使采用土压平衡模式下,滚刀也不拆除。
为降低刀盘扭矩增强土体的和易性,根据地质情况添加水或发泡剂。
(2)、盾构机采用敞开式工况掘进
当隧道通过断面的地层自稳性强,盾构前方土体不易坍塌时,盾构机在掘进过程中可使用非土压平衡工况施工。
该掘进模式指盾构机切削下来的碴土进入土仓内,即刻被螺旋输送机排出。
土仓内仅有少量碴土,掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭力较小。
由于仓内压力为大气压,故不能支撑开挖面地层和防止地下水渗入。
该掘进模式适用于能够自稳、地下水少的地层。
该工况的特点是不需控制土仓压力,刀盘扭矩较低;
其缺点是:
当开挖面突然出现不稳定地层时易导致土体坍塌,故掘进过程中需对开挖面和出土状况进行密切观察,并结合地面监测结果及渣样的变化和分析及时转化开挖模式。
敞开式掘进的技术措施:
①、采用滚刀破岩为主,采用高转速、低扭矩和适宜的螺旋输送机转速推进。
②、采用敞开模式掘进时,易产生掘进中的盾构机滚动和较大震动现象。
对此采用设于盾构机上的稳定器顶撑于岩壁上以防滚和减震。
施工中如不慎引起盾构机滚动,则可使刀盘反转来纠正。
③、同步注浆时浆液可能渗流到盾壳与周围岩体间的空隙甚至刀盘处,为避免此现象发生可适当增大浆液粘度、缩短浆液凝结时间、适当减低注浆压力等方法来解决。
④、在硬岩敞开式掘进时,刀具磨损较大,温度高,岩碴不具软塑性,因此,应注意观察、检查,及时换刀,注入泡沫和膨润土冷却、润滑,以降磨。
(3)、盾构机采用半敞开式工况掘进
半敞开式有的又称为局部气压模式。
掘进中土仓内的碴土未充满土仓,尚有一定的空间,通过向土仓内输入压缩空气与碴土共同支撑开挖面。
该掘进模式适用于具有一定自稳能力和地下水的压力不太高的地层,其防止地下水渗入的效果主要取决于压缩空气的压力。
半敞开式掘进技术措施:
①、半敞开式掘进模式介于土压平衡和开敞式之间,采用滚刀、齿刀混合破岩切削。
②、为既能稳定开挖面和防止地下水渗入,又能避免出碴时螺旋输送机发生喷涌,压缩空气压力应控制在1~1.5bar以内。
③、在该模式下掘进时,应注入泡沫对碴土进行改良。
遇地层变换、涌水较大时,及时转换模式掘进。
1.2.2掘进中盾构机的姿态控制和调整措施
由于本标段盾构隧道岩层变化大,软硬不均,有曲线及坡度变化,盾构机掘进时易发生方向偏差,因此在施工中应严格控制盾构机的姿态,并正确纠偏和修正蛇行,以免产生过大的地层损失而引起过大的地层变形。
(1)盾构机产生姿态偏差的原因和偏差标准
1)滚动偏差
盾构机滚动偏差是由于刀盘切削开挖面土体产生的扭矩大于盾构机壳体与隧道洞壁之间的摩擦力矩而产生的。
在岩层稳定性较差的地层,施工过程中,如同步注浆不能及时填满盾构机壳体与洞壁之间间隙,岩体很容易坍塌,致使土体包住盾构机壳体从而对盾构机壳体产生很大摩擦力,摩擦力矩增大,当此力矩无法平衡刀盘切削土体产生的扭矩时将引起盾构本体的滚动,过大的滚动会影响管片的拼装,也会引起隧道轴线的偏斜。
一般情况下,当滚动偏差超过0.5°
时,应及时对滚动偏差进行纠正。
2)方向偏差
方向偏差产生的主要原因有:
①曲线上掘进时,在盾构推进过程中由于不同部位推进千斤顶参数设定的偏差易引起掘进方向的偏差;
②由于盾构主体表面与地层间的摩擦阻力不均衡,开挖掌子面上的土压力以及切口环切削欠挖地层所引起的阻力不均衡,都会引起一定的偏差;
③由于开挖面岩层分界面起伏大,开挖面的岩层软硬不一致会引起方向偏差;
④受盾构刀盘自重的影响,盾构也有低头的现象,引起竖向偏差。
当盾构机的水平方向角或竖直方向角偏差大于规范值时,要及时进行纠正。
(2)盾构机的姿态监测方法
1)滚动角的监测
采用电子水准仪测量高程差,进行滚动圆心角计算的方法监测。
可在切口环隔墙后方对称设置两点(测量标志),使该两点的连线为一水平线并且其长度为一定值L,测量两点的高程差,即可算出滚动角。
见下图。
插图盾构机滚动测量示意图
A、B为测量标志,a、b为盾构机发生滚动后测量标志所处的新位置,Ha、Hb为测出的两点的高程,α为盾构机的滚动圆心角。
α=arcSin[(Hb-Ha)/L]
如果Hb-Ha>0,那么盾构机逆时针方向滚动,如果Hb-Ha<0,那么盾构机顺时针方向滚动。
2)竖直方向角、水平方向角的监测
采用全站仪直接测量盾构机的竖直方向角、水平方向角的变化,可得到盾构的方向偏差。
3)自动监测
本工程的盾构机带有自动测量激光导向系统,该系统是在一固定基准点发出激光束的基础上,通过计算机器的位置而工作的。
知道了机器位置,便可计算其对设计线路的偏差,并将信息反馈在显示器上,操作人员通过控制系统进行调整。
测量机器位置,使用目标装置(激光靶板)和倾角罗盘装置。
激光靶板测量激光束的射入点和射入角,倾角罗盘仪测量机器在两个方向的转角。
自动监测与人工监测相互辅助,可提高盾构机姿态监测的精度。
(3)盾构机的姿态调整措施
当盾构机滚动偏差超过0.5°
时,盾构机会报警,提示盾构机操作手必须对刀盘进行纠偏,盾构机滚动偏差采用刀盘反转的方法纠正。
控制盾构机方向的主要因素是控制推进千斤顶的推度,通过调整各推进油缸的推度来调整盾构机掘进机的姿态。
一般的原则是,当盾构机出现下俯时,可以加大下侧推进油缸的推力,当盾构机出现上仰时,可加大上侧推进油缸的推力来纠竖直方向的偏差。
但控制盾构机的方向需要有丰富经验的操作人员实现,操作人员要根据自动导向系统量测的结果和在控制室监示器上显示出来的盾构机当前位置和设计位置以及相关的数据和图表,平缓地调整各分区千斤顶的推度让盾构机靠近设计线路。
(4)纠偏注意事项
在转换刀盘转动方向时,应保留适当的时间间隔,切换速度应缓慢均匀;
根据盾构机前的掌子面地层情况及时调整掘进参数、掘进方向,避免引起更大的偏差;
对于盾构机蛇形运动的修正,应以长距离慢慢修正为原则,如果修正过急,蛇形反而会更加明显。
每环最大纠偏量不超过1cm。
在直线推进的情况下,应选取盾构机当前所在位点与设计线上远方的一点作一直线,然后再以这条直线为新的基准点进行线形管理。
在曲线推进的情况下,应使盾构机当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。
1.2.3出渣量控制
出渣量控制适用于土压平衡模式;
盾构施工出渣控制对地表建(构)筑物保护、地表路面沉降起着至关重要的作用,特别在岩层较软、地表沉降要求高的时,严格控制出土量显得非常重要。
本工程采用的盾构刀盘直径为6.28m,理论出土量每环为46m3,考虑到渣土的松散系数及地下水含量,本区间每环的渣土控制在65m3内(及土箱5~5.5箱以内)。
1.2.4渣样分析
渣样分析在盾构施工过程中非常重要,特别是盾构过建筑物、河流、高速公路和开仓换刀时,必须对渣样进行分析,了解刀盘位置的地质情况。
本工程隧道洞身范围主要以中风化泥质粉砂岩岩、全风化泥质粉砂岩和强风化泥质粉砂岩为主,局部少量全风化砾岩层。
1.2.5开仓条件
在盾构掘进过程中,由于刀具磨损、刀盘结泥饼、泡沫管堵塞等情况会造成推进状态的异常。
通过对参数变化的分析可初步判定,但仍需打开人闸门进入土仓进行现场检查确认,以进行换刀、清泥饼等作业。
人员进入土仓前需将土仓清空以便检查工作的进行,这样就会使土仓在一段时间内处于无土压的敞开状态,是比较危险的。
所以在开仓前进行开仓条件的判断是一项十分重要的工作。
地质条件是能否开仓的决定因素。
开仓前应确定刀盘切口里程,结合地质纵断面图判断当前的围岩状况,再通过渣样分析来确定地质状况是否与勘测相符。
值班土木技术人员需在螺旋输送机出土位置取样,根据渣样的含泥量对初样进行判定,之后用水清洗干净,对剩余渣样再进行分析,对渣样的判断参照本指导书3.2.4渣样分析所述,根据分析最终断定刀盘位置的地质情况能否符合开仓条件。
地层不稳定,地下水非常丰富,围岩裂隙、节理过于发育,上软下硬的地层也不宜开仓。
现场进行渣样判断后需将渣样呈交工程部作进一步分析,确定可以开仓后,由工程部填写《开仓程序签认表》,经工程部、机电部、安环部、物资部确认开仓条件已具备,应急预案、应急物资已准备妥善后上报领导、监理签字,施工现场方可进行开仓,禁止没有上报就私自开仓。
开仓后,工程部人员和值班土木人员应率先进入土仓检查掌子面的地质情况,确认地质条件分析结果相符后方可进行其他工作。
在检查、换刀、清理泥饼的过程中土木值班人员应随时检查掌子面地层是否出现涌水、落石等异常状况。
一旦发生应立即停止作业,所有人员立即从土仓撤离,关闭闸门,往土仓内注入空气,确保最短时间内土仓带压。
1.2.6盾构机掘进技术措施
1.2.6.1盾构始发掘进
(1)渣土改良
盾构始发端头地质较软,在盾构始发阶段,碴土改良泡沫等聚合物为添加剂,确保盾构顺利掘进。
根据地质情况,初步拟定改良剂添加率35~40%。
如按25%(即切削1m3渣土需注入250L)计算,泡沫量为6400~7000L/环。
泡沫组成:
90~95%压缩空气和5~10%泡沫溶液;
泡沫溶液的组成为泡沫添加剂3%,水97%。
本工程所用泡沫剂粘度不低于0.1Pa·
s。
(2)盾构始发主要工作参数表
掘进模式
推力(t)
扭矩(t·
m)
刀盘转速
(rpm)
土仓压力
(bar)
螺旋机转速
备注
土压平衡式
600~1000
250~320
1.4~1.8
0.2~0.7
4~16
(3)负环管片的拆除
盾构掘进拼装完成第60环后,可拆除负环管片;
拆除原则:
先顶后两腰,最后拆除底部,负环管片拆除顺序:
负7→负6→负5→负4→负3→负2→负1,施工流程:
施工准备(机械设备、人员、工具等、反力架后面的钢支撑与预埋钢板之间的焊缝割除)→破除负7环K块吊装孔→钢丝绳从吊装孔穿越并在端头用螺栓栓好(钢丝绳必须蹦直)→拆除K块上的环向螺栓→起吊K块至地面→完成K块拆除→钢丝绳固定在B1或B2块环向螺栓孔(最上的2个)上→拆除B1或B2块环向和纵向螺栓→起吊B1或B2块至地面→钢丝绳固定在B1或B2块环向螺栓孔(最上的2个)上→拆除B1或B2块环向和纵向螺栓→起吊B1或B2块至地面→钢丝绳固定在A3块环向螺栓孔(最上的2个)上→拆除A3块环向和纵向螺栓→起吊A3块至地面→钢丝绳固定在A1块吊装孔上→拆除A1块环向和纵向螺栓→起吊A1块至地面→钢丝绳固定在A2块吊装孔上→拆除A2块环向和纵向螺栓→起吊A2块至地面→完成负7环的拆除。
其它环参照以上作业流程拆除,负环管片前应先拆除反力架,后按照以上数序拆除负环管片,最后吊出始发托架。
(4)注意事项
1)负环管片脱出盾构机后,周围无约束,在推力作用下,易变形,为此将在管片两侧用型钢支撑加固,并用钢丝绳将管片和始发托架箍紧。
2)安装负环管片时,为保证管片和盾构机下部的合理间隙,在盾构机的下半部内壁沿纵向垫30mm厚方木。
3)在盾构机完成始发准备后,刀盘距洞门适当位置时方可切断围护桩最外排钢筋,并将刀盘及时切入土体连续进尺。
4)千斤顶总推力,控制在1000t以内。
优先选用下部千斤顶,推力增加要遵守循序渐进原则。
5)当盾构机外壳脱离洞门密封圈后,及时进行同步注浆。
6)盾构穿过洞口土体加固段时,土层由硬至软,要加强盾构机的方向控制。
7)在初始掘进段,每10m布置一个沉降监测断面,监测地面位移和水压,应及时反馈分析监测结果,掌握沉降变化规律,从而优化施工参数,动态调整盾构掘进参数。
8)防止盾构旋转和上飘。
由于盾构与地层间无摩擦力,盾构易旋转,因此,应加强盾构姿态观测,如发现盾构有较大转角,可以采用反转的措施进行调整。
盾构刚始发时,掘进速度宜缓慢,同时加强后盾支撑观测,防止盾构上飘。
9)初始掘进采用土压平衡施工方法,土仓压力应与地面沉降观测结果相对照。
10)初始掘进阶段要加强对盾构机的姿态的测量,随时调整盾构机的姿态,确保盾构机正确进洞。
1.2.6.2盾构到达掘进
(1)盾构推进至最后50~100m时,进行贯通前的测量。
应复测导线并校正导向系统参数,确保盾构姿态的准确;
应复测体育公园站端头墙洞门姿态,确定贯通时盾构应保持的轴线偏差,以确保盾构机准确到站,顺利落在接收托架上。
到达之前若发现测量系统因管片抖动无法正常工作,应对全站仪所处管片进行二次注浆稳固后方可继续推进。
(2)在盾构机掘进至洞门旋喷桩加固区域之前进行洞门围护结构破除工作。
预先破除洞门围护结构一半厚并尽量割除钻孔桩钢筋,当盾构推进至洞门约2m时,快速破除剩余洞门部分,
(3)在洞圈安装橡胶止水帘布、折叶压板等组成的密封装置,作为盾构到站阶段临时的防水措施,与此同时做好接受托架的安装与固定。
(4)在盾构掘进到达前20环时进入到达段推进。
推进参数见下表:
掘进参数表
编号
项目
参数
备注
1
1#土压0.3bar
土压平衡模式
2
1.6r/min
3
推力
500-600t
4
盾构姿态水平偏差
0mm
到达前20环应调好
5
盾构姿态垂直偏差
±
10mm
6
推进速度
≤20mm/min
进洞前,进一步降低至10mm/min一下
7
每环出土量
60m³
8
注浆量
6m³
各推进参数应根据监测结果及时调整优化。
在即将破洞时,应出空仓内渣土,使用敞开模式推进,并进一步降低推力与刀盘转速,以尽量降低掌子面所受压力。
盾构在推进完成倒数第7环后停机,待洞门破除完成后继续掘进。
到达段同步注浆按正常情况进行,通过洞门时视实际情况调整。
洞门破除后,盾构机应尽快连续推进和拼装管片,确保管片环间推力并尽量缩短盾构进洞时间,减少水和土体的流失。
洞圈管片脱出盾尾后,必要时采用二次注浆将管片和洞圈的间隙进行填充,以防止水土流失造成危险。
到达段管片螺栓应反复复紧,尤其是纵向螺栓,以免进洞时反力不足导致环缝压不紧、止水效果差。
(5)刀具更换完成后最初3环的掘进参数如下
敞开模式(根据地质情况适当调整)
800-900t
50mm
60~65m³
1.2.6.4盾构机穿越软硬不均地层
在软岩和硬岩分界处,部分区段内坚硬岩层仅在隧道开挖面下半部分出露(半软半硬)。
本区间大部分地层均上软下硬。
盾构在穿越上软下硬区段时,由于上下岩层强度相差较大,盾构容易上抛,此施工段施工重点是盾构机的使用控制。
(1)适当放慢掘进速度,使盾构刀盘能对正面坚硬岩层进行充分破碎;
(2)合理利用盾构铰接千斤顶,改变刀盘倾角以加强对硬岩部位的切割,提高盾构掘进过程中的轴线控制能力;
(3)调整盾构机推进千斤顶的区域油压,硬岩区域推进千斤顶油压较软岩部位适当加大,以控制千斤顶的合力作用点、抵消上抛力,控制好盾构轴线位置和隧道坡度。
(4)如果上部太软掘进时出现塌陷,则应考虑地表注浆加固。
一般情况下可以通过保持一定的土压防止上部掌子面坍塌。
(5)加强施工量测,控制好盾构机的姿态。
(6)为防止刀盘偏心受力,在盾构掘进过程中应控制总掘进推力在1000t以下。
1.2.6.5盾构机穿越建(构)筑物的施工技术措施
(1)在盾构机掘进到建筑群之前委托房管部门或权威部门对地面建筑物进行检测、录像、拍照和记录,对其鉴定并签字,以备后查。
根据鉴定的情况再决定是否需要进行加固。
(2)在盾构机到达建筑物之前需调整好姿态,加强出土量和轴线的控制,尽量减小盾构纠偏量以减小对周围土体的扰动,确保地面建筑物的安全。
(3)随时调整盾构施工参数,减少盾构的超挖和欠挖,以免造成盾构前方地面土体发生坍塌或隆起。
(4)在掘进过程中严格进行同步注浆,充分填充盾尾后隧道外建筑空隙,以减少隧道周围土体的水平及垂直位移而引起的地表沉降。
(5)加强对建筑物的变形、沉降的监测,如发现有较大变位,及时采取措施,防止变形加大,带来不利的后果。
盾构穿越后,仍需监测一段时间,直到沉降变形基本稳定为止。
(6)在盾构穿越后,对隧道周边的土体进行二次注浆加固。
(7)技术人员及时校正掘进参数,发现问题及时处理、汇报。
(8)为确保施工顺利进行,在施工中应严格按照以下参数控制掘进。
施工参数项目
控制值
单位
土仓压力(最顶部)
0.4以上
bar
千斤顶总推力
<800
T
掘进速度
<25
mm/min
出土量(每环)
≤65
m³
6~8
1.2.7盾构施工控制措施
1.2.7.1管片上浮控制措施
盾构机在曲线变坡点和硬岩富水地层中掘进时,由于盾构机千斤顶压力和水浮力作用,容易使管片上浮,在掘进施工过程中采取以下措施防止管片上浮。
(1)根据在盾构掘进施工的经验在曲线变坡点掘进时,严格控制盾构机掘进姿态,盾构机上下千斤顶的压力差不应大于60Bar,且盾构机总推力不得大于1200T。
(2)在硬岩富水地层掘进时,加大同步注浆压力,优化同步注浆配合比,浆液初凝为4-6小时,同步必要时进行二次注浆。
(3)加强洞内管片监测工作,一旦发现管片有上浮或有上浮趋势时,应立即对该段管片进行二次注浆,注浆工艺同管片二次注浆工艺。
1.2.7.2喷涌控制措施
在硬富水地层中掘进时,由于掘进速度慢,基岩裂隙水和孔隙水大量渗入到土仓中,渣土塑性变差,掘进过程中,在水压的作用下,出碴时易产生喷涌。
因此在施工过程中应采取以下措施防止出碴时产生喷涌:
(1)在掘进过程中,加大同步注浆压力,优化同步注浆配合比,使注入的浆液能及时有效的填充管片与围岩之间的空隙。
(2)在掘进过程中发现出碴含水量较大时,应对盾尾后面15环管片及时进行二次注浆,以阻止管片衬背后的水流向土仓,必要时注水溶性聚氨酯进行堵水。
(3)通过向刀盘和土仓中注入泡沫,以改善碴土的和易性和塑性。
(4)操作人员根据所出地碴样与地质图相对应比较,如发现有较大差异时,并及时上报。
1.2.7.3地表沉降控制措施
(1)在掘进过程中加强地表的监测工作,以监控量测数据来指导施工,并派专人对地表进行巡视。
(2)严格控制出土量,操作人员应根据千斤顶行程来控制出土量,约为300mm出一箱土,如果小于300mm就出一箱土时,应进行分析,一是看土箱内原来剩余多少土没有倒干净,二是看渣样含水量的大小;
这两种情况都排除后,还是超量了,说明刀盘前边就出现坍塌,此时应严格保持土压平衡式掘进,同时将情况上报到相关部门及领导。
(3)地表沉降超过20mm时,应采取地表跟踪注浆方式控制地表继续下沉。
(4)记录好出土超量的里程和环号,具备二次注浆时,应及时对该地段进行管片背后二次注浆。
1.2.7.4防止盾构机结泥饼施工技术措施
本标段盾构大部分地段穿越易结泥饼的地层,盾构掘进时可能会在刀盘特别是刀盘的中心部位产生泥饼,当产生泥饼时,掘进速度急剧下降,刀盘扭矩也会上升,大大降低开挖效率,甚至无法掘进。
施工中拟采取的主要技术措施为:
刀盘上的部分刀具改用齿刀,增加刀盘的开口率。
加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理,特别是在粘性土中掘进时,要更加密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。
刀盘前部中心部位布置有2个泡沫注入孔,在这种地层掘进时可以适量增加泡沫的注入量和选择比较大的泡沫加入比例,减小碴土的黏附性,降低泥饼产生的几率。
一旦产生泥饼,及时采取对策,必要时采用人工处理的方式清除泥饼。
特殊情况下螺旋输送机内也要加入泡沫,以增加碴土的流动性,利于碴土的排出。
1.2.8盾构掘进过程中常见问题的分析及处理措施
本段对盾构法施工中经常出现的一些质量通病进行分析,制订出预防和治理措施,使隧道施工质量进一步的提高。
1.2.8.1盾构到达、初始掘进
盾构进出洞是盾构法隧道施工中的一道关键工序。
在进、出洞过程中。
施工环节多,工作量集中,各工种交叉施工频繁,设备、人员众多,因此加强质量管理和控制尤为重要。
(1)盾构基座变形
1)现象
在盾构进出洞过程中,盾构基座发生变形,使盾构掘进轴线偏离设计轴线。
2)原因分析
①、盾构基座的中心夹角轴线与隧道设计轴线不平行,则盾构在基座上纠偏产生了过大的侧向力;
②、盾构基座的整体刚度、稳定性不够,或局部构件的强度不足;
③、盾构姿态控制不好,盾构推进轴线与基座轴线产生较大夹角,致使盾构基座受力不均匀;
④、对盾构基座的固定方式考虑不周,固定不牢靠。
3)预防措施
①、盾构基座形成的中心夹角轴线应与隧道设计轴线方向一致,当洞口段处于隧道设计轴线的曲线时,应考虑盾构基座沿曲线的切线方向放置,切点必须设于洞口内侧面处;
②、基座框架结构的强度和刚度能抵抗盾构出洞段施工土体加固区所产生的推力;
③、合理控制盾构姿态,尽量使盾构轴线与盾构基座中心夹角轴线保持一致;
④、盾构基座的底面与始发站的底板之间要垫平垫实,保证接触面积满足要求。
4)治理方法
①、对已发生变形损坏的构件,进行相应的加固或调换;
②、盾构基座的变形严重,将盾构脱离基座,对基座作修复加固。
(2)盾构后靠支撑位移及变形过大
在盾构出洞过程中,盾构后靠支撑体系在受盾构推进顶力的作用后发生支撑体系的局部变形或位移过大。
①、盾构推力过大(始发阶段推力控制在800t左右),或受出洞千斤顶编组影响,造成后靠受力不均匀、不对称,产生应力集中;
②、盾构后靠混凝土充填不密实或填充的混凝土强度不够;
③、组成后靠体系的部分构件的强度
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