CN110736422B - 一种预制磁场布设系统及变形状态响应方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预制磁场布设系统和变形状态响应方法，预制磁场布设系统包括布设探头和牵引机构，牵引机构牵引布设探头沿上下向活动；布设探头包括壳体、引导件和伸顶装置；壳体呈中空设置，壳体侧壁贯设有上穿孔；引导件与上穿孔相对设置，贯设有沿上穿孔延伸方向延伸的引导孔，引导孔与上穿孔连通，磁性球体具有位于引导孔内的初始位置和从上穿孔穿过位于钻孔孔壁内的布设位置；伸顶装置包括上转轴以及上螺纹管，上转轴轴向旋转带动上螺旋管旋转至引导孔内推动磁性球体，使磁性球体从初始位置移至布设位置。本发明提出的技术方案旨在解决滑坡深部位移监测出现的大变形中的滑坡体和工程植入监测结构之间的变形耦合问题，保证监测精度。

Description

一种预制磁场布设系统及变形状态响应方法

技术领域

本发明涉及滑坡灾害监测预警技术领域，尤其涉及一种预制磁场布设系统及变形状态响应方法。

背景技术

滑坡灾害是自然界常见的重大地质灾害之一，其形成机制复杂、危害结果广泛，是人类社会发展中一个不可忽视的环境难题。通过监测预先判识进而降低滑坡灾害造成的损失是滑坡灾害防治的一个重要思路。滑坡深部变形监测是滑坡监测的重要对象，也是建立滑坡内部破坏特征与滑坡整体变形之间的关系模型、开展滑坡演化阶段判识、实现滑坡防治的重要基础。

滑坡深部变形监测方法主要为光纤传感技术、同轴电缆时域反射(TDR)、拉线式位移计和钻孔测斜技术三类。光纤传感技术，例如纯光纤BOTDR、光纤光栅FBG等，目前试验应用较为广泛，但存在一些比较突出的问题，如抗干扰性差、测量量程小等。同轴电缆时域反射技术(TDR)具有监测时间短、可遥测、安全性高以及效率高等优点，但易被剪断，可靠度较低。拉线式位移计优点较多，但受限于设置方式和假设模型的缺陷而敏感度不高。钻孔测斜技术精度高、可靠度好，是现有测量手段中广受认可也是应用最为广泛的滑坡变形监测方法。此外，三峡大学提出几种基于钻孔的磁定位实现地下位移的监测方式，缺乏对滑体变形后地下空间对磁探测器供电环境改变的考虑，也具有一定的局限性。

现有滑坡深部变形监测方法单从测量技术方法来说，无论是测量原理还是测量仪器都已经趋于成熟，仪器的实验室校验精度也远远高于滑坡深部位移的监测需求。尽管如此，实际工程中的深部位移监测结果却不理想，主要体现在： 1、工程植入结构与滑坡体之间存在刚度差异，两者之间变形不一致，坡体位移传递到测量仪器时已经产生了较大误差，降低了深部位移监测结果的准确性；2、坡体产生大变形后，工程植入结构自身往往先行遭受了破坏，导致分时测量类仪器无法下放钻孔或固定监测类仪器探头损毁，无法保障多演化阶段监测过程的持续性。可见，滑坡体和工程植入监测结构之间的变形耦合是当前深部位移监测中亟待解决的关键瓶颈问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种预制磁场布设系统及变形状态响应方法,旨在解决滑坡深部位移监测出现的大变形中的滑坡体和工程植入监测结构之间的变形耦合问题，保证监测精度。

本发明的实施例提供一种预制磁场布设系统，用于将磁性球体布设于钻孔孔壁内，包括牵引机构和可被放入钻孔内的布设探头，所述布设探头具有沿上下向的活动行程，所述牵引机构与所述布设探头连接，用以牵引所述布设探头沿上下向活动；

其中，所述布设探头包括壳体、引导件和伸顶装置；所述壳体呈中空设置，所述壳体侧壁贯设有上穿孔；所述引导件固定于所述壳体内，所述引导件与所述上穿孔相对设置，贯设有沿所述上穿孔延伸方向延伸的引导孔，所述引导孔与所述上穿孔连通，所述磁性球体具有位于所述引导孔内的初始位置和从所述上穿孔穿过并定位于钻孔孔壁内的布设位置；

所述伸顶装置固定于所述壳体内，包括上转轴以及上螺纹管，所述上转轴沿上下向延伸且可轴向旋转，所述上螺纹管与引导件对应设置，一端连接于所述上转轴，另一端与所述引导孔相对设置，所述上螺纹管呈逐层环绕所述上转轴设置，所述上转轴轴向旋转带动所述上螺旋管旋转至所述引导孔内推动所述磁性球体，从而使所述磁性球体受到离心力的作用从所述初始位置移至所述布设位置。

进一步地，所述上螺纹管靠近所述上穿孔的一端为刚性杆，所述刚性杆沿所述上穿孔延伸方向延伸，所述上螺纹管旋转带动所述刚性杆穿过所述引导孔和所述上穿孔至所述钻孔侧壁内。

进一步地，还包括容纳管，所述容纳管设于所述壳体内，具有进球上端和出球下端，所述出球下端与所述引导件相对设置；

所述壳体上侧壁贯设有进球孔，所述进球孔与所述进球上端连通；

所述引导件的上侧壁贯设有与引导孔连通的通孔，所述通孔与所述出球下端连通。

进一步地，所述引导件底部与所述通孔对应的位置设有永磁铁。

进一步地，所述容纳管设有两个，所述两个容纳管呈螺旋状设置且在上下向交错叠置；与所述两个容纳管对应设有两个所述引导件以及两个所述上螺纹管，所述壳体上贯设有与所述两个引导件对应的两个上穿孔，所述驱动电机设于所述容纳管中间，所述壳体上侧壁贯设有两个与所述容纳管对应设置的所述进球孔。

进一步地，所述壳体侧壁贯设有两个下穿孔，所述下穿孔位于所述上穿孔下方；所述预制磁场布设系统还包括反向伸顶装置，所述反向伸顶装置设于所述壳体内且所述伸顶装置下方，包括下转轴和两个下螺纹管；

所述下转轴沿上下向延伸且可轴向旋转；所述两个下螺纹管一端连接于所述下转轴，另一端与所述下穿孔相对设置，所述下螺纹管呈逐层环绕所述下转轴设置，所述下螺纹管的环绕方向与所述上螺纹管的环绕方向相反；

其中，所述下转轴轴向旋转带动所述下螺纹管旋转。

进一步地，所述预制磁场布设系统还包括供电装置，所述供电装置与所述驱动电机、所述反向驱动电机电连接，所述壳体上侧壁贯设有用于线缆通过的线缆孔，以连接所述供电装置与所述驱动电机、所述反向驱动电机。

进一步地，所述预制磁场布设系统还包括控制器，所述控制器与所述供电装置、所述驱动电机、所述反向驱动电机电连接。

进一步地，所述刚性杆靠近引导孔的一端固定安装有电磁铁，所述电磁铁与所述供电装置、所述控制器电连接，用以在通电时吸附所述磁性球体。

本发明的实施例还提供一种变形状态响应方法，使用如上述预制磁场布设系统，具体步骤包括:

S1利用所述牵引机构下放所述布设探头至钻孔底部的滑面，记录所述布设探头的下放深度，用于确定所述滑面的位置；

S2利用伸顶装置驱动所述磁性球体从所述初始位置移至所述布设位置；

S3利用所述牵引机构上提所述布设探头至预设高度，并重复步骤S2；

S4重复步骤S3，直至得到所有预布设的监测点，并对所有磁性球体8空间位置编号；

S5在钻孔内安设测斜管，并在所述测斜管外围回填与周围岩土体相似材料，在所述测斜管内下放滑动式磁探测仪，所述滑动式磁探测仪通过通信线缆连接钻孔外的数据处理器和信号发射器，所述滑动式磁探测仪探测到监测点处磁性球体的磁信号，所述数据处理器将磁信号转化为数字信号，所述信号发射器再将数字信号传输运算终端，所述运算终端通过磁定位算法计算出每一所述磁性球体的空间位置，以及根据磁性球体的空间位置的变化确定其代表的监测点空间状态的改变。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的预制磁场布设系统，可沿容纳孔延伸方向布置磁性球体作为监测点，通过滑动式磁探测装置分时探测磁性球体的位置以确定监测点的位置变化，获得滑坡深部变形规律，解决了滑坡体和工程植入监测结构之间的变形耦合问题，精度相对于传统的测斜测量方式更高。

附图说明

图1是本发明提供的预制磁场布设系统的结构示意图；

图2是图1中布设探头的结构示意图；

图3是图1中布设探头中容纳管拆卸后的内部结构示意图；

图4是图1中布设探头的剖面示意图；

图5是图1中布设探头中容纳管拆卸后的剖面示意图；

图6是图1中布设探头中伸顶装置示意图；

图7是图1中布设探头(磁性球体位于初始位置)局部结构示意图；

图8是图1中布设探头(磁性球体位于布设位置)局部结构示意图；

图9是本发明提供的滑体预制磁场变形状态响应方法的监测原理示意图；

图10是本发明提供的变形状态响应方法一实施例的流程示意图；

图中：1-供电装置、2-控制系统、3-牵引机构、4-布设探头、41-壳体、411- 上穿孔、412-下穿孔、413-进球孔、414-密封螺栓、415-线缆孔、42-配重体、43-容纳管、431-进球上端、432-出球下端、44-引导件、441-引导孔、442-通孔、443-永磁体、45控制器、46-伸顶装置、461-驱动电机、462-上转轴、463- 上螺纹管、464-刚性杆、465-电磁铁、47-反向伸顶装置、471-反向驱动电机、 472-下转轴、473-下螺纹管、48-伸顶内腔、49-反向伸顶内腔、5-线缆、6-塑料环、7-牵引绳、8-磁性球体、9-钻孔、10-滑体、11-滑带、12-稳定地层、13- 滑动式磁探测仪、14-测斜管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参见图1和图2，本发明的实施例提供了一种预制磁场布设系统，用于将磁性球体8布设于钻孔9孔壁内，包括设置于钻孔9外的供电装置1、控制系统 2、牵引机构3以及可被放入钻孔9内的布设探头4。

供电装置1通过控制线缆5电连接控制系统2、牵引机构3和布设探头4，控制系统2与牵引机构3电连接，牵引机构3通过牵引绳7连接布设探头4，以上提或下放布设探头4。

本实施例中牵引机构3为电动提升机，牵引绳7上设有标记刻度，牵引绳7 上固定有若干等间距的塑料环6，本实施例中相邻塑料环6在牵引绳7上的距离为0.5m，也可以为其他数值，在此不作具体限定。为了方便拖曳，每一塑料环 6同时套紧牵引绳7，塑料环6上设有数字序列标志，所有塑料环6作为牵引绳 7的标记刻度。

请参见图2至图4，布设探头4包括壳体41、配重体42、容纳管43、引导件44、控制器45、伸顶装置46、以及反向伸顶装置47。

请参见图2，壳体41呈中空设置，壳体41侧壁贯设有上穿孔411和下穿孔 412，下穿孔412位于上穿孔411下方，本实施例中，上穿孔411和下穿孔412 的数量分别为两个，上穿孔411和下穿孔412在壳体41周向上均匀分布；壳体 41顶部设有进球孔413，进球孔413通过密封螺栓414密封，本实施例中，进球孔413的数量为两个。壳体41上侧壁贯设有供线缆5通过的线缆孔415，所述线缆5用以连接设置于钻孔9外的供电装置1与位于壳体41内的控制器45、伸顶装置46及反向伸顶装置47。

配重体42设于壳体41的底部，使布设探头4工作时保持垂直状态。

请参见图4，容纳管43设于壳体41内，具有进球上端431和出球下端432，本实施例中，容纳管43的数量为两个，两个容纳管43的进球上端431分别与两个进球孔413连通，两个容纳管43的出球下端432分别与两个上穿孔411对应设置，出球下端432位于上穿孔411的上方。本实施例中，两个容纳管43呈螺旋状设置且在上下向交错叠置，容纳管43内可容纳多个磁性球体8，磁性球体8从进球孔413放入至容纳管43内，由于自身的重力作用，可从进球上端431 落至出球下端432。

请参见图4至图7，与两个容纳管43对应设有两个引导件44，引导件44 固定于壳体41内，所述引导件44与上穿孔411和出球下端432相对设置，贯设有沿所述上穿孔411延伸方向延伸的引导孔441，所述引导孔441与所述上穿孔411连通，引导件44的上侧壁贯设有与引导孔441连通的通孔442，所述通孔442与所述出球下端432连通，引导件44底部与所述通孔442对应的位置设有永磁体443，磁性球体8从容纳管43的出球下端432落下、从通孔442落入至引导件44的引导孔441中，永磁体443用于将磁性球体8吸附在引导孔441 中，磁性球体8被伸顶装置46驱动具有位于引导孔441内的初始位置和从上穿孔411穿过并定位于钻孔9孔壁内的布设位置，本实施例中磁性球体8为永磁体。

请参见图3、图5和图6，伸顶装置46包括驱动电机461、上转轴462以及上螺纹管463；控制器45和驱动电机461固定于壳体41内，本实施例中，控制器45和驱动电机461设于容纳管43中间，驱动电机461与供电装置1和控制器45电连接，控制器45与控制系统2电连接；上转轴462沿上下向延伸，可轴向旋转安装于驱动电机461上，本实施例中，上转轴462的上端固定于驱动电机461底部。本实施例中，请参见图6，上螺纹管463的数量为两个，设于壳体41内，每一上螺纹管463与每一引导件44对应设置，一端连接于上转轴462 下端，另一端与所述引导孔441相对设置，上螺纹管463具有弹性，呈逐层环绕上转轴462设置，上螺纹管463远离上转轴462的一端为刚性杆464，刚性杆 464沿引导孔441延伸方向延伸，且与引导孔441相对设置，驱动电机461驱动上转轴462轴向旋转，以使上螺纹管463旋转带动刚性杆464穿过引导孔441 和上穿孔411至钻孔9侧壁内。所述刚性杆464靠近引导孔441的一端安装有电磁铁465，电磁铁465与供电装置1、控制器45电连接，用以在通电状态下吸附磁性球体8。本实施例中，上转轴462下端与上螺纹管463之间通过齿轮连接，刚性杆464靠近引导孔441的一面呈向内凹陷的曲面设置，以与磁性球体8 吸附配合。

在磁性球体8从出球下端432落出而从通孔442落入至引导件44的引导孔 441中，控制器45使电磁铁465处于通电状态，电磁铁465对磁性球体8有吸附作用，使磁性球体8位于引导孔441中的刚性杆464上，控制器45控制驱动电机461驱动上转轴462旋转，以使上螺纹管463旋转，螺纹管463在离心力的作用下带动刚性杆464和磁性球体8穿过上穿孔411，从而将磁性球体8压入到钻孔9侧壁内的布设位置，同时容纳管43内的下一个磁性球体8由于受到刚性杆464的阻挡(请参见图8)，无法继续向下移动而留在容纳管43内；磁性球体8被压入至钻孔9侧壁内后，控制器45控制驱动电机461驱动上转轴462 反向旋转，同时使电磁铁465处于断电状态，使上螺纹管463回转，带动刚性杆464移动至壳体41内，而磁性球体8留在了钻孔9侧壁内。位于容纳管43 内的下一个磁性球体8由于受到永磁体443的吸引作用和自身的重力作用，向下运动落入至引导件44的引导孔441中，由于永磁体443的吸引作用，使得磁性球体8固定于引导孔441中与出球下端432对应的位置，阻挡了容纳管43内其他磁性球体8继续向下运动(请参见图7)。

请参见图5，反向伸顶装置47设于壳体41内且位于伸顶装置46下方，包括反向驱动电机471、下转轴472、下螺纹管473；反向驱动电机471与供电装置1和控制器45电连接。下转轴472沿上下向延伸，可轴向旋转安装于反向驱动电机471上，本实施例中，下转轴472的下端固定于反向驱动电机471顶部，上转轴462与下转轴472相互独立，旋转动作互不影响。

本实施例中，下螺纹管473的数量为两个，设于壳体41内，每一下螺纹管 473与每一下穿孔412对应设置，一端连接于下转轴472上端，另一端与所述下穿孔412相对设置，下螺纹管473呈逐层环绕下转轴472设置，下螺纹管473 环绕的方向与上螺纹管463环绕的方向呈相反设置。下螺纹管473远离下转轴 472的一端为刚性杆，反向驱动电机471驱动下转轴472轴向旋转，以使下螺纹管473旋转带动刚性杆穿过下穿孔412至钻孔9侧壁内。本实施例中，上转轴 462下端与上螺纹管463之间通过齿轮连接。

控制器45控制驱动电机461和反向驱动电机471工作时，上转轴462旋转的方向与下转轴472旋转的方向保持相反的状态，使得布设探头4保持平衡的状态，在螺纹管转动时，布设探头4的其他部件不会跟着转动。

请参见图9和图10，本发明的实施例还提供了一种变形状态响应方法，使用上述预制磁场布设系统，且包括以下步骤:

S1对需要监测的滑坡，从滑体10地表向下钻孔至滑带11以下的稳定地层 12(滑床位置)，通过控制系统2控制所述牵引机构3，下放所述布设探头4至钻孔9底部的滑面位置，并记录滑面位置处的塑料环6上的数字标志，用于确定滑面的位置；

S2通过所述控制系统2控制所述控制器45，从而控制电磁铁465通电和所述驱动电机461驱动所述上螺纹管463转动将所述磁性球体8压入至钻孔9孔壁内，得到监测点，所述控制系统2控制所述控制器45，从而控制电磁铁465 断电和所述上螺纹管463回缩；

S3通过控制系统2控制所述牵引机构3，上提或下放所述布设探头4至预设高度，并重复步骤S2；

S4重复步骤S3，直至得到所有预布设的监测点，并对所有磁性球体8编号，若所述容纳管43内磁性球体8使用完时，提出布设探头4，所述容纳管43内补充磁性球体8后，不改变下放深度下放所述布设探头4；

S5在钻孔9内安设测斜管14，并在所述测斜管14外围回填与周围岩土体相似材料，稳定钻孔9内环境，在所述测斜管14内下放滑动式磁探测仪13，所述滑动式磁探测仪13通过线缆5连接钻孔9外的数据处理器和信号发射器，所述滑动式磁探测仪13探测到监测点处磁性球体8的磁信号，所述数据处理器将磁信号转化为数字信号，信号发射器再将数字信号传输运算终端，运算终端通过磁定位算法计算出每一所述磁性球体8的空间位置，以及根据磁性球体8的空间位置的变化确定其代表的监测点空间状态的改变。

本发明提供的预制磁场布设系统，可沿钻孔9延伸方向布置磁性球体8作为监测点，通过滑动式磁探测仪13分时探测磁性球体8的位置以确定监测点的位置变化，获得滑坡深部变形规律，解决了滑坡体和工程植入监测结构之间的变形耦合问题，精度相对于传统的测斜测量方式更高，且本发明采用的预制磁场布设系统为自动化布设装置，省时省力，结构简单、设计合理、经济高效、方便推广。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种预制磁场布设系统，用于将磁性球体布设于钻孔孔壁内，其特征在于,包括牵引机构和可被放入钻孔内的布设探头，所述布设探头具有沿上下向的活动行程，所述牵引机构与所述布设探头连接，用以牵引所述布设探头沿上下向活动；

其中，所述布设探头包括壳体、引导件和伸顶装置；所述壳体呈中空设置，所述壳体侧壁贯设有上穿孔；所述引导件固定于所述壳体内，所述引导件与所述上穿孔相对设置，贯设有沿所述上穿孔延伸方向延伸的引导孔，所述引导孔与所述上穿孔连通，所述磁性球体具有位于所述引导孔内的初始位置和从所述上穿孔穿过并定位于钻孔孔壁内的布设位置；

所述伸顶装置固定于所述壳体内，包括上转轴以及上螺纹管，所述上转轴沿上下向延伸且可轴向旋转，所述上螺纹管与引导件对应设置，一端连接于所述上转轴，另一端与所述引导孔相对设置，所述上螺纹管呈逐层环绕所述上转轴设置，所述上转轴轴向旋转带动所述上螺旋管旋转至所述引导孔内推动所述磁性球体，从而使所述磁性球体受到离心力的作用从所述初始位置移至所述布设位置；

所述壳体内设有两个容纳管，所述容纳管具有进球上端和出球下端，所述出球下端与所述引导件相对设置；

所述壳体上侧壁贯设有进球孔，所述进球孔与所述进球上端连通；

所述引导件的上侧壁贯设有与引导孔连通的通孔，所述通孔与所述出球下端连通；

所述两个容纳管呈螺旋状设置且在上下向交错叠置；与所述两个容纳管对应设有两个所述引导件以及两个所述上螺纹管，所述壳体上贯设有与所述两个引导件对应的两个上穿孔，所述驱动电机设于所述容纳管中间，所述壳体上侧壁贯设有两个与所述容纳管对应设置的所述进球孔。

2.如权利要求1所述的预制磁场布设系统，其特征在于，所述上螺纹管靠近所述上穿孔的一端为刚性杆，所述刚性杆沿所述上穿孔延伸方向延伸，所述上螺纹管旋转带动所述刚性杆穿过所述引导孔和所述上穿孔至所述钻孔侧壁内。

3.如权利要求1所述的预制磁场布设系统，其特征在于，所述引导件底部与所述通孔对应的位置设有永磁铁。

4.如权利要求1所述的预制磁场布设系统，其特征在于，所述壳体侧壁贯设有两个下穿孔，所述下穿孔位于所述上穿孔下方；所述预制磁场布设系统还包括反向伸顶装置，所述反向伸顶装置设于所述壳体内且所述伸顶装置下方，包括下转轴和两个下螺纹管；

所述下转轴沿上下向延伸且可轴向旋转；所述两个下螺纹管一端连接于所述下转轴，另一端与所述下穿孔相对设置，所述下螺纹管呈逐层环绕所述下转轴设置，所述下螺纹管的环绕方向与所述上螺纹管的环绕方向相反；

其中，所述下转轴轴向旋转带动所述下螺纹管旋转。

5.如权利要求4所述的预制磁场布设系统，其特征在于，所述预制磁场布设系统还包括供电装置，所述供电装置与所述驱动电机、所述反向驱动电机电连接，所述壳体上侧壁贯设有用于线缆通过的线缆孔，以连接所述供电装置与所述驱动电机、所述反向驱动电机。

6.如权利要求5所述的预制磁场布设系统，其特征在于，所述预制磁场布设系统还包括控制器，所述控制器与所述供电装置、所述驱动电机、所述反向驱动电机电连接。

7.如权利要求6所述的预制磁场布设系统，其特征在于，所述刚性杆靠近引导孔的一端固定安装有电磁铁，所述电磁铁与所述供电装置、所述控制器电连接，用以在通电时吸附所述磁性球体。

8.一种变形状态响应方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的预制磁场布设系统，具体步骤包括:

S1利用所述牵引机构下放所述布设探头至钻孔底部的滑面，记录所述布设探头的下放深度，用于确定所述滑面的位置；

S2利用伸顶装置驱动所述磁性球体从所述初始位置移至所述布设位置；

S3利用所述牵引机构上提所述布设探头至预设高度，并重复步骤S2；

S4重复步骤S3，直至得到所有预布设的监测点，并对所有磁性球体8空间位置编号；

S5在钻孔内安设测斜管，并在所述测斜管外围回填与周围岩土体相似材料，在所述测斜管内下放滑动式磁探测仪，所述滑动式磁探测仪通过通信线缆连接钻孔外的数据处理器和信号发射器，所述滑动式磁探测仪探测到监测点处磁性球体的磁信号，所述数据处理器将磁信号转化为数字信号，所述信号发射器再将数字信号传输运算终端，所述运算终端通过磁定位算法计算出每一所述磁性球体的空间位置，以及根据磁性球体的空间位置的变化确定其代表的监测点空间状态的改变。

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