臺階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)在軟巖隧道中的應(yīng)用

劉招偉， 李建華

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458; 2. 中鐵電氣化局集團公司， 北京 100036)

0 引言

在隧道施工中，正確地選擇隧道的開挖方法，是影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及各種工程安全問題的重要因素。隧道施工過程中如遇到軟弱圍巖一般采用臺階法或其他不同分步的開挖方法[1]，這些開挖工法在軟巖隧道的施工中起到了重要的作用，并且隨著我國隧道建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，得到了逐步的完善。如李國良等[2]依托鄭西高鐵高橋隧道的建設(shè)研究了大斷面黃土隧道采用臺階法雙層支護體系的結(jié)構(gòu)受力變形特征； 胡守云等[3]依托三明鐵路隧道工程對三臺階法施工的圍巖變形特征進行了研究; 黃嘉億[4]采用三維數(shù)值計算的方法對臺階法在大斷面高速鐵路隧道施工中的適用性及施工參數(shù)的選擇進行了分析; 趙佃錦等[5]針對蘭渝鐵路高地應(yīng)力區(qū)隧道的臺階法施工參數(shù)進行了數(shù)值計算方面的研究。

傳統(tǒng)臺階法施工時，仰拱與下臺階分步開挖，存在著因仰拱初期支護封閉不及時而產(chǎn)生的安全隱患，容易引起掉拱及關(guān)門塌方事故。針對這一點，國內(nèi)工程界就臺階法仰拱的盡快開挖與封閉進行過很多理論與試驗研究，主要思路是縮短仰拱與掌子面之間的距離，加快仰拱的施工效率。如戴潤軍等[6]在寶蘭客運專線根據(jù)三臺階七步法的各工序作業(yè)施工要點，提出了以仰拱施工為重點的思路；鮮國[7]以成蘭鐵路平安隧道為試驗工點，對臺階法及全斷面(含仰拱)法從圍巖變形、初期支護受力及施工組織等方面進行了綜合分析；趙偉等[8]結(jié)合蒙華重載鐵路中條山隧道對單線鐵路石質(zhì)軟巖隧道初期支護快速封閉成環(huán)技術(shù)進行了研究和總結(jié)；楊世武等[9]對淺覆新黃土隧道的微臺階法施工技術(shù)進行了研究和總結(jié)。本文在傳統(tǒng)臺階法的基礎(chǔ)上提出了臺階法(帶仰拱)一次開挖的方法，使仰拱的開挖、支護與下臺階同步進行，以實現(xiàn)初期支護盡早封閉成環(huán)，減少鉆爆開挖對圍巖的多次擾動，通過現(xiàn)場應(yīng)用試驗，確認該技術(shù)的安全性和適用性。

相對于傳統(tǒng)臺階法，新型臺階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)需解決幾個關(guān)鍵問題：

1)開挖面能否保持穩(wěn)定。軟巖隧道地質(zhì)條件差，開挖面和隧道易變形和坍塌，臺階長度和高度的設(shè)置是開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2)能否滿足工效要求。各道工序在有限的空間內(nèi)展開，存在相互交叉和干擾，在減少了作業(yè)工作面的情況下，需通過合理的工序組織來滿足工效的要求。

3)仰拱初期支護結(jié)構(gòu)承載力能否滿足施工機械設(shè)備行走的要求。臺階法(帶仰拱)一次開挖施工中，仰拱初期支護與下臺階初期支護結(jié)構(gòu)同步施作完成后，后續(xù)工序所用到的裝載機等大型機械設(shè)備需在仰拱初期支護結(jié)構(gòu)上作業(yè)和行走，應(yīng)采取適當?shù)募夹g(shù)措施對仰拱初期支護結(jié)構(gòu)進行保護以保證其承載能力。

1 臺階法(帶仰拱)一次開挖施工工藝與關(guān)鍵參數(shù)

1.1 三臺階(帶仰拱)一次開挖施工工藝

1.1.1 工藝流程

一般認為，下臺階與仰拱一次施工會由于施工干擾和工序組織難度增加而降低開挖效率，因此，需通過科學(xué)的施工組織、優(yōu)化的施工工藝，盡可能做到平行作業(yè)，達到節(jié)約時間、快速封閉且其綜合工效又要不低于傳統(tǒng)臺階法的目的。

下臺階與仰拱一起開挖的三臺階法，采取上臺階拱部一次較大斷面開挖，中下臺階、仰拱與上臺階同時鉆孔開挖，挖掘機修路至上臺階將臺架移走，同時裝藥起爆后，上中下臺階同時扒碴、出碴，然后三臺階各部依次支護，并逐步向縱深推進，實現(xiàn)了上中下臺階的平行作業(yè)，其施工工藝流程如圖1所示。

圖1 三臺階(帶仰拱)一次開挖施工工藝流程

Fig.1 Excavation flowchart of three-benches method (with inverted arch)

1.1.2 臺階高度與長度設(shè)置

一般從結(jié)構(gòu)力學(xué)與變形響應(yīng)、施工便捷性和設(shè)備空間布置等方面考慮[10]。

1.1.2.1 臺階高度與施工變形響應(yīng)

以蒙華鐵路段家坪隧道Ⅴ級圍巖段為基礎(chǔ)，采用三臺階(帶仰拱)一次開挖法，上中臺階長度5 m，中臺階高度2.7 m，選取上臺階高度為0.2H、0.3H、0.4H和0.5H(H為隧道開挖高度)4種典型臺階高度進行隧道的開挖模擬，模擬的隧道拱頂沉降與最大水平收斂結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同臺階高度下拱頂沉降曲線

隨著上臺階高度的增加，收斂表現(xiàn)出增加的趨勢，但對拱頂沉降的影響不明顯，各工況拱頂沉降值非常接近，增加上臺階的高度雖能減小拱頂沉降卻也會增加洞周水平收斂，因此其取值不宜過大，取0.3H～0.5H有利于控制隧道變形。

圖3 不同臺階高度下最大收斂曲線

1.1.2.2 臺階長度與施工變形響應(yīng)

在保持上中臺階高度不變的情況下，逐級增加或減小上中臺階的長度，上中臺階長度為3、5、7、9、11 m的模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 不同臺階長度下收斂曲線

圖5 不同臺階長度下的拱頂沉降曲線

由圖4和圖5可知: 隧道施工變形會隨臺階長度的增加而增大，其中拱頂沉降的增大趨勢比水平收斂更為明顯。

1.1.2.3 臺階高度、長度與初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

上臺階高度與最大壓應(yīng)力關(guān)系曲線如圖6所示，臺階長度與最大拉應(yīng)力關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖6和圖7可知: 最大壓應(yīng)力隨上臺階高度增加而增加，上臺階高度在隧道開挖總高度的50%以內(nèi)時，最大壓應(yīng)力均小于抗壓強度設(shè)計值。支護結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨臺階長度的增加而逐漸減小，當臺階長度為3 m時初期支護的最大拉應(yīng)力已經(jīng)大于C25噴射混凝土的抗拉強度設(shè)計值，因此，上中臺階長度不應(yīng)小于3 m。

圖6 上臺階高度與最大壓應(yīng)力的關(guān)系曲線

Fig. 6 Relationship between maximum compressive stress and top heading height

圖7 臺階長度與最大拉應(yīng)力的關(guān)系曲線

Fig. 7 Relationship between bench length and maximum tensile stress

1.1.2.4 從施工干擾、作業(yè)效率和設(shè)備布置等方面分析

在選擇臺階高度與長度時，受力及變形并不是唯一的限制條件，施工的效率以及便利性問題也是控制臺階尺寸的關(guān)鍵因素，從變形和力學(xué)角度來說，臺階長度與高度適應(yīng)范圍較廣，所以在確定臺階參數(shù)時可以更多地考慮施工機械以及人工操作的便利性以及施工的效率。

1)上臺階長度控制在6 m以內(nèi)能較好地控制隧道的變形，且機械操作方便，但是不應(yīng)小于4 m; 中臺階長度則主要考慮鉆孔作業(yè)空間需求。綜合考慮施工作業(yè)空間、爆破后機械扒碴效率等因素，上臺階長度宜為4～6 m，中臺階長度宜為3～5 m。

上臺階立拱時需要用挖掘機把簡易臺架、拱架、網(wǎng)片和錨桿等材料與設(shè)備運送至上臺階，若上臺階距離太短則會影響材料、設(shè)備的安放及人員的操作空間。

上中臺階爆破后挖掘機位于中臺階，將上臺階的碴扒至中臺階，上臺階長度太大會使挖掘機的操作半徑受到影響，增加其移動距離、就位次數(shù)，影響扒碴效率。

2)下臺階至仰拱棧橋端頭，宜控制在20～25 m，以保證機械裝碴、濕噴機械手的操作空間。

當上中臺階開始立拱作業(yè)時，一般采用1～2臺裝載機和1輛出碴車于下臺階出碴，而上中臺階噴漿時1臺噴漿機械手與1輛混凝土罐車將停放在下臺階。

3)上臺階主要考慮挖掘機扒碴及濕噴機械手作業(yè)效率，臺階高度確定為3.5～5.5 m，使用簡易臺架施工；中下臺階(帶仰拱)采用爬梯輔助作業(yè)，考慮人工施鉆、立拱架操作方便，其臺階高度不宜過高。

三臺階(帶仰拱)一次開挖法施工斷面如圖8所示。

(a) 橫剖面

(b) 縱剖面

Fig. 8 Excavation cross-section of three-bench method (with inverted arch) (unit: m)

1.2 二臺階(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)

二臺階(帶仰拱)一次施工法主要適用于單線鐵路Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道，考慮簡易臺架安放、人員操作空間及機械的最大操作半徑，上臺階長度控制在4～5 m； 上臺階使用開挖簡易臺架，下臺階不使用開挖臺架，其臺階高度不宜過高。為保證在無機械配合下人工作業(yè)的便捷性，上臺階高度控制在5～6.5 m，下臺階高度為3～4.5 m。二臺階(帶仰拱)法施工斷面如圖9所示。

(a) 橫剖面

(b) 縱剖面

Fig. 9 Excavation cross-section of two-bench method (with inverted arch) (unit: m)

二臺階(帶仰拱)法實現(xiàn)了上、下臺階的平行作業(yè)，下臺階與仰拱同時開挖、支護封閉成環(huán)。其施工工藝流程見圖10。

圖10 仰拱與下臺階一次開挖施工工藝流程圖

Fig. 10 Construction flowchart of one-time excavation of inverted arch and lower bench

上臺階采用簡易臺架，下臺階、仰拱與上臺階同時鉆孔開挖，下臺階左右側(cè)同步開挖，同時裝藥起爆，挖機到下臺階扒上臺階碴，形成作業(yè)空間后進臺架立拱，同步進行下臺階及仰拱扒碴、出碴，然后下臺階各部依次立拱支護。

2 臺階法(帶仰拱)一次開挖施工案例

2.1 蒙華鐵路段家坪隧道進口三臺階(帶仰拱)法施工技術(shù)

2.1.1 工程概況及支護參數(shù)

蒙華鐵路段家坪隧道為單洞雙線隧道，全長10 722.98 m，位于陜西省宜川縣秋林鎮(zhèn)境內(nèi)。進口段圍巖為三疊系上統(tǒng)厚層砂巖、粉砂巖夾薄層泥巖，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，弱風化、節(jié)理裂隙較發(fā)育—發(fā)育，巖體較破碎，呈碎石壓碎結(jié)構(gòu)。超前支護采用φ42超前小導(dǎo)管，長3.5 m，縱向間距2 m，環(huán)向間距0.4 m。初期支護采用全環(huán)四肢φ22格柵拱架，縱向間距1.0 m，C25噴射混凝土，厚23 cm，拱部設(shè)3.5 m中空錨桿，間距1.0 m×1.0 m，邊墻設(shè)置3.5 m砂漿錨桿，間距1.0 m×1.0 m，二次襯砌采用厚45 cm的C35鋼筋混凝土。隧道襯砌斷面見圖11。

圖11 Ⅴa型復(fù)合襯砌斷面圖(單位： cm)

根據(jù)現(xiàn)場圍巖條件，本隧道Ⅴ級圍巖段采用三臺階(帶仰拱)一次開挖法，上中下臺階(含仰拱)開挖高度分別為3.8、3、4.56 m，上臺階長4 m，中臺階長3 m。上臺階采用簡易臺架施工，中下臺階(含仰拱)采用爬梯輔助作業(yè)，仰拱及填充采用24 m全液壓履帶式棧橋作業(yè)，每循環(huán)施工12 m。

2.1.2 三臺階(帶仰拱)一次開挖法主要工序組織

三臺階(帶仰拱)一次開挖法工法特點： 每循環(huán)“1次爆破、1次噴混凝土、1次扒裝碴、2次進出臺架、各工序平行作業(yè)”。

1)中臺階轉(zhuǎn)碴、下臺階出碴。挖機上臺階退臺架，三臺階(帶仰拱)聯(lián)線同時爆破，通風后，挖機上中臺階轉(zhuǎn)碴，裝載機下臺階出碴，在前方工作面出碴時24 m棧橋就位完畢，仰拱進行復(fù)噴混凝土、施作防水、鋼筋綁扎或混凝土養(yǎng)護等工序。

2)上臺階進簡易臺架、下臺階繼續(xù)出碴。上臺階轉(zhuǎn)碴完畢，挖機吊簡易臺架，配合裝載機下臺階出碴。

3)上中下臺階立拱、施工錨桿、下臺階繼續(xù)出碴。上中臺階轉(zhuǎn)碴完畢，下臺階留部分石碴用于鋪設(shè)至中臺階的臨時便道。上臺階采用簡易臺架，同時中下臺階用爬梯人工鉆孔、立拱架、施工錨桿(管)，挖機配合裝載機下臺階出碴。

4)各臺階立拱完成、退臺架、進行噴混凝土作業(yè)。上中臺階碴全部挖運完畢，下臺階只有墊路碴未運完，上中下臺階進行機械手噴混凝土作業(yè)。

5)修路進臺架、上臺階鉆孔、中下臺階依次鉆孔。噴混凝土完畢，機械手撤離，上臺階清理后進臺架開始鉆孔，隨后中臺階亦開始鉆孔，下臺階墊路碴及仰拱墊碴采用挖機轉(zhuǎn)運至后方亦開始鉆孔。

2.1.3 技術(shù)要點

1)調(diào)整確定各臺階斷面的工作量，實現(xiàn)各臺階同步作業(yè)是關(guān)鍵。相比于傳統(tǒng)臺階法，本方案通過調(diào)整臺階高度，使各作業(yè)面綜合工作量達到了同步平衡，上臺階是開挖進度的核心，上臺階高度降低，鉆孔少，臺架更加輕便，意味著進度加快； 中下臺階鉆孔、立拱相對容易，高度變化對工序時間影響小，中臺階高度控制在3 m，便于人工直接作業(yè)，下臺階適當高一點，可以利用爬梯作業(yè)。

2)中下臺階同步施工。機械手臂長有限，上中臺階不宜太長，以保證機械手可有效噴射初期支護混凝土。

3)噴射混凝土按照先仰拱、后邊墻及拱部的順序進行。機械手臂長可實現(xiàn)一次噴射仰拱、下臺階、中臺階初期支護，噴射完成后機械手及料車后退，挖機上前對噴射完成的仰拱初期支護結(jié)構(gòu)進行洞碴回填，必要時可在仰拱初期支護上方虛碴之上鋪設(shè)鋼墊板(對仰拱基礎(chǔ)形成保護)，之后挖機退出，機械手及料車前進至仰拱部位進行上臺階初期支護混凝土噴射，此時仰拱初期支護已基本可承受施工機械的重力。

2.1.4 施工變形情況分析

根據(jù)段家坪隧道現(xiàn)場試驗段施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，臺階法(帶仰拱)施工引起的拱頂沉降累計值一般為 30～40 mm，上臺階收斂累計值一般為20～30 mm。2種工法在現(xiàn)場應(yīng)用時的典型斷面凈空變形曲線如圖12和圖13所示。

臺階法(帶仰拱)一次施工引起的變形要小于傳統(tǒng)臺階法，2種工法在上中臺階開挖階段變形值較為接近，但傳統(tǒng)臺階法在下臺階開挖至仰拱封閉的時間段內(nèi)，施工變形仍呈現(xiàn)增長趨勢。而臺階法(帶仰拱)一次施工法，仰拱與下臺階一起開挖，仰拱封閉時間短，變形能及早控制，對隧道施工總變形量的控制更為有效。

圖12 下臺階(帶仰拱)一次開挖變形曲線

Fig. 12 Deformation curves when lower bench and inverted arch are excavated at the same time

圖13 傳統(tǒng)三臺階法變形曲線圖

Fig. 13 Deformation curves when using traditional three-bench method

2.1.5 進度統(tǒng)計

考慮施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜及一些制約因素，平均每循環(huán)用時約13.5 h，每天進度為： 24/13.5×2=3.5 m，月進尺為： 3.5×30=105 m。

2.2 蒙華鐵路中條山隧道進口二臺階(帶仰拱)法施工技術(shù)

2.2.1 工程概況及支護參數(shù)

蒙華鐵路中條山隧道位于山西省運城市，隧道進口位于運城市鹽湖區(qū)解州鎮(zhèn)，設(shè)計為雙洞單線隧道。隧道最大埋深約840 m，隧道左線長18 405 m,右線長18 410 m。

中條山隧道進口段圍巖以片麻巖為主，風化面呈黃褐色，弱—強風化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育，為Ⅴ級圍巖HD型襯砌結(jié)構(gòu)。超前支護采用φ42超前小導(dǎo)管，長4 m，縱向間距2榀，環(huán)向間距0.4 m。初期支護全環(huán)設(shè)置I18型鋼拱架，縱向間距0.8 m，噴射C25混凝土25 cm，拱墻及仰拱設(shè)置C35鋼筋混凝土，拱墻厚50 cm，仰拱厚55 cm。

隧道進口Ⅴ級圍巖采用二臺階(帶仰拱)一次開挖技術(shù)，上臺階高度6.1 m，長度4～5 m，下臺階(不含仰拱)高度為3.53 m，仰拱開挖深度0.9 m。上臺階采用2座拼裝式小型臺架輔助作業(yè)，下臺階(含仰拱)采用爬梯輔助作業(yè)，左右側(cè)同步開挖，仰拱及仰拱填充采用24 m全液壓履帶式棧橋，每循環(huán)施工12 m。

2.2.2 二臺階(帶仰拱)法主要工序組織

工序特點： 1次爆破、2次扒碴、2次進出臺架、仰拱、下臺階、上臺階依次噴射混凝土到位。

1)上臺階扒碴、修路形成坡道。二臺階(帶仰拱)聯(lián)線同時爆破，通風后，挖機進下臺階扒碴、修路。

2)上臺階進簡易臺架立拱、施作錨桿，下臺階出碴。上臺階扒碴完畢，挖機吊簡易臺架開始上臺階立拱、施作錨桿，挖機配合裝載機下臺階出碴。

3)上下臺階及仰拱立拱、施作錨桿。下臺階出碴完成，上臺階繼續(xù)立拱施作錨桿，同時下臺階用爬梯人工鉆孔、立拱架、施作錨桿(管)。

4)立拱完成、退臺架、進行噴混凝土作業(yè)。按照仰拱、下臺階、上臺階的順序進行機械手噴混凝土作業(yè)。

5)修路進臺架，上下臺階及仰拱同步鉆孔。噴混凝土完畢，機械手撤離，上臺階清理后進臺架開始鉆孔，下臺階及仰拱亦同步開始鉆孔。

2.2.3 施工變形分析

2種工法的變形曲線見圖14和圖15。

圖14 下臺階(帶仰拱)法變形曲線圖

Fig. 14 Deformation curves when lower bench and inverted arch are excavated at the same time

圖15 傳統(tǒng)臺階法變形曲線圖

Fig.15 Deformation curves when using traditional three-bench method

與三臺階法類似，臺階法(帶仰拱)一次施工引起的變形小于傳統(tǒng)臺階法，2種工法在上臺階開挖階段變形值較為接近，但采用下臺階(帶仰拱)法時仰拱封閉時間短，隧道施工總變形量較小。

2.2.4 進度統(tǒng)計

考慮施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、誤工時間及一些制約因素，平均每循環(huán)用時約12 h，每天進度為： 24/12×1.6=3.2 m，月進尺為： 3.2×30=96 m。

3 臺階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)特點

結(jié)合以上理論計算及現(xiàn)場施工效果分析，同傳統(tǒng)臺階法相比，臺階法(帶仰拱)一次開挖施工具有如下技術(shù)特點：

1)開挖面至仰拱端頭距離短，初期支護可以快速封閉成環(huán)，以形成合理的受力結(jié)構(gòu)，對施工變形的控制有利，同時也可以較好地滿足施工步距的要求。

2)仰拱與下臺階同步開挖，減少了爆破次數(shù)，可避免風管、電線和水管等因多次爆破受損以及遷移作業(yè)帶來的損失和投入，出碴以及噴射混凝土作業(yè)次數(shù)減少，同時因集中作業(yè)可使粉塵暴露時間減少，作業(yè)環(huán)境得到改善。

3)臺階法(帶仰拱)一次開挖，能夠充分發(fā)揮各工序平行作業(yè)的特點，同時因工序簡化有利于銜接，減少了仰拱單獨開挖對其他工序造成的干擾，提高了施工效率。

4)有利于底板眼鉆孔外插角的精度控制，可有效提升仰拱開挖成型質(zhì)量。

4 結(jié)論與討論

1)臺階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)工藝簡潔、技術(shù)難度低，可有效利用狹窄的作業(yè)空間實行同步作業(yè)，實現(xiàn)快速施工、快速封閉，對圍巖變形控制效果好，是解決軟巖隧道步距超標、變形侵限等問題的較好方案。

2)通過精細的施工組織、合理有序的工藝安排，臺階法(帶仰拱)一次開挖法可取得不低于傳統(tǒng)臺階法的綜合工效。但在應(yīng)用過程中，工法應(yīng)保持穩(wěn)定，應(yīng)注意改變由于隧道圍巖變化頻繁因而工法也變換頻繁的傳統(tǒng)思路。

3)提高工效的關(guān)鍵是實現(xiàn)同步作業(yè)，盡量使各作業(yè)面綜合工作量達到同步平衡，使各工序循環(huán)時間及各臺階操作時間相匹配。應(yīng)結(jié)合工程具體邊界條件，分析選用合理的臺階高度和長度，使之既能夠保證施工安全，又能夠保證效率最大化。

4)仰拱與下臺階一次開挖后，仰拱承載力應(yīng)達到相應(yīng)要求，滿足施工和結(jié)構(gòu)安全的需要，可通過局部工序的安排(如初期支護混凝土先施作仰拱，再施作上中臺階)、仰拱采用早高強混凝土及仰拱初期支護上鋪設(shè)鋼板等措施，來保護仰拱初期支護免受后續(xù)施工破壞。

5)臺階法(帶仰拱)一次開挖施工中，上中臺階左右側(cè)同步推進，為避免下部開挖時拱腳兩側(cè)同時懸空，施作初期支護時可通過增設(shè)鎖腳錨桿(管)或?qū)澳_處噴射混凝土進行加固。

6)目前臺階法(帶仰拱)一次開挖法在普通軟巖隧道工程的應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果，但這種工法在高地應(yīng)力區(qū)軟巖隧道的應(yīng)用效果，尚需做進一步的研究和實踐。

7)現(xiàn)階段部分隧道Ⅳ級圍巖段初期支護拱墻部位設(shè)計有拱架支護，而仰拱部位不設(shè)拱架，實際上仰拱和拱墻沒有真正意義上實現(xiàn)“閉合成環(huán)”。針對這一問題，今后需在設(shè)計理念層面做進一步研究。

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