基于Cat.1技術(shù)與陣列式位移計的深基坑監(jiān)測方法與應(yīng)用

陳祺榮，楊 春，朱東烽，左志亮，許勇佩，龔 倩

（1、廣東筠誠建筑科技有限公司 廣東云浮 527400；2、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510641）

0 引言

我國城市現(xiàn)代化進(jìn)程逐漸接近尾聲，未來新建的建筑將會趨于高層化、復(fù)雜化，并且緊挨在城市人口建筑密集區(qū)。相應(yīng)的，基坑工程也逐漸呈現(xiàn)出“大、緊、深”的特點［1］，這對基坑的開挖與監(jiān)測提出了更高的要求。因此，能夠提供實時、準(zhǔn)確的深基坑監(jiān)測預(yù)警顯得至關(guān)重要。

隨著科技的進(jìn)步，基坑監(jiān)測也由傳統(tǒng)的人工監(jiān)測轉(zhuǎn)向?qū)崟r無線自動化監(jiān)測，新興的監(jiān)測儀器相繼投入到復(fù)雜深基坑的實時監(jiān)測中，各種監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展使得監(jiān)測數(shù)據(jù)驟增，數(shù)據(jù)類型也愈發(fā)復(fù)雜，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集、儲存以及分析監(jiān)測數(shù)據(jù)將是監(jiān)測系統(tǒng)能否發(fā)揮其監(jiān)測預(yù)警作用的核心。

目前常用的無線通信技術(shù)有WIFI、4G、LoRa、Cat.1 等。WIFI 通信技術(shù)通信速率高但是傳輸距離短，抗干擾能力較弱［2］。4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)功耗大，成本高，一般用于視頻和語音傳輸［3］。LoRa 無線通信技術(shù)具有通訊距離遠(yuǎn)、運(yùn)行功耗低的特點［4］，還可以通過切換頻率實現(xiàn)雙頻段數(shù)據(jù)傳輸，但在工程實際應(yīng)用中存在信號不穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)不完整的問題。Cat.1技術(shù)具有成本低、功耗低的特點［5］，且適配于當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)，覆蓋廣、穩(wěn)定性高［6］，和WIFI、4G、LoRa 相比，在深基坑監(jiān)測中具有較大優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)主要將陣列式位移計應(yīng)用到對滑坡體的深部位移監(jiān)測中［7］，陣列式位移傳感系統(tǒng)可以全方位地監(jiān)測不穩(wěn)定體的深部形變情況，并通過無線技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸至監(jiān)測中心［8］。但是目前還沒有將陣列式位移計與Cat.1 技術(shù)結(jié)合并用于建筑工程深基坑變形預(yù)警監(jiān)測的案例。本文通過對比Lo-Ra 與Cat.1 技術(shù)的性能參數(shù)，分析了Cat.1 技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的深基坑位移監(jiān)測中相比于傳統(tǒng)的LoRa 技術(shù)的優(yōu)勢。同時，基于Cat.1 技術(shù)開發(fā)了集成水文氣象、支撐軸力、視頻采集等功能為一體的多功能監(jiān)測平臺，并以廣東省云浮市新興縣某醫(yī)院擴(kuò)建項目為例，對該深基坑項目進(jìn)行水平位移監(jiān)測，論證該監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

1 Cat.1技術(shù)

1.1 Cat.1與LoRa技術(shù)對比

LoRa為低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，全稱是遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio）。LoRa 技術(shù)在極大改善數(shù)據(jù)接收靈敏度的同時還降低了功耗，支持多信道多數(shù)據(jù)并行處理，系統(tǒng)容量大且支持測距和定位［9］。因此，LoRa技術(shù)廣泛應(yīng)用于低功耗、長距離通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，如智能家居、智能電表、智能水表、智慧農(nóng)業(yè)等。由于LoRa 技術(shù)具有以上優(yōu)點，近年來也逐漸應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的監(jiān)測中，如橋梁、隧道、鋼結(jié)構(gòu)、基坑監(jiān)測等。然而，在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，LoRa 技術(shù)存在信號不穩(wěn)定和傳輸數(shù)據(jù)不完整的問題，不滿足基坑變形預(yù)警監(jiān)測中需要實時穩(wěn)定傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的要求。

Cat.1 指“Category 1”，它是用來描述LTE（Long-Term Evolution）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種分類，Cat.1 是其中一個較低的速率級別。LTE 是一種無線通信的標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛用于4G 通信網(wǎng)絡(luò)。工信部發(fā)布的《關(guān)于深入推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》指出，要以Cat.1 技術(shù)滿足中等物聯(lián)需求，深入推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展［10］。

LoRa 和Cat.1是針對不同的需求和應(yīng)用環(huán)境提供的不同解決方案。在深基坑監(jiān)測中，根據(jù)具體的需求和限制條件，Cat.1相較于LoRa更加合理，二者的性能參數(shù)對比如表1所示。

表1 Cat.1和LoRa的性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of the Performance Parameters between Cat.1 and LoRa

由表1 可知，LoRa 適用于范圍較大、地勢平坦地帶且需要長期低功耗通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，在土木工程領(lǐng)域一般用于地質(zhì)災(zāi)害的大范圍永久監(jiān)測如邊坡監(jiān)測。而Cat.1 技術(shù)則適用于較小范圍內(nèi)需要實時穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景。對于建筑工程領(lǐng)域的深基坑監(jiān)測，其面積相對較小，各測點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間通信距離一般在1 km內(nèi)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點到LTE基站的通信距離也在數(shù)公里以內(nèi)。在對通訊距離沒有較高需求的情況下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性就成為了關(guān)鍵。而城市環(huán)境中均部署了大量的LTE基站，Cat.1技術(shù)可以利用這些網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)穩(wěn)定的通信連接，從而避免了LoRa 技術(shù)需要通過中繼節(jié)點把數(shù)據(jù)層層上傳過程存在的信號被干擾風(fēng)險，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。因此，Cat.1 技術(shù)比LoRa 技術(shù)更適用于深基坑變形預(yù)警監(jiān)測。

1.2 Cat.1通信系統(tǒng)

以往用于土木工程領(lǐng)域監(jiān)測中的LoRa 通信系統(tǒng)采用的是星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要由內(nèi)嵌LoRa模塊的傳感器終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器構(gòu)成［11］，經(jīng)典的組網(wǎng)方式如圖1 所示。LoRa 終端節(jié)點負(fù)責(zé)將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集并上傳到LoRa 中繼節(jié)點，再上傳至SCIMON 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)傳送至云端。星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一種典型的中心控制架構(gòu)，其中一個集中的基站控制其他節(jié)點的通信。它具有易于部署和維護(hù)，只需要在基站上進(jìn)行管理和維護(hù)而不需要對每個節(jié)點進(jìn)行操作的優(yōu)點，但也存在單點故障會影響全部節(jié)點、節(jié)點數(shù)量過多導(dǎo)致的信道擁塞和限制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等缺點。

圖1 LoRa技術(shù)組網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of LoRa Technology Networking

為了減少節(jié)點設(shè)備通過LoRa 技術(shù)上傳至網(wǎng)關(guān)過程中存在的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定以及丟失問題，Cat.1系統(tǒng)取消了中繼節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點，各節(jié)點設(shè)備的數(shù)據(jù)直接通過Cat.1 通信模塊上傳至運(yùn)營商服務(wù)平臺，無需使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和處理。該架構(gòu)稱為直連架構(gòu)（Direct-to-Cloud Architecture），如圖2 所示。直連架構(gòu)具有簡化部署、降低成本、提高可靠性等優(yōu)點，避免了網(wǎng)關(guān)設(shè)備的部署和維護(hù)，減少了設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的成本和故障率。同時，直連架構(gòu)可以實現(xiàn)節(jié)點設(shè)備與云端服務(wù)的快速、可靠通信，進(jìn)而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖2 Cat.1技術(shù)組網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Cat.1 Technology Networking

系統(tǒng)中用到的Cat.1 芯片為EC200M-CN 芯片，如圖3 所示，是一款LTE Cat.1 無線通信模塊，可支持?jǐn)z像頭、矩陣鍵盤、音頻等接口，內(nèi)置豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，集成多個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并支持多種驅(qū)動和軟件功能。故該Cat.1 系統(tǒng)除可對深基坑進(jìn)行位移監(jiān)測外，還能同時兼容水文、氣象、支撐軸力監(jiān)測、視頻采集等其他功能，形成一體化多功能基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺。

圖3 Cat.1芯片：EC200M-CNFig.3 Cat.1 Chip: EC200M-CN

2 陣列式位移計

陣列式位移計及其一體化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示，它具有同時測量每個測點X/Y方向水平角和扭轉(zhuǎn)角的能力，并利用幾何變形規(guī)律對各段測斜管的扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行修正。

圖4 陣列式位移計一體化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 The Integrated Data Acquisition System for Shape Acceleration Array

陣列式位移計的每個測量單元都包含一套三軸加速度計，工作原理是利用加速度計得到測斜管與重力線間的夾角，利用夾角和已知的單元長度即可計算出該測點的位移偏差，依次疊加可以得到各測點的總位移，其原理如圖5所示。

圖5 陣列式位移計原理Fig.5 Principle of Shape Acceleration Array

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

擬建工程位于廣東省云浮市新興縣，項目總用地面約15 265 m2。其中基坑北側(cè)為醫(yī)院大樓，東側(cè)為混凝土建筑物和市政道路，南側(cè)紅線緊貼多棟居民樓，西側(cè)紅線外為教育路。

場地內(nèi)共有6個單體建筑，總建筑面積約42 213 m2，地下室總面積約為8 968 m2。本基坑深5.05～5.95 m，局部最大挖深（坑中坑）6.45 m；基坑面積約9 765 m2，周長約418 m?；又ёo(hù)方案采用排樁+一層內(nèi)支撐的支護(hù)形式，支護(hù)樁外側(cè)設(shè)置三軸攪拌樁止水帷幕?；尤S示意圖如圖6所示。此外，根據(jù)詳勘報告，場地地層有第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖積層、殘積層，下伏基巖為燕山四期花崗巖。

圖6 基坑三維示意圖Fig.6 Three-dimensional Schematic of Foundation Pit

3.2 測點布置方案

根據(jù)設(shè)計圖紙和《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50497—2019》［12］要求，本工程采用多種監(jiān)測方法對基坑變形進(jìn)行施工階段監(jiān)測。陣列式位移計布設(shè)原則如下：①應(yīng)適當(dāng)密集布設(shè)以充分覆蓋基坑的關(guān)鍵區(qū)域；②根據(jù)預(yù)期的基坑變形情況布設(shè)，確保能夠準(zhǔn)確監(jiān)測和掌握基坑變形的最大范圍；③測點應(yīng)穿過潛在滑面，以避免無效監(jiān)測；④需要考慮監(jiān)測點的數(shù)量和布置方式的可行性與經(jīng)濟(jì)性。12 個陣列式位移計的測點位置如圖7所示，監(jiān)測精度要求±1.6 mm@32 m。

圖7 測點布置Fig.7 Layout of Monitoring Points

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺

建立了監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺，通過監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)24 h 在線監(jiān)測，一般情況下每60 min 采集一次數(shù)據(jù)，緊急情況下采集器應(yīng)自動調(diào)整為5 min 采集一次，并對所有采集上報的數(shù)據(jù)做報警分析。如有數(shù)據(jù)報警，應(yīng)立即存儲并發(fā)送報警通知。

監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行后，采集器根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的采集頻率對監(jiān)測儀器發(fā)送采集命令，儀器收到采集器上傳數(shù)據(jù)命令后，將當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接涗浧鞑崟r備份保存到存儲器，防止數(shù)據(jù)丟失，然后通過Cat.1 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊把數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆破脚_，用戶通過登錄云平臺系統(tǒng)查看、管理數(shù)據(jù)。

登陸監(jiān)測系統(tǒng)可以查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖8 所示。選擇“監(jiān)測項目”，可以按照測點或者日期查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)，且同時能選擇多個批次。其中，系統(tǒng)的幾大功能如下：

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化大屏Fig.8 Visualization Screen of Monitoring Data

⑴報警信息：報警頁面會列表展示該工程的所有報警信息。具備“警情處理”權(quán)限的人員也可以在此處理報警信息。

⑵巡檢信息：巡檢頁面列表展示該工程的所有巡檢信息。

⑶視頻信息：視頻信息頁面可以看到現(xiàn)場攝像頭的視頻監(jiān)控信息。

⑷報告信息：“報告信息”頁面列表展示該工程的所有報告信息。可以在此頁面下載報告文件。

⑸工程資料：“工程資料”頁面顯示該工程的工程信息。包括“工程介紹”、“人員配置”、“文檔資料”。

此外，通過手機(jī)移動端可以隨時隨地便捷查詢項目數(shù)據(jù)及相關(guān)曲線，同時可以接收及查看實時報警信息，頁面如圖9所示。

圖9 手機(jī)端展示頁面Fig.9 Mobile Display Page

3.4 監(jiān)測結(jié)果

由于基坑北側(cè)為醫(yī)院大樓，西側(cè)緊靠市政道路，東側(cè)為施工運(yùn)輸?shù)缆?，故在基坑的東、西、北側(cè)各取2個測點進(jìn)行基坑水平位移分析，分別為東側(cè)測點X5 和X6，西側(cè)測點X11 和X12，北側(cè)測點X1 和X2。其中，北側(cè)基坑支護(hù)安全等級為一級，東、西兩側(cè)為二級。一、二級基坑支護(hù)樁頂、樁底水平位移預(yù)警值分別為18 mm、25 mm。從云端平臺提取出從2022年2月3日到4 月3 日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，各測點水平方向位移的監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

由圖10?可知，對于北側(cè)婦幼保健院處，測點X1由于接近基坑角部，基坑內(nèi)混凝土水平支撐較短，軸向壓縮變形較小，水平方向位移較快趨于穩(wěn)定，但其頂部位移也接近預(yù)警值18 mm，故需加強(qiáng)監(jiān)測。測點X2 位于基坑支護(hù)中部，總體水平約束較小。2～3 月水平位移變化較大，但3～4 月已經(jīng)趨于穩(wěn)定。推測其原因可能是：①醫(yī)院大樓對基坑產(chǎn)生的側(cè)向土壓力在該時間內(nèi)逐漸使排樁的變形趨于平衡穩(wěn)定狀態(tài)；②該時間內(nèi)基坑內(nèi)水平支撐的軸向壓縮變形也趨于穩(wěn)定。

由圖10?可知，對于東側(cè)施工運(yùn)輸?shù)缆诽?，測點X6 同樣因為接近基坑角部，總體水平位移小于位于基坑中部的測點X5。其中，測點前兩個月的變形基本穩(wěn)定，到了4月份由于施工運(yùn)輸?shù)缆肥褂瞄_始頻繁，水平位移開始變大，但總體變形均較小。而測點X5與其他測點最大不同在于8 m左右深度處產(chǎn)生了位移突變且數(shù)值較大。結(jié)合該點處的工程地質(zhì)剖面圖（圖略）可知該處存在巖層變化交界面，且上下巖層性質(zhì)相差較大，從粉質(zhì)粘土層到礫砂層，易發(fā)生巖層錯動，推測為滑移面。此外，X5點在4月份的頂端位移也迅速增大，從10 mm 左右迅速逼近監(jiān)測預(yù)警值25 mm，故有必要提高施工運(yùn)輸?shù)缆诽幓又ёo(hù)監(jiān)測等級，同時采取相應(yīng)的措施規(guī)避風(fēng)險。

由圖10?可知，對于西側(cè)市政道路處，位于基坑支護(hù)中部測點X11比靠近基坑角部的X12水平位移更大。且二者水平位移均隨時間增長而持續(xù)增大，但未達(dá)到預(yù)警值。推測該處受到市政路面車輛運(yùn)行的持續(xù)影響，導(dǎo)致基坑支護(hù)水平位移在監(jiān)測期內(nèi)持續(xù)增大。

從上述監(jiān)測結(jié)果可見，基于Cat.1技術(shù)與陣列式位移計的深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，監(jiān)測結(jié)果的可解釋性高，能用于監(jiān)測預(yù)警，可供同類型工程應(yīng)用作參考。

4 結(jié)論

本文分析了基于Cat.1 技術(shù)與陣列式位移計的深基坑監(jiān)測方法的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于新興縣某醫(yī)院擴(kuò)建項目的基坑監(jiān)測中，并分析了水平位移監(jiān)測結(jié)果，得出如下主要結(jié)論：

⑴相比于傳統(tǒng)的LoRa 通信技術(shù)，Cat.1技術(shù)具有適配于當(dāng)前的4G 網(wǎng)絡(luò)、覆蓋廣、穩(wěn)定性高的特點，因此更適用于城市內(nèi)已部署大量的LTE 基站，能夠提供較好的信號強(qiáng)度和穩(wěn)定性的深基坑監(jiān)測項目中，具有很高的推廣價值和應(yīng)用前景。

⑵基于Cat.1 技術(shù)與陣列式位移計的深基坑監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，能夠?qū)崟r反映基坑測點水平位移變化規(guī)律，監(jiān)測結(jié)果的可解釋性高，有助于及時發(fā)出預(yù)警信號，并做好風(fēng)險防范措施。