陳祺榮，楊 春，朱東烽，左志亮，許勇佩，龔 倩

（1、廣東筠誠(chéng)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(guó)城市現(xiàn)代化進(jìn)程逐漸接近尾聲，未來(lái)新建的建筑將會(huì)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(diǎn)［1］，這對(duì)基坑的開挖與監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。因此，能夠提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的深基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警顯得至關(guān)重要。

隨著科技的進(jìn)步，基坑監(jiān)測(cè)也由傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，新興的監(jiān)測(cè)儀器相繼投入到復(fù)雜深基坑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，各種監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展使得監(jiān)測(cè)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(chǔ)存以及分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否發(fā)揮其監(jiān)測(cè)預(yù)警作用的核心。

目前常用的無(wú)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(yǔ)音傳輸［3］。LoRa 無(wú)線通信技術(shù)具有通訊距離遠(yuǎn)、運(yùn)行功耗低的特點(diǎn)［4］，還可以通過(guò)切換頻率實(shí)現(xiàn)雙頻段數(shù)據(jù)傳輸，但在工程實(shí)際應(yīng)用中存在信號(hào)不穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)不完整的問(wèn)題。Cat.1技術(shù)具有成本低、功耗低的特點(diǎn)［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(cè)中具有較大優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)主要將陣列式位移計(jì)應(yīng)用到對(duì)滑坡體的深部位移監(jiān)測(cè)中［7］，陣列式位移傳感系統(tǒng)可以全方位地監(jiān)測(cè)不穩(wěn)定體的深部形變情況，并通過(guò)無(wú)線技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測(cè)中心［8］。但是目前還沒(méi)有將陣列式位移計(jì)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(cè)的案例。本文通過(guò)對(duì)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(cè)中相比于傳統(tǒng)的LoRa 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，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(cè)平臺(tái)，并以廣東省云浮市新興縣某醫(yī)院擴(kuò)建項(xiàng)目為例，對(duì)該深基坑項(xiàng)目進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)，論證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性。

1 Cat.1技術(shù)

1.1 Cat.1與LoRa技術(shù)對(duì)比

LoRa為低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，全稱是遠(yuǎn)距離無(wú)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(shí)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(cè)距和定位［9］。因此，LoRa技術(shù)廣泛應(yīng)用于低功耗、長(zhǎng)距離通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn)，近年來(lái)也逐漸應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)中，如橋梁、隧道、鋼結(jié)構(gòu)、基坑監(jiān)測(cè)等。然而，在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，LoRa 技術(shù)存在信號(hào)不穩(wěn)定和傳輸數(shù)據(jù)不完整的問(wèn)題，不滿足基坑變形預(yù)警監(jiān)測(cè)中需要實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的要求。

Cat.1 指“Category 1”，它是用來(lái)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(gè)較低的速率級(jí)別。LTE 是一種無(wú)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(duì)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(cè)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(duì)比如表1所示。

表1 Cat.1和LoRa的性能參數(shù)對(duì)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(shì)平坦地帶且需要長(zhǎng)期低功耗通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)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(cè)如邊坡監(jiān)測(cè)。而Cat.1 技術(shù)則適用于較小范圍內(nèi)需要實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于建筑工程領(lǐng)域的深基坑監(jiān)測(cè)，其面積相對(duì)較小，各測(cè)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間通信距離一般在1 km內(nèi)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到LTE基站的通信距離也在數(shù)公里以內(nèi)。在對(duì)通訊距離沒(méi)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的通信連接，從而避免了LoRa 技術(shù)需要通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)層層上傳過(guò)程存在的信號(hào)被干擾風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)。

1.2 Cat.1通信系統(tǒng)

以往用于土木工程領(lǐng)域監(jiān)測(cè)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(diǎn)負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并上傳到LoRa 中繼節(jié)點(diǎn)，再上傳至SCIMON 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)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(gè)集中的基站控制其他節(jié)點(diǎn)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(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作的優(yōu)點(diǎn)，但也存在單點(diǎn)故障會(huì)影響全部節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致的信道擁塞和限制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等缺點(diǎn)。

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(diǎn)設(shè)備通過(guò)LoRa 技術(shù)上傳至網(wǎng)關(guān)過(guò)程中存在的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定以及丟失問(wèn)題，Cat.1系統(tǒng)取消了中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)直接通過(guò)Cat.1 通信模塊上傳至運(yùn)營(yíng)商服務(wù)平臺(tái)，無(wú)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(jiǎn)化部署、降低成本、提高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)，直連架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)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(wú)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(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并支持多種驅(qū)動(dòng)和軟件功能。故該Cat.1 系統(tǒng)除可對(duì)深基坑進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)外，還能同時(shí)兼容水文、氣象、支撐軸力監(jiān)測(cè)、視頻采集等其他功能，形成一體化多功能基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)。

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

2 陣列式位移計(jì)

陣列式位移計(jì)及其一體化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示，它具有同時(shí)測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)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(duì)各段測(cè)斜管的扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行修正。

圖4 陣列式位移計(jì)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(jì)的每個(gè)測(cè)量單元都包含一套三軸加速度計(jì)，工作原理是利用加速度計(jì)得到測(cè)斜管與重力線間的夾角，利用夾角和已知的單元長(zhǎng)度即可計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)的位移偏差，依次疊加可以得到各測(cè)點(diǎn)的總位移，其原理如圖5所示。

圖5 陣列式位移計(jì)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(xiàng)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(chǎng)地內(nèi)共有6個(gè)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(zhǎng)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(bào)告，場(chǎng)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(cè)點(diǎn)布置方案

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50497—2019》［12］要求，本工程采用多種監(jiān)測(cè)方法對(duì)基坑變形進(jìn)行施工階段監(jiān)測(cè)。陣列式位移計(jì)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(cè)和掌握基坑變形的最大范圍；③測(cè)點(diǎn)應(yīng)穿過(guò)潛在滑面，以避免無(wú)效監(jiān)測(cè)；④需要考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和布置方式的可行性與經(jīng)濟(jì)性。12 個(gè)陣列式位移計(jì)的測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示，監(jiān)測(cè)精度要求±1.6 mm@32 m。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Layout of Monitoring Points

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)

建立了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)24 h 在線監(jiān)測(cè)，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(dòng)調(diào)整為5 min 采集一次，并對(duì)所有采集上報(bào)的數(shù)據(jù)做報(bào)警分析。如有數(shù)據(jù)報(bào)警，應(yīng)立即存儲(chǔ)并發(fā)送報(bào)警通知。

監(jiān)測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)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(shí)刻的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接涗浧鞑?shí)時(shí)備份保存到存儲(chǔ)器，防止數(shù)據(jù)丟失，然后通過(guò)Cat.1 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，用戶通過(guò)登錄云平臺(tái)系統(tǒng)查看、管理數(shù)據(jù)。

登陸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖8 所示。選擇“監(jiān)測(cè)項(xiàng)目”，可以按照測(cè)點(diǎn)或者日期查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且同時(shí)能選擇多個(gè)批次。其中，系統(tǒng)的幾大功能如下：

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

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

⑵巡檢信息：巡檢頁(yè)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(yè)面可以看到現(xiàn)場(chǎng)攝像頭的視頻監(jiān)控信息。

⑷報(bào)告信息：“報(bào)告信息”頁(yè)面列表展示該工程的所有報(bào)告信息?？梢栽诖隧?yè)面下載報(bào)告文件。

⑸工程資料：“工程資料”頁(yè)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(guò)手機(jī)移動(dòng)端可以隨時(shí)隨地便捷查詢項(xiàng)目數(shù)據(jù)及相關(guān)曲線，同時(shí)可以接收及查看實(shí)時(shí)報(bào)警信息，頁(yè)面如圖9所示。

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

3.4 監(jiān)測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行基坑水平位移分析，分別為東側(cè)測(cè)點(diǎn)X5 和X6，西側(cè)測(cè)點(diǎn)X11 和X12，北側(cè)測(cè)點(diǎn)X1 和X2。其中，北側(cè)基坑支護(hù)安全等級(jí)為一級(jí)，東、西兩側(cè)為二級(jí)。一、二級(jí)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(tái)提取出從2022年2月3日到4 月3 日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)水平方向位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。

由圖10?可知，對(duì)于北側(cè)婦幼保健院處，測(cè)點(diǎn)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(cè)。測(cè)點(diǎn)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(cè)其原因可能是：①醫(yī)院大樓對(duì)基坑產(chǎn)生的側(cè)向土壓力在該時(shí)間內(nèi)逐漸使排樁的變形趨于平衡穩(wěn)定狀態(tài)；②該時(shí)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(duì)于東側(cè)施工運(yùn)輸?shù)缆诽帲瑴y(cè)點(diǎn)X6 同樣因?yàn)榻咏咏遣?，總體水平位移小于位于基坑中部的測(cè)點(diǎn)X5。其中，測(cè)點(diǎn)前兩個(gè)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(cè)點(diǎn)X5與其他測(cè)點(diǎn)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(diǎn)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(cuò)動(dòng)，推測(cè)為滑移面。此外，X5點(diǎn)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(cè)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(cè)等級(jí)，同時(shí)采取相應(yīng)的措施規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

由圖10?可知，對(duì)于西側(cè)市政道路處，位于基坑支護(hù)中部測(cè)點(diǎn)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(shí)間增長(zhǎng)而持續(xù)增大，但未達(dá)到預(yù)警值。推測(cè)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(cè)期內(nèi)持續(xù)增大。

從上述監(jiān)測(cè)結(jié)果可見，基于Cat.1技術(shù)與陣列式位移計(jì)的深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果的可解釋性高，能用于監(jiān)測(cè)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(jì)的深基坑監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于新興縣某醫(yī)院擴(kuò)建項(xiàng)目的基坑監(jiān)測(cè)中，并分析了水平位移監(jiān)測(cè)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(diǎn)，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(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的深基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，具有很高的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

⑵基于Cat.1 技術(shù)與陣列式位移計(jì)的深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)反映基坑測(cè)點(diǎn)水平位移變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)結(jié)果的可解釋性高，有助于及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并做好風(fēng)險(xiǎn)防范措施。