CN115045297B - 淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铁路建设施工技术领域,具体涉及一种淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,包括定桩位、制备监测杆、制备监测杆助打桩、钢板桩施打、监测杆施打、钢板桩支撑、接线和监测等步骤,在施打钢板桩时每隔几根钢板桩就施打一根监测杆,当淤泥内出现挤压应力时,挤压应力将导致监测杆发生倾斜或者弯曲,通过设置在每根监测杆上的若干个双轴倾角传感器所采集的X轴、Y轴倾角数据,就可以拟合出监测杆的弯曲线型、倾斜线型,从而判断出监测杆的实时状态并实时显示。本发明能够实现淤泥质底层超深基坑开挖支护施工的过程中钢板桩的稳定性的实时监测,也可以预测钢板桩是否可能发生失稳。
Description
技术领域
本发明属于铁路建设施工技术领域,具体涉及一种淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法。
背景技术
铁路建设通常施工里程较长,通常横跨多省、多市以及多个地区,贯通东西南北,因此铁路建设施工过程中,大都要穿越各江河水系。铁路线在穿越江河水系时,均需要修建各类大型桥梁,大型桥梁的桥墩往往需要建设在河床上。但一些河床,尤其是水系下游区域沉积而成的河床,多为流塑状淤泥质粉质黏土,这就为大型桥梁的桥墩及其承台的建设带来了挑战。
例如在建设宁马城际铁路马鞍山段时,横跨姑溪河,需建设姑溪河特大桥,桥体采用连续梁拱结构,主跨约200米,其桥墩建设的河床为第四纪黏土、粉土及碎石土,基岩主要为砂岩、石英砂岩,因此需要开挖超深基坑来建设承台。传统的施工过程为,构建固定桩和施工平台,在施工平台上采用振动锤和钢板桩在承台尺寸的基础上外扩1m~2m竖直地向河床施打插入钢板桩,待四周的钢板桩都施打后围合形成钢板桩围堰,抽出围堰内的水,在钢板桩的内侧固定围檩,然后用横撑和角撑进行支撑,然后从上至下地逐层开挖围堰内的淤泥或基岩,分别形成上中下层支撑。但由于河床是淤泥质底层,而且由于超深基坑的钢板桩插入深度很深,在钢板桩围合之前振动锤的施打施工会影响临近的已经插入河床的钢板桩的稳定性,即便是钢板桩围合成围堰后、上中下层支撑形成之前,围堰外侧的河水和河床会对钢板桩形成应力挤压,也会影响钢板桩的稳定性,对施工安全造成影响,因此如何在淤泥质底层超深基坑开挖支护施工的过程中监测钢板桩的稳定性是一个急需解决的问题。
发明内容
本发明意在提供一种淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,以解决在淤泥质底层超深基坑开挖支护施工的过程中监测钢板桩的稳定性的问题。
为了达到上述目的,本发明的方案为:淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,包括以下步骤:
基线确定:定位承台的施工位置,在承台尺寸的基础上外扩1m~2m,确定钢板桩施工基线;
定桩位:沿基线定各钢板桩的具体数量和桩位;
制备监测杆:监测杆数量若干,监测杆包括可弹性弯曲的杆体,杆体的长度不小于钢板桩的长度,杆体内部中空,杆体内沿长度方向上安装有若干双轴倾角传感器,双轴倾角传感器的Y轴与杆体的轴线平行,杆体的一侧安装有倒钩状的第一结合齿,杆体的底部封闭、顶部开口,双轴倾角传感器的连接线从开口中穿出;
制备监测杆助打桩:助打桩呈直条状,助打桩的挠度小于杆体,助打桩的长度不小于杆体的长度,助打桩的侧壁上固定有第二结合齿,助打桩的一端上设有用于连接杆体连接部;
钢板桩施打:用振动锤将钢板桩逐一振打插入桩位中;
监测杆施打:将杆体的顶端与助打桩的连接部连接,杆体与助打桩平行,第二结合齿与第一结合齿相抵,利用振动锤将杆体和助打桩插入钢板桩内侧0.5m~1m处,插入深度不小于钢板桩插入桩位深度,然后拔出助打桩;
钢板桩支撑:在钢板桩施打完成围合后形成围堰,在围堰内侧从上至下安装围檩,并完成横撑、角撑;
接线:包括中控系统和显示系统,所有双轴倾角传感器的连接线均连接至中控系统;
监测:中控系统用于获取每根监测杆上的双轴倾角传感器的X轴、Y轴倾角数据,根据同一监测杆上各Y轴倾角数据拟合该监测杆的弯曲线型,根据各同一监测杆上各X轴倾角数据拟合该监测杆的倾斜线型,显示系统从中控系统获取每根监测杆的弯曲线型和倾斜线型数据并显示。
本方案的工作原理及有益效果在于:钢板桩插入淤泥、河床后,钢板桩的稳定性通常是由钢板桩自身的平衡性、围堰外侧的河水和河床会对钢板桩形成应力挤压造成的,但都表现为对临近区域内淤泥的挤压,通过检测钢板桩临近区域内淤泥内部的挤压应力则可对淤泥质底层超深基坑开挖支护施工的过程中钢板桩的稳定性进行监测。本方案中的可在施打钢板桩时每隔几根钢板桩就施打一根监测杆,当淤泥内出现挤压应力时,挤压应力将导致监测杆发生倾斜或者弯曲,通过设置在每根监测杆上的若干个双轴倾角传感器所采集的X轴、Y轴倾角数据,就可以拟合出监测杆的弯曲线型、倾斜线型,从而判断出监测杆的实时状态并实时显示,再跟监测杆刚插入时的状态进行比对,即可判断钢板桩周围区域的淤泥内是否存在挤压应力,方便判断钢板桩是否存在失稳的风险,从而实现淤泥质底层超深基坑开挖支护施工的过程中钢板桩的稳定性的实时监测。
本方案的友谊效果还在于:1、可以监测钢板桩的深处周围的挤压应力状态,能够实时监测整个钢板桩插入深度范围内的挤压应力状态,监测无遗漏,监测更准确。
2、淤泥内的挤压应力是逐渐变化的,本方案实时监测挤压应力,所以可以预测钢板桩是否可能发生失稳,以便于提早地采取预防和补救措施。
可选地,第一结合齿的数量为多个,第一结合齿在杆体的长度方向上均布,助打桩上的的第二结合齿上的数量与位置与杆体上的第一结合齿的数量与位置相对应。更利于助打桩将监测杆竖直地插入淤泥质底层中。
可选地,每根杆体上双轴倾角传感器沿杆体均布设置,每根杆体上的双轴倾角传感器上具有相同的分组编码,测量杆体与杆体之间的距离L;中控系统在拟合完单根杆体的弯曲线型和倾斜线型后,根据测量的L数据,再结合分组编码、弯曲线型和倾斜线型拟合成监测面,显示系统从中控系统获取监测面数据并显示。通过显示的监测面数据,能够更直观地展示淤泥质底层中挤压应力的分布情况,更利于量化和预测钢板桩是否可能发生失稳。
可选地,还包括步骤:设置阈值,设置弯曲线型的曲率阈值和倾斜线型的倾斜阈值,中控系统拟合弯曲线型和倾斜线型的同时计算曲率和倾斜角度,当曲率大于曲率阈值或者倾斜角度大于倾斜阈值时,中控系统发出报警数据,显示系统获取报警数据并显示。
可选地,助打桩采用钢板桩制备。便于就地取材,而且也便于采用与施打钢板桩相同的振动锤施打。
可选地,第二结合齿上背向第一结合齿的一面为斜面,杆体上第一结合齿的正上方固定有楔块,楔块上设有与第二结合齿上斜面相配合的楔面。在拔出助打桩时,倒钩状的第一结合齿能够让杆体被保留在淤泥中,而助打桩在被拔起上升的过程中,第二结合齿的斜面与楔块的楔面相抵,将监测杆向远离助打桩的一侧推出一小段距离,从而让监测杆上的第一结合齿与助打桩上的第二结合齿脱离,最终更顺利地让助打桩被拔出、让监测杆被保留在淤泥中。
可选地,连接部包括助打环,助打环内径大于杆体外径,杆体顶部同轴地固定有施力环,施力环的外径大于助打环的内径;助打桩底部铰接有定位环,监测杆的底部呈锥状,定位环的内径和外径均小于监测杆的外径;助打桩的底部开有用于容纳定位环的容纳槽,容纳槽顶部固定有限制定位环相对于助打桩转动角度不超过90°的限位块。在施打监测杆时,监测杆需要尽量保持竖直,因此让监测杆的杆体顶部穿过助打环,顶部的锥状端则插入到定位环中,则可让监测杆更平行地、更稳固地依附在助打桩上,避免监测杆相对于助打桩发生晃动而倾斜。在施打助打桩时,捶打钢板桩时,助打环对施力环施加作用力,同时助打环对杆体进行限位,定位环受淤泥的阻力而翻起与限位块相抵。监测杆插入完成后,在拔起助打桩时,助打环则直接从杆体上划出,而定位环则受淤泥的阻力自动收至容纳槽内。
可选地,制备监测杆步骤中,杆体内还安装电源模块、微控制模块和通信模块,电源模块用于为微控制模块、通信模块和双轴倾角传感器供电,双轴倾角传感器通过连接线与微控制模块连接,微控制模块与通信模块连接。
可选地,接线步骤中,同一监测杆上的双轴倾角传感器将X轴、Y轴倾角数据通过连接线传输至微控制模块,微控制模块将各双轴倾角传感器的X轴、Y轴倾角数据打包后,通过通信模块发送至中控系统。
相比于双轴倾角传感器直接通过连接线连接中控系统,省去了施工中的接线操作。同时减少了大量线束,不会对施工造成额外的干扰。
可选地,通信模块采用NB-IOT通信模块。
附图说明
图1为本发明实施例一中淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法中钢板桩和监测杆的施打示意图;
图2为本发明实施例一中监测杆的结构示意;
图3为本发明实施例三中监测杆与助打桩的配合示意图;
图4为本发明实施例四中拟合出的监测面的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明:
说明书附图中的标记包括:振动锤1、钢板桩2、监测杆3、杆体301、双轴倾角传感器302、第一结合齿303、楔块304、施力环305、基线4、助打桩5、第二结合齿501、助打环502、定位环503、容纳槽504、监测面6、杆体轴线线型601。
实施例一
本实施例基本如图1、图2、图3所示:淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,按照以下步骤:
S1:基线确定:传统的先通过钻孔施工固定桩,固定桩施工完成后在固定桩顶部通过钢板和钢架结构搭建施工平台。测量人员在施工平台上测量施工平台的位置,然后以施工平台为基础定位承台的施工位置,在承台尺寸的基础上外扩2m,确定钢板桩2施工基线4。
S2:定桩位:沿基线4定各钢板桩2的具体数量和桩位,在施工平台侧边上焊接一个U型架,U型架的两端焊接在施工平台的边缘上、弯曲部分朝外,U型架的宽度仅够容纳一个钢板桩2,U型架落在第一个桩位上。
S3:制备监测杆:监测杆3的数量为钢板桩2数量的1/5,监测杆3包括可弹性弯曲的杆体301,杆体301的长度等于钢板桩2的长度,杆体301内部中空,杆体301的横截面呈矩形,具体地,杆体301由两块200mm宽、3mm厚和两块40mm宽、3mm厚的弹簧钢薄片两两焊接呈矩形,杆体301的底部切割并焊接呈锥状,顶部则保持开口。杆体301整体作防锈处理。杆体301内沿长度方向上每隔0.5m安装有若干双轴倾角传感器302,双轴倾角传感器302具体为LCA216T-90-232-68型,双轴倾角传感器302的Y轴与杆体301的轴线平行,双轴倾角传感器302的连接线从开口中穿出。杆体301边长为200mm的一侧安装有倒钩状的第一结合齿303,第一结合齿303为呈直角三角形的铁块,铁块的一条直角边焊接在杆体301上,铁块的斜边倾斜向下并且磨削成刃。杆体301上第一结合齿303的正上方固定有楔块304。监测杆3的结构如附图2所示。
S4:制备监测杆助打桩:助打桩5以钢板桩2作为基础制备,助打桩5只需要一根,助打桩5的长度大于杆体301的长度40cm,助打桩5的侧壁上固定有位置和数量与第一结合齿303相对应的第二结合齿501,助打桩5的一端上设有用于连接杆体301连接部;第二结合齿501上背向第一结合齿303的一面为斜面,楔块304上设有与斜面相配合的楔面,楔面倾斜向下。连接部包括助打环502,助打环502的侧面通过连接臂焊接在钢板桩2的内侧壁上,助打环502内径大于杆体301外径,杆体301顶部同轴地固定有施力环305,施力环305的外径大于助打环502的内径;助打桩5底部设有定位环503,定位环503的一段通过定位杆铰接在助打桩5上,监测杆3的底部呈锥状,定位环503的内径和外径均小于监测杆3的外径;助打桩5的底部开有用于容纳定位环503的容纳槽504,容纳槽504顶部固定有限制定位环503相对于助打桩5转动角度不超过90°的限位块。
S5:钢板桩施打:用振动锤1将第一块钢板桩2穿过U型架振打插入第一个桩位中,其余的钢板桩2从第一块钢板桩2两侧依次施打,直至两侧的杠杆桩延伸到第一个桩位的对侧并完成闭合,最终围合形成钢板桩2围堰。
S6:监测杆施打:如附图3所示,将杆体301的顶端穿过助打环502,施力环305位于助打环502的下方,并扳起定位环503与限位块的下端面相抵,杆体301的锥形端插入到定位环503中,让杆体301与助打桩5保持平行,第二结合齿501与第一结合齿303相抵,利用振动锤1将杆体301和助打桩5插入钢板桩2内侧1m处,插入深度不小于钢板桩2插入桩位深度,然后拔出助打桩5。每间隔四根钢板桩2施打一根监测杆3。钢板桩2和监测杆3的施打基本如附图1所示。
S7:钢板桩支撑:在钢板桩2施打完成围合后形成围堰后,在围堰内侧从上至下安装围檩,并完成横撑、角撑。
S8:接线:从监测杆3顶部的开口将所有双轴倾角传感器302的连接线引出,所有双轴倾角传感器302的连接线均连接至中控系统。中控系统对每根监测杆3按顺时针方向编号①、②……
S9:监测:中控系统用于获取每根监测杆3上的双轴倾角传感器302的X轴、Y轴倾角数据,根据同一监测杆3上各Y轴倾角数据拟合该监测杆3的弯曲线型,根据各同一监测杆3上各X轴倾角数据拟合该监测杆3的倾斜线型,显示系统从中控系统获取每根监测杆3的弯曲线型和倾斜线型数据并显示。当曲率大于曲率阈值或者倾斜角度大于倾斜阈值时,中控系统发出报警数据,显示系统获取报警数据并显示。
实施例二
本实施例与实施例一的区别之处在于:
监测杆3的数量为钢板桩2数量的2/5,即在围堰内测和外侧均插上相同数量的监测杆3,对围堰内外的淤泥中的挤压应力同时进行实时监测,从而利用围堰内外监测到的弯曲线型和倾斜线型数据进行对比,如内外两侧的监测杆3在临近位置都发生了弯曲或者倾斜,则更能证明挤压应力的存在,相反,如果仅内侧的监测杆3发生了弯曲或者倾斜而外侧监测杆3完全未发生变化,且已在进行围堰内的开挖工作,则可能时开挖造成的淤泥内应力的变化,则应排除钢板桩3失稳的结论。
实施例三
本实施例与实施例二的区别之处在于:在步骤S8后还包括步骤S81:设置阈值,设置弯曲线型的曲率阈值和倾斜线型的倾斜阈值,中控系统拟合弯曲线型和倾斜线型的同时计算曲率和倾斜角度,当曲率大于曲率阈值或者倾斜角度大于倾斜阈值时,中控系统发出报警数据,显示系统获取报警数据并显示。本实施例中曲率阈值为75m-1,倾斜阈值为±8°。当某根监测杆3某处的弯曲线型拟合出来曲率小于75m-1时则触发报警,显示系统显示该监测杆3的编号以及具体的曲率值。当某根监测杆3的倾斜角度大于倾斜阈值时也触发警报,显示系统显示该监测杆3的编号以及具体的倾斜角度。从而可准确确定存在失稳风险的具体位置。
实施例四
本实施例与实施例二的区别之处在于:
还包括步骤S10:监测面拟合:每根杆体301上双轴倾角传感器302沿杆体301均布设置,每根杆体301上的双轴倾角传感器302上具有与监测杆3编号相同的分组编码,即①号监测杆3上的双轴倾角传感器302从上到下的分组编码为①-1、①-2……测量杆体301与杆体301之间的距离L;中控系统在拟合完单根杆体301的弯曲线型和倾斜线型后,将弯曲线型和倾斜线型复合生成杆体301杆体轴线线型601,根据测量的L数据,再结合杆体301杆体轴线线型601拟合成监测面6,显示系统从中控系统获取监测面6数据并显示,监测面6的显示效果如附图4所示。通过显示的监测面6数据,能够更直观地展示淤泥质底层中挤压应力的分布情况,更利于量化和预测钢板桩2是否可能发生失稳。
实施例五
本实施例与实施例二的区别之处在于:
步骤S3中,杆体301内还安装有电源模块、微控制模块和通信模块,具体安装在杆体301内靠近顶部的位置。电源模块用于为微控制模块、通信模块和双轴倾角传感器302供电。双轴倾角传感器302通过连接线与微控制模块连接,微控制模块与通信模块连接。微控制模块具体采用MCU。电源模块具体采用锂电池。通信模块具体采用NB-IOT通信模块,相比使用WiFi进行数据传输,不需要额外设置路由器,利用现有电信运营商的基站作为中转即可,相比与使用蓝牙,抗干扰能力更强,而且在当前施工场景下,接入数不会受限。相比于使用LoRa技术,能支持更高频次的通信。
步骤S8中,同一监测杆3上的双轴倾角传感器302将X轴、Y轴倾角数据通过连接线传输至微控制模块,微控制模块将各双轴倾角传感器302的X轴、Y轴倾角数据打包后,通过通信模块发送至中控系统。本实施例中,中控系统采用服务器,显示系统采用终端显示设备,例如台式电脑、平板电脑、笔记本电脑等。
在其他实施例中,还可以通过微控制模块对各双轴倾角传感器302的X轴、Y轴倾角数据进行初步分析,判断X轴、Y轴倾角数据相比于初始值是否有变化,初始值指监测杆3竖直安装到位后,X轴、Y轴的初始倾角数据。
若所有双轴倾角传感器302的X轴、Y轴倾角数据相比于初始值均无变化,微控制模块控制通信模块延长回传的间隔,例如从每隔10s回传,延长到每隔60s回传。通过在监测杆3未发生倾斜时,延长回传的间隔,可以有效降低能耗,增加续航。
以上的仅是本发明的实施例,该发明不限于此实施案例涉及的领域,方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述,所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识,能够获知该领域中所有的现有技术,并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力,所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下,结合自身能力完善并实施本方案,一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明结构的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些也应该视为本发明的保护范围,这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准,说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:基线确定:定位承台的施工位置,在承台尺寸的基础上外扩1m~2m,确定钢板桩施工基线;
定桩位:沿基线定各钢板桩的具体数量和桩位;
制备监测杆:监测杆数量若干,监测杆包括可弹性弯曲的杆体,杆体的长度不小于钢板桩的长度,杆体内部中空,杆体内沿长度方向上安装有若干双轴倾角传感器,双轴倾角传感器的Y轴与杆体的轴线平行,杆体的一侧安装有倒钩状的第一结合齿,杆体的底部封闭、顶部开口,双轴倾角传感器的连接线从开口中穿出;
制备监测杆助打桩:助打桩呈直条状,助打桩的挠度小于杆体,助打桩的长度不小于杆体的长度,助打桩的侧壁上固定有第二结合齿,助打桩的一端上设有用于连接杆体连接部;
钢板桩施打:用振动锤将钢板桩逐一振打插入桩位中;
监测杆施打:将杆体的顶端与助打桩的连接部连接,杆体与助打桩平行,第二结合齿与第一结合齿相抵,利用振动锤将杆体和助打桩插入钢板桩内侧0.5m~1m处,插入深度不小于钢板桩插入桩位深度,然后拔出助打桩;
钢板桩支撑:在钢板桩施打完成围合后形成围堰,在围堰内侧从上至下安装围檩,并完成横撑、角撑;
接线:包括中控系统和显示系统,所有双轴倾角传感器的连接线均连接至中控系统;
监测:中控系统用于获取每根监测杆上的双轴倾角传感器的X轴、Y轴倾角数据,根据同一监测杆上各Y轴倾角数据拟合该监测杆的弯曲线型,根据各同一监测杆上各X轴倾角数据拟合该监测杆的倾斜线型,显示系统从中控系统获取每根监测杆的弯曲线型和倾斜线型数据并显示。
2.根据权利要求1所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:第一结合齿的数量为多个,第一结合齿在杆体的长度方向上均布,助打桩上的的第二结合齿上的数量与位置与杆体上的第一结合齿的数量与位置相对应。
3.根据权利要求2所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:每根杆体上双轴倾角传感器沿杆体均布设置,每根杆体上的双轴倾角传感器上具有相同的分组编码,测量杆体与杆体之间的距离L;中控系统在拟合完单根杆体的弯曲线型和倾斜线型后,根据测量的L数据,再结合分组编码、弯曲线型和倾斜线型拟合成监测面,显示系统从中控系统获取监测面数据并显示。
4.根据权利要求3所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:还包括步骤:设置阈值,设置弯曲线型的曲率阈值和倾斜线型的倾斜阈值,中控系统拟合弯曲线型和倾斜线型的同时计算曲率和倾斜角度,当曲率大于曲率阈值或者倾斜角度大于倾斜阈值时,中控系统发出报警数据,显示系统获取报警数据并显示。
5.根据权利要求4所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:助打桩采用钢板桩制备。
6.根据权利要求5所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:第二结合齿上背向第一结合齿的一面为斜面,杆体上第一结合齿的正上方固定有楔块,楔块上设有与第二结合齿上斜面相配合的楔面。
7.根据权利要求6所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:连接部包括助打环,助打环内径大于杆体外径,杆体顶部同轴地固定有施力环,施力环的外径大于助打环的内径;助打桩底部铰接有定位环,监测杆的底部呈锥状,定位环的内径和外径均小于监测杆的外径;助打桩的底部开有用于容纳定位环的容纳槽,容纳槽顶部固定有限制定位环相对于助打桩转动角度不超过90°的限位块。
8.根据权利要求1所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:制备监测杆步骤中,杆体内还安装电源模块、微控制模块和通信模块,电源模块用于为微控制模块、通信模块和双轴倾角传感器供电,双轴倾角传感器通过连接线与微控制模块连接,微控制模块与通信模块连接。
9.根据权利要求8所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:接线步骤中,同一监测杆上的双轴倾角传感器将X轴、Y轴倾角数据通过连接线传输至微控制模块,微控制模块将各双轴倾角传感器的X轴、Y轴倾角数据打包后,通过通信模块发送至中控系统。
10.根据权利要求8所述的淤泥质底层超深基坑开挖支护施工方法,其特征在于:通信模块采用NB-IOT通信模块。
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