运营阶段的电力隧道是城市赖以生存的重要基础设施，相对于地铁、交通隧道，电力隧道除了设计和建设年代较早，周边环境变化大外，自身还存在着内部光线暗、空间小、断面窄、安装设施较多、平面上弯曲和分叉多、弯曲半径小、高程面上起伏大等特点，传统的人工巡检和间断式变形监测效率低、成本高，越来越不能满足电力行业快速发展的需求^{[1, 2]}。针对电力隧道的特点，通过对各类方法和测量仪器对比分析，本文采用具有抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度高、耐久性等特点的光纤光栅传感技术，实现了电力隧道变形监测与预警系统一体化和自动化，并对广州市潭天电力隧道2016~2017年进行变形监测，与人工监测进行数据检核及精度分析。

1 电力隧道自动化变形监测数据处理 1.1 总体思路

针对电力隧道自身环境复杂的特点，通过对隧道监测技术进行调研^{[3, 4]}，确定了基于光纤光栅传感技术的变形监测方案。通过在电力隧道薄弱位置安装应力应变、位移、温度传感器，建立电力隧道自动化变形监测系统，实现运营期间的电力隧道自动化实时在线远程监测^[5]。建立隧道结构数据库，保存隧道结构实测数据，根据理论计算和历史数据的变化情况，有效评估隧道的老化程度和安全状态，对存在的问题提出预知性改造加固建议，为评估电力隧道结构安全提供科学依据。

1.2 光纤光栅传感器的布设方案

在电力隧道薄弱位置布设应力应变、位移、温度传感器时，主要布设在不良地质构造、断层、衬砌结构裂缝较多和其他变形敏感的部位，并与水平位移和垂直位移变形观测点相协调。所有传感器串联到光纤光栅传感智能解调仪，解调仪具有4个数据通道，每个通道可连接8个传感器，所有传感器通过光纤接入数据采集单元，按设定的时间和方式自动进行数据采集，监控主机通过电话网下载数据信息，对隧道的安全状态进行远程实时监控。

1.3 监测数据处理

自动化监测系统由数据采集、数据管理、数据分析等子系统组成^[6]。

1) 数据采集子系统。数据采集子系统与现场的应答器进行数据通讯，应答器每秒种采集一组信息并通过通讯网络每5 s传送一组数据到远程计算机。该子系统能实时显示各传感器数据，通过在线监测及时掌握电力隧道的安全运行状况，并根据预警值实时报警，为领导决策提供依据^[7]。

2) 数据管理子系统。数据存储是自动按时间格式生成文本文档单元。数据生成主要是获取数据的系统时间，每5 s储存一次数据，储存格式为：第一列为数据接收的日期；第二列为接收的具体时间；第三列为标记各个通道。

3) 数据分析子系统。单点时间系列模块有4个功能：①数据量压缩，即平滑处理；②粗差剔除，即把采集的数据进行平均处理，并做误差剔除和数据修正；③温度修正，即分析测点的应力应变是由于结构本身产生的还是温度变化引起的^[8]；④时间系列显示，即用户可按时间段选择显示单点的变形信息。趋势分析模块有两种分析功能：①时域分析，即进行测点时间系列的模拟，得出测点在时域中的变形趋势；②空域分析，即沿隧道方向进行应力应变模拟，得出隧道变形的空间特性^[9]。这两种分析都应用数据曲线拟合，即利用Matlab工具，选取合适的函数，对采集的数据拟合一个多项式，使监测的数据分布点尽可能均匀分布在函数曲线的两侧。本文验证的监测系统主要是时域分析。预警报警：当观测的应变量超过极限值时系统发出预警报警信号。极限值可由用户根据经验数据输入，也可根据材料的弹性模量、承受的最大拉强度和压强度计算得出。

2 数据精度分析与验证

电力隧道变形监测系统在广州市潭天电力隧道进行应用验证，该隧道建于2000年，是广州市第一条电力隧道，连接220 kV天河变电站和220 kV潭村变电站，该隧道全长3 570 m，主要采用明挖法施工，深度在10~30 m。

2.1 光纤光栅传感器数据采集

光纤光栅传感器数据采集工作从2016-07-05~2017-08-31，每天实时监测，将每天采集到的数据取平均值作为一次观测，共观测了约423次。采集的数据包括应力应变、垂直位移、裂缝和温度传感器监测数据。2017-08-01~2017-08-31的传感器监测结果如图 1所示。

2.2 人工监测数据采集

为了对电力隧道变形监测数据进行精度评定，综合考虑电力隧道光线昏暗、空间狭小、安装设施多、高差变化大、通视受到极大限制等特点，选用自动全站仪人工观测方法作为自动化监测应变和位移的校验方法，采用1 s级高精度自动全站仪，测量电力隧道上下垂直位移和纵断面相对沉降变形，用电子数显卡尺量取裂缝变形数据。人工监测结果曲线图见图 2。

2.3 数据对比与分析

1) 垂直位移监测数据对比分析

2016-07-05~2017-08-31监测期间，7个位移传感器监测点(WY1~WY7)和对应的人工监测垂直位移监测点(W1~W5、W8、W9)呈现出数据变化一致性，其中位移传感器监测点(WY1~WY7)的位移累计值分别是：-1.3 mm、0.4 mm、-0.8 mm、-1.3 mm、0.5 mm、-0.7 mm、-1.0 mm；对应的人工监测垂直位移监测点(W1~W5、W8、W9)的位移累计值分别是：-1.5 mm、0.1 mm、-1.1 mm、-0.8 mm、0.6 mm、-0.9 mm、-1.1 mm。自动化监测点垂直位移累计最大绝对值为-1.3 mm，人工垂直位移监测点累计变形量最大绝对值为-1.5 mm，垂直位移传感器监测数据与人工监测垂直位移数据具有变形量和变形方向上的一致性，说明两种方式都能监测出隧道垂直位移的微小变化。

2) 裂缝监测数据对比分析

2016-07-05~2017-08-31监测期间，5个位移传感器监测点(LF1~LF5)和对应的人工观测裂缝监测点(L1、L5、L7、L11、L16)呈现出数据变化一致性。5个位移传感器监测点(LF1~LF5)的位移累计值分别是：1.4 mm、1.8 mm、1.1 mm、1.6 mm、1.9 mm；对应的人工观测裂缝监测点(L1、L5、L7、L11、L16)的位移累计值分别是：1.3 mm、2.2 mm、1.6 mm、1.1 mm、2.1 mm。自动化监测点裂缝宽度累计最大绝对值为1.9 mm，人工裂缝监测点裂缝宽度累计变形量最大绝对值为2.2 mm，位移传感器监测数据与人工裂缝监测数据比对具有变形量和变形方向上的一致性，说明两种方式都能监测出因热胀冷缩对隧道结构体裂缝的微小变化。

通过对比分析，变形监测和人工监测的数据变化趋势基本一致，验证了基于光纤光栅传感技术的变形监测结果的准确性和可靠性，说明研发的自动化变形监测系统应用于电力隧道是可行的。

3 结束语

本文研究成果对电力隧道自动化变形监测有实用意义，研发的基于光纤光栅传感技术的电力隧道变形监测系统可在其他隧道中推广应用。根据国家现行的《工程测量规范》GB 50026-2007^[10]和《建筑变形测量规范》(JGJ8-2016)^[11]关于建筑变形测量的等级、精度指标及其适用范围的规定，将基于光纤光栅传感技术的监测数据和人工监测数据进行比较和精度评定，本项目监测精度达到二等变形测量精度要求。