光纤传感技术下电力隧道自动化变形监测系统的设计与实现

李卫海，陈丽佳(广东地下管网工程勘测公司，广东 广州 510080)

电网是城市公共基础设施的重要组成部分。随着我国城市基础建设的快速发展，近些年北京、广州等大城市都不同规模地建设了电力隧道，但因电力隧道周边环境影响、动力荷载反复作用和结构材料老化等原因[1]，隧道结构产生不同形式的变形，不利于隧道的安全运营。为保护电力隧道的结构安全，需对运营期间的电力隧道进行自动化变形监测。采用传统测量方法进行变形监测费时费力，难以保证监测精度，需要推进智能化监测[2]。针对城市电力隧道结构多样、截面尺寸小、走向多变、电缆设施多、电磁干扰大等特点[3]，采用基于光纤传感技术的高精度、长期稳定及不间断性的实时自动化监测技术是电力隧道监测的发展趋势。

光纤传感技术具有可分布式监测、不受电磁等干扰、稳定性好、监测精度高、便于与各种管理系统及应急监视处理系统联网等优点[4]。本文针对光纤传感技术在监测方面的优势及传统监测方法的不足，设计了基于光纤传感技术的电力隧道变形监测系统，并应用于电力隧道结构应力应变、位移、沉降、裂缝及收敛等参数的变形监测，取得了良好的效果。

1 系统设计

针对电力隧道的特点及传统监测方法的不足，基于光纤传感技术，在Windows环境下设计电力隧道光纤传感技术变形监测系统，代码在C++和Matlab环境下编写。系统由光纤传感器和应答器、无线通信网络和自动化监测系统组成。其总体架构如图1所示。

图1 监测系统总体架构

光纤传感器和应答器包括应变传感器、位移传感器和温度传感器[5]。应变传感器获取监测点位应变变化值，可布设成一维或二维；位移传感器主要是监测位移、沉降、裂缝和收敛的变化。温度传感器是用于采集隧道中温度环境数据，用于监测数据的温度改正[6]。所有传感器用光纤串联到应答器。应答器的功能是发射一定波长的激光和接收并测量反射光的波长，而后进行数据处理得到应变、温度和位移[7]。应答器需放置在无线信号区域，连接通信模块及通信单元，发送和接收监测原始数据，再通过无线传输至数据处理中心[8]；监测数据经过分析和处理后发送至应用服务器(监控中心)，监控中心根据监测成果及报警值进行隧道安全监控。

自动化监测系统由数据采集、数据库、数据分析3大子系统组成[9]，如图2所示。数据采集系统包括数据采集、通信、处理、显示、存储功能；数据库系统用于存储采集的应变数据、温度数据和位移数据，包括存储采集的原始数据和经过处理的数据；数据分析系统由单点时间系列模块、趋势分析模块、报警功能模块组成。

2 关键技术与系统实现

2.1 光纤传感技术自动变形监测

通过设计合理有效的数据传输方案与监控平台，实现电力隧道的结构表面应力监测、温度变化监测及位移等参数的变形监测。

该系统由光纤光栅传感器、数据采集装置、数据传输装置、数据接收装置、应用终端5部分组成。各传感器通过光纤线连接数据采集、传输单元，通过GPRS无线网络传送到Internet，经由Internet最终进入数据处理中心，做到了信息传递的及时性和广泛性[10]。光纤光栅传感智能解调仪具有4个数据通道，每个通道可连接8个传感器，通过光纤连接所有传感器，再接入数据采集单元，自动按设定监测周期和测量限差采集数据并暂存。监控中心通过网络实时查看数据信息，对隧道的安全状态进行实时远程监控。

图2 数据处理系统组成

2.2 自动化远程传输技术

通过采用网络技术，连接自动化监测设备及远程监控管理平台，保证监测数据无缝接入监控平台[11]。通过对应接口完成监测数据的自动上传，从而确保项目安全信息的实时性、有效性。对最终采集的数据进行应用，包括数据分析、变形预警、隧道监控。

2.3 自动化监测系统实现

自动化监测系统软件平台由3个子系统组成：数据采集系统、数据库系统和数据分析系统。数据采集系统能实时采集、显示各传感器数据，用户通过显示图表查看异常现象，可设置预警值，出现异常情况实时报警。如图3所示。

数据库系统与现场的应答器进行数据通信，能实时显示各传感器数据，用户可以通过显示的监测成果查看有无异常现象。可通过软件数据分析的搜索功能，提取所需要的数据，并对其进行处理、读取和显示，然后自动按时间格式生成的文本文档单元进行存储。

数据分析系统对数据进行分析处理。对所接收到的数据进行误差剔除并进行修正，可以拟合出各个传感器动态变化的趋势图，得出其变形的空间特性，如图4所示。当观测的应变超过某一极限值时要发出报警信号。

图4 趋势分析

3 系统应用与验证

系统的应用选择在广州市潭天电力隧道进行。该隧道建设于20世纪90年代末，位于广州市珠江新城核心地带花城大道，濒临珠江航道，周边高楼林立、交通繁忙。监测地段为双子站至猎德大道与花城大道十字路口段，长度约为1500 m。由于该隧道建设年代较早，结构多样，运行期间内部结构有渗水、裂缝等现象。

利用监测系统对该段电力隧道应力、位移、沉降、收敛等多个参数进行自动化监测试验。同时在相应的传感器监测点附近也布设了相应的传统方法监测点，使用全站仪、水准仪、游标卡尺等仪器进行数据采集，对传感器监测系统的监测结果进行验证。

以裂缝监测为例，在隧道内选取5处典型的伸缩缝、自然裂缝处安装5个光纤光栅裂缝传感器进行监测，编号为WY1—WY5，数据采集时间为2017年2月11日至6月26日，裂缝传感器自动连续测量并记录裂缝在本段时间的变化量，监测结果如图5所示。从曲线图可以看出，WY1至WY5位移监测点均有线性变化趋势，变化量在-1.5～1.5 mm之间，5个位移监测点累积位移最大值为1.88 mm(WY5)，最小值为-0.05 mm(WY2)，监测点区域隧道结构变形均不太显著，未超过设计及规范中的变形允许值，说明系统能准确监测出电力隧道位移微小变化趋势。

为验证光纤传感技术自动化变形监测系统的准确性、稳定性及可靠性，在传感器的位置同时安装5个人工监测点L1—L5，使用游标卡尺进行数据采集，并对采集的数据进行统计分析(如图6所示)，与自动化变形监测系统的监测数据进行对比验证。监测时段与自动化变形监测相同。通过数据采集和分析可知，人工监测点的数据结果在-1.5～1.5 mm之间振荡，裂缝累计变形量最大值为1.69 mm(L5)，最小值为-0.07 mm(L2点)。

监测数据曲线图如图5、图6所示。两种监测方法结果对比见表1。

图5 自动化监测WY1—WY5裂缝监测结果曲线

图6 人工监测L1—L5裂缝监测曲线

表1 自动化监测与人工监测数据对比 mm

通过曲线图及表1的分析对比，两种方法监测数据曲线图呈现一致的变化趋势，验证了自动化变形监测系统监测结果的准确性和可靠性，说明基于光纤传感技术的电力隧道自动化变形监测系统在监测隧道变形的应用是可行的。

4 结 语

在整个系统研发和监测应用期间，基于光纤传感技术的电力隧道自动化变形监测系统不仅能有效实时采集和传输监测数据，而且能通过实时数据监测和分析隧道结构随时间的变形趋势。数据精度、准确性也得到了验证。通过实践应用，本文解决了以下几个方面的问题：

(1) 研发了适用于针对城市电力隧道结构形式多样、水准面起伏大、截面小、电缆设施多、电磁干扰大等特点的自动化变形监测系统。

(2) 系统解决了小而深隧道监测常规方法中基准点和监测网布设、施测难等问题。

(3) 系统实现了自动化、无间断、无线传输、高精度变形监测，以及实时数据采集、统计、预警功能，极大地提高了工作效率，降低了运营和维护成本。

随着我国越来越重视城市建设中地下空间的规划、开发、建设工作，地下空间的分布、形式也会越来越广泛和多样化，对安全监测的需要也会有更高的要求，基于光纤传感技术的电力隧道自动化变形监测系统对于类似的监测需求具有极大的应用和参考价值。

参考文献：

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[5] 赵星光，邱海涛.光纤Bragg光栅传感技术在隧道监测中的应用[J].岩石力学与工程学报，2007，26(3)：587-593.

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[12] 宋蓓，沈刚，朱伟林.自动化监测技术在我国首条大型电力隧道中的应用[J].上海地质，2008(2)：51-53.