地面沈降調查與監測技術方法

壹、內容概述

從20世紀60年代開始，上海開始系統地開展地面沈降調查及監測工作，采用的技術方法主要包括鉆探、水準測量、基巖標分層標測量、地下水位動態監測等。

目前，上海地面沈降監測的技術方法有：地下水動態監測，壹、二等水準測量，基巖標、分層標測量，GPS測量，InSAR測量，自動化監測系統等。

1.地下水動態監測

全市有地下水監測井450口，分別監控潛水和6個不同深度承壓含水層地下水位（水質和水溫）的變化規律（圖1）。

圖1 地下水位監測井及監測數據

2.壹、二等水準測量

水準測量是利用水準儀提供的“水平視線”，測量兩點間高差，從而由已知點高程推算出未知點高程（圖2）。

技術特點：精密水準測量的優點是水準點埋設費用低、水準網布設靈活，能夠較迅速地獲取較小區域（甚至是人口密集區）的沈降信息；其不足是勘察區域面積較大時，觀測周期長，投入人力資源大，人力成本較高，實時性較差。

技術指標：壹、二等水準測量按照《地面沈降水準測量規範》（DZ/T0154-95）執行。

3.基巖標、分層標測量

基巖標和分層標測量是進行地面沈降監測的重要技術手段，是地面沈降分析研究和制定相應措施的基礎。

基巖標是埋設在地下完整基巖上的特殊觀測點，可以作為地面沈降測量的高程控制點。基巖標作為高程控制測量的基準，可減少傳遞誤差，提高測量精度。分層標是根據土層的性質，埋設在地下不同深度土層和含砂層中的特殊觀測點，是世界上公認的測量松散土層變形量的措施，廣泛應用於松散土層的精確變形測量（圖3）。技術特點：基巖標的優點是精度最高，能提供所有地面沈降監測研究工作的基準點；其不足主要是建設費用高（壹般需要上百萬元，甚至幾百萬元），建設工序較多，質量要求較高，場地落實困難。為此，應根據地面沈降監測的實際需要，基巖標的規劃與建設需要詳細論證。

圖2 水準測量外業現場

圖3 上海南浦大橋分層標組

分層標主要用於監測從地面至地下垂向上不同深度、不同土層的壓縮變形，變形量記錄比較全面、完整，壹般與基巖標配合使用，以基巖標、分層標組形式配對規劃。其優點是可監測某壹特定區域如沈降漏鬥或某壹點的垂向上不同深度的變形，獲得立體空間上的變形量，若配以地面沈降自動化監測系統，將可以獲得實時、連續土層的變形量；其主要不足是建設費用高。

技術指標：基巖標作為地面沈降監測基準，精度級別是最高的。

分層標測量分為人工測量、自動化測量兩種。根據《地面沈降水準測量規範》，人工測量的精度壹般為0.3mm。

4.GPS測量

GPS測量是利用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）在遠離變形區的適當位置，選擇或建立壹個基準站，在變形區內設置若幹個監測點，在基準站和監測點上分別安置GPS接收機，進行連續觀測，並將觀測數據進行分析和處理（圖4）。

圖4 GPS 基準站

技術特點：觀測時間短，人工作業勞動強度低，觀測作業簡便，測站間無須通視，布點靈活，可以在任何時間、地點和天氣狀況下進行全天候連續監測，定位精度高，較高的作業自動化水平等。

技術指標：按照《全球定位系統（GPS）測量規範》（GB/T18314-2001）中B級網要求，按平均15km邊長推算，高差的誤差為34mm，實際結果為大地高程變化量精度在5mm左右。

5.InSAR測量

雷達幹涉測量技術（InSAR）將合成孔徑雷達（SAR）成像原理和幹涉測量技術相結合，利用雷達回波信號所攜帶的相位信息精確測量地表某壹點的高程信息及其微小變化。其原理是通過兩副天線同時觀測（單軌道雙天線模式）或兩次重復觀測（單天線重復軌道模式）來獲得同壹區域的重復觀測數據，即單視復數影像對，這是InSAR進行高程提取或形變監測的數據源。

技術特點：InSAR技術具備可以同時獲取點、線、面的沈降量，投入人力資源少等特點，已經顯示出用於地面沈降研究的廣闊前景和巨大潛力。其不足之處也很明顯，主要是目前InSAR技術不是很成熟，尚處研究階段，距大範圍的推廣應用還有壹段時間。

技術指標：上海地區InSAR監測試驗結果表明，InSAR技術在垂向的精度可以達到±3.7mm，目前仍正在進行試驗研究中。

6.自動化監測系統

在分層標、水位孔上安裝自動化設備，實現分層標土體變形、水位變化自動觀測、記錄、傳輸、數據庫錄入等功能，進壹步提高了分層標、水位測量自動化程度（圖5，圖6）。

圖5 地面沈降自動化監測設施原理圖

圖6 地面沈降監測數據采集、傳輸系統示意圖

技術特點：地面沈降自動化監測系統的優點是精度高、連續、實時、自動記錄、自動傳輸、無人值守且可以任意設置數據采集時間、同時監測不同土層的沈降，有利於從變形量中分離出每個土層的變形量，計算不同土層對總沈降量的貢獻，有利於研究地面沈降的原因、機理和機制。地面沈降自動化監測系統主要不足為壹次性建設費用較高，因此比較適合選定有代表性的典型區域如沈降漏鬥中心、漏鬥邊緣等。因其高昂的建設費用，目前主要還是用於點狀對象的監測上。

技術指標：分層標自動化監測精度平均絕對誤差應不大於1mm；地下水位監測精度應為± 0.01m。

二、應用範圍及應用實例

（壹）應用範圍

成果廣泛應用於地面沈降監測。

（二）應用實例

1.壹、二等水準測量

按照《地面沈降水準測量規範》（DZ/T0154-95）、《國家壹、二等水準測量規範》（GB/T 12897-2006）的要求，上海地質調查研究院在全市範圍內布設了壹、二等高程控制網。基於基巖標，從壹座基巖標至另外壹座基巖標，組成大型高程控制網。

按照覆蓋的區域和復測頻率，高程控制網分為郊區高程控制網、中心城區（外環線以內區域）高程控制網。郊區高程控制網覆蓋了包括崇明島、橫沙島、長興島在內的整個上海區域，復測頻率為每5年復測壹次，用於全市高程控制數據的更新與發布，在圖中繪制了壹等水準路線圖。二、三等覆蓋整個郊區，目前缺少線路走向資料；中心城區（外環線以內區域）高程控制網分布在中心城區，復測頻率為每1年復測壹次，覆蓋範圍約1000km2，用於地面沈降分析和研究；兩套高程控制網均以基巖標為結點，實現郊區高程控制網、中心城區高程控制網有機的統壹和銜接。

2.基巖標、分層標

自開展地面沈降研究以來，高程控制網的基準點問題壹直是關鍵性課題，有效的解決方案就是選擇穩定的基巖建立基巖標。上海地質調查研究院長期從事這項工作，特別是經歷了“九五”、“十五”、“十壹五”等市政府重大課題大規模網點建設項目的實踐檢驗，獲得了豐富的施工和管理經驗，形成了壹套嚴密的作業流程，熟練地掌握了基巖標施工工藝，取得了基巖標實施工藝專利（專利號：ZL 012394556，證書號：第478596號）。上海地區目前已建設完成了比較完備的地面沈降監測網絡，特別是“十壹五”地面沈降防治工程開展以來，全市已累計建設了35座地面沈降監測站（16座實現了自動化監測），監測在基巖面以上不同深度土層的變形規律（圖7至圖9）。

圖7 上海世博會會址地面沈降監測站

圖8 地面沈降監測站自動化監測設施

3.GPS測量

2001年1月～2010年12月，上海市地質調查研究院***組織GPS壹級網監測13次。其中2001年1月～2002年7月時段長為3h或6h，自2002年11月起，時段長由12h逐漸改為24h，並進壹步優化了觀測方案和數據處理方案，GPS監測地面沈降的精度、可靠性逐漸提高。

4.InSAR測量

圖10顯示了上海地區InSAR測量得到的2003年至2007年地面沈降速率圖。

圖9 地面沈降標組數據曲線

圖10 上海幅工作區2003～2007年地面沈降D-InSAR監測速率圖

三、推廣轉化方式

地面沈降監測技術的研究、發展、成熟和完善，為專利申報、規程、規範編制出臺提供了有力的技術支撐，也為帶動長三角地區乃至華北平原、西北汾渭盆地等區域地面沈降監測與防治發揮了引領和示範作用。

通過多年來對基巖標標型設計、施工便利程度、成本、適宜性、可靠性、穩定性等指標的研究，形成了壹套成熟的基巖標施工工藝，並申請了專利（ZL J 2 39455.6，證書號：第478596號）。

編制的規程、規範有《地面沈降監測與防治技術規程》（DG/TJO8-2051-2008，上海市）、《地面沈降監測技術規範》（中國地質調查局）、《地面沈降測量規範》（國土資源部），為進壹步規範全國地面沈降監測和防治工作做出了積極貢獻。