地面沉降调查与监测的技术方法
上海从20世纪60年代开始系统开展地面沉降调查和监测，采用的技术方法主要有钻孔、水准测量、基岩标绘和分层测量、地下水位动态监测等。
目前上海地面沉降监测的技术方法有:地下水监测、一、二等水准测量、基岩和分层测量、GPS测量、InSAR测量、自动监测系统等。
1.地下水监测
全市共有地下水监测井450口，分别监测6个不同深度潜水和承压含水层的地下水位(水质和水温)变化规律(图1)。
图1地下水位监测井及监测数据
2.一等和二等水准测量
水准测量是利用水准仪提供的“水平视线”来测量两点之间的高差，从而由已知点高程计算出未知点高程(图2)。
技术特点:精密水准测量的优点是水准点成本低，水准网布设灵活，可快速获取小区域(甚至人口密集区)的沉降信息；其缺点是当测区较大时，观测周期长，人力资源投入大，人力成本高，实时性差。
技术指标:一、二等水准测量按《地面沉降水准测量标准》(DZ/T0154-95)执行。
3.基岩标、分层标测量
基岩标和分层标的测量是监测地面沉降的重要技术手段，是分析研究地面沉降和制定相应措施的基础。
基岩标是埋设在地下完整基岩中的特殊观测点，可作为地面沉降测量的高程控制点。基岩标作为高程控制测量的基准，可以减少传递误差，提高测量精度。分层标志是根据土层的性质，在土层和含砂层中不同深度埋设的特殊观测点。它们是国际上公认的测量松散土层变形的措施，广泛用于松散土层的精确变形测量(图3)。技术特点:基岩标的优点是精度最高，可为所有地面沉降监测和研究工作提供基准点；其缺点主要是工程造价高(通常上百万元，甚至上百万元)，施工工序多，质量要求高，现场实施困难。因此，根据地面沉降监测的实际需要，基岩标的规划建设需要详细论证。
图2场地平整现场
图3南浦大桥分层标准群。
分层标志主要用于监测从地面到地面不同深度、不同土层的压缩变形。变形记录全面完整，一般与基岩标配合使用，以基岩标和分层标的形式进行规划。它的优点是可以监测沉降漏斗等特定区域或不同深度某一点的垂直形变，获得三维空间的形变。如果配备地面沉降自动监测系统，将能获得土层的实时连续变形。它的主要缺点是建造成本高。
技术指标:基岩标作为地面沉降监测基准，精度等级最高。
等级尺度测量可分为手动测量和自动测量。根据地面沉降水准测量的标准，人工测量的精度一般为0.3毫米..
4.GPS测量
GPS测量是利用全球定位系统(GPS)在远离变形区的适当位置选择或建立参考站，在变形区设置若干个监测点，在参考站和监测点上分别放置GPS接收机进行连续观测，并对观测数据进行分析处理(图4)。
图4 GPS参考站
技术特点:观测时间短，人工操作劳动强度低，观测操作简单，站间不通视，布点灵活，随时、随地、天气条件全天候连续监测，定位精度高，作业自动化水平高等。
技术指标:根据《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2001)中B类网的要求，高差中误差为34mm，实际结果为大地高变化精度约5 mm。
5.InSAR测量
雷达干涉测量(InSAR)将合成孔径雷达(SAR)的成像原理与干涉测量相结合，利用雷达回波信号携带的相位信息，精确测量地表某一点的高程信息及其微小变化。其原理是通过两个天线同时观测(单轨双天线模式)或两个天线重复观测(单天线重复轨模式)获得同一区域的重复观测数据，即单视复像对，是InSAR进行高程提取或变形监测的数据源。
技术特点:InSAR技术具有同时获取点、线、面的沉降，投入人力资源少的特点，为地面沉降研究展现了广阔的前景和巨大的潜力。其缺点也很明显，主要是InSAR技术目前还不是很成熟，还处于研究阶段，距离大范围推广应用还有一段时间。
技术指标:上海InSAR监测试验结果表明，InSAR技术垂直精度可达3.7mm，目前仍在试验研究中。
6.自动化监控系统
在分层标志和水位孔上安装自动化设备，实现分层标志土体变形、自动观测、记录、传输和数据库录入功能，进一步提高了分层标志和水位测量的自动化程度(图5、图6)。
图5地面沉降自动监测设施示意图
地面沉降监测数据采集传输系统示意图。
技术特点:地面沉降自动监测系统具有精度高、连续、实时、自动记录、自动传输、无人值守等优点，可任意设定数据采集时间，同时监测不同土层的沉降，有利于将各土层的变形与变形分离，计算不同土层对总沉降的贡献，研究地面沉降的原因、机理和机制。地面沉降自动监测系统的主要缺点是一次性建设成本高，比较适合选择沉降漏斗中心、漏斗边缘等有代表性的典型区域。由于造价较高，目前主要用于监测点状物体。
技术指标:分层标准自动监测精度的平均绝对误差不应大于65438±0mm；地下水位的监测精度应为0.01m。
二、适用范围及应用实例
(1)适用范围
该成果广泛应用于地面沉降监测。
(2)应用实例
1.一等和二等水准测量
根据《地面沉降水准测量标准》(DZ/T0154-95)和《国家一、二等水准测量标准》(GB/T 12897-2006)的要求，上海地质调查研究院在全市范围内建立了一、二等高程控制网。以基岩标为基础，从一个基岩标到另一个基岩标形成大规模高程控制网。
根据覆盖面积和复测频率，高程控制网分为郊区高程控制网和中心城区(外环线以内)高程控制网。郊区高程控制网覆盖整个上海地区，包括崇明岛、横沙岛和长兴岛。重复频率为五年一次，用于全市高程控制数据的更新和发布。地图中绘制了一张一等水准路线图。二、三类覆盖整个郊区，目前缺乏路线走向信息；中心城区高程控制网(外环线以内区域)分布在中心城区，复测频率为1年一次，覆盖面积约1000km2，用于地面沉降分析研究。两套高程控制网均以基岩为节点，实现了郊区高程控制网和中心城区高程控制网的有机统一和连接。
2.基岩标记和分层标记
自地面沉降研究以来，高程控制网的基准点一直是一个关键问题，有效的解决方法是选择稳定的基岩建立基岩标。上海地质调查研究院长期从事这项工作，特别是通过大型网络建设项目的实践检验，这些项目是市政府“九五”、“十五”、“十一五”的重要课题。取得了丰富的施工和管理经验，形成了一套严格的操作规程，熟练掌握了基岩标的施工技术，并获得了基岩标实施技术专利(专利号:ZL 012394556，证书号:)目前，上海市已建成较为完善的地面沉降监测网，特别是“十一五”地面沉降防治工程实施以来 全市已建成35个地面沉降监测站(16已实现自动监测)，监测基岩面以上不同深度土层的变形规律(图7 ~图9)。
图7上海世博会园区地面沉降监测站。
图8地面沉降监测站自动监测设施
3.GPS测量
2001、1 ~ 2010、12年，上海地质调查研究院* * *组织GPS首级网监测13次。2001到2002年6月的期间为3h或6h。自2002年6月起，周期从65438+12h更改为24h。观测方案和数据处理方案进一步优化，GPS监测地面沉降的精度和可靠性逐步提高。
4.InSAR测量
图10为上海InSAR测得的2003-2007年地面沉降速率图。
图9地面沉降标准组数据曲线
图10d-2007年上海工区地面沉降InSAR监测速率图。
第三，促进转变方式
地面沉降监测技术的研究、开发、成熟和完善，为专利申请、法规和规范提供了强有力的技术支持，也对长三角地区，乃至华北平原和西北魏奋盆地的地面沉降监测和防治起到了引领和示范作用。
通过多年对基岩的标准设计、施工方便性、造价、适用性、可靠性、稳定性的研究，形成了一套成熟的基岩标准施工技术，并申请了专利(ZL J 2 39455.6，证号478596)。
编制的规则和规范包括《地面沉降监测与防治技术规范》(DG/TJO8-2051-2008，上海)、《地面沉降监测技术规范》(中国地质调查局)、《地面沉降测量标准》(国土资源部)，为进一步规范我国地面沉降监测与防治工作做出了积极贡献。
技术支持单位:上海地质调查研究院。
联系人:创始人
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