地面沉降调查与监测技术方法
发布网友
发布时间：2022-04-23 15:29
共1个回答
热心网友
时间：2023-07-01 11:09
一、内容概述
从20世纪60年代开始，上海开始系统地开展地面沉降调查及监测工作，采用的技术方法主要包括钻探、水准测量、基岩标分层标测量、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：地下水动态监测，一、二等水准测量，基岩标、分层标测量，GPS测量，InSAR测量，自动化监测系统等。
1.地下水动态监测
全市有地下水监测井450口，分别监控潜水和6个不同深度承压含水层地下水位（水质和水温）的变化规律（图1）。
图1 地下水位监测井及监测数据
2.一、二等水准测量
水准测量是利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程（图2）。
技术特点：精密水准测量的优点是水准点埋设费用低、水准网布设灵活，能够较迅速地获取较小区域（甚至是人口密集区）的沉降信息；其不足是勘察区域面积较大时，观测周期长，投入人力资源大，人力成本较高，实时性较差。
技术指标：一、二等水准测量按照《地面沉降水准测量规范》（DZ/T0154-95）执行。
3.基岩标、分层标测量
基岩标和分层标测量是进行地面沉降监测的重要技术手段，是地面沉降分析研究和制定相应措施的基础。
基岩标是埋设在地下完整基岩上的特殊观测点，可以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，可减少传递误差，提高测量精度。分层标是根据土层的性质，埋设在地下不同深度土层和含砂层中的特殊观测点，是世界上公认的测量松散土层变形量的措施，广泛应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，能提供所有地面沉降监测研究工作的基准点；其不足主要是建设费用高（一般需要上百万元，甚至几百万元），建设工序较多，质量要求较高，场地落实困难。为此，应根据地面沉降监测的实际需要，基岩标的规划与建设需要详细论证。
图2 水准测量外业现场
图3 上海南浦大桥分层标组
分层标主要用于监测从地面至地下垂向上不同深度、不同土层的压缩变形，变形量记录比较全面、完整，一般与基岩标配合使用，以基岩标、分层标组形式配对规划。其优点是可监测某一特定区域如沉降漏斗或某一点的垂向上不同深度的变形，获得立体空间上的变形量，若配以地面沉降自动化监测系统，将可以获得实时、连续土层的变形量；其主要不足是建设费用高。
技术指标：基岩标作为地面沉降监测基准，精度级别是最高的。
分层标测量分为人工测量、自动化测量两种。根据《地面沉降水准测量规范》，人工测量的精度一般为0.3mm。
4.GPS测量
GPS测量是利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）在远离变形区的适当位置，选择或建立一个基准站，在变形区内设置若干个监测点，在基准站和监测点上分别安置GPS接收机，进行连续观测，并将观测数据进行分析和处理（图4）。
图4 GPS 基准站
技术特点：观测时间短，人工作业劳动强度低，观测作业简便，测站间无须通视，布点灵活，可以在任何时间、地点和天气状况下进行全天候连续监测，定位精度高，较高的作业自动化水平等。
技术指标：按照《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）中B级网要求，按平均15km边长推算，高差的误差为34mm，实际结果为大地高程变化量精度在5mm左右。
5.InSAR测量
雷达干涉测量技术（InSAR）将合成孔径雷达（SAR）成像原理和干涉测量技术相结合，利用雷达回波信号所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。其原理是通过两副天线同时观测（单轨道双天线模式）或两次重复观测（单天线重复轨道模式）来获得同一区域的重复观测数据，即单视复数影像对，这是InSAR进行高程提取或形变监测的数据源。
技术特点：InSAR技术具备可以同时获取点、线、面的沉降量，投入人力资源少等特点，已经显示出用于地面沉降研究的广阔前景和巨大潜力。其不足之处也很明显，主要是目前InSAR技术不是很成熟，尚处研究阶段，距大范围的推广应用还有一段时间。
技术指标：上海地区InSAR监测试验结果表明，InSAR技术在垂向的精度可以达到±3.7mm，目前仍正在进行试验研究中。
6.自动化监测系统
在分层标、水位孔上安装自动化设备，实现分层标土体变形、水位变化自动观测、记录、传输、数据库录入等功能，进一步提高了分层标、水位测量自动化程度（图5，图6）。
图5 地面沉降自动化监测设施原理图
图6 地面沉降监测数据采集、传输系统示意图
技术特点：地面沉降自动化监测系统的优点是精度高、连续、实时、自动记录、自动传输、无人值守且可以任意设置数据采集时间、同时监测不同土层的沉降，有利于从变形量中分离出每个土层的变形量，计算不同土层对总沉降量的贡献，有利于研究地面沉降的原因、机理和机制。地面沉降自动化监测系统主要不足为一次性建设费用较高，因此比较适合选定有代表性的典型区域如沉降漏斗中心、漏斗边缘等。因其高昂的建设费用，目前主要还是用于点状对象的监测上。
技术指标：分层标自动化监测精度平均绝对误差应不大于1mm；地下水位监测精度应为± 0.01m。
二、应用范围及应用实例
（一）应用范围
成果广泛应用于地面沉降监测。
（二）应用实例
1.一、二等水准测量
按照《地面沉降水准测量规范》（DZ/T0154-95）、《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 127-2006）的要求，上海地质调查研究院在全市范围内布设了一、二等高程控制网。基于基岩标，从一座基岩标至另外一座基岩标，组成大型高程控制网。
按照覆盖的区域和复测频率，高程控制网分为郊区高程控制网、中心城区（外环线以内区域）高程控制网。郊区高程控制网覆盖了包括崇明岛、横沙岛、长兴岛在内的整个上海区域，复测频率为每5年复测一次，用于全市高程控制数据的更新与发布，在图中绘制了一等水准路线图。二、三等覆盖整个郊区，目前缺少线路走向资料；中心城区（外环线以内区域）高程控制网分布在中心城区，复测频率为每1年复测一次，覆盖范围约1000km2，用于地面沉降分析和研究；两套高程控制网均以基岩标为结点，实现郊区高程控制网、中心城区高程控制网有机的统一和衔接。
2.基岩标、分层标
自开展地面沉降研究以来，高程控制网的基准点问题一直是关键性课题，有效的解决方案就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，特别是经历了“九五”、“十五”、“十一五”等市*重大课题大规模网点建设项目的实践检验，获得了丰富的施工和管理经验，形成了一套严密的作业流程，熟练地掌握了基岩标施工工艺，取得了基岩标实施工艺专利（专利号：ZL 012394556，证书号：第478596号）。上海地区目前已建设完成了比较完备的地面沉降监测网络，特别是“十一五”地面沉降防治工程开展以来，全市已累计建设了35座地面沉降监测站（16座实现了自动化监测），监测在基岩面以上不同深度土层的变形规律（图7至图9）。
图7 上海世博会会址地面沉降监测站
图8 地面沉降监测站自动化监测设施
3.GPS测量
2001年1月～2010年12月，上海市地质调查研究院共组织GPS一级网监测13次。其中2001年1月～2002年7月时段长为3h或6h，自2002年11月起，时段长由12h逐渐改为24h，并进一步优化了观测方案和数据处理方案，GPS监测地面沉降的精度、可靠性逐渐提高。
4.InSAR测量
图10显示了上海地区InSAR测量得到的2003年至2007年地面沉降速率图。
图9 地面沉降标组数据曲线
图10 上海幅工作区2003～2007年地面沉降D-InSAR监测速率图
三、推广转化方式
地面沉降监测技术的研究、发展、成熟和完善，为专利申报、规程、规范编制出台提供了有力的技术支撑，也为带动长三角地区乃至华北平原、西北汾渭盆地等区域地面沉降监测与防治发挥了引领和示范作用。
通过多年来对基岩标标型设计、施工便利程度、成本、适宜性、可靠性、稳定性等指标的研究，形成了一套成熟的基岩标施工工艺，并申请了专利（ZL J 2 39455.6，证书号：第478596号）。
编制的规程、规范有《地面沉降监测与防治技术规程》（DG/TJO8-2051-2008，上海市）、《地面沉降监测技术规范》（中国地质调查局）、《地面沉降测量规范》（国土资源部），为进一步规范全国地面沉降监测和防治工作做出了积极贡献。
技术依托单位：上海地质调查研究院
联系人：方正
通讯地址：上海市灵石路930号
邮政编码：200072
联系电话：021-56065720
电子邮件：shcnfz@163.com
