上海地面沉降精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究

熊福文

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 自然資源部地面沉降監(jiān)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

上海是我國(guó)發(fā)生地面沉降現(xiàn)象最早、影響最大、危害最深的城市，也是我國(guó)最早開(kāi)始地面沉降控制及控沉效果最為顯著的城市[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，上海地面沉降一直處于微量沉降狀態(tài)，因此對(duì)地面沉降測(cè)量工作提出更高的要求。為了精確獲取地面沉降的細(xì)微變化量，需進(jìn)一步提高水準(zhǔn)測(cè)量整體精度，其中最重要一項(xiàng)內(nèi)容就是構(gòu)建地面沉降精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，優(yōu)化地面沉降數(shù)據(jù)處理方案，提高水準(zhǔn)測(cè)量可靠性。基巖標(biāo)作為水準(zhǔn)網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)，不僅增加了水準(zhǔn)網(wǎng)強(qiáng)度，同時(shí)為引測(cè)提供了便利。但也引申出兩個(gè)問(wèn)題，一是如何構(gòu)建高精度沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，二是如何進(jìn)行基巖標(biāo)穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。本文基于2008年開(kāi)始的相關(guān)研究工作，利用40余年地面沉降測(cè)量長(zhǎng)期系列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，借助中誤差、先驗(yàn)中誤差、限差等測(cè)量誤差理論，構(gòu)建了由穩(wěn)定基巖標(biāo)組構(gòu)成的地面沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，經(jīng)14年連續(xù)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證表明，地面沉降精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)創(chuàng)新構(gòu)型，其穩(wěn)定性和可靠性有充分保證，測(cè)量精度顯著提高，并在地鐵隧道等城市生命線工程及基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了不可或缺的重要作用。本文重點(diǎn)闡述地面沉降精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的創(chuàng)新構(gòu)型與應(yīng)用實(shí)踐的主要原理與技術(shù)關(guān)鍵。

1 上海地面沉降歷史簡(jiǎn)述

上海地面沉降主要是過(guò)量抽汲地下水引起的，隨著工業(yè)化興起與發(fā)展，地下水開(kāi)采量不斷增加，地面沉降也隨之產(chǎn)生并顯著發(fā)展[2]。

上海1860年開(kāi)鑿第一口深井，開(kāi)始地下水的工業(yè)開(kāi)采。20世紀(jì)20年代初，隨著近代工業(yè)的形成與發(fā)展，地下水開(kāi)采量逐年增長(zhǎng)。至1949年，平均日開(kāi)采量為4～5萬(wàn)m3。1949年后，隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，地下水年開(kāi)采量從1950年0.9億m3迅速增加到1960～1963年的年均超過(guò)2.0億m3，成為上海地下水開(kāi)采強(qiáng)度的歷史最高峰值。而且均集中于紡織、印染、化工等工礦企業(yè)密集的中心城區(qū)，使地下水位急劇下降，年均地面沉降迅速突破110 mm/a。沉降區(qū)域也隨著地下水位降落漏斗的發(fā)展，由城區(qū)向周邊市郊迅速擴(kuò)展，至1965年上海市區(qū)最大累積沉降量達(dá)2630 mm。

上海地面沉降是在重復(fù)水準(zhǔn)測(cè)量和潮水位上升中發(fā)現(xiàn)的。在1910～1919年間，只發(fā)現(xiàn)外灘附近的老城區(qū)西門外一里程高有0.13英尺（3.96 mm）的甚微變化，說(shuō)明在此期間上海無(wú)地面沉降現(xiàn)象。1921年開(kāi)始，各水準(zhǔn)點(diǎn)均有普遍的高程降低。水準(zhǔn)點(diǎn)高程1921～1948年期間，市區(qū)平均降低30 mm；1948～1953年市區(qū)局部降低50 mm；以后逐年增加，至1963年為100～200 mm。位于黃浦江蘇州河口的黃浦公園驗(yàn)潮站水位，至1963年的近40年間上升400～600 mm。結(jié)合黃浦江、長(zhǎng)江口沿線、華東地區(qū)沿海驗(yàn)潮站資料，驗(yàn)證當(dāng)時(shí)的海平面是穩(wěn)定的，沒(méi)有異常變動(dòng)，潮水位上升是驗(yàn)潮站標(biāo)尺的沉降，與測(cè)量水準(zhǔn)點(diǎn)高程的降低為同一屬性，說(shuō)明上海地面在沉降[3]。

1965年以來(lái)，通過(guò)采取壓縮地下水開(kāi)采、調(diào)整地下水開(kāi)采層次、開(kāi)展地下水人工回灌等綜合措施，地面沉降得到有效控制。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全市平均地面沉降更是一直處于年均數(shù)毫米的微量沉降狀態(tài)。上?？爻翆?shí)效及其科研成果為世界矚目，也在我國(guó)地面沉降防治工作中發(fā)揮了重要的示范與引領(lǐng)作用。

2 上海地面沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)概況

2.1 水準(zhǔn)網(wǎng)網(wǎng)形

上海早在1871年就開(kāi)始進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量基礎(chǔ)工作的籌建，并確定了吳淞零點(diǎn)。早期的水準(zhǔn)測(cè)量工作，第一次于1910～1912年，水準(zhǔn)路線從吳淞經(jīng)淮海東路到淀山湖；第二次于1919年，水準(zhǔn)路線自關(guān)港到淮海東路。兩次測(cè)量結(jié)果高程相差甚小（3.96 mm），尚未發(fā)現(xiàn)地面沉降。

此后，由于吳淞零點(diǎn)不穩(wěn)定，于1922年在松江佘山設(shè)立基巖水準(zhǔn)點(diǎn)。20世紀(jì)的三四十年代，在進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)水準(zhǔn)點(diǎn)在不同時(shí)間觀測(cè)的高差有變化，為此曾設(shè)若干有樁基水準(zhǔn)點(diǎn)，試圖獲得穩(wěn)定效果，但未達(dá)目的。在1939年的觀測(cè)報(bào)告中指出，101個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)平均沉降25.7 mm。設(shè)立佘山基巖標(biāo)后，在水準(zhǔn)復(fù)測(cè)中發(fā)現(xiàn)黃浦公園及張華浜水準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)于佘山基點(diǎn)高差值增加甚多，至1947年黃浦公園水準(zhǔn)點(diǎn)下沉200 mm，張華浜水準(zhǔn)點(diǎn)下沉246 mm。此后，上海的水準(zhǔn)測(cè)量一直沿用佘山基巖點(diǎn)，為吳淞高程系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)。

1951年，上海港務(wù)局通過(guò)精密水準(zhǔn)測(cè)量再次發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于佘山基點(diǎn)，黃浦公園水準(zhǔn)點(diǎn)下沉了313 mm，張華浜水準(zhǔn)點(diǎn)下沉了412 mm，其它沿途水準(zhǔn)點(diǎn)也有不同程度的下沉。1956年上海市規(guī)劃建設(shè)管理局建立了上海市高程控制網(wǎng)，以佘山為基點(diǎn)，按二、三、四等水準(zhǔn)測(cè)量要求，每年定期測(cè)量一次，測(cè)量結(jié)果更系統(tǒng)地證實(shí)了水準(zhǔn)點(diǎn)的普遍下沉現(xiàn)象。1959年上海建立二等附合水準(zhǔn)網(wǎng)，進(jìn)行除崇明縣以外全市范圍的水準(zhǔn)測(cè)量。1960年后在市區(qū)主網(wǎng)范圍內(nèi)開(kāi)展了地面沉降點(diǎn)線面的測(cè)量，通過(guò)1961年、1962年、1963年的沉降觀測(cè)，為上海存在地面沉降問(wèn)題作出最終結(jié)論提供了可靠的依據(jù)。

在地面沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中，為減弱佘山基點(diǎn)至市區(qū)的水準(zhǔn)測(cè)量傳遞誤差問(wèn)題，于1962～1964年先后在小閘鎮(zhèn)(J1-1)、吳淞中學(xué)(J2)、復(fù)興島公園(J3)、勞動(dòng)公園(J4)、北新涇(J5)設(shè)置了五座基巖標(biāo)，作為一等水準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)點(diǎn)。1964年根據(jù)專家們對(duì)上海市地面沉降高程控制網(wǎng)布設(shè)的建議，增設(shè)了姜家橋(J6)和浦東塘橋(J7)兩座基巖標(biāo)，從而完善了網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，初步形成上海地面沉降監(jiān)測(cè)高程控制網(wǎng)。

1965年以后一等水準(zhǔn)網(wǎng)自佘山新基點(diǎn)至浦西各基巖標(biāo)構(gòu)成三個(gè)水準(zhǔn)環(huán)，1972年增布J5—J4水準(zhǔn)路線，改建成四個(gè)水準(zhǔn)環(huán)；1975年上海面粉廠(J8)和外灘兒童公園(J9)基巖標(biāo)建成，水準(zhǔn)環(huán)增加到五個(gè)。此后，隨著高橋(J13)、農(nóng)科院(J14)、桃浦(J16)、吳涇(J17)基巖標(biāo)的相繼建成，地面沉降監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)網(wǎng)又進(jìn)行了幾次擴(kuò)建。

在水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)建成的初期階段，由于從佘山接測(cè)到各基巖標(biāo)的資料反映出這些基巖標(biāo)的高程并不穩(wěn)定，標(biāo)桿與保護(hù)管均有不同程度周期性的相對(duì)升降現(xiàn)象，為進(jìn)一步考察基巖標(biāo)的穩(wěn)定程度，在以后的數(shù)十年水準(zhǔn)測(cè)量中市區(qū)基巖標(biāo)僅作為水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)點(diǎn)。1984年，通過(guò)對(duì)大量觀測(cè)資料的分析，確定小閘鎮(zhèn)基巖標(biāo)J1-1是穩(wěn)定的，因此將水準(zhǔn)網(wǎng)起算點(diǎn)從佘山新基巖點(diǎn)移至小閘鎮(zhèn)基巖標(biāo)J1-1，網(wǎng)形也做了調(diào)整。

到2007年，上海市地面沉降監(jiān)測(cè)已經(jīng)形成了由浦西8個(gè)水準(zhǔn)環(huán)、浦東4個(gè)水準(zhǔn)環(huán)、浦西浦東聯(lián)測(cè)2個(gè)水準(zhǔn)環(huán)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 上海地面沉降一等水準(zhǔn)網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the first-class leveling network for land subsidence in Shanghai

浦西到浦東的高程傳遞采用越江隧道一等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，于夜間分別從外環(huán)路隧道、大連路隧道、打浦路隧道、延安路隧道將浦西高程傳遞到浦東。水準(zhǔn)環(huán)中最長(zhǎng)測(cè)線36 km，最短測(cè)線4 km，環(huán)線周長(zhǎng)在30～100 km之間，水準(zhǔn)控制范圍達(dá)1600 km2。上海市地面沉降監(jiān)測(cè)采用一等精密水準(zhǔn)網(wǎng)，在一等精密水準(zhǔn)網(wǎng)內(nèi)插二等水準(zhǔn)測(cè)量加密，以達(dá)到全面的高程控制。水準(zhǔn)路線經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整完善，現(xiàn)在一等水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度為420 km，二等水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度為600 km。

2.2 水準(zhǔn)網(wǎng)起算點(diǎn)

上海市地面沉降監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)網(wǎng)平差采用只有一個(gè)起算點(diǎn)的自由網(wǎng)整體平差方法。從20世紀(jì)40年代開(kāi)始，佘山基巖點(diǎn)就作為上海市水準(zhǔn)測(cè)量的基點(diǎn)使用。佘山基點(diǎn)原建于海拔約46 m（吳淞零點(diǎn)高程系統(tǒng)）處山腰教堂右側(cè)的山崖壁上，已遭多次破壞。1964年9月，根據(jù)上海地面沉降問(wèn)題研討會(huì)商的專家建議，在佘山北麓青松公路旁的山坡巖層上按國(guó)家規(guī)范要求另設(shè)新點(diǎn)，命名為“寧滬佘山基巖點(diǎn)”，即佘山新基點(diǎn)，并納入國(guó)家滬寧一等水準(zhǔn)路線以內(nèi)。佘山新基點(diǎn)與測(cè)區(qū)內(nèi)各基巖標(biāo)一、二等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的結(jié)果表明，佘山新基點(diǎn)自20世紀(jì)60年代以來(lái)是穩(wěn)定的，可作為地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)。

1983年《以小閘鎮(zhèn)基巖標(biāo)為起算點(diǎn)的地面沉降動(dòng)態(tài)分析研究報(bào)告》通過(guò)評(píng)審后，自1984年起上海地面沉降監(jiān)測(cè)高程控制網(wǎng)改為以小閘J1-1基巖標(biāo)起算。起算點(diǎn)的調(diào)整僅改變了一等水準(zhǔn)網(wǎng)中起算點(diǎn)的位置，網(wǎng)形沒(méi)有改變，仍為只有一個(gè)起算點(diǎn)的水準(zhǔn)自由網(wǎng)。

2.3 水準(zhǔn)網(wǎng)存在的不足

以小閘J1-1基巖標(biāo)起算，縮短了28 km的高程傳遞距離，減小了傳遞誤差的影響，多年來(lái)對(duì)于提高水準(zhǔn)網(wǎng)精度發(fā)揮了重要作用，但其本質(zhì)上仍然是只有一個(gè)起算點(diǎn)的自由網(wǎng)。因此這個(gè)水準(zhǔn)網(wǎng)仍然只有圖形條件的控制，而無(wú)強(qiáng)制附合條件的控制，這種網(wǎng)形結(jié)構(gòu)是“一次定向”，若有偏差，必將引起相鄰兩次沉降量的變化異常。

為了避免水準(zhǔn)網(wǎng)自由網(wǎng)“一次定向”產(chǎn)生的偏差，必須用強(qiáng)制條件控制水準(zhǔn)網(wǎng)，即用多個(gè)起算點(diǎn)為固定點(diǎn)的附合網(wǎng)替代自由網(wǎng)。上海市地面沉降一等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，用附合網(wǎng)取代自由網(wǎng)以后，不僅有了圖形條件，而且加入強(qiáng)制附合條件的控制，其穩(wěn)定性比自由網(wǎng)將有大幅度提高，這種理論在20世紀(jì)90年代末就已經(jīng)提出。在地面沉降觀測(cè)特別是市區(qū)基巖標(biāo)觀測(cè)資料尚不充分的條件下，此項(xiàng)工作還無(wú)法開(kāi)展。因?yàn)橛酶胶暇W(wǎng)替代自由網(wǎng)，首先必須確定高程穩(wěn)定的基巖標(biāo)作為起算點(diǎn)，而判別基巖標(biāo)穩(wěn)定性需要大量的實(shí)測(cè)資料。按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律，大子樣須大于200個(gè)，小子樣須大于30個(gè)，方能得出可靠結(jié)論。

自1965年至今，每年進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量，以佘山基巖點(diǎn)為起算點(diǎn)的一等精密水準(zhǔn)接測(cè)基巖標(biāo)高程已有逾55年歷史，從時(shí)間跨度和測(cè)量次數(shù)方面均有充足的資料可以分析基巖標(biāo)的穩(wěn)定性，也有足夠的時(shí)間年限進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。在2008年開(kāi)始，在分析40余年積累的大量歷史觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，將穩(wěn)定的基巖標(biāo)確定為起算點(diǎn)后，就用附合網(wǎng)替代自由網(wǎng)，以提高地面沉降精密水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)處理的精度和可靠性。在經(jīng)之后至今14年的實(shí)際驗(yàn)證，這種水準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)型是穩(wěn)定可靠的，完全滿足微量沉降的監(jiān)測(cè)精度要求。

3 地面沉降精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)型原理與遴選

3.1 結(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律，選擇小子樣數(shù)大于30個(gè)，即要求有至少30次高程觀測(cè)值才可以進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。自1965年起按一等水準(zhǔn)測(cè)量的要求，以佘山為基準(zhǔn)點(diǎn)，以各座基巖標(biāo)為結(jié)點(diǎn)組織了精密水準(zhǔn)測(cè)量。至2007年，高程測(cè)量成果大于30次的基巖標(biāo)為J1-1、J1-2、J1-3、J2、J5、J6、J7、J8共8座，可供選取并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法是將歷年高程值繪制基巖標(biāo)高程時(shí)間序列曲線，通過(guò)曲線直觀看離散度，并統(tǒng)計(jì)高程最或是值、中誤差、先驗(yàn)中誤差等指標(biāo)，進(jìn)行判斷。基本原理是：

以某一基巖標(biāo)為例，繪制基巖標(biāo)高程歷時(shí)曲線變化圖（圖2）。由此可以看出，各主標(biāo)高程基本在一水平線附近波動(dòng)。

圖2 某基巖標(biāo)高程歷時(shí)變化曲線Fig.2 Time-varying curve of a certain bedrock elevation

根據(jù)測(cè)量誤差理論，對(duì)某一量進(jìn)行多次的同精度重復(fù)測(cè)量，其誤差服從高斯分布，即測(cè)量誤差小的個(gè)數(shù)多，測(cè)量誤差大的個(gè)數(shù)少。測(cè)量理論中還規(guī)定了對(duì)某一量進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)時(shí)，取各個(gè)觀測(cè)值的中數(shù)為其最或是值，并以此計(jì)算中誤差，以2倍中誤差為限差。各基巖標(biāo)中誤差的計(jì)算公式如下：

根據(jù)以上公式，計(jì)算1965～2007年間各基巖標(biāo)的高程最或是值、中誤差、先驗(yàn)中誤差。

3.2 構(gòu)型結(jié)點(diǎn)評(píng)定

以實(shí)測(cè)中誤差在先驗(yàn)中誤差2倍范圍之內(nèi)判斷為穩(wěn)定的基巖標(biāo)。根據(jù)這一指標(biāo)，符合條件的有7座基巖標(biāo)（表1）。

表1 各基巖標(biāo)高程測(cè)量精度評(píng)價(jià)表Table 1 Elevation measurement accuracy evaluation table of each bedrock level

J1-2、J1-3這兩座基巖標(biāo)標(biāo)桿，扶正方式均由鋼絲束導(dǎo)正式改建成鋼管式，標(biāo)型改變，高程資料也隨之中斷。需要重新測(cè)量取樣，才能判斷改建后的穩(wěn)定性，因此不能作為附合水準(zhǔn)網(wǎng)的起算點(diǎn)。

J6基巖標(biāo)建成于1964年10月，從1965～1999年聯(lián)測(cè)佘山基巖點(diǎn)高程資料分析，該標(biāo)具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，在附合水準(zhǔn)網(wǎng)中的控制位置也較好。但在2003年踏勘中，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)遭到嚴(yán)重破壞，高程資料中斷。主標(biāo)經(jīng)過(guò)修建恢復(fù)后，在接下來(lái)的兩年間測(cè)出有較大的沉降量，說(shuō)明其內(nèi)部已遭受損壞，不能用作附合水準(zhǔn)網(wǎng)的起算點(diǎn)。

因此，從連續(xù)觀測(cè)時(shí)間、空間分布、穩(wěn)定性等多個(gè)因素綜合考慮，選取J1-1、J2、J5、J7共計(jì)四座基巖標(biāo)作為地面沉降附合水準(zhǔn)網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)。

4 地面沉降精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 地面沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的選取

為解決地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)由一個(gè)點(diǎn)起算的自由網(wǎng)“一次定向”引起的偏差，2006至2007年，上海市地質(zhì)調(diào)查研究院對(duì)上海市地面沉降監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)網(wǎng)由自由網(wǎng)改為附和網(wǎng)的可行性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)40余年地面沉降監(jiān)測(cè)和資料統(tǒng)計(jì)分析，J1-1、J2、J5、J7四座基巖標(biāo)比較適合作為上海市地面沉降監(jiān)測(cè)附合水準(zhǔn)網(wǎng)的起算基準(zhǔn)點(diǎn)，并建議從2008年開(kāi)始啟用由此四座基巖標(biāo)起算的附合水準(zhǔn)網(wǎng)（圖3）。

圖3 上海地面沉降監(jiān)測(cè)附合水準(zhǔn)網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of Shanghai land subsidence monitoring and leveling network

4.2 多類監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)的統(tǒng)一

在地面沉降監(jiān)測(cè)和7類城市重大市政工程沉降監(jiān)測(cè)中，廣泛采用了人工水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS測(cè)量、InSAR測(cè)量等方法[4-8]，如何實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)的統(tǒng)一是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[9]。因?yàn)橹挥谢诮y(tǒng)一的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，才能進(jìn)行兩種或多種方法的驗(yàn)證比對(duì)，和外符合精度評(píng)價(jià)。

（1）水準(zhǔn)測(cè)量控制網(wǎng)

在水準(zhǔn)測(cè)量方面，基巖標(biāo)直接作為沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)或者一、二等水準(zhǔn)路線的結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沿線深標(biāo)、水準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、軌道交通站臺(tái)點(diǎn)控制。水準(zhǔn)測(cè)量屬幾何水準(zhǔn)，最經(jīng)典、最普及，因此常常用作衡量其他監(jiān)測(cè)方法外符合精度的依據(jù)。

基于53座基巖標(biāo)建成全市地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)（圖4），實(shí)現(xiàn)了全市沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)“一張網(wǎng)”的目標(biāo)，為全市地面沉降監(jiān)測(cè)提供了穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)。

（2）GNSS 基準(zhǔn)站網(wǎng)

在GNSS測(cè)量方面，將部分GNSS基準(zhǔn)站直接建設(shè)在基巖標(biāo)上，實(shí)現(xiàn)了基巖標(biāo)對(duì)地面沉降GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的控制，從而保證了基巖標(biāo)的起算基準(zhǔn)作用。

在地面沉降GNSS測(cè)量中，基準(zhǔn)站作為沉降監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)。為此，2003年8月在實(shí)施中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)項(xiàng)目時(shí)，建設(shè)完成了白鶴、崇明、外高橋、地質(zhì)大廈、楓涇、東海大橋共計(jì)6座GNSS基準(zhǔn)站（圖5），其中白鶴、外高橋、楓涇、東海大橋4座GNSS基準(zhǔn)由基巖標(biāo)接高建設(shè)而成，實(shí)現(xiàn)了基巖標(biāo)對(duì)GNSS控制網(wǎng)的高程控制，將GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)沉降基準(zhǔn)統(tǒng)一至基巖標(biāo)上。同時(shí)，在每期全市GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)聯(lián)測(cè)期間，6座GNSS基準(zhǔn)站發(fā)揮了時(shí)段間網(wǎng)聯(lián)式組網(wǎng)、重復(fù)觀測(cè)的作用。

圖5 GNSS地面沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站（東海大橋）Fig.5 GNSS land subsidence monitoring base station (Donghai Bridge)

（3）InSAR 監(jiān)測(cè)

在InSAR測(cè)量方面，通過(guò)建設(shè)在地面沉降監(jiān)測(cè)站內(nèi)的角反射器和部分水準(zhǔn)點(diǎn)的沉降量對(duì)InSAR結(jié)果進(jìn)行校正和融合處理，實(shí)現(xiàn)了基巖標(biāo)起算基準(zhǔn)作用。

在地面沉降InSAR測(cè)量實(shí)施過(guò)程中，角反射器發(fā)揮沉降基準(zhǔn)點(diǎn)作用。角反射器一般布設(shè)在基巖標(biāo)標(biāo)房附近，其沉降量通過(guò)與基巖標(biāo)聯(lián)測(cè)獲得。

在使用過(guò)程中對(duì)角反射器進(jìn)行了多次改良，通過(guò)改良成功克服了以往諸如角度不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，只能針對(duì)某顆衛(wèi)星等設(shè)計(jì)缺陷，大大提高了角反射器的使用效率。并在上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)地面沉降監(jiān)測(cè)站內(nèi)進(jìn)行安裝試驗(yàn)（圖6）。通過(guò)多期雷達(dá)圖像驗(yàn)證（圖7），改良后的角反射器運(yùn)行效果穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期目的，不僅可為InSAR技術(shù)精度驗(yàn)證提供穩(wěn)定比對(duì)目標(biāo)，也為區(qū)域上無(wú)穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)地區(qū)推廣應(yīng)用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)提供示范和技術(shù)支持。

圖6 浦東機(jī)場(chǎng)地面沉降監(jiān)測(cè)站內(nèi)布設(shè)的人工角反射器Fig.6 Artificial corner reflector installed in the ground subsidence monitoring station of Pudong Airport

圖7 雷達(dá)圖像上顯示的人工角反射器的效果Fig.7 Effect of artificial corner reflector shown on radar image

除以上三種主要地面沉降監(jiān)測(cè)方法外，還有靜力水準(zhǔn)（自動(dòng)化監(jiān)測(cè)）、光纖監(jiān)測(cè)等。雖然技術(shù)手段、方法原理各異，但地面沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)只有一個(gè)，即基巖標(biāo)，這個(gè)原則和思路在各種測(cè)量方法的控制網(wǎng)布設(shè)、監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)中均得以落實(shí)和體現(xiàn)。

4.3 大面積沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)“一張網(wǎng)”的建立與維持

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著重大市政工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，各測(cè)繪單位陸續(xù)開(kāi)展上海地面沉降監(jiān)測(cè)和軌道交通、城市高架、橋梁、隧道、堤防設(shè)施、大型市政管網(wǎng)、磁浮列車等重大市政工程沉降監(jiān)測(cè)，由于沒(méi)有顧及監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)的系統(tǒng)性，經(jīng)常出現(xiàn)同一線性工程兩個(gè)相鄰標(biāo)段接合處同名點(diǎn)沉降量不一致，甚至有時(shí)出現(xiàn)變形趨勢(shì)相反的現(xiàn)象，給統(tǒng)計(jì)和安全運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)困擾。

建設(shè)并維持大面積沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)的“一張網(wǎng)”確實(shí)不是一件容易的事情，既要保持各類工程高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一不矛盾，又要有對(duì)沿線的高程控制點(diǎn)（深標(biāo)、水準(zhǔn)點(diǎn)、站臺(tái)點(diǎn)）高程進(jìn)行定期更新的機(jī)制，需要對(duì)不穩(wěn)定和欠穩(wěn)定的高程控制點(diǎn)定期更新并開(kāi)展穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

上海地區(qū)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始建設(shè)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以來(lái)，基本建成了由38座地面沉降綜合監(jiān)測(cè)站組成的地面沉降監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)（圖8），由2845個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)組成的覆蓋中心城區(qū)的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，由82座淺式分層標(biāo)組及重大基礎(chǔ)設(shè)施沿線地面水準(zhǔn)點(diǎn)組成的沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)“一張網(wǎng)”（圖9）。

圖8 上海地面沉降監(jiān)測(cè)站分布Fig.8 Distribution of land subsidence monitoring stations in Shanghai

圖9 上海市沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)“一張網(wǎng)”Fig.9 Shanghai subsidence monitoring benchmark “one network”

5 結(jié)論與展望

地面沉降進(jìn)入微量沉降階段后，對(duì)測(cè)量、監(jiān)測(cè)提出了更高的要求，特別是地面沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)的建立與維持問(wèn)題，對(duì)準(zhǔn)確獲取地面沉降信息至關(guān)重要。針對(duì)上海市地面沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)存在的精度和可靠性方面的不足，通過(guò)本文研究，得出如下結(jié)論：

（1）基巖標(biāo)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)需要多次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律至少需要30個(gè)觀測(cè)子樣；受多種因素的影響，水準(zhǔn)測(cè)量成果中包含了測(cè)量誤差，單次或者僅僅幾次的觀測(cè)不能評(píng)價(jià)基巖標(biāo)的穩(wěn)定性，必須按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)定有充足的子樣；

（2）基于地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，以基巖標(biāo)為起算點(diǎn)，在全市范圍內(nèi)建立GNSS監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)、InSAR監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)、重大基礎(chǔ)設(shè)施沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)“一張網(wǎng)”有利于統(tǒng)一基準(zhǔn)、統(tǒng)一技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)技術(shù)的有機(jī)融合；

（3）對(duì)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，采用多個(gè)穩(wěn)定起算基準(zhǔn)的附合水準(zhǔn)網(wǎng)代替自由水準(zhǔn)網(wǎng),提升了監(jiān)測(cè)精度和基準(zhǔn)網(wǎng)的可靠性；2009年以來(lái)，上海年均地面沉降量持續(xù)控制在6 mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了地面沉降防治規(guī)劃的目標(biāo)。

近年隨著上海市地面沉降監(jiān)測(cè)區(qū)域的擴(kuò)大和軌道交通等重大市政工程的開(kāi)工、運(yùn)營(yíng)，地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)覆蓋范圍不斷延伸，東南部16號(hào)線已經(jīng)延伸至臨港新城，南部5號(hào)線延伸至奉賢，因此下一步需要開(kāi)展地面沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)網(wǎng)形優(yōu)化、起算基準(zhǔn)點(diǎn)增加調(diào)整工作。目前開(kāi)展的軌道交通、高架等城市生命線工程高程控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)每年觀測(cè)2次，為后期研究工作積累了觀測(cè)子樣，具備進(jìn)一步開(kāi)展網(wǎng)形優(yōu)化、基準(zhǔn)點(diǎn)增加調(diào)整的工作條件。

致謝：感謝長(zhǎng)期以來(lái)從事上海地面沉降測(cè)量的前輩、多年共同奮斗在地質(zhì)測(cè)量一線的同事，在本研究課題中給予了悉心指導(dǎo)、無(wú)私奉獻(xiàn)和大力支持，是集體智慧、團(tuán)隊(duì)力量才促成了本研究成果。