上海地面沉降精準監測基準網構建關鍵技術研究

熊福文

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072；2. 自然資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072）

上海是我國發生地面沉降現象最早、影響最大、危害最深的城市，也是我國最早開始地面沉降控制及控沉效果最為顯著的城市[1]。進入21世紀以來，上海地面沉降一直處于微量沉降狀態，因此對地面沉降測量工作提出更高的要求。為了精確獲取地面沉降的細微變化量，需進一步提高水準測量整體精度，其中最重要一項內容就是構建地面沉降精準監測基準網，優化地面沉降數據處理方案，提高水準測量可靠性?；鶐r標作為水準網中的結點，不僅增加了水準網強度，同時為引測提供了便利。但也引申出兩個問題，一是如何構建高精度沉降監測基準網，二是如何進行基巖標穩定性分析評價。本文基于2008年開始的相關研究工作，利用40余年地面沉降測量長期系列實測數據，借助中誤差、先驗中誤差、限差等測量誤差理論，構建了由穩定基巖標組構成的地面沉降監測基準網，經14年連續實測結果驗證表明，地面沉降精準監測基準網創新構型，其穩定性和可靠性有充分保證，測量精度顯著提高，并在地鐵隧道等城市生命線工程及基礎設施正常運行安全監測中發揮了不可或缺的重要作用。本文重點闡述地面沉降精準監測基準網的創新構型與應用實踐的主要原理與技術關鍵。

1 上海地面沉降歷史簡述

上海地面沉降主要是過量抽汲地下水引起的，隨著工業化興起與發展，地下水開采量不斷增加，地面沉降也隨之產生并顯著發展[2]。

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

上海地面沉降是在重復水準測量和潮水位上升中發現的。在1910～1919年間，只發現外灘附近的老城區西門外一里程高有0.13英尺（3.96 mm）的甚微變化，說明在此期間上海無地面沉降現象。1921年開始，各水準點均有普遍的高程降低。水準點高程1921～1948年期間，市區平均降低30 mm；1948～1953年市區局部降低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潮站水位，至1963年的近40年間上升400～600 mm。結合黃浦江、長江口沿線、華東地區沿海驗潮站資料，驗證當時的海平面是穩定的，沒有異常變動，潮水位上升是驗潮站標尺的沉降，與測量水準點高程的降低為同一屬性，說明上海地面在沉降[3]。

1965年以來，通過采取壓縮地下水開采、調整地下水開采層次、開展地下水人工回灌等綜合措施，地面沉降得到有效控制。進入21世紀以來，全市平均地面沉降更是一直處于年均數毫米的微量沉降狀態。上?？爻翆嵭Ъ捌淇蒲谐晒麨槭澜绮毮?，也在我國地面沉降防治工作中發揮了重要的示范與引領作用。

2 上海地面沉降監測基準網概況

2.1 水準網網形

上海早在1871年就開始進行水準測量基礎工作的籌建，并確定了吳淞零點。早期的水準測量工作，第一次于1910～1912年，水準路線從吳淞經淮海東路到淀山湖；第二次于1919年，水準路線自關港到淮海東路。兩次測量結果高程相差甚?。?.96 mm），尚未發現地面沉降。

此后，由于吳淞零點不穩定，于1922年在松江佘山設立基巖水準點。20世紀的三四十年代，在進行水準測量時發現水準點在不同時間觀測的高差有變化，為此曾設若干有樁基水準點，試圖獲得穩定效果，但未達目的。在1939年的觀測報告中指出，101個水準點平均沉降25.7 mm。設立佘山基巖標后，在水準復測中發現黃浦公園及張華浜水準點相對于佘山基點高差值增加甚多，至1947年黃浦公園水準點下沉200 mm，張華浜水準點下沉246 mm。此后，上海的水準測量一直沿用佘山基巖點，為吳淞高程系統的基準點。

1951年，上海港務局通過精密水準測量再次發現，相對于佘山基點，黃浦公園水準點下沉了313 mm，張華浜水準點下沉了412 mm，其它沿途水準點也有不同程度的下沉。1956年上海市規劃建設管理局建立了上海市高程控制網，以佘山為基點，按二、三、四等水準測量要求，每年定期測量一次，測量結果更系統地證實了水準點的普遍下沉現象。1959年上海建立二等附合水準網，進行除崇明縣以外全市范圍的水準測量。1960年后在市區主網范圍內開展了地面沉降點線面的測量，通過1961年、1962年、1963年的沉降觀測，為上海存在地面沉降問題作出最終結論提供了可靠的依據。

在地面沉降監測過程中，為減弱佘山基點至市區的水準測量傳遞誤差問題，于1962～1964年先后在小閘鎮(J1-1)、吳淞中學(J2)、復興島公園(J3)、勞動公園(J4)、北新涇(J5)設置了五座基巖標，作為一等水準測量的結點。1964年根據專家們對上海市地面沉降高程控制網布設的建議，增設了姜家橋(J6)和浦東塘橋(J7)兩座基巖標，從而完善了網形結構，初步形成上海地面沉降監測高程控制網。

1965年以后一等水準網自佘山新基點至浦西各基巖標構成三個水準環，1972年增布J5—J4水準路線，改建成四個水準環；1975年上海面粉廠(J8)和外灘兒童公園(J9)基巖標建成，水準環增加到五個。此后，隨著高橋(J13)、農科院(J14)、桃浦(J16)、吳涇(J17)基巖標的相繼建成，地面沉降監測水準網又進行了幾次擴建。

在水準監測網建成的初期階段，由于從佘山接測到各基巖標的資料反映出這些基巖標的高程并不穩定，標桿與保護管均有不同程度周期性的相對升降現象，為進一步考察基巖標的穩定程度，在以后的數十年水準測量中市區基巖標僅作為水準測量結點。1984年，通過對大量觀測資料的分析，確定小閘鎮基巖標J1-1是穩定的，因此將水準網起算點從佘山新基巖點移至小閘鎮基巖標J1-1，網形也做了調整。

到2007年，上海市地面沉降監測已經形成了由浦西8個水準環、浦東4個水準環、浦西浦東聯測2個水準環的監測網，如圖1所示。

圖1 上海地面沉降一等水準網示意圖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聯測，于夜間分別從外環路隧道、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。水準環中最長測線36 km，最短測線4 km，環線周長在30～100 km之間，水準控制范圍達1600 km2。上海市地面沉降監測采用一等精密水準網，在一等精密水準網內插二等水準測量加密，以達到全面的高程控制。水準路線經過不斷調整完善，現在一等水準路線長度為420 km，二等水準路線長度為600 km。

2.2 水準網起算點

上海市地面沉降監測水準網平差采用只有一個起算點的自由網整體平差方法。從20世紀40年代開始，佘山基巖點就作為上海市水準測量的基點使用。佘山基點原建于海拔約46 m（吳淞零點高程系統）處山腰教堂右側的山崖壁上，已遭多次破壞。1964年9月，根據上海地面沉降問題研討會商的專家建議，在佘山北麓青松公路旁的山坡巖層上按國家規范要求另設新點，命名為“寧滬佘山基巖點”，即佘山新基點，并納入國家滬寧一等水準路線以內。佘山新基點與測區內各基巖標一、二等水準聯測的結果表明，佘山新基點自20世紀60年代以來是穩定的，可作為地面沉降監測網的基準點。

1983年《以小閘鎮基巖標為起算點的地面沉降動態分析研究報告》通過評審后，自1984年起上海地面沉降監測高程控制網改為以小閘J1-1基巖標起算。起算點的調整僅改變了一等水準網中起算點的位置，網形沒有改變，仍為只有一個起算點的水準自由網。

2.3 水準網存在的不足

以小閘J1-1基巖標起算，縮短了28 km的高程傳遞距離，減小了傳遞誤差的影響，多年來對于提高水準網精度發揮了重要作用，但其本質上仍然是只有一個起算點的自由網。因此這個水準網仍然只有圖形條件的控制，而無強制附合條件的控制，這種網形結構是“一次定向”，若有偏差，必將引起相鄰兩次沉降量的變化異常。

為了避免水準網自由網“一次定向”產生的偏差，必須用強制條件控制水準網，即用多個起算點為固定點的附合網替代自由網。上海市地面沉降一等水準監測網，用附合網取代自由網以后，不僅有了圖形條件，而且加入強制附合條件的控制，其穩定性比自由網將有大幅度提高，這種理論在20世紀90年代末就已經提出。在地面沉降觀測特別是市區基巖標觀測資料尚不充分的條件下，此項工作還無法開展。因為用附合網替代自由網，首先必須確定高程穩定的基巖標作為起算點，而判別基巖標穩定性需要大量的實測資料。按照數理統計規律，大子樣須大于200個，小子樣須大于30個，方能得出可靠結論。

自1965年至今，每年進行精密水準測量，以佘山基巖點為起算點的一等精密水準接測基巖標高程已有逾55年歷史，從時間跨度和測量次數方面均有充足的資料可以分析基巖標的穩定性，也有足夠的時間年限進行實際驗證。在2008年開始，在分析40余年積累的大量歷史觀測資料的基礎上，將穩定的基巖標確定為起算點后，就用附合網替代自由網，以提高地面沉降精密水準測量數據處理的精度和可靠性。在經之后至今14年的實際驗證，這種水準網構型是穩定可靠的，完全滿足微量沉降的監測精度要求。

3 地面沉降精準監測基準網構型原理與遴選

3.1 結點穩定性分析

按照數理統計規律，選擇小子樣數大于30個，即要求有至少30次高程觀測值才可以進行穩定性評價。自1965年起按一等水準測量的要求，以佘山為基準點，以各座基巖標為結點組織了精密水準測量。至2007年，高程測量成果大于30次的基巖標為J1-1、J1-2、J1-3、J2、J5、J6、J7、J8共8座，可供選取并進行統計分析。

數據統計方法是將歷年高程值繪制基巖標高程時間序列曲線，通過曲線直觀看離散度，并統計高程最或是值、中誤差、先驗中誤差等指標，進行判斷?；驹硎牵?/p>

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

圖2 某基巖標高程歷時變化曲線Fig.2 Time-varying curve of a certain bedrock elevation

根據測量誤差理論，對某一量進行多次的同精度重復測量，其誤差服從高斯分布，即測量誤差小的個數多，測量誤差大的個數少。測量理論中還規定了對某一量進行重復觀測時，取各個觀測值的中數為其最或是值，并以此計算中誤差，以2倍中誤差為限差。各基巖標中誤差的計算公式如下：

根據以上公式，計算1965～2007年間各基巖標的高程最或是值、中誤差、先驗中誤差。

3.2 構型結點評定

以實測中誤差在先驗中誤差2倍范圍之內判斷為穩定的基巖標。根據這一指標，符合條件的有7座基巖標（表1）。

表1 各基巖標高程測量精度評價表Table 1 Elevation measurement accuracy evaluation table of each bedrock level

J1-2、J1-3這兩座基巖標標桿，扶正方式均由鋼絲束導正式改建成鋼管式，標型改變，高程資料也隨之中斷。需要重新測量取樣，才能判斷改建后的穩定性，因此不能作為附合水準網的起算點。

J6基巖標建成于1964年10月，從1965～1999年聯測佘山基巖點高程資料分析，該標具有優良的穩定性，在附合水準網中的控制位置也較好。但在2003年踏勘中，發現該標遭到嚴重破壞，高程資料中斷。主標經過修建恢復后，在接下來的兩年間測出有較大的沉降量，說明其內部已遭受損壞，不能用作附合水準網的起算點。

因此，從連續觀測時間、空間分布、穩定性等多個因素綜合考慮，選取J1-1、J2、J5、J7共計四座基巖標作為地面沉降附合水準網的基準點。

4 地面沉降精準監測基準網構建的關鍵技術

4.1 地面沉降監測基準點的選取

為解決地面沉降水準監測網由一個點起算的自由網“一次定向”引起的偏差，2006至2007年，上海市地質調查研究院對上海市地面沉降監測水準網由自由網改為附和網的可行性進行了研究，結果表明：經過40余年地面沉降監測和資料統計分析，J1-1、J2、J5、J7四座基巖標比較適合作為上海市地面沉降監測附合水準網的起算基準點，并建議從2008年開始啟用由此四座基巖標起算的附合水準網（圖3）。

圖3 上海地面沉降監測附合水準網示意圖Fig.3 Schematic diagram of Shanghai land subsidence monitoring and leveling network

4.2 多類監測基準的統一

在地面沉降監測和7類城市重大市政工程沉降監測中，廣泛采用了人工水準測量、GNSS測量、InSAR測量等方法[4-8]，如何實現多種監測技術監測基準的統一是一個關鍵問題[9]。因為只有基于統一的監測基準，才能進行兩種或多種方法的驗證比對，和外符合精度評價。

（1）水準測量控制網

在水準測量方面，基巖標直接作為沉降監測基準點或者一、二等水準路線的結點，實現了對沿線深標、水準點、工作基點、軌道交通站臺點控制。水準測量屬幾何水準，最經典、最普及，因此常常用作衡量其他監測方法外符合精度的依據。

基于53座基巖標建成全市地面沉降監測網（圖4），實現了全市沉降監測基準“一張網”的目標，為全市地面沉降監測提供了穩定可靠的基準。

（2）GNSS 基準站網

在GNSS測量方面，將部分GNSS基準站直接建設在基巖標上，實現了基巖標對地面沉降GNSS監測網的控制，從而保證了基巖標的起算基準作用。

在地面沉降GNSS測量中，基準站作為沉降監測的基準點。為此，2003年8月在實施中國地質調查局地調項目時，建設完成了白鶴、崇明、外高橋、地質大廈、楓涇、東海大橋共計6座GNSS基準站（圖5），其中白鶴、外高橋、楓涇、東海大橋4座GNSS基準由基巖標接高建設而成，實現了基巖標對GNSS控制網的高程控制，將GNSS監測網沉降基準統一至基巖標上。同時，在每期全市GNSS監測網聯測期間，6座GNSS基準站發揮了時段間網聯式組網、重復觀測的作用。

圖5 GNSS地面沉降監測基準站（東海大橋）Fig.5 GNSS land subsidence monitoring base station (Donghai Bridge)

（3）InSAR 監測

在InSAR測量方面，通過建設在地面沉降監測站內的角反射器和部分水準點的沉降量對InSAR結果進行校正和融合處理，實現了基巖標起算基準作用。

在地面沉降InSAR測量實施過程中，角反射器發揮沉降基準點作用。角反射器一般布設在基巖標標房附近，其沉降量通過與基巖標聯測獲得。

在使用過程中對角反射器進行了多次改良，通過改良成功克服了以往諸如角度不能隨意轉動，只能針對某顆衛星等設計缺陷，大大提高了角反射器的使用效率。并在上海浦東國際機場地面沉降監測站內進行安裝試驗（圖6）。通過多期雷達圖像驗證（圖7），改良后的角反射器運行效果穩定，達到預期目的，不僅可為InSAR技術精度驗證提供穩定比對目標，也為區域上無穩定點目標地區推廣應用InSAR技術監測提供示范和技術支持。

圖6 浦東機場地面沉降監測站內布設的人工角反射器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測方法外，還有靜力水準（自動化監測）、光纖監測等。雖然技術手段、方法原理各異，但地面沉降監測基準只有一個，即基巖標，這個原則和思路在各種測量方法的控制網布設、監測網布設中均得以落實和體現。

4.3 大面積沉降監測基準“一張網”的建立與維持

從20世紀90年代開始，隨著重大市政工程的建設和運營，各測繪單位陸續開展上海地面沉降監測和軌道交通、城市高架、橋梁、隧道、堤防設施、大型市政管網、磁浮列車等重大市政工程沉降監測，由于沒有顧及監測基準的系統性，經常出現同一線性工程兩個相鄰標段接合處同名點沉降量不一致，甚至有時出現變形趨勢相反的現象，給統計和安全運營管理帶來困擾。

建設并維持大面積沉降監測基準的“一張網”確實不是一件容易的事情，既要保持各類工程高程基準的統一不矛盾，又要有對沿線的高程控制點（深標、水準點、站臺點）高程進行定期更新的機制，需要對不穩定和欠穩定的高程控制點定期更新并開展穩定性評價。

上海地區自20世紀60年代開始建設地面沉降監測網絡以來，基本建成了由38座地面沉降綜合監測站組成的地面沉降監測站網絡（圖8），由2845個水準點組成的覆蓋中心城區的水準監測網絡，由82座淺式分層標組及重大基礎設施沿線地面水準點組成的沉降監測基準“一張網”（圖9）。

圖8 上海地面沉降監測站分布Fig.8 Distribution of land subsidence monitoring stations in Shanghai

圖9 上海市沉降監測基準“一張網”Fig.9 Shanghai subsidence monitoring benchmark “one network”

5 結論與展望

地面沉降進入微量沉降階段后，對測量、監測提出了更高的要求，特別是地面沉降監測基準的建立與維持問題，對準確獲取地面沉降信息至關重要。針對上海市地面沉降監測基準網存在的精度和可靠性方面的不足，通過本文研究，得出如下結論：

（1）基巖標穩定性評價需要多次實測數據，按照數理統計規律至少需要30個觀測子樣；受多種因素的影響，水準測量成果中包含了測量誤差，單次或者僅僅幾次的觀測不能評價基巖標的穩定性，必須按照數理統計規定有充足的子樣；

（2）基于地面沉降水準監測基準網，以基巖標為起算點，在全市范圍內建立GNSS監測基準網、InSAR監測基準網、重大基礎設施沉降監測基準“一張網”有利于統一基準、統一技術要求，實現各監測技術的有機融合；

（3）對水準監測網進行優化，采用多個穩定起算基準的附合水準網代替自由水準網,提升了監測精度和基準網的可靠性；2009年以來，上海年均地面沉降量持續控制在6 mm以內，實現了地面沉降防治規劃的目標。

近年隨著上海市地面沉降監測區域的擴大和軌道交通等重大市政工程的開工、運營，地面沉降監測網覆蓋范圍不斷延伸，東南部16號線已經延伸至臨港新城，南部5號線延伸至奉賢，因此下一步需要開展地面沉降監測基準網網形優化、起算基準點增加調整工作。目前開展的軌道交通、高架等城市生命線工程高程控制網聯測每年觀測2次，為后期研究工作積累了觀測子樣，具備進一步開展網形優化、基準點增加調整的工作條件。

致謝：感謝長期以來從事上海地面沉降測量的前輩、多年共同奮斗在地質測量一線的同事，在本研究課題中給予了悉心指導、無私奉獻和大力支持，是集體智慧、團隊力量才促成了本研究成果。