1 前言
核岛是核电厂最重要的建筑物，对地基的稳定性及强度有非常严格的要求，勘测必须合理确 定地基承载力、弹性模量、阻尼系数等参数，以计算自重作用下地基的长期变形及稳定性、 周期性动力荷载及地震条件下的动力响应、地基—上部支撑系统的反应谱，以确保核岛在任 何不利情况下的绝对安全。因此，核址动态参数是核电设计进行地震反应分析和动力反应分 析的重要参数。HAF0100及其相关导则中明确规定，要求采用跨孔波速试验提供地基的弹性 波速度及相关动态参数。国标《核电厂抗震设计规范》(GB50267-97)要求进行核电设计时必 须具备地基的弹性波速度及动弹性模量等参数。核岛直径约40m，设计要求了解3倍直径 以内即120m内岩体的动态参数。我国虽自80年代以来已经较广泛地开展跨孔法等波速测试， 但由于诸多因素，依目前的技术水平绝大多数单位仍不能成功地完成核岛要求的100m以上深 度的跨孔试验。
2 跨孔试验测试技术
跨孔法是由美国土动力学专家Woods等1972年提出的。它既能用来测定P波，也可用来测定S 波，适合于任何地层。试验时，若孔距和测点位置选择恰当，该法可测定低速软弱夹层的波 速。跨孔法所具有的优点使它一经提出就受人们的重视，现在已作为一种比较完备的勘测方 法在大中型工程中广泛应用。
2.1 跨孔法仪器设备
跨孔试验仪器设备包括振源、检波器、触发器、放大器和记录仪等。
2.1.1 振源
迄今为止，跨孔波速试验的振源可以归纳为：电火花、爆破、机械敲击和电动横波振源。跨 孔试验的主要测试对象是地层所传播的剪切波，因此要求振源产生的S波与P波能量之比尽可 能高。为了突出S波份量，跨孔试验大多采用机械振源。井下剪切波锤是一种常见的振源， 以美国Bison公司为代表，能重复激振，双向冲击，在配有高倍放大器或信号增强型地震仪 的情况下，利用这种振源，波在岩石中的水平传播距离可达100m以上。
2.1.2 检波器
在跨孔试验中，一般采用三分量检波器接收地震波，其中竖向分量主要用来识别SV波，径向 分量用来识别P波，用切向分量来识别可能存在的SH波，同时三分量波形记录还可进行相互 校核资料分析结果的可靠程度。三分量检波器是由三只传感器按相互垂直的方向固定并密封 在一个无磁性圆筒内制成的。在选用检波器时，除外形尺寸适宜外，应使三分量检波器的自 振频率约为所测地震波的20%～25%。跨孔试验中，机械振源在土层中产生的P波主频率约为1 0 0～300Hz，S波主频率约50～150Hz，主频率低于30Hz的情况比较少，因为孔距不大时，高频 部分 一般不会被岩土介质吸收掉。岩石中产生P波、S波频率要高于土层中，选用自振频率较高的 检波器的优点在于对方向性不太敏感，即使埋置倾斜，也能有效地进行波动测试。 目前国内批量生产的三分量检波器有两种：一种检波器的自振频率为27Hz，频响可达几百赫 兹 ，其外壳直径为76mm,当气囊充气后外径可达135mm；另一种检波器的自振频率为8Hz,频响可 达到几百赫兹，外径直径50mm，气囊充气后直径可达100mm。岩石中波速试验P波频率达1700 Hz，此类地震检波器不适用，必须采用频带更宽、更高的检波器，如水诊器。 检波器在孔中的固定主要采用气囊，也有用弹簧片来做固定装置的。试验结果表明，检波器 固定方式的不同对波的初至时间几乎没有影响，但对波形的影响还是较为显著的。
2.1.3 放大器和记录仪
跨孔试验检波器的输出必须经过放大器放大后，才能在记录仪中记录和显示出来。放大器应 采 用有带通滤波功能的多通道放大器，其振幅一致性偏差应小于3%，相位一致性偏差应小于 0.1ms，电压增益应大于80dB。采集和记录装置应采用六通道以上数字采集和存储系统，其 模/数转换器位数不宜小于12位，电压增益不宜小于60dB。国标中要求波形的分辨率应高于1 ms，作为核址动态参数试验分辨率应高于05ms。
2.1.4 触发器
目前安放在井下剪切波锤以及其它机械振源上的触发器，一般由压电晶体或电子电路构成。 当振源冲击时，触发器产生瞬态脉冲电压，触发记录仪进行扫描。这类触发器的升压时间延 迟约为40μs，一般满足跨孔精度要求。
2.2 跨孔法测试技术方法
2.2.1 钻孔
钻孔是跨孔试验现场工作的第一步，其中包括钻孔尺寸、钻孔布置、下套管与灌浆、钻孔垂 直度量测等内容。
(1) 钻孔尺寸和布置 跨孔试验的钻孔深度应不小于工程需要波速勘测深度，核岛通常要求100m左右。钻孔直径应 保证 振源和检波器能顺利地在孔中或套管中上下移动。在此前提下孔径应尽量减小，这是因为无 套管的小口径钻孔比较稳定，且对孔围岩土介质扰动较小。跨孔试验一般采用一孔激振、二 孔接收和直线排列钻孔方式，这样可以根据相邻两接收孔间波传播历时之差来计算波速，消 除了触发器、套管和回填等方面的影响。试验孔应布置在核岛内。 钻孔布置中的一个重要参数是钻孔间距。跨孔试验是按直达波的传播历时和孔间距来计算波 速的。但在层状地层中，尤其是当下卧层波速大于测点地层波速时，若钻孔间距过大，检波 器接收的初至波有可能不是直达波而是折射波。理论分析表明，由此带来的波速误差同样随 孔间距的增大而增大。因此，在保证有足够计时精度的前提下，钻孔间距尽可能取小些 ，并且在确定孔距之前应认真分析钻孔的地层剖面，着重了解较薄低速地层的厚度，以及地 层交界倾斜方向等情况。实际工作中可参考表1选用。
(2)下套管与灌浆技术 在塑料套管未下钻孔之前，应先将最下面一根底口封闭，再用塑料管接口与上面相邻的管口 接好。为了克服上浮力，需在管内注满水以促使其下沉。
试验表明，对套管和孔壁之间的环形间隔予以回填，则可保证孔内振源、检波器与地层间处 于更好的耦合状态。采用干砂充填因其密实度和胶结性差而常使试验结果有较大的离散。因 此，建议工程上对套管和孔壁间的间隙大多采用灌浆法处理，目前工程上已成功采用压水试 验橡皮止水阀作为逆止阀。 下套管前在其底部拧上单路环形逆止阀，当套管全部下好后，在套管中心下灌浆管，并且在 灌浆底部接上阻塞器，然后在地表对阻塞器中橡皮囊充气至其与套管紧固为止，这时即可灌 浆。灌浆完毕，打开阻塞器气门，将灌浆管拔出。
(3)钻孔垂直度量测 为了确保跨孔试验结果的精度，必须量测各个试验钻孔的垂直度，由此计算出振源与检波器 间的真正水平距离。钻孔垂直度采用测斜仪量测，并且要求测斜仪要有足够的精度；扭角仪 量测测点同测斜仪。 测斜前应在钻孔内放在导槽的测斜管，其中一对导槽方向应尽可能与钻孔孔口连线一致。当 测斜仪在导槽中滑动时，即可测定钻孔垂直度的变化。
2.2.2 跨孔现场测试方法
在跨孔试验的钻孔数量、深度、孔径和孔距等参数确定后，完成钻孔，下好塑料套管和灌浆 ，将各孔口暂时封盖，钻机撤离现场。待灌浆一星期后，试验人员即可在现场进行波动测试 工作。 如果孔口标高有高差，应通过换算保证波动试验中振源和各检波器在孔中的标高相等。为了 减小地表和传播路径弯曲性对波动试验的影响，最浅测点的深度一般宜选在0.4～1.0倍的 孔距或2m左右。振源通过液压、检波器通过气囊在测点位置(通过测绳量测)与孔壁紧贴后， 即可激发振源和接受波动信号。当记录波形觉得满意后，放松振源和检波器并将其下放至下 一个测点进行试验，依次重复直至最后一个测点。跨孔试验中相邻测点间距常选用1～2m， 也可根据实际需要适当稀疏或加密。
2.3 跨孔资料整理分析
跨孔试验资料分析主要包括波型识别、波速计算及误差分析等方面。
2.3.1 波型识别
跨孔试验中所记录的波形信号曲线主要由体波组成，一般可分三段来分析：第一段是从零时 开始到直达波到达，信号除受外部干优出现毛刺外基本上是一条接近于直线的平稳段；第二 段从波的第一个初至起到第二个初至止，此段属于P波，振幅小，频率高；第三段是以S波为 主的部分，振幅大，频率低。为了准确分析资料，现场各测点的波形记录应反映以上特征。
对于现场波形记录，在室内尚须更准确分析，以确定波的初至点和传播时间。首先分别选择 典型P波和S波信号进行频谱分析，确定各自主频，然后采用带通滤波器对原始信号进行滤波 ，这样可以增大信噪比。在分析波形记录的竖向分量的同时，还要参考两水平分量波形的特 征，由于地层的各向异性，水平分量初至一般要比竖向分量稍早。
2.3.2 波速计算
波型识别工作完成后，分别将量出的振源孔到第一接收孔、第二接收孔以及两接收孔间波的 传播时间填到试验记录表上。根据钻孔垂直度计算出的直达波传播距离和相应传播时间求出 波速，并将值列入记录表中。同一测点的三个试验波速值的相应误差应在10%以内，否则分 析原因甚至重新测试。波速求出后，可根据有关公式计算土层其它动态参数，并绘制波速及 其它动态参数随深度变化的关系曲线。
2.3.3 误差分析
当同一测点计算出的S～R1、S～R2、R1～R2三个波速值相差大于10%时要分析原因 。首先应核查钻孔垂直度和波初至时间是否有误，然后分析采样精度、记录时间、触发延迟 、地层突变、测点位置等因素。如果以上分析仍不能解释，则须到现场重新做试验。
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