в зоне РФ
т/ф (495) 565-13-84
т. (495) 544-81-24
Бурение скважин в техногенных грунтах при выполнении инженерно-геологических изысканий на урбанизированных территориях
Современные методы оценки состава и свойств геологической среды достигли значительных успехов. Однако описание грунтов, полученное на основании буровых работ, по-прежнему является базовым. Неточное или ошибочное описание геологического разреза при проходке скважин приводит к недостоверной интерпретации результатов зондирования, геофизических и прочих видов исследования грунтов.Таким образом, основным видом полевых работ при выполнении инженерно-геологических изысканий для обоснования проектирования объектов различного назначения являются буровые работы, в частности проходка буровых скважин.
Техногенные грунты
Проходка буровых скважин на урбанизированных территориях для задач инженерно-геологических изысканий осложняется рядом обстоятельств, в том числе тем, что с поверхности на таких территориях, как правило, залегают техногенные грунты (tQIV) мощностью на отдельных объектах до 30—40 м. Состав этих грунтов различный: минеральные грунты обратной засыпки, строительный мусор (кирпич, армированный бетон, металлические, железобетонные и деревянные конструкции и пр.), бытовой мусор, отходы различных производств (керамический материал, шлаки, золы, золошлаки, шламы, резинотехнические изделия и пр.). Насыпные грунты и отходы производств подвержены процессу самоуплотнения, продолжительность которого зависит от состава.
Техногенные грунты по своим свойствам обладают высокой степенью изменчивости. Развитие мощных толщ tQIV связано, как правило, с засыпкой пониженных участков территории при выполнении планировок, При этом примерно до 1997 года на состав насыпных грунтов никто не обращал внимания. В ход шел материал, получаемый от сноса зданий, излишки грунта после вскрытия котлованов, отходы производств.
Выбор инструмента
Предварительная выноска и разбивка скважин в условиях городской застройки выполняется с учетом существующих зданий (сооружений) и подземных коммуникаций. В большинстве случаев предполагаемое место расположения скважины (с учетом требований нормативных документов) может быть представлено в единичном варианте. Отступить от выполненной разбивки обычно не представляется возможным. Поэтому технологический комплекс оборудования и методика должны соответствовать безаварийному проведению буровых работ. В противном случае обрыв буровой свечи, прихват инструмента или что-нибудь еще не позволят закончить работы, а новое место для проходки скважины может отсутствовать. Соответственно рациональный выбор породоразрушающего инструмента является не только технологической задачей, но и основополагающей экономической составляющей (необходимо учитывать, что применение слишком дорогостоящего инструмента тоже может свести к нулю рентабельность выполненных работ).
Для разрушения грунтов (горных пород) при выполнении инженерно-геологических изысканий применяется механическое бурение или бурение скважин породоразрушающими инструментами.
Недостатками механического бурения являются: (1) износ рабочих элементов породоразрушающих инструментов, требующий их замены; (2) низкий коэффициент использования энергии, который продолжает уменьшаться с увеличением глубины забоя скважины.
Из видов бурения в инженерной геологии закрепились вибрационный, колонковый (роторный, шпиндельный), ударно-канатный и шнековый. При этом вибрационный, ударно-канатный и шнековый методы не зарекомендовали себя при проходке техногенных грунтов; вибрационный и ударно-канатный методы ограничены энергией удара и в ряде случаев не приносят ожидаемого результата; шнековый метод при вскрытии техногенных включений приводит к искривлению ствола скважины со всеми вытекающими последствиями. Кроме того, при бурении весьма высока вероятность заклинивания шнеков о различные техногенные включения.
Из названных методов для проходки техногенных грунтов с включением прочных и особо прочных техногенных материалов по ряду технологических свойств в наибольшей степени пригоден колонковый способ. В качестве породоразрушающего инструмента в данном случае рекомендуется применять твердосплавные коронки, пневмоударники и шарошечные долота.
Твердосплавные коронки изготавливают из стали марок 30, 35 и 40 по ГОСТ 10 5 0-74 или Ст4 по ГОСТ 380-71, которые обеспечивают достаточную прочность корпуса. Для изготовления резцов применяются вольфрамокобальтовые металлокерамические твердые сплавы типа ВК. Карбид вольфрама придает сплаву твердость и износостойкость, обеспечивает прочность.
Твердые сплавы ВК6 (твердость HRC составляет не менее 88,0), отличающиеся большой твердостью и износостойкостью, применяются в коронках СМ и СА для бурения более твердых и абразивных пород. Твердый сплав BK8 (твердость HRC составляет не менее 87,5) применяется в коронках типа М.
Для эффективного бурения в коронке предусмотрены различные элементы, которые выполняют определенные функции, — корпус, гидравлическая система, режущая часть.
При проведении буровых работ для целей инженерно-геологических изысканий, как правило, не рекомендуется применение промывочной жидкости. Это связано с необходимостью отбора образцов ненарушенной структуры при условии сохранения природных свойств грунтов.
В порядке исключения применяют методику «подлива» промывочной жидкости для частичного охлаждения породоразрушающего инструмента. Отсутствие промывочной жидкости в необходимом количестве приводит к преждевременному износу и выходу из строя его режущей части, элементами которой являются резцы (или пластины) из твердого сплава. По расположению резцы подразделяются на основные и подрезные (наружные, калибрующие диаметр скважины, и внутренние, обрабатывающие керн). Элементами резцов являются углы (передний, задний, заточки и поворота). При выборе коронок следует обратить внимание именно на технологическую схему элементов резцов. Кроме того, существует понятие гидравлической системы коронок. Но в рассматриваемых случаях применения она не является основополагающей, поэтому в настоящей статье не освещается.
В настоящее время выпускается более 10 типов твердосплавных коронок, которые применяются для проходки различных грунтов (горных пород). Их конструктивные особенности увязаны со свойствами разбуриваемых грунтов. По признаку твердосплавности коронки подразделяют на три группы: (1) для проходки мягких грунтов; (2) для бурения малоабразивных разностей средней твердости; (3) для проходки абразивных грунтов средней твердости.
Характерным признаком коронок первого типа является наличие ребер на боковой поверхности, что обеспечивает максимальные зазоры между колонковой трубой и стенками скважины и хорошую чистку забоя скважины от шлама. Это позволяет получить более хорошие показатели бурения в пластичных и малосвязных грунтах.
Б коронках для бурения малоабразивных грунтов (пород) на показатели бурения влияют форма, размеры и расположение резца. Коронки этого типа (типа СМ) называют резцовыми.
Для проходки абразивных грунтов (пород) средней твердости применяются самозатачивающиеся коронки (типа СА). В этих моделях используются мелкие резцы. При этом торец имеет достаточную насыщенность резцами, что дает высокую производительность. Конструктивная особенность вставок обеспечивает их самозатачивание в процессе бурения.
Твердосплавные коронки (с учетом перечисленных признаков) подразделяют на следующие группы: (1) ребристые для бурения мягких грунтов (пород): М5 (ГОСТ 10502-69); (2) резцовые (гладкостенные) для бурения малоабразивных грунтов (пород) средней твердости: СМ4, СМ5, СМ6, СТ2 (ГОСТ 11108-70); (3) самозатачивающиеся (гладкостенные) для бурения абразивных грунтов (пород) средней твердости: СА1, СА2 (ГОСТ 11108-70), СА5 (ТУ 41 -61-289-77) и СА6 (ТУ 41 -01 -348-78).
Коронка М5 предназначена для бурения грунтов (пород) I—IV категорий по буримости. Модель Мб армирована резцами принципиально новой формы. Эти коронки могут быть применены для проходки насыпных минеральных грунтов с включением незначительных прочных разностей.
Особенностью резцовых коронок является наличие ориентированной вставки. Модель СМ 5 имеет вертикальное расположение относительно оси коронки, а модели СМ4 и СТ2 — наклонное. Такое расположение обеспечивает более высокую прочность. Модель СМЗ представлена резцами в виде восьмигранной призмы со сквозным отверстием, что обеспечивает пониженный расход твердого сплава и повышает удельную нагрузку на забой. В коронках СМ4, СМ6 и СТ2 резцы ориентированы с образованием передними гранями отрицательных передних углов. По некоторым данным, ресурс коронок СМ составляет до 10 м проходки.
Для проходки техногенных грунтов с включениями бетона наибольший интерес представляют модели коронок типа СА. По типу и расположению резцов они подразделяются на микрорезцовые (СА2, СА5, СА6), тонкопластичные (СА1) и комбинированные (СА4). В самозатачивающихся коронках резцы располагаются повторяющимися группами, обеспечивая перекрытие забоя скважины. Модель СА1 предназначена для бурения грунтов (горных пород) VI -VIII категорий по буримости. Модели СА2, СА5, СА6 обеспечивают проходку IX категории, что соответствует бетону неармированному.
При проходке погребенного бетона неплохие результаты дает использование пневоударников. Для армирования коронок применяется твердый сплав ВК15, отличающийся повышенной прочностью. Маркировка коронки имеет шифр КПС.
Шарошечные долота выпускаются двух типов — для бурения скважин без отбора керна (сплошным забоем) и колонковые большого диаметра.
Проходка техногенных грунтов, состоящих из бетона различных марок, может осуществляться двухшарошечным долотом типа К или ОК, которое обеспечивает проходку грунтов IX-XI1 категорий по буримости. Ограничением здесь опять служит проблема использования промывочной жидкости. Трехшарошечные долота позволяют более полно использовать технологию применения данного породоразрушающего инструмента.
Шарошки долот работают в ударном режиме и обеспечивают осевую нагрузку до 50 кН на 1 см долота.
Опыт проведения буровых работ в производственных условиях показал, что темп падения механической скорости зависит от типа породоразрушающего инструмента, параметров бурения и абразивности техногенного грунта, в котором проводится проходка.
Наихудшим условием для проходки буровых скважин в техногенных грунтах является наличие включений бетона различных марок Бетон относится к IX-X категориям по буримости.
К породоразрушающему инструменту, рассчитанному на применение в подобных условиях, относятся коронки моделей СА2, СА5, СА6. Кроме того, возможно применение пневмоударииков с коронками типа КПС. Двухшарошечные и трехшарошечные долота типа К и ОК приспособлены к работе в подобных условиях, но их применение имеет ограничения в связи с небольшим использованием промывочной жидкости.
Заключение
Подводя итог вышесказанному, необходимо еще раз подчеркнуть, что именно описание геологического разреза при проходке скважин является основой достоверного применения других методов инженерных изысканий. А качество буровых работ, в свою очередь, зависит от правильности выбора метода бурения и оборудования для выполнения работ.
КОЗЛОВСКИЙ С.В.
Заместитель генерального директора ОАО «ПНИИИС»
Каталог статей
Ты знаний можешь не иметь
В какой-то области конкретной,
Но коль есть доступ в интернет,
Не жмись ты ссылочкой ответной.
