производственный и научно-исследовательския институт по инженерным изысканиям

В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРОИЗВОДСТВУ БУРОВЫХ РАБОТ ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Москва — 1970

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ изысканиям В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРОИЗВОДСТВУ БУРОВЫХ РАБОТ ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ Москва — 1970

а также «безнасосным» способом. Выбор агента для очистки скважины от шлама в зависимости от физико-механических свойств проходимых грунтов следует производить в соответствии с данными табл. 3.

2.6.    Бурение скважин с продувкой воздухом по сравнению с бурением с промывкой имеет ряд преимуществ: более высокую механическую скорость бурения, увеличенную проходку на породоразрушающий инструмент, улучшенные условия труда буровой бригады (особенно в зимнее время и в северных районах) и др. Кроме того, бурение с продувкой в породах, естественная структура которых нарушается от контакта с водным раствором, предотвращает размыв стенок скважин и образование обвалов. Бурение с продувкой позволяет успешно проходить мерзлые грунты. К числу недостатков бурения с продувкой относятся: уменьшение в некоторых породах выхода керна при прямой продувке (при использовании обратной продувки выход керна сохраняется довольно высоким), повышенный износ бурильных труб, затруднения при бурении обводненных пород.

Бурение инженерно-геологических скважин с продувкой наиболее целесообразно использовать: в районах с суровыми климатическими условиями (северные районы страны); в пустынных и засушливых местностях, в условиях бездорожья, труднодоступных и горных районах, где водоснабжение связано с большими затратами времени, сил и средств; в необводненных устойчивых грунтах; в необводненных трещиноватых породах, где обеспечение нормальной циркуляции жидкости практически невозможно; в мерзлых грунтах; при бурении скважин глубиной более 30 м.

2.7.    Сущность «безнасосного» бурения заключается в том, что проходка скважины ведется обычным колонковым способом без подачи насосом на забой промывочной жидкости и с расхаживанием бурового снаряда. Циркуляция жидкости между стенками скважины и наружной поверхностью колонкового снаряда, а также между керном и внутренней поверхностью коронки и колонковой трубы происходит вследствие расхаживания снаряда.

Обязательным условием применения данного способа является наличие в скважине столба жидкости высотой, несколько превышающей длину колонкового снаряда. В случае отсутствия грунтовых вод в скважину периодн-

чески подливают воду или глинистый раствор, в зависимости от устойчивости пород в стенках скважины.

Безнасосное бурение следует применять: при проходке неглубоких скважин или разбурке твердых пород небольшой мощности, в случае возникновения трудностей с обеспечением скважин водой и когда необходимо получить высокий выход керна и достаточно сохранную структуру образца.

Безнасосное бурение не следует применять при сильном поглощении промывочной жидкости у забоя скважины.

ШНЕКОВОЕ БУРЕНИЕ

2.8.    Преимуществами шнекового способа являются: высокая механическая скорость бурения в песчаных и глинистых грунтах, большой процент времени чистого бурения (при шнековом бурении процесс проходки и выдача грунта на поверхность совмещаются), незначительные затраты времени на монтажно-демонтажные работы и вспомогательные операции, возможность отбора керна при использовании специального инструмента. Важным является также то обстоятельство, что шнековое бурение не требует использования промывочной жидкости.

Область эффективного использования шнекового способа ограничена нескальными грунтами (глинистыми и песчаными).

2.9.    Бурение скважин шнековым способом производится сплошным и кольцевым забоем. Бурение сплошным забоем осуществляется непрерывным рейсом (поточное бурение), рейсовыми заходками (рейсовое бурение) и завинчиванием.

При поточном бурении разбуриваемый грунт непрерывно выносится из скважины на поверхность шнековой колонной, которая по мере погружения в грунт наращивается дополнительными шнеками. Непрерывная выдача грунта на поверхность при этом способе затрудняет производство качественной геологической документации.

Поточное бурение следует применять при проходке зондировочных скважин в неоплывающих и неосыпаю-щихся грунтах, обеспечивающих устойчивость стенок скважины и равномерный вынос разбуренной породы на

11

поверхность (слабые и слабосвязанные супесчаные и суглинистые грунты).

Рейсовое бурение состоит из последовательных циклов (рейсов), включающих погружение шнека с долотом в грунт и последующее его извлечение из скважины с грунтом. Разновидностью рейсового бурения является бурение с холостым вращением (без углубки) колонны шнеков в скважине — в этом случае разрушенный грунт периодически поднимается на поверхность без подъема шнеков, что позволяет получить более точное представление о разрезе.

Рациональной областью применения этого способа является проходка зоидировочных и разведочных скважин в основном в пластичных и тугопластичных глинистых грунтах.

Винтовое бурение (завинчивание) отличается от рейсового тем, что шнековую колонну со спиральным долотом завинчивают в грунт на такую глубину, при которой ее можно будет извлечь без вращения из скважины. Винтовое бурение целесообразно использовать при проходке водоносных песков, глинистых грунтов скрытоте-кучеп консистенции, илов, торфов и т. д.

МЕДЛЕННО-ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ

2.10. Сущность медленно-вращательного бурения заключается в том, что для проходки скважин используются самоходные станки колонкового и роторного бурения, а в качестве наконечников применяется инструмент для ручного ударно-вращателыюго бурения (змеевики, ложковые буры и т. д.).

Этот способ используют при забуркс скважины, а также для проходки значительных толщ рыхлых и мерзлых грунтов.

РОТОРНОЕ БУРЕНИЕ

2.11. Роторное бурение сплошным забоем на инженерных изысканиях применяется очень редко. В основном оно используется для проходки гидрогеологических скважин глубиной 80—100 м и более в тех случаях, когда геологические разрезы представлены преимущественно скальными, полускальными и мерзлыми грунтами.

УДАРНО-КАНАТНОЕ БУРЕНИЕ КОЛЬЦЕВЫМ ЗАБОЕМ

2.12.    При ударно-канатном бурении кольцевым забоем проходка скважины производится за счет сбрасывания на забой скважины или забивки в грунт кольцевого наконечника (забивного стакана, зонда и т. д.), в результате чего грунт заполняет его внутреннюю полость и извлекается на поверхность.

Данный способ бурения по сравнению с другими имеет ряд преимуществ: вполне удовлетворительное качество отбираемого керна, незначительные затраты мощностей на бурение при проходке скважин сравнительно большой глубины, малые затраты времени на спускоподъемные операции, возможность проходки скважин в несвязных грунтах буровыми наконечниками большого диаметра с одновременным или опережающим погружением обсадных труб, вертикальность скважины.

2.13.    Ударно-канатное бурение кольцевым забоем осуществляется забивным способом (без отрыва инструмента от забоя) и «клюющим» (с отрывом инструмента от забоя после каждого удара).

Забивное бурение может быть использовано при проходке всех разновидностей связных глинистых грунтов. «Клюющий» способ дает наилучшие результаты при проходке скважин в мягкопластичных и просадочных (лессовых) глинистых грунтах.

2.14.    В случае проходки неустойчивых глинистых и песчаных грунтов бурение ведется забивным способом с одновременным погружением обсадных труб путем их расхаживания или вибрирования.

УДАРНО-КАНАТНОЕ БУРЕНИЕ СПЛОШНЫМ ЗАБОЕМ

2.15.    При ударно-канатном бурении сплошным забоем углубление скважины производится за счет сбрасывания на забой породоразрушающего долота с последующей очисткой скважины и подъемом разрушенной породы на поверхность желонкой. Этот способ не обеспечивает получения качественной геологической документации. Основное применение данный способ находит при бурении гидрогеологических скважин в песчаных, глинистых, крупнообломочных грунтах. Кроме того, он мо-

13

жет быть использован для проходки больших толш крупнообломочных грунтов, а также встречающихся прослоек крепких пород.

2.16.    Третьей разновидностью ударно-канатного способа является желонирование — операция, при которой желонка многократно с небольшой высоты, но со значительной частотой сбрасывается на забой до ее полного наполнения разжиженным грунтом.

Желонирование целесообразно применять при проходке сильно обводненных песчаных грунтов. Проходку скважины в этом случае необходимо вести с одновременным закреплением стенок скважин обсадными трубами.

ВИБРАЦИОННОЕ БУРЕНИЕ

2.17.    При вибрационном бурении внедрение в грунт кольцевого породоразрушающего наконечника (виброзонд и др.) производится под действием веса вибратора и веса бурового снаряда, а также за счет передачи последнему вибрационных колебаний или нанесения ударов с высокой частотой.

Вибрационное бурение относится к числу наиболее перспективных способов проходки скважин при инженерных изысканиях. Обладая высокой производительностью (до 50 м в смену при глубине скважин до 10— 12 ж в породах I—III категории), этот способ позволяет вести качественную геологическую документацию исследуемого разреза, а также отбирать образцы ненарушенной структуры в ряде разновидностей грунтов.

Вибробурение может применяться при проходке аллювиальных песков, супесей, суглинков и глин, моренных, насыпных и гравелисто-галечных грунтов, а в некоторых случаях мягких мергелей. Рациональной областью применения вибрационного способа является проходка скважин глубиной до 15—20 м в глинистых и песчаных обводненных грунтах.

2.18.    Существуют две разновидности вибрационного бурения: чисто вибрационное и виброударное.

Сущность чисто вибрационного бурения состоит в том, что под действием вибрации бурового снаряда резко снижается как лобовое, так и боковое сопротивление групта, благодаря чему снаряд под действием собственного веса и веса вибратора погружается в грунт. Чисто вибрационное бурение можно использовать при бурении

Н

Таблица 3 Рекомендуемые области применения различных способов бурения инженерно-геологических скважин

Виды бурения Способ бурения Грунты, степень их обводненности Глубина бурения в м Киначеиие скидки* Метод отбора монолита» С промывкой водой Скальные (монолитные и слаботрещиноватые). обводненные и необводненные До 100 и более Разведочные. эондировочные Отбираются одинарными колонковыми снарядами С промывкой глинистым раствором Скальные (трещиноватые). глинистые, песчаные. обводненные и необводненные То же То же Отбираются двойными колонковыми снарядами 3 = •Д § 2 колонко вый С промывкой солевыми охлажденными растворами .Мерзлые » > То же £ CQ С продувкой воздухом Скальные (монолитные и трещиноватые), необводненные или слабообводненные. Мерзлые От 30 до 100 н более » Отбираются одинарными и двойными колонковыми снарядами «Всухую» и бсзнзсос ным способом Глинистые, песчаные, обводненные н слабооб-водкеиные. .Мерзлые До 30 > Отбираются с помощью обури-вакмцих и залавливающих грунтоносов

УДК 624.131.1

В Рекомендациях изложены вопросы использования технических средств и выбора рациональной технологии бурения скважин (с по псрхности земли), а также отбора образцов грунта при производстве инженерно-геологических изысканий для строительства. Рассматриваются задачи и условия проведения буровых работ. Предлагается технико-технологическая классификация буровых скважин. В соответствии с классификацией выделяются группы скважин по назначению, глубине, условиям подъезда транспортом и проходимым грунтам. Дается краткое описание применяемых способов бурения (колонкового, ударно-канатного кольцевым забоем, шнекового, вибрационного) области их рационального использования, достоинств и недостатков.

Рекомендации содержат основные требования, предъявляемые к буровым станкам и установкам. Описываются рекомендуемые модели буровых станков и установок, их технические характеристики и сведения о выпуске. Даются указания по выбору бурового инструмента и рациональных режимов бурения, способствующих получению наиболее качественной инженерно-геологической информации о грунтах. Большое место отводится вопросам отбора монолитов. Рассматриваются вопросы организации буровых работ и техники безопасности при бурении скважин.

Рекомендации разработаны Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР (канд. техн. наук Б. М. Ребрик и инж. Б. В. Ц ы н с к и й).

Редакторы: инж. А. Г. Фомин (ЦТИСИЗ), инж. А. А. Павлов (Теплоэлектропроект), канд. геологоминералогических наук С. П. А б р а м о в (ПНИИИС).

Замечания и предложения по содержанию настоящих Рекомендаций просим направлять по адресу: Москва, £-78, Каланчевская ул., 2а, ПНИИИС.

3-2-4_

План I кп. 1970 г., п. 18

ПНИИИС ПО Ш1ЖПШ-Р11ЫМ ИЗЫСКАНИЯМ Рекомендации по пронпводстпу буровых работ при инженерно-геологических изысканиях для строительства

Стройиздаг Москва, К-31, Кузнецкий мост, д. 9 • • •

Редактор издательстпа Г. А. И ф т н и к л Технический редактор И. Д. II а ил о на Корректор Н. А. 3 а й ц с п а

Подписано к печати 4/V—1970 г. бум. л. 4,2 уел. псч. л. (уч.-изл . М XII—2671.    Заказ № 155.

Владимирская типография Главполнгрлфпрома Комитета но печати при Со вето Министров СССР Гор. Владимир ул. Победы, д. 1н-с.

Введение

Буровые работы являются одним из универсальных методов изучения оснований проектируемых сооружений. На начальных стадиях изысканий при инженерно-геологической съемке и поисках, обосновании технико-экономических докладов и схем, а также при рекогносцировочных работах буровые скважины закладываются в ограниченном количестве. В дальнейшем на стадиях технического проекта и рабочих чертежей значение буровых скважин резко возрастает, а их количество и глубина существенно увеличиваются. В процессе строительства и эксплуатации сооружений роль скважин как изыскательских выработок продолжает оставаться значительной. В одном случае они позволяют уточнять условия строительства, в другом—контролировать состояние фундаментов.

Бурение скважин на изысканиях характеризуется рядом особенностей, существенно отличающих его от бурения для других целей. К их числу относятся: сравнительно малая глубина скважин; необходимость непрерывного отбора образцов грунта с сохранением всех его текстурных и структурных особенностей, а в ряде случаев— отбор монолитов (образцов ненарушенной структуры) для определения физико-механических свойств грунта, большое число различных наблюдений и опытных работ в скважинах, разнообразие условий производства работ в масштабе одной организации, значительная разбросанность мест проходки скважин, большие затраты времени на частые переезды с одной точки на другую и т. д.

Рекомендации составлены на основе достигнутого уровня производства буровых работ ведущими проектноизыскательскими и изыскательскими организациями и содержат следующие вопросы, связанные с бурением скважин инженерно-геологического назначения: цели, задачи и условия проведения буровых работ, выбор способа бурения и буровых станков, технология бурения, основные правила отбора образцов, краткие сведения по организации буровых работ, техника безопасности.

3

Настоящие рекомендации являются справочным пособием для инженерно-технических работников, занятых на инженерных изысканиях для строительства.

При составлении рекомендаций использованы отечественные и зарубежные материалы: данные о современном состоянии производства буровых работ, результаты научно-исследовательских работ, многочисленные публикации и т. д.

1. ЗАДАЧИ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ БУРОВЫХ РАБОТ ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ

1.1.    Буровые скважины при инженерно-геологических изысканиях проходятся для изучения геологолитологи-ческого разреза, отбора образцов грунта, а также проведения различных опытных работ.

1.2.    По назначению¹ скважины подразделяются на:

зондировочные;

разведочные;

гидрогеологические;

скважины специального назначения.

1.3.    При инженерных изысканиях буровые скважины рекомендуется использовать для проведения комплексных исследований.

1.4.    Зондировочные скважины проходятся для предварительного изучения геологического разреза, для установления границ между нескальными и скальными грунтами, границ распространения насыпных и заторфован-ных грунтов и уточнения их мощности, а также границ залегания мерзлых грунтов, для определения уровня грунтовых вод и т. д. Зондировочные скважины являются преобладающими на начальных стадиях изысканий.

1.5.    Назначение разведочных скважин заключается в детальном изучении геологического разреза. Образец породы (керн), извлекаемый из разведочных скважин, служит для определения особенностей геологического разреза: последовательности в залегании слоев грунта, их мощности и положения контактов, текстурных и структурных особенностей грунта (слоистость, отдельность, дисперсность, тип структуры, наличие примазок, гнезд, включений и т. д.), плотности и консистенции грунта, соответствующих природным условиям; влажности и водоносности грунта и т. д.

Разновидностью разведочных скважин являются технические скважины, основное назначение которых заклю-

¹ Назначение буровых скважин определяет диаметр скважины, вид, количество и правила отбора образцов, состав и содержание опытных работ, что, в свою очередь, определяет выбор техники и технологии их проходки.

б

чается в отборе образцов грунта ненарушенной структуры (монолитов) для определения физико-механических свойств грунта. Из технических скважин может проводиться непрерывный, поинтервальный и одиночный отбор монолитов.

1.6.    Гидрогеологические скважины проходятся, главным образом, для производства откачек с целью изучения фильтрационных свойств грунтов. Гидрогеологические скважины одновременно могут быть и разведочными. Основное отличие их от последних — сравнительно большой диаметр бурения, обусловленный необходимостью установки в скважину водоподъемных средств. Если при бурении данных скважин задача детальной геологической документации не ставится, проходка может осуществляться без отбора керна.

1.7.    Для проведения специальных работ в скважинах, а также обеспечения возможности спуска в них человека, бурятся скважины специального назначения (например, скважины большого диаметра). К этой группе скважин относятся также выработки, характер опытных работ в которых требует использования специального оборудования или особой технологии для их проходки.

1.8.    В буровых скважинах различного целевого назначения могут производиться следующие виды работ: режимные наблюдения за изменением уровня, температуры и химического состава воды; определение направления и скорости движения подземных вод; опытные откачки, наливы и нагнетания воды; опытные нагнетания воздуха; испытания грунта: вертикальными статическими нагрузками (штампами), на срез (крыльчатками), на обжатие стенок скважины (прессиометрами); статическое и динамическое зондирование на больших глубинах; искиметрия; фотографирование и осмотр стенок скважины с помощью фотобуроскопов, телевизионных камер; специальные опытные работы (цементация, тампонаж) и др.

1.9.    В буровых скважинах, главным образом разведочных и гидрогеологических, могут проводиться следующие геофизические исследования: резистивиметрия, ка-вернометрия, радиоактивный каротаж, ультразвуковой каротаж, радионндикаторные наблюдения, боковое электрокаротажное зондирование (метод СЭИПП), диэлектрическое. зондирование и т. д.

о

1.10. Диаметры скважин и правила отбора образцов при бурении указаны в табл. 1.

Таблица I

Тип скважин по назначению Диаметр* скважины в мм Цель отбора образцов грунта Правила отбора образцов при бурении Зондировочные 33-127 Ориентировочная геологическая документация Образцы отбираются через определенные интервалы Непрерывный отбор образцов**; допускается отбор образцов через определенные интервалы. Монолиты отбираются по всему интервалу бурения либо с определенных участков Разведочные 108-219 Детальная геологическая документация; определение физико-мсханпчсских свойств грунтов Г идрогеологи- До 400 Г идрогсологичес- Образцы отбира- ческие и более кая документация ются в случае необходимости Специального До 2000 Правила отбора образцов определи- назначения и более юте я специальными требованиями

• Диаметр скважин условно указан по стандартизованному диаметру обсадных труб. •• При непрерывном отборе образцов грунта интервалы между соседними образцами составляют ио более 0,3 м.

1.11.    В соответствии с глубиной бурения скважины условно могут быть подразделены

а)    до 10 м;

б)    до 30 м\

в)    до 100 м;

г)    свыше 100 м.

1.12.    По условиям транспортирования оборудования, могут быть выделены легкие, средние, тяжелые и особые условия. Характеристика их дана в табл. 2.

¹ Подразделение скважин по глубине бурения дано с целью возможного ограничения числа типов используемых буровых станков и дальнейшей разработки нормального ряда последних.

7

Таблица 2

Условия транспорт* роаания Характеристика условий Краткая характеристика района работ Легкие Возможен подъезд автотранспортом любой проходимости Равнинные почти безлесные районы, слабо пересеченная местность Средние Возможен подъезд автотранспортом высокой проходимости при устройстве временных подъездных дорог или транспортом на гусеничном ходу Пересеченная местность, небольшие лесные массивы и кустарники Тяжелые Подъезд обычными видами транспорта (за исключением вьючного, вертолета, аэросаней и т. п.) практически невозможен. Местность, доступная пешеходам Таежные и горные районы, районы Крайнего Севера Особ.ле Необходимо использовать особые виды транспорта (плавучие средства, подъемники и т. п.). Пешеходам район работ недоступен Акватории портов, русла рек, работы под водой и т. д.

1.13. В соответствии со СНиП П-Б.1-62 «Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений. Нормы проектирования» грунты, проходимые при бурении инженерно-геологических скважин, подразделяются на скальные, крупнообломочные (щебенистые и дресвяные), песчаные (песок гравелистый, крупный, средний крупности, мелкий, пылеватый) и глинистые (супесь, суглинок, глина). Эти грунты могут находиться в мерзлом состоянии. При проходке мерзлых грунтов необходимо использовать специальное оборудование и особую технологию бурения.

2. ВЫБОР СПОСОБА БУРЕНИЯ

2.1. Способ бурения необходимо выбирать в зависимости от свойств проходимых грунтов, назначения и глубины скважины, а также условий производства работ. При этом выбранный способ бурения должен обеспечивать наиболее качественную геологическую документацию и достаточно высокую производительность.

*

2.2.    При инженерно-геологических изысканиях применяется вращательное, ударно-канатное, вибрационное и ручное ударно-вращательное бурение.

По типу применяемого бурового снаряда вращательное бурение подразделяется на колонковое, шнековое, медленно-вращательное (инструменты ложкового или змеевикового типа) и роторное; ударно-канатное бурение подразделяется на бурение кольцевым забоем (с отрывом и без отрыва инструмента от забоя) и сплошным забоем.

Вибрационное бурение подразделяется на чисто вибрационное и виброударное; ручное бурение — на ударное и вращательное.

КОЛОНКОВОЕ БУРЕНИЕ

2.3.    Основными преимуществами колонкового бурения являются; возможность проходки скважин почти во всех разновидностях горных пород, сравнительно большая глубина проходимых скважин, достаточно хорошо разработанная и освоенная технология бурения, сравнительно небольшие мощности, затрачиваемые на бурение, возможность получения качественного керна.

2.4.    Проходка скважин колонковым способом осуществляется твердосплавным, дробовым и алмазным породоразрушающим инструментом. Твердосплавный породоразрушающий инструмент можно применять при проходке скважин в глинистых, песчаных, мерзлых и скальных грунтах (I—VII, частично VIII категории по буримости)¹, дробовой — при проходке скважин в скальных грунтах (VII—XII категории); алмазный — при проходке скважин в скальных монолитных грунтах (VIII— XII категории).

2.5.    В зависимости от физико-механических свойств проходимых грунтов и от глубины скважины, бурение колонковым способом может осуществляться «всухую», с промывкой водой и солевыми охлажденными или глинистыми растворами, с продувкой сжатым воздухом,

¹ Здесь и в дальнейшем категория пород приведена по единой классификации горных пород для механического вращательного бурения скважин «Единые нормы выработки на производство геологоразведочных работ». «Недра», М., 1964.

9