Рекомендации

по ударно-канатному бурению скважин при инженерных изысканиях в строительстве

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ

И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПНИИИС) ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

по ударно-канатному бурению скважин при инженерных изысканиях в строительстве

Москва Стройиздат 1986

скважин Этой группы является большой начальный диаметр. Следует подчеркнуть, что в случае, если скважина проходится с начальным диаметром 325 мм и бурится на глубину 5—7 м, то эта скважина все равно должна быть отнесена к группе в, поскольку она может быть пройдена только буровыми установками повышенной мощности.

К группе г отнесены сравнительно глубокие инженерно-геологические скважины, имеющие двухколонную конструкцию и проходимые в неустойчивых (в том числе песчаных и крупнообломочных) грунтах. Наконец, к группе д отнесены скважины, проходимые в неустойчивых и слабоустойчивых грунтах, последние интервалы которых пересекают скальные и полускальные грунты. Скважины этой группы проходятся в сложных геологических условиях, в частности при наличии верховодки и двух водоносных горизонтов, требующих перекрытия обсадными трубами. Скважины трехколонных конструкций довольно редки и чаще всего бурятся при изысканиях для гидроэнергетических объектов.

Представленные типы и группы охватывают большинство скважин, проходмых в настоящее время при инженерно-геологических изысканиях.

Типовые конструкции гидрогеологических скважин

1.13. Глубина и конструкция указанных скважин определяются в основном геолого-гидрогеологическими условиями участка изысканий и заданным водоотбором из скважин. В связи с этим в процессе проходки скважин важнейшими обстоятельствами являются:

а)    глубина скважин, зависящая от глубины залегания и мощности водоносного пласта (системы пластов), намеченного к эксплуатации, от заданного дебита и ожидаемого динамического понижения, а также от выбранного типа водоподъемника;

б)    начальный и конечный диаметры скважин, обусловленные конструкцией водоприемной части скважины, типом и глубиной установки водоподъемного оборудования, обеспечивающего отбор заданного количества воды с учетом, что конечный диаметр обеспечит прием и пропуск расчетного количества воды;

в)    эксплуатационный диаметр скважин (внутренний диаметр труб, в которых устанавливается водоподъемник), определяемый типом водоподъемника с учетом необходимости чистки скважины и оборудования ее устройствами для замера динамического уровня при эксплуатации;

г)    крепление ствола скважин обсадными трубами и конструкция водоприемной части скважин, зависящие от гидрогеологических ус-

10

ловий, характера пород, степени устойчивости ствола и дебита скважины.

1.14.    Конструкция скважины должна предусматриваться с учетом следующих требований:

а)    в рыхлых и неустойчивых, скальных и полускальных породах ствол скважины от водоприемной части до устья закрепляется обсадными трубами, а в пределах водоносного горизонта устанвливается фильтровая колонна, состоящая из фильтрующей (рабочей) части, надфнльтровой трубы и отстойника. Фильтр можно устанавливать как впотай, так и с выводом надфнльтровой трубы до устья скважины;

б)    в сложных гидрогеологических условиях, когда необходимо надежно перекрыть вышележащие неэксплуатируемые водоносные горизонты или для предупреждения прорыва высоконапорных вод по затрубному пространству, устанавливают дополнительные обсадные трубы;

в)    излишние колонны обсадных труб, предназначенные лишь для временного закрепления стенок скважины в процессе проходки, извлекают. При этом верхний обрез обсадной трубы, оставляемой в скважине, или фильтровой колонны при установке впотай должен находиться выше башмака предыдущей колонны не менее чем на 3 м при глубине скважины до 50 м и не менее чем на 5 м при большей глубине. Кольцевой зазор между трубами у обреза обсадной трубы перекрывается сальником или цементируется.

1.15.    Защита скважин от загрязнения с поверхности и от проникания в них воды из неиспользуемых водоносных горизонтов должна предусматриваться в зависимости от конкретного гидрогеологического разреза. Для этого можно применять следующие способы изоляции:

а)    забивку или задавливание колонны труб в слой естественной глины или искусственно созданную глиняную пробку;

б)    подбашмачную цементацию (затрубная цементация способом подачи цементного раствора под башмак);

в)    затрубную цементацию колонн труб с доведением цементного раствора до отметок, предусмотренных проектом (при роторном бурении) ;

г)    закрепление вехней части скважины двумя колоннами труб или одной колонной труб с затрубной цементацией для изоляции скважины от попадания в нее поверхностных вод;

д)    при наличии агрессивных вод в используемых и гидравлически связанных с ними водоносных горизонтах должна предусматриваться антикоррозионная защита обсадных труб.

11

a)    6)    в)

/ — кондуктор: 2 — техническая колонна; 3 — эксплуатационная колонна:    4 — фильтровая ко

лонна; 5 — затрубная цементация; 6 — межтрубная цементация; 7 — сальник; 8 — гравийная обсыпка; 9 — отстойник

Кроме перечисленного необходимо учитывать и следующие общие технические требования к конструкции скважин для водоснабжения:

а)    скважина должна быть закреплена наименьшим количеством колонн обсадных труб;

б)    отклонение оси скважины от вертикали должно быть в пределах, обеспечивающих нормальную работу запроектированного водоподъемного оборудования;

в)    конструкция скважины должна быть простой и удобной для эксплуатации и ремонта.

Примеры типичных конструкций скважин ударно-канатного способа бурения показаны на рис. 2.

2. БУРОВЫЕ СТАНКИ ДЛЯ УДАРНО-КАНАТНОГО БУРЕНИЯ

Буровые станки, используемые при инженерно-геологических изысканиях

2.1. Из большого числа применяемых в отечественной практике буровых станков и установок для ударно-канатного бурения в настоящем разделе кратко описываются выпускаемые серийно и широ-

12

ко используемые в производстве инженерно-геологических изысканий.

Установка буровая пенетрационная УБП-15М

2.2. Установка УБП-15М предназначена для бурения инженерногеологических скважин ударно-канатным способом (кольцевым забоем) и для проведения ударного зондирования (пенетрации) грунтов. Техническая характеристика установки приведена в табл. 2.

Таблица 2

Параметры УБП-15М БУКС-ЛГТ Номинальная глубина бурения, м 15 15 Начальный диаметр скважины, мм 168 168 Грузоподъемная сила лебедки, кН 10 7 Скорость навивки каната на барабан, м/с 0,9 0.5 Тип двигателя УД-2 Д-300 Мощность двигателя, кВт 5,9 4,4 Высота мачты, м Габаритные размеры в транспортном положении, м: 5,6 5 длина 4 5,1 ширина 1.8 1,4 высота 2,2 1,4 Общая масса станка, кг 1000 440

Установка УБП-15М представляет собой одноосный прицеп, на раме которого смонтированы бензиновый двигатель, трансмиссия, планетарная лебедка, ручная червячная лебедка подъема мачты, направляющий ролик, станина мачты и мачта. Мачта из профильного проката (уголковой и швеллерной стали) состоит из двух соединенных шарнирами половин, складывающихся в транспортном положении. При помощи придаваемого пенетрационного снаряда установка может производить ударное зондирование грунтов на глубину 10— 15 м. Масса ударной бабы пенетрационного молота 60 кг, высота падения ударной бабы 0,8 м.

Установка УБП-15М спроектирована Гидропроектом и выпускается Угличским экспериментальным ремонтно-механическим заводом (УЭРМЗ) Гидропроекта.

13

Буровой ударно-канатный станок БУКС-ЛГТ

2.3.    Буровой ударно-канатный станок БУКС-ЛГТ предназначен для бурения инженерно-геологических скважин ударно-канатным способом (кольцевым забоем). Техническая характеристика станка см. в табл. 2.

Основные узлы станка — прицеп, трубчатая тренога, двигатель, тренога и рама.

Для передвижения станка в транспортном положении используется одноосный прицеп, состоящий из трубчатой оси, рессор и колес автомашины УАЗ-69.

Трубчатая тренога состоит из одной опорной стоики и двух свободных стоек. В транспортном положении тренога служит дышлом прицепа, а верхний узел используется в качестве серьги для транспортирования станка в виде длинного прицепа. В особо трудных дорожных условиях должна производиться дополнительная разборка треноги дышла, а станок должен транспортироваться в виде короткого прицепа. Привод станка осуществляется от двигателя марки Д-300.

Кроме транспортирования в виде длинного или короткого прицепа, станок можно перевозить мотоциклом, конной тягой, а также, на небольшое расстояние, вручную. Конструкция его позволяет полностью отделять прицеп и в зависимости от условий района работ перемешать станок как на колесах, так и без колес.

Для перевозки на большое расстояние в кузове автомашины станс/к может быть разобран на отдельные легкие и малогабаритные узлы. Станок спроектирован Ленгипротрансом и выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.

Универсальная буровая установка БУЛИЗ-15

2.4.    Установка БУЛИЗ-15 (табл. 3) предназначена для бурения инженерно-геологических скважин вращательным, ударно-канатным и вибрационным способами в основном в нескальных грунтах при линейных изысканиях. С помощью навесного автоматического пенетрометра установка может производить динамическое зондирование грунтов. Установка обеспечивает бурение скважин следующими начальными диаметрами: колонковым способом — 127 мм; шнековым способом —116 мм; медленновращательным способом (змеевиками и ложковыми бурами) —146 мм; ударно-канатным способом — 168 мм.

Установка БУЛИЗ-15 состоит из следующих основных узлов: автомобиля, трубчатой мачты, опоры мачты, лебедки, откидного вращателя, механизма подачи инструмента, рычагов управления. Уста-

14

Параметры	БУЛИЗ-15	АВБ 2М
Глубина бурения, м	15	40
Начальный диаметр скважин, мм	168	219
Способы бурения	Колонковый «всухую», шнековый, медлен-новрашательный, ударно-канатный, вибрационный	Вибрационный, ударно-канат ный
База	Автомобиль УАЗ-69	Автомобиль ГАЗ-66
Основной рабочий орган	Ротор, вибромолот	Вибромолот ВБ-7
Грузоподъемная сила лебедки, кН	12	40
Грузоподъемность мачты, кг	5000	12000

ЛВБ-Э	УРВ-1	УРБ-2М
20. 40. 100	15	25
168. 325	127	253
Ударно-канатный, вибрационный, вибровра-щатсльный, колонковый «всухую*, колонковый с промывкой	Ударно-канатный. медленно-вращательный	Ударно-канатный. медленновращательный
Автомобиль ЗИЛ-131 Вибромолот ВБ-7М	Стационарный на полозьях Ротор, ударное устройство	Автомобиль ЗИЛ-131 Ротор, ударное устройст-во
40	10	18
12000	3000	6000

УДК 624.131.34

Рекомендованы к изданию решением секции технического нормирования и стандартизации инженерных изысканий Научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР.

Рекомендации по ударно-канатному бурению скважин при инженерных изысканиях в строительстве / ПНИИИС. — М.: Стройиз-дат, 1986. — 142 с.

Обобщен отечественный и зарубежный опыт технологии ударноканатного бурения при производстве инженерных изысканий в строительстве. Освещены вопросы малой механизации буровых работ и приведены пути развития и совершенствования способа ударно-канатного бурения, оборудования и инструмента. Особое внимание уделено технологии бурения и возможным осложнениям в различных геолого-гидрогеологических условиях. Приведены основные данные о буровых станках, буровом технологическом, вспомогательном и аварийном инструментах, обсадных трубах, стальных канатах, а также по технике безопасности.

Для техников и инженеров, геологов, гидрогеологов и буровиков, а также буровых мастеров, проводящих изыскания для всех видов строительства.

Табл. 34, ил. 26.

Госстроя СССР (канд. геол.-минерал. П. А. Анатольевский, д-р техн. наук Ф. Фаерман и В. Л. Шатов).

Инструкт.-нормат., 1 вып. — 88—87

© Стройиздат, 1986

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1.    Буровые работы — один из наиболее универсальных методов изучения естественных оснований проектируемых сооружений.

Буровые скважины при изысканиях проходятся для изучения геологического разреза, отбора образцов грунта для лабораторных испытаний, постановки различного рода опытных работ, изучения водоносности пород и др.

1.2.    Задачи, решаемые с помощью бурения, предъявляют ряд специфических требований к буровым скважинам, проходимым при инженерных изысканиях. Эти требования существенно отличаются от требований поисков и разведки полезных ископаемых, подземных вод и других целей. Основными из этих требований являются:

а)    получение исчерпывающих сведений о геологическом и гидрогеологическом строении исследуемого района;

б)    получение достаточных и достоверных данных о физико-механических свойствах грунтов;

в)    обеспечение возможности производства опытных работ как в процессе, так и по окончании бурения.

1.3.    К наиболее важным особенностям инженерно-геологических скважин могут быть отнесены следующие:

а)    небольшая глубина, определяемая видом сооружения и геологическими условиями;

б)    диаметры скважин следует определять в основном видом и характером опробования, и различаются они незначительно;

в)    непрерывный отбор керна по всей скважине;

г)    отбор из скважин образцов грунта со сложением, близким к природному (монолитов);

д)    проведение различных опытных работ, которые часто бывают более продолжительны, чем сам процесс бурения.

Эти особенности являются необходимыми исходными предпосылками для разработки специализированных технических средств и технологических приемов бурения и организации буровых работ при инженерных изысканиях в строительстве.

1.4.    Большое значение буровые работы имеют и для решения вопросов водоснабжения. Вода является одним из основных факторов в развитии и рациональном использовании производительных сил страны. Без воды не может обойтись ни одно промышленное предприятие, немыслимо существование городов и сел, нельзя рационально вести сельское хозяйство.

3

В условиях гигантского роста народного хозяйства СССР, непрерывно повышающегося уровня культурно-бытовых условий, вода и водоснабжение приобретают еще более важное значение, а изучение водных ресурсов страны относится к очень серьезной проблеме.

Поиски и разведка месторождений подземных вод для водоснабжения населенных пунктов, промышленности и сельского хозяйства немыслимы без производства буровых работ, среди которых важное место занимает ударно-канатный способ сооружения скважин.

Сущность и область применения ударно-канатного бурения при инженерных изысканиях в строительстве

1.5.    Под ударным понимается такой способ бурения скважин, при котором процесс разрушения забоя осуществляется внедрением в породу породоразрушающего инструмента, которому сообщается значительная начальная скорость, т. е. запас кинетической энергии, расходуемой на разрушение забоя и преодоление других сопротивлений грунта.

1.6.    Могут быть выделены следующие основные разновидности ударного бурения. По характеру площади разрушаемого забоя ударное бурение подразделяется на бурение сплошным и кольцевым забоем. При бурении сплошным забоем дно скважины разрушается по всей площади. Разрушение должно осуществляться долотами различных типов и желонками. Во всех случаях инструмент приподнимается на некоторую высоту и затем свободно сбрасывается на забой, или каким-то иным способом ему сообщается значительная начальная скорость. Извлекаемый из скважины продукт разрушения представляет собой шлам, смешанный с водой. Извлечение шлама следует производить главным образом желонками. Эта разновидность ударно-канатного бурения используется в случаях, когда не требуется точное и детальное описание геологического разреза, а также для проходки инженерно-гидрогеологических скважин.

Для проходки инженерно-геологических скважин способ используется в основном при наличии больших толщ валунно-галечных грунтов, где использование других способов бурения крайне затруднено или невозможно.

1.7.    При бурении кольцевым забоем разрушение дна скважины должно производиться по наружной кольцевой площади, что позволяет сохранить центральный столбик породы (керн) в его естественном сложении. По керну после извлечения его на поверхность производится достаточно точное и детальное описание геологического раз-

4

реза. Углубление скважины осуществляется стаканами (зондами) с боковой продольной прорезью (или без нее), оборудованными на нижнем конце упрочненным башмаком (коронкой) с клапаном или без него, а на верхнем — переходником для соединения с ударной штангой, ударным патроном или бурильными трубами. При встрече несвязных грунтов углубление скважины продолжается желонками, т. е. процесс проходки становится комбинированным:    бурение

кольцевым забоем сменяется бурением сплошным забоем и наоборот.

1.8.    По способу накопления и передачи кинетической энергии породоразрушающему инструменту ударное бурение кольцевым забоем подразделяется на склюющее> и забивное. При «клюющем» бурении инструмент вместе с ударной штангой сбрасывается с достаточно большой_высоты на забой скважины и после каждого удара извлекается на поверхность для очистки от грунта. Глубина погружения снаряда за удар обычно небольшая, от нескольких сантиметров до 10—20 см, и зависит от свойств грунта, параметров удара и размеров инструмента.

1.9.    При забивном бурении инструмент следует погружать в грунт серией наносимых по нему ударов. Для этой цели используют специальные забойные ударные патроны, основной частью которых является тяжелая ударная штанга. Глубина погружения инструмента за рейс зависит в основном от числа нанесенных ударов и колеблется от 0,2 до 1 м и более.

Основными достоинствами ударного бурения кольцевым забоем являются высокое качество получаемого геологического и инженерно-геологического материала, высокая производительность и низкая стоимость проходки скважин, простота используемого оборудования и технологии бурения. Существенным недостатком его является ограниченная область применения.

1.10.    Ударное бурение кольцевым забоем используется для бурения инженерно-геологических и геологоразведочных скважин глубиной от 3 до 100 м (преимущественно от 5 до 30 м) диаметром от 73 до 325 мм (в отдельных случаях до 900 мм) в песках, супесях, суглинках, глинах, насыпных и крупнообломочных грунтах любой степени водонасыщения, а также в грунтах, находящихся в мерзлом состоянии, в отдельных случаях в известняках, песчаниках, сланцах, доломитах, аргиллитах и других полускальных породах. Простота, небольшие габариты и масса используемого оборудования позволяют применять рассматриваемую разновидность ударного бурения практически во всех районах СССР и в любое время года. А простота технологии бурения позволяет легко освоить этот способ бурения буровому персоналу. Наконец, несложность оборудования существенно упрощает его ремонт и восстановление.

5

о»

Таблица 1

Разновидность бурения Способы буреияя сникни и их модификации, способ очистки от шлама Грунты, степей» их обводненности Глубина буреияя. м Тип скаажии по назначению Способ отбора монолитов Ударно-канатное кольцевым забоем Забивной без промывки и продувки Глинистые (полутвердые, пластичные, текучие), песчаные. сильно- и слабообводненные <50 Зондировоч-ные, разведочные. технические. гидрогеологические Отбираются забивными грунтоносами «Клюющий» без промывки и продувки Глинистые (лессовидные), ела бообвод чейные <50 Ударно-канатное сплошным забоем Без промывки и продувки Крупнообломочные, глинистые. песчаные, сильно- и слабообводненные, в отдельных случаях полу-скальные и скальные Во всем диапазоне глубин Г ндрогеоло-гическне Монолиты не отбираются

Рекомендуемая область применения разновидностей ударно-канатного бурения приведена в табл. 1.

Типовые конструкции скважин при инженерных изысканиях

Типовые конструкции инженерно-геологических скважин

1.11.    В основу разработки типовых конструкций инженерно-геологических скважин положены следующие принципы:

а)    конструкции скважин должны отвечать современному состоянию производства изысканий и возможному их техническому прогрессу. В частности, следует учитывать более широкое применение в изысканиях полевых методов, возможное совершенствование техники и технологии отбора монолитов за счет внедрения, например, нормального ряда грунтоносов, более широкое использование геофизических методов, нового опытно-фильтрационного оборудования и т. д.;

б)    конструкции скважин должны исходить или, по крайней мере, учитывать существующие нормативно-методические документы (стандарты, СНиПы, инструкции, указания и рекомендации). В соответствии с ГОСТ 12071-84 для отбора монолитов должны использоваться грунтоносы с внутренним диаметром нс менее 90 мм. Следовательно, диаметр скважин, предназначенных для отбора монолитов, должен быть не менее 127 мм. В соответствии с ГОСТ 12374-77 площадь штампа для испытаний грунта статической нагрузкой должна быть равна 600 см², поэтому минимальный диаметр скважин для производства таких испытаний должен быть не менее 325 мм и т. д.;

в)    конструкции скважин в известном смысле должны учитывать современное техническое оснащение изысканий буровыми станками. Следует иметь в виду, что в ближайшее время полная замена парка существующих буровых станков новыми моделями невозможна;

г)    следует учитывать возможность применения самых прогрессивных способов бурения, в том числе ударно-вибрационного, пнев-моударного, вибрационно-вращательного и др.;

д)    наконец, конструкции скважин должны быть оптимальными, т. е. они должны способствовать совершенствованию процесса и технологии бурения, повышению производительности труда и снижению стоимости бурения скважин. Иными словами, конструкции должны способствовать повышению экономической эффективности буровых работ и инженерно-геологических изысканий в целом.

1.12.    На рис. 1 представлены типовые конструкции инженерногеологических скважин, разработанные на основе указанных принципов. Рассмотрим эти конструкции более подробно. Всего выделены три типа скважин. Каждый тип определяется глубиной и диаметром

7

скважины. Первый тип объединяет неглубокие (до 7—10 м) скважины. Здесь выделяются две группы скважин. В первой объединены скважины, стенки которых не требуют закрепления обсадными трубами, во второй,- требующие закрепления начальных интервалов. Принципиальной разницы между обеими группами скважин нет. Скважины первого типа проходятся при линейных изысканиях, обследовании железнодорожных и других насыпей, изысканиях под несложное сельскохозяйственное и гидромелиоративное строительство.

Второй тип объединяет скважины средней глубины (до 10— 30 м). Бурение этих скважин осуществляется главным образом перевозимыми и самоходными буровыми установками. В этом типе выделяются три группы скважин. В первой группе объединены скважины, не требующие закрепления стенок обсадными трубами, во второй, — требующие закрепления только начальных интервалов, и в третьей, — требующие закрепления большей части интервала скважин. Скважины групп а, б, в также принципиально не отличаются между собой, хотя известные различия в технологии их проходки имеются. Скважины второго типа — основные при производстве современных инженерно-геологических изысканий в строительстве. Они используются при изысканиях под объекты промышленного и гражданского строительства, объекты газовой, лесной и деревообрабатывающей промышленности, несложные энергетические и объекты сельскохозяйственного и гидромелиоративного строительства. К этому типу следует отнести практически все скважины, диаметр которых превышает 108 мм и из которых отбираются монолиты (даже если глубина этих скважин не превышает 4—5 м).

Третий тип включает в себя глубокие скважины (до 20—25 м). Основными особенностями скважин этого типа являются: а) более значительные глубина и диаметр скважины; б) они проводятся в осложненных геологических условиях; в) к ним предъявляются особые требования в части проведения опытных работ. Для бурения этих скважин используются самоходные и отчасти стационарные станки. Скважины используются при гидроэнергетических изысканиях, изысканиях под сложное промышленное и гражданское строительство, при подземном строительстве и т. д.

В третьем типе выделяется пять групп. К группе а относятся сравнительно глубокие скважины, проходимые в устойчивых грунтах (глинах, суглинках); к группе б — скважины, проходимые в менее устойчивых грунтах (в мягкопластичных суглинках, супесях), требующих закрепления верхних интервалов скважины обсадными трубами; к группе в относятся скважины, предназначенные для производства в них опытных работ и, главным образом, для постановки штамповых опытов (с площадью штампа 600 см²). Особенностью

9