§ 21. Буровые и горнопроходческие разведочные работы

Горнопроходческие и буровые работы ведутся в порядке осуще­ствления поисковых (съемочных) работ, т. е. при отыскании наиболее благоприятного места для расположения сооружения и в ходе разведочных работ, когда нужно дать оценку ин­женерно-геологических условий выбранного для строительства со­оружения участка местности. В первом случае основная задача горнопроходческих и буровых работ — инженерно-геологическое картирование территории, в ходе которого должны быть выяснены: цитологический состав, условия залегания и стратиграфия горных пород; отобраны образцы для исследований и определения физико-технических свойств пород; выявлен характер физико-геологических процессов.

Горно-буровые разведочные работы определяют в основном те же характеристики грунтов, но выполняются они более детально, так как ведутся непосредственно в том месте, где будет располагаться! сооружение; для уточнения ранее установленного (при поиске) литологического состава, структуры, мощности, характера напластования, возраста пород, гидрогеологических условий и т. п.; для установления окончательных показателей физико-технических свойств грунтов на основе лабораторных исследований и полевых испытаний.

Принцип размещения горных выработок, их тип и глубина зависят от поставленной цели инженерно-геологических исследований, от типа сооружения, от стадии проектирования, от сложности геологического строения участка. Инженерно-геологические выработки часто размещают на основе геометрической формы сооружения, например, на сооружениях линейного типа — по оси сооружения и по поперечникам к ней; на гидротехнических сооружениях — по системе створов и поперечников, на площадных сооружениях -по правильной равносторонней сетке квадратов или по неоднородной сетке, что зависит от степени однородности геологического строении местности. Расстояния между выработками могут быть существенно различными — от 20 до 200 м.

Инженерно-геологические выработки разделяют на открытые горные выработки большого сечения и буровые скважины.

1. Горные выработки

Открытые горные выработки — это расчистки, закопушки, шурфы, канавы, шахты, штольни. Преимущество этих выработок в том, что можно непосредственно видеть характер напластования пород, отобрать структурно не нарушенные образцы пород, проводить их испытания в условиях естественного залегания,

Рассмотрим основные виды горных выработок.

Расчистка — одна из наиболее простых и нетрудоемких выработок, проводимых в местах естественных обнажений и крутых склонов рельефа, когда для вскрытия пород достаточно удалить (сбросить вниз) со склона небольшой слой почвы, делювия или осыпи. Из расчистки отбирают образцы пород для лабораторных исследований и построения геологического разреза.

Закопушка — небольшая воронкообразная выработка диаметром около 0,3 м и глубиной 0,5—0,8 м, выполняемая для обнажения пород (коренных), залегающих под почвенным слоем или слоем поверхностных отложений. Наибольшее применение закопушки находят при инженерно-геологической съемке.

Шурф — вертикальная горная выработка сечением примерно 1,25 X 1,5 м и глубиной до 20 м и б олее. Шурфы круглого сечения называют дудками. Шурфы проходят в сухих, рыхлых гори­зонтальных или слегка наклонных пластах. При большой глубине стенки шурфа укрепляют, а при прохождении водоносных горизон­тов устраивают водоотлив. Проходка шурфов ведется обычно вруч­ную, но в последнее время появились специальные машины — шурфокопатели, которые ускоряют и значительно облегчают рытье шурфов. Одним из таких образцов машин можно назвать шурфокопательную, позволяющую получать выработку (дудку) диаметром 0,8 м и глубиной до 10 м. Для обслуживания установки требуется 3 чел.; скорость проходки возра­стает по сравнению с ручной в че­тыре раза.

Шурф дает возможность про­извести осмотр, фотографирование и зарисовку залегания пластов, взять образцы пород для составле­ния геологического разреза, произ­вести полевые испытания. Напла­стования пород, обнаруженных в шурфе, обычно представляют в виде развертки его боковых стенок и дна (рис. 20).

Канава — выработка трапе­цеидального сечения с шириной по основанию около 0,6 м, глубиной до 3 м и протяженностью до 100— 150 м. Канавы целесообразно отры­вать в крутопадающих пластах и задавать направление им вкрест простиранию пластов; они могут от­рываться вручную и при помощи

землеройных машин. Используя канавы, геолог может получить примерно такую же информацию, как и в шурфах.

Шахта — вертикальная выработка сечения 2x2 или 2x3 м и глубиной до 100 м. Назначение шахты такое же, как и шурфа, но шахты, ввиду их большой стоимости, проходят только на ответ­ственных сооружениях и в сложных геологических условиях.

Штольня — горизонтальная выработка трапецеидального се­чения, высотой около 1,8 м, шириной по основанию 1,3—1,7 м, а по верху 1 м, имеющая выход на дневную поверхность. Штольни обычно устраивают в береговых склонах рек, по простиранию или вкрест простирания пластов. Этот вид горных выработок предназна­чается для решения различных задач, в частности при гидротехни­ческом строительстве, для определения трещиноватости и фильтра­ционных свойств грунтов в береговых участках плотины; для выявле­ния суффозионных процессов.

По мере проходки штольни делают описание пород по дну, стен­кам и кровле.

В штольнях, при наличии надежных грунтов, геодезисты закладывают опорные высотные реперы. Отсутствие в штольне резких перепадов температур (вход в штольню закрывается дверью) гарантирует высокую стабильность отметок высотных точек.

2. Буровые скважины

При инженерно-геологических изысканиях буровые скважины предназначаются для изучения геологического разреза, т. е.

выявления последовательности залегания пластов, их мощности) состава, плотности, консистенции, влажности, водоносности, а также для отбора образцов пород и ис- пытания грунтов.

Буровые работы ведутся главным образом для изучения горизонтальных и пологопадающих пластов; иногда применяется бурение

наклонных скважин.

При инженерно-геологичесих изысканиях применяются следующие виды бурения: ручное ударно-вращател ьное, колонковое шнековое, вибрационное.

В ыбор способа бурения зависит от состава проходимых пород от назначения и глубины бурения, от условий производства работ. При выборе способа бурения особое внимание уделяется качеству и виду отбираемых образцов пород

и экономической эффективности способа.

Ручное ударно-вращательно бурение применяется для всех видов грунтов, кроме скальных, бурение ведется с применением разного рода средств и приспособлений, предназначенных как для

непосредственного бурения

так и для спуска и подъема

оборудования (рис. 21). Разрушение и извлечение пород из скважины осуществляется при помощи буровых наконечников. В зависимости от состава пород в глинистых, суглинистых и песчаных грунтах применяют ложки и змеевики, в обломочных породах — долота и желонки, в сильно обводненных песчаных и илистых грунтах — желонки. Диаметры скважин зависят от их назначения и колеблются в широких преде­лах — от 89 до 325 мм и более, а глубина инженерно-геологических скважин может быть 10, 30, 100 м и более.

В ходе ударно-вращательного бурения из скважины при помощи наконечников извлекают перемятые, перемешанные образцы грунта. Для взятия образцов породы с ненарушенной структурой исполь­зуют грунтоносы.

Способ ударно-вращательного бурения применяется на объектах с малыми объемами работ, в районах, куда доставка механических буровых установок может быть сопряжена с трудностями.

Недостаток этого способа бурения — его большая трудоемкость и малый темп работ.

На основании частичной механизации ударно-вращательного способа возник ударно-канатный способ бурения. Бурение ударно-канатным способом может вестись сплошным и кольцевым забоем⁹. При бурении сплошным забоем проходка скважины производится путем сбрасывания (ударов) на забой долота, с последующим извле­чением породы желонкой, а при бурении кольцевым забоем — сбра­сыванием (забивкой) забивного стакана, который постепенно напол­няется грунтом и затем поднимается на поверхность. Сбрасывание бурового снаряжения в скважину и его подъем механизированы.

Колонковое бурение ведется при помощи колонковой трубы, к нижнему торцу которой привинчивается кольцевая коронка с зубьями (рис. 22, а) из твердого сплава или алмазная коронка (рис. 22, б). При вращении колонковой трубы электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания со скоростью 50—300 об/мин коронка разрушает породу, образуя забой в виде кольца, а в цен­тре его остается столбик нетронутой породы — керн. Продукты разрушения породы — шлам — удаляют из забоя (в зависимости от фи­зико-механических свойств пород и глубины скважины) нагнетанием в скважину глинистого раствора или продувкой сжатым воздухом; в глинистых, песчаных, обводненных грунтах для получения добро­качественного керна бурение может вестись «всухую».

Колонковое бурение может использоваться для проходки сква­жин почти во всех видах грунтов и на значительные глубины. Этот способ обеспечивает получение образцов пород (керна) с естественной структурой и влажностью.

Шнековое бурение, как и колонковое, относится к ка­тегории вращательных способов бурения, но применяться может лишь для бурения в песчаных и глинистых грунтах. Этот способ отличается высокой производительностью, так как процесс бурения и подъем грунта происходят одновременно и непрерывно, а затраты на вспомогательные операции (спуск и подъем оборудования) мини­мальны.

Шнековое бурение ведется шнековой колонной, сплошным (рис. 23, а) или кольцевым забоем (рис. 23, б); по мере погружения колонны она наращивается дополнительными шнеками. Глубина бурения этим способом обычно не превосходит 30 м, но бывает и 100 м (гидрогеологические скважины).

При шнековом способе бурения плохо определяются границы отдельных пластов; структура грунта, выходящего из скважины, оказывается нарушенной; затруднительно определяются горизонты грунтовых вод. В связи с этими недостатками шнековый способ целесообразно применять для проверки ранее установленного геологического разреза.

Шнековый способ бурения в силу своей высокой производительности может быть успешно применен при закладке геодезических центров и реперов, особенно в условиях строительных площадок, где на сравнительно небольшой площади может располагаться много геодезических знаков.

Вибрационное бурение основано на внедрении в по­роду кольцевого наконечника — виброзонда. Виброзонд предста вляет собой трубу диаметром 40—200 мм, длиной 0,5—3 м; по всей длине труба имеет одну или несколько прорезей для очистки зонда от породы; нижний конец трубы снабжен кольцом с острой режущей гранью. Внедрение в грунт такого наконечника происходит благодаря тому, что под действием вибрации зонда в очень сильной сте­пени ослабевает лобовое и боковое сопротивление грунта и зонд под действием собственного веса и веса вибратора погружается в грунт.

Вибробурение относится к перспективным методам, обладает высокой производительностью, может применяться при проходке глин, суглинков, супесей, песков, гравелисто-галечниковых грунтов. Выгоднейшая глубина бурения этим способом 15—20 м.

Виброметод дает возможность отобрать образцы грунта с ненару­шенной структурой, но затрудняет фиксацию уровня подземных вод.

Кроме названных, приме­няются и другие методы бу­рения, например роторное, с прямой и обратной про­мывкой глинистым раство­ром, дробовое бурение.

Р езультаты буровых ра­бот регистрируются в буро­вом журнале, в котором ука­зываются все основные ха­рактеристики слоев и глу­бина их залегания. На основе данных бурового журнала составляют инженерно-геологическую ко­лонку, представляющую собой вертикальный разрез земной коры в какой-то точке (рис. 24). Для наглядного представления о характере напластования пород, их про странственном расположении на основе данных нескольких геологических колонок составляют инженерно-геологические раз резы (рис. 25) по прямым или ломаным линиям. Направление разреза выбирают с таким расчетом, чтобы на ней с наибольшей полнотой отразились основные характеристики грунтов, необходимые для инженерно-геологической оценки местности.