§ 28. Бурение грунтов

В строительстве бурение используют при исследова­нии свойств и качеств грунтов, определении уровня грунтовых вод, устройстве скважин водоснабжения и во-допонижения грунтовых вод, выполнении земляных работ с применением взрывчатых веществ, разработке и дроблении твердых пород, устройстве свайных фунда­ментов, искусственном закреплении грунтов и т. п. Для этого в земной коре сооружают вертикальные, наклон­ные или горизонтальные цилиндрические выработки раз­ных диаметров и глубин.

Буровые выработки делают в виде шпуров и скважин. Шпуры — это цилиндрические выработки диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м, скважины — выработки более глубокие с диаметром, превышающим 75 мм. Верхнюю часть шпура или скважины называют устьем, нижнюю (дно выработки), —забоем, боковые поверхности — стенками, разрушенную породу в забое скважины — бу­ровой мелочью.

По характеру образования буровых выработок раз­личают бурение сплошным забоем и колонковое. Прибурении сплошным забоем всю породу в скважине раз­рушают и удаляют в разрушенном виде. При колонковом бурении породу разрушают лишь по кольцевой поверх­ности забоя, а внутреннюю часть породы в виде ци­линдра (керна) извлекают из скважины целиком.

Сопротивляемость конкретного грунта бурению — бу-римость — характеризуется временем чистого бурения 1 м скважины (шпура) и колеблется от 3 мин (для мяг­ких пород) до 15 ... 25 мин (для крепких).

При бурении породу разрушают механическим или физическим воздействием.

1. Механические способы бурения

Технологический процесс механического бурения складывается из следующих операций: разрушение по­роды, транспортировка породы на поверхность, обеспе­чение устойчивости стенок буровых выработок, вспомо­гательные операции. Грунт в забое разрушают резанием, истиранием, ударами, сколом и комбинированным воз­действием (например, истиранием и ударом).

Измельченный грунт подают на поверхность двумя методами: гидравлическим (грунт удаляется путем вы­мывания его водой, направляемой в выработку под дав­лением) и сухим (измельченный грунт удаляют сжатым воздухом или шнеком).

Механическое бурение ведут в основном тремя спо­собами: вращательным, ударно-вращательным и удар­ным. Для этого используют буровые станки и машины, а при незначительных объемах работ — ручные машины.

При вращательном способе бурения порода забоя ис­тирается, ее режут или скалывают буровым инструмен­том, жестко закрепленным на нижнем конце вращаю­щейся штанги. Основные виды вращательного способа бурения — шнековое и роторное — выполняются с по­мощью самоходных установок или станков. Применяют также электрические сверлильные машины.

Шнековое бурение принимают для скважин диамет­ром 125... 160 мм и глубиной до 30 м в мягких грунтах и грунтах средней крепости. Шнековые буровые станки (рис. У.39, а) имеют металлическую раму, которая со­стоит из двух направляющих стоек, установленных на передвижной платформе или на,полозьях. По направ­ляющим стойкам рамы движетсй электродвигатель с ре-

У.39. Ставки и инструмент для вращательного бурения

а— схема станка шнекового бурения: / — резец; 2— платформа; 3 — лебедка; 4 — направляющая стойка; 5 — штанга с ребордой; 6 — электродвигатель; б — схема станка роторного бурения: / — бурильная труба; 2 —лебедка; 3 — вра­щатель-ротор; 4 —вертлюг; 5 — рабочая труба; 6 — вышка; 7 — насос; 8 — бак с глиняным раствором; 9 — фланцевое соединение; 10 — долото; в — рабочие наконечники: / — шарошечное долото; 2 —лопастное уступчатое долото; 3 — лопастное долото «рыбий хвост»

дуктором, в шпиндель которого вставлены рабочие бу­ровые штанги. Рабочие штанги длиной 2 м представля­ют собой трубы, на поверхности которых по винтовой линии наварены стальные полосы — реборды. По мере углубления скважин штанги наращивают, соединяя их между собой специальными патронами. Звенья закан­чиваются рабочей частью в виде долота или лопастного резца, с помощью шнека грунт выдается на поверх­ность. Производительность станков шнекового бурения 15... 100 м в смену.

Роторное бурение чаще всего применяют для устрой­ства скважин диаметров до 200 мм и глубиной до 50 м в грунтах средней и большой крепости. Роторная буриль­ная установка состоит из вращателя — ротора, сборной вышки и оборудования для промывки скважины глини­стым раствором (рис. У.39, б). Рабочая (ведущая) тру­ба проходит через вкладыши круглого стола ротора, который предназначен для передачи вращения от дви­гателя к бурильным трубам, присоединенным к рабочей трубе. Размеры вкладышей ротора соответствуют на­ружному диаметру рабочей трубы, что позволяет ей

одновременно с вращением перемещаться вверх и вниз. Нижний конец бурильной трубы чаще всего имеет ша­рошечные и лопастные долота (рис. У.39,в), которые разрабатывают грунт всей площади забоя скважины. Верхним концом рабочая труба соединена с вертлюгом. К вертлюгу присоединен шланг от насоса, подающий в бурильные трубы глинистый раствор. Рабочие и бу­рильные трубы поднимают и опускают канатом, нави­тым на барабан лебедки.

Электрическими сверлильными машинами бурят шпуры в мягких и средней крепости породах, а также в мерзлых грунтах. Различают электрические сверлиль­ные машины легкие (с ручной подачей) и тяжелые (колонковые). В ручной электросверлильной машине осевое давление создается за счет мускульной энергии бурильщика. Колонковые электросверлильные маши­ны имеют автоматическую подачу. Буровую штангу закрепляют в патроне шпинделя. К нижнему концу электрической ручной сверлильной машины при по­мощи замка присоединяют резец из твердого спла­ва. Буровые штанги подбирают комплектно в соот­ветствии с глубиной шпура. При бурении ручной элек­трической сверлильной машиной для удаления из шпу­ра шлама или буровой мелочи быстро извлекают сверло, не прекращая его вращения. При работе "ко­лонковыми сверлильными машинами шлам удаляют промывкой.

У дарно-вращательное бурение применяют для бурения скважин диаметром 100... 200 мм, глубиной до 30 м в труднобуримых породах. Производительность стан­ков — 10... 35 м/смену. Главная особенность этого спо­соба состоит в том, что вращение и ударное действие инструмента выполняется двумя независимыми механиз­мами— вращателем и пневмоударником (рис. У.40). Пневмоударник представляет собой пневматический мо­лоток, в котором движущийся возвратно-поступательный поршень со. штоком наносит своим бойком удары по хвостовику коронки. Коронка при бурении может пере­двигаться вдоль оси пневмоударника на 20 мм. Сжатый воздух поступает к пневмоударнику по буровым штан­гам. При работе станка вращатель, состоящий из элект­родвигателя и редуктора, приводит во вращение буро­вую штангу и пневмоударник, внедряющийся в грунт. Самое эффективное число оборотов штанги — 25 об/мин.

У.40. Станки и инструмент для ударно-вращательного и ударного бурения

о — станок ударно-вращательного бурения: / — пневмоударник; 2 — обеспыли-ватель; 3 — буровая штанга; 4 — рукав для воздуха; 5 — электрокабель; 6 — вращатель; 7— лебедка; 8— станина; 9 — противовес; б — схема пневмоудар­ника: / — путь сжатого воздуха; 2 — цилиндр; 3 — выход воздуха; 4 — возду­хораспределительное устройство; 5 — сжатый воздух; 6 — поршень со штоком; 7— выход сжатого воздуха; 8 — коронка; в — виды буровых головок: / — од-нодолотчатая; 2 — двухдолотчатая; 3 — крестовая; 4 — звездчатая

Выходящую из скважины буровую пыль улавливает обеспыливатель.

Ударное бурение осуществляют пневматическими бу­рильными молотками — перфораторами, которые быва­ют ручные — массой до 24 кг (при глубине шпура до 3 м) и станковые — массой до 40 кг. Они обеспечивают бурение шпуров глубиной до 5 м. Воздух (2 ... 4 м³/мин) подводится к перфоратору шлангом от компрессора. Рабочий орган перфоратора — буровая головка. При бу­рении нетрещиноватых пород мягкой и средней крепо­сти применяют головку с одним долотом, армированную твердыми сплавами. Двухдолотчатыми головками бурят вязкие и трещиноватые породы. Головки крестообразной

формы используют для бурения пород средней крепости с незначительной трещиноватостью, а также вязких по­род. Крепкие и трещиноватые породы бурят с примене­нием крестообразных и звездообразных головок.

Перфораторные молотки по характеру очистки кана­лов от пыли и каменной мелочи подразделяются на «су­хие» и «мокрые». Перфораторы «мокрого» типа имеют специальные устройства для промывки канала водой, а в перфораторах «сухого» типа канал продувается воз­духом. Предпочтительнее мокрое бурение, так как при­менение для промывки канала воды снижает сопротив­ляемость породы и увеличивает стойкость головки бура из-за ее охлаждения водой и уменьшения трения о стен­ки канала.