Качество инженерно-геологических изысканий определяется качеством отобранного керна. Керн — столбик породы ненарушенного сложения — даёт геологу возможность определить физико-механические свойства грунтов, установить точные границы слоёв и сформировать исходные данные для проектирования фундаментов. Отбор керна в скважинах — ключевая процедура при бурении скважин колонковым способом.
При колонковом бурении со слабыми, рыхлыми и трещиноватыми породами одинарный колонковый снаряд не обеспечивает требуемого качества отбора. Промывочная жидкость размывает керн, вибрация при вращении разрушает его структуру, а на поверхность вместо цельного столбика поднимаются обломки. Выход керна заметно снижается — в неблагоприятных условиях опускается до 70% и ниже, а сохранность структуры керна падает ещё сильнее: лаборатория получает образцы, по которым затруднительно достоверно определить свойства грунта, часть данных теряется.
Для решения этой проблемы применяют двойные колонковые трубы. Бурение с отбором керна через двойную трубу защищает образец от прямого контакта с промывочной жидкостью и значительно снижает механическое воздействие при проходке.
Двойной керноприёмный снаряд состоит из двух соосных труб: наружной (рабочей) и внутренней (керноприёмной). Наружная труба вращается, передавая осевую нагрузку и крутящий момент на породоразрушающий инструмент — коронку. Коронки для колонкового бурения подбираются в зависимости от крепости породы: алмазные для скальных, твердосплавные для средних, стальные для мягких грунтов. Внутренняя труба остаётся неподвижной (в большинстве современных конструкций) или вращается с пониженной скоростью.
Принципиальное отличие от одинарного снаряда: керн, поступающий во внутреннюю трубу, изолирован от потока промывочной жидкости, а воздействие вибрации от вращения наружной трубы на керн ограничено невращающейся внутренней трубой. Двойные снаряды получили широкое распространение в инженерно-геологическом бурении и всё чаще включаются в комплектацию буровых установок.
С вращающейся внутренней трубой. Обе трубы жёстко связаны и вращаются совместно. Конструкция проще и дешевле, но защита керна ограничена. Применяется при бурении относительно устойчивых пород средней крепости.
С невращающейся внутренней трубой. Внутренняя труба установлена на подшипниковом узле и не участвует во вращении. Керн поступает в неподвижную трубу, где минимизировано воздействие вибрации и размывания. Это основной тип для инженерных изысканий в сложных грунтах.
ГОСТ Р 51776-2001 классифицирует двойные колонковые трубы на пять типов по трудности отбора керна (горно-геологические условия и физико-механические свойства пород):
Тип ТДР — для слабых, рыхлых, разрушенных, размываемых и сыпучих пород (I–III категории по буримости). Закрытый подшипниковый узел, невращающаяся керноприёмная труба, прямая схема промывки без контакта с керном.
Тип ТДМ — для мягких и раздробленных пород (IV–V категории). Невращающаяся керноприёмная труба, паук-лепестковый кернорватель.
Тип ТДС — для пород средней твёрдости различной степени трещиноватости (VI–VII категории). Открытый подшипниковый узел, паук-пружинный кернорватель.
Тип ТДТ — для твёрдых, слабо- и среднетрещиноватых пород (VII–X категории).
Тип ТДК — для очень крепких, твёрдых, монолитных пород (XI–XII категории).
Обозначения: Т — труба, Д — двойная, далее буква типа (Р/М/С/Т/К). Варианты керноприёмной трубы: В (вращающаяся), Н (невращающаяся), Р (разрезная), Г (гильза).
Диаметры по ГОСТ 6238-77: колонковые трубы — от 25 до 108 мм, обсадные трубы — от 73 до 146 мм. В инженерных изысканиях часто применяются диаметры 76–127 мм, в том числе 108 мм. Производство регламентируется ГОСТ 6238-77, ГОСТ Р 51682-2000 и ГОСТ Р 51776-2001.
Тройная колонковая труба — конструкция со сменным вкладышем (лайнером) внутри невращающейся керноприёмной трубы. Применяется в мировой практике для отбора керна в крайне сложных условиях — плывуны, торф, сильно разрушенные породы. В российских инженерных изысканиях, в том числе в Москве и области, тройные снаряды используются редко: в большинстве задач достаточно двойной колонковой трубы. Для стандартных объектов жилого, коммерческого и промышленного строительства двойной снаряд обеспечивает необходимое качество отбора керна.
Параметр | Одинарный снаряд | Двойная колонковая труба |
Защита от промывочной жидкости | нет | да |
Защита от вибрации | нет | значительно снижена |
Типичный выход керна | 70–85%, в слабых грунтах ниже | 80–95% |
Скорость в м/час (типично) | выше | ниже |
Проходка за рейс в сложных грунтах | меньше (керн заклинивает) | больше (керн защищён) |
Применение | устойчивые породы | слабые, трещиноватые, переслаивающиеся грунты |
Двойной снаряд для инженерно-геологического бурения необходим в следующих ситуациях: при работе с водонасыщенными песками и супесями, когда поток промывочной жидкости вымывает мелкие фракции из керна; при бурении пластичных глин с прослоями песка, где одинарный снаряд «теряет» песчаные линзы; при проходке трещиноватых скальных пород, где керн раскалывается от вибрации; при необходимости отбора образцов ненарушенного сложения для лабораторных испытаний.
Технология колонкового бурения с двойной трубой позволяет вести отбор керна в условиях, где одинарный снаряд не обеспечивает нормативных требований. Согласно СП 446.1325800.2019, бурение скважин колонковым способом должно обеспечивать точность установления границ между слоями грунтов с отклонением не более 0,25 м. В глинистых грунтах рекомендуется бурение «всухую» укороченными рейсами до 0,5 м. Установка колонкового бурения, оснащённая двойным снарядом, позволяет выполнить эти требования.
В практике инженерно-геологических изысканий АЛЬТЕРЭКО применяются:
УРБ-2А2 — буровая установка для одноколонкового бурения. Применяется в устойчивых грунтах: плотные глины, суглинки, невыветрелые скальные породы, где обеспечивается достаточный выход керна для нормативных требований СП 47.13330.2016 и СП 446.1325800.2019, а защита от промывки не критична.
УРБ-51 — буровая установка для колонкового бурения двойной колонковой трубой. Основной рабочий инструмент на объектах со сложными грунтовыми условиями: переслаивание глин и песков, водонасыщенные грунты, трещиноватые породы, отбор образцов ненарушенного сложения.
ПБУ — буровая установка для ударно-канатного бурения. Применяется, когда колонковый способ не оптимален: при работе с крупнообломочными грунтами, валунами, а также в ситуациях, где ударно-канатный способ даёт более представительный результат (например, в мощных водонасыщенных песчаных толщах).
Подбор установки и типа снаряда выполняется под конкретные грунтовые условия площадки по данным рекогносцировочного обследования.
При низком выходе керна геолог вынужден интерполировать: додумывать границы слоёв, усреднять свойства, закладывать повышенные коэффициенты запаса. Результат — перерасход на фундаменты или недооценка рисков, которые проявятся уже на этапе экспертизы или строительства.
При выходе керна 85–95% геолог видит реальный разрез, точнее определяет границы, отбирает представительные образцы и передаёт проектировщику те данные, на которых тот строит расчёты без интерполяций «на всякий случай». Это снижает риск замечаний экспертизы и переделок проектной документации.
Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ. Требования к колонковому бурению, точность границ слоёв ≤ 0,25 м, режимы проходки и отбор образцов.
Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов. Сохранение структуры и влажности керна.
Трубы двойные колонковые для геологоразведочного бурения. Конструкция, размеры, материалы и технические требования.
Трубы колонковые. Размеры и допуски для колонковых труб.
Инженерные изыскания для строительства. Технические требования к производству буровых работ.
Одинарный колонковый снаряд (УРБ-2А2) — устойчивые породы: плотные глины, суглинки, невыветрелые скальные породы, где сохранность керна достаточна для нормативных требований СП 47.13330.2016 и СП 446.1325800.2019.
Двойная колонковая труба (УРБ-51) — большинство задач инженерных изысканий в Москве и области: переслаивание глин и песков, водонасыщенные грунты, умеренно трещиноватые породы, отбор образцов ненарушенного сложения. Тип двойной трубы подбирается по ГОСТ Р 51776-2001 в зависимости от категории пород по буримости.
Ударно-канатное бурение (ПБУ) — условия, где колонковый способ даёт недостаточно представительный результат: крупнообломочные грунты, валунно-галечные отложения, мощные водонасыщенные пески.
Практический подход: тип снаряда и установки подбирается под грунтовые условия конкретной площадки на этапе проектирования изысканий, а не по общей схеме.
Достоверность инженерных изысканий напрямую зависит от качества отобранного керна. Двойная колонковая труба решает задачу сохранности образцов в большинстве инженерно-геологических задач, в том числе в типичных для Москвы и области грунтовых условиях — переслаивающиеся глины и пески, водонасыщенные отложения, трещиноватые породы.
Выбор снаряда — не технический нюанс, а вопрос проектной безопасности. На отчёте с интерполированными данными проектировщик закладывает запасы «на всякий случай», а экспертиза возвращает документацию на доработку. Достоверный керн снимает обе проблемы: даёт проектировщику исходные данные нужной точности и снижает риск замечаний при прохождении экспертизы, в том числе МГЭ.
АЛЬТЕРЭКО подбирает способ бурения под грунтовые условия конкретной площадки, применяя установки УРБ-2А2, УРБ-51 и ПБУ. Работа ведётся до положительного заключения экспертизы, с сопровождением проектной группы на этапе защиты.
