Лекция 2. Проходка горных выработок Типы и условия применения горных выработок

Проходка горных выработок при проведении инженерно-геологических изысканий является основным и наиболее распространенным методом получения прямой информации об инженерно-геологических условиях территории, физико-механических свойствах грунтов и гидрогеологических условиях.

Проходка горных выработок осуществляется с целью:

• установления или уточнения геологического разреза;

• определения глубины залегания уровня грунтовых вод;

• отбора образцов грунтов для определения их состава, состояния и свойств;

• отбора проб подземных вод для химического анализа;

• проведения полевых исследований свойств грунтов, определения гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и зоны аэрации;

• производства геофизических исследований;

• выполнения стационарных наблюдений при мониторинге;

• выявления и оконтуривания зон проявления экзогенных процессов.

Виды, методы, глубины проходки выработок обуславливается техническими характеристиками сооружений, стадией проектирования, целями работ, составом, состоянием и крепостью пород, гидрогеологическим условиями.

Таблица 2

Виды горных выработок и условия их применения

Вид горных выработок	Максимальная глубина, м	Условия применения
Закопушки	0,6	Для вскрытия грунтов при мощности перекрывающих отложений более 0,5м
Расчистки	1,5	Для вскрытия грунтов при мощности перекрывающих отложений более 1,0м
Вид горных выработок	Максимальная глубина, м	Условия применения
Канавы	2,0	Для вскрытия грунтов при мощности перекрывающих отложений более 1,5м
Шурфы и дудки	20	Для вскрытия грунтов, залегающих горизонтально или моноклинально
Шахты	Определяется программой	В сложных инженерно-геологических условиях
Штольни	То же	То же

Проходка горных выработок осуществляется для оценки инженерно-геологических условий в целом. Число выработок, их глубина и места заложения определяются главным образом геологического характера: необходимостью выяснения условий залегания грунтов и построения типичных геологических разрезов, указывающих на состояние грунтов различного литологического состава состояния и физико-механических свойств; необходимостью выявления и оконтуривания грунтов, характеризующихся особыми в строительном отношении свойствами и т.д. Таким образом, горные выработки должны обеспечивать высокую точность изучения геологического строения.

Горные выработки предпочтительнее буровых скважин. С их помощью можно более качественно с меньшими нарушениями отобрать монолиты. Недостаток горных выработок – трудоемкость их проходки (особенно глубоких шурфов), необходимость в крепежном материале, специальных средствах проходки, средствах водоотлива и т.д. Вследствие этого горные выработки часто заменяются буровыми скважинами.

При инженерно-геологических изысканиях применяются следующие способы бурения:

1. Дающие керн в виде столбика грунта с относительно ненарушенной структурой (колонковый, пневмоударный, ударно-канатный с кольцевым забоем, шнековый с кольцевым забоем, вибрационный способ);

2. Дающие керн, представляющий собой грунт нарушенного строения (медленно-вращательный и ручной ударно-канатный способ);

3. Позволяющие получить полностью разрушенный грунт в виде шлама (ударно-канатное роторное бурение сплошным забоем).

В процессе бурения инженерно-геологических скважин должна быть обеспечена возможность изучения состава, строения и свойств грунтов, их текстурных особенностей и трещиноватости скальных пород в природных условиях залегания.

В процессе проходки буровых работ скважин в условиях сложного разреза, представленного породами разных классов, рационально комплексировать разные способы бурения с минимальным диаметром скважин 108 мм в песчано-глинистых и скальных грунтах.

Высокая точность установления границ слоев грунтов различного литологического состава достигается при описании геологического разреза в шурфах, проходимых горным или буровым способом. При бурении скважин малого диаметра, когда нет возможности непосредственно осматривать системы скважин, точность фиксирования границ слоев может существенно колебаться, величины колебания положения границ слоев, полученных при разных способах бурения приведены в табл. 3.

Таблица 3

Способ бурения	Глубина бурения, м	Диаметр скважин, м	Условия применения
Колонковый	До 100	33-168	Бурение «всухую» практически во всех породах; точность установления границы ±0,25 м. Средняя мощность одного пропущенного слоя 0,22 м. Бурение с продувкой воздухом в необводненных и мерзлых породах обеспечивает отбор образцов песчано-глинистых пород (коагуляционно-пластификационные, слабые цементационные и механические структурные связи) с несколько нарушенной структурой и влажностью (за счет скручивания, растяжения и нагревания керна)
Ударно-канатный с кольцевым забоем	До 30	89-273 560 и более	Песчано-глинистые породы. Возможно удлинение керна на 15-20%. Клюющая модификация используется при бурении скважин глубиной до 15м в песчаных породах, содержащих грубообломочный материал. Погрешность в определении положения границ до ±0,3 м. Средняя мощность одного пропущенного слоя 0,17 м.
Вибрационный	До 25	89-168	Песчано-глинистые породы. Погрешность в определении границ слоев <0,12 м. Могут быть пропущены слои мощностью до 0,1 м. Изменяются пористость, влажность, плотность несвязанных пород
Медленно-вращательный	До 30	73-650	В основном глинистые породы, устойчивые в стенках скважин. Погрешность определении границ слоев составляет 0,5-0,75 м. Средняя мощность одного пропущенного слоя 0,3 м.
Шнековый	До 30	73-230	Песчано-глинистые породы, не содержащие крупных включений (d более 0,15 м). Погрешность в определении границ между слоями ±0,66 м. При бурении поточным методом могут быть пропущены слои средней мощностью 0,38 м. При бурении рейсами погрешность в определении положения слоев ±0,41 м; может быть пропущен слой средней мощностью 0,2 м.

Требования к расположению, глубине скважин в зависимости от стадии проектирования, сложности инженерно-геологических условий и характеристик сооружений приведены в соответствующих разделах СП 11-105-97.

В процессе бурения скважин дается порейсовое описание всех встреченных разновидностей грунтов с отражением их структурных особенностей в соответствии с требованиями ВНМД 34-78 «Руководство по полевой документации инженерно-геологических работ при изысканиях для строительства», предварительно выделяются инженерно-геологические работы (ИГЭ), отмечаются все встреченные водоносные горизонты, обращается внимание на выветрелость и трещиноватость коренных пород.

При изысканиях в районах развития многолетнемерзлых грунтов к проходке выработок предъявляется ряд дополнительных требований.

Проходка горных выработок осуществляется с целью:

• установления или уточнения геологического разреза, условий залегания грунтов и подземных вод;

• изучения глубин сезонного оттаивания и промерзания;

• температурного режима, мощности мерзлых грунтов и характера их залегания, состава и криогенного строения, выявления и оконтуривания повторно-жильных и пластовых льдов, криопэгов, исследования геологических, инженерно-геологических, криогенных процессов и образований;

• определения глубины залегания уровня подземных вод;

• отбора образцов грунтов для определения их состава, состояния, криогенного строения и свойств, а также проб подземных вод для их химического анализа;

• проведения полевых исследований свойств мерзлых грунтов, определения гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и зоны аэрации и производства геофизических исследований;

• выполнения стационарных наблюдений (локального мониторинга компонентов геологической среды).

При изучении разреза дисперсных льдистых грунтов до глубины 10-20 м наиболее рационально применение колонкового механического бурения «всухую» со сплошным отбором образцов ненарушенной структуры, позволяющего при описании фиксировать расположение и толщину ледяных включений, определять их суммарную толщину, отбирать образцы мерзлых грунтов для лабораторных определений.

Применение шнекового бурения для установления геокриологического разреза не допускается из-за малой точности фиксации контактов между слоями грунтов разного состава и льдистости, невозможности определения криогенного строения грунтов и отбора образцов ненарушенного строения.

Шахты и штольни рекомендуется проходить при изысканиях для проектирования зданий и сооружений I уровня ответственности, а также объектов народного хозяйства, размещаемых в подземных горных выработках (СН 484-76) при обосновании в программе работ. В шахтах и штольнях следует изучать условия залегания и льдистость пород, их температуру, степень сохранности, характер геологических структур и разрывных нарушений, а также проводить отбор проб, выполнять исследования свойств мерзлых пород и другие специальные работы.

Устья скважин, проходимых в мерзлых грунтах, обваловывают, закрывают ящиками с термоизолирующими материалами: войлоком, сухим мхом и торфом и т.п. Скважины выстаивают для установления в массиве естественного теплового поля, нарушенного бурением. Затем измеряют температуру грунтов.

Проходка шурфов при инженерно-геологических изысканиях применяется для отбора проб грунтов ненарушенной структуры, обследования состояния существующих зданий и сооружений, а также проведения полевых исследований грунтов (опытно-фильтрационные работы, штамповые испытания).

Обследование фундаментов и основания существующего здания (сооружения) при проходке шурфов должно включать:

- описание грунтов основания и зарисовку (развертку) стенок шурфов в масштабе 1:20 или 1:50;

- отбор образцов грунтов ненарушенного сложения (монолитов) непосредственно из-под подошвы фундамента и на той же отметке - у противоположной или боковой стенки шурфа;

- зарисовку или фотофиксацию фундамента, определение его размеров, материала и физического состояния(выполняется заказчиком или по его заданию специализированной организацией).

Шурфы размещают снаружи здания и в его подвале. Рекомендуется проходить шурфы у фундаментных конструкций разного вида и размера, а также в промежутках между фундаментами, если предполагается установка дополнительных промежуточных фундаментов. В местах деформаций стен и фундаментов проходка шурфов обязательна.

Шурфы проходят рядом с фундаментами для определения вида и состояния грунтов основания и обследования фундаментов. Размеры шурфов в плане определяются способом производства работ и отбора монолитов грунта, а также возможностью проведения обследования фундаментов. Глубина шурфов должна быть на 0,5-1 м ниже отметки подошвы фундамента. Для зданий исторической застройки необходимо проверить наличие лежней и деревянных свай под фундаментами.

Все горные выработки после окончания работ должны быть ликвидированы: шурфы — обратной засыпкой грунтов с трамбованием, скважины — тампонажем глиной или цементно-песчаным раствором с целью исключения загрязнения природной среды и активизации геологических и инженерно-геологических процессов.

Пробы грунтов ненарушенной структуры (монолиты) и пробы грунтов нарушенной структуры отбираются из скважин (шурфов) из всех предварительно выделенных инженерно-геологических элементов – ИГЭ (литологических разновидностей грунтов) начиная с глубины 0,5 м до забоя выработки на полный комплекс физических и физико-механических свойств грунтов.

Количество монолитов по каждому ИГЭ должно быть не менее 10 для определения физических и 6 для физико-механических свойств согласно п.7.16 СП 11-105097 ч. 1. Отбор монолитов и проб грунтов, их транспортировка и хранение производятся в соответствии с требованиями п. 2.35 «Пособия по составлению и оформлению документации инженерных изысканий для строительства» (М., 1986) и ГОСТ 12071-2000, ВНМД 34-78 «Руководство по полевой документации инженерно-геологических работ при изысканиях для строительства» (п.п. 2.33–2.44). Монолиты из глинистых грунтов отбираются с помощью грунтоносов вдавливающего типа диаметром 127 мм.

Отбор проб воды на стандартный химанализ с определением агрессивности к бетону, металлическим конструкциям производится из выработок и всех встреченных водотоков в соответствии с требованиями п. 7.16 СП 11-105-97 и п.2.36 «Пособия по составлению и оформлению документации инженерных изысканий для строительства» (М., 1986 г.) и ВНМД 34-78 (п.п. 2.25–2.51) после предварительной прокачки выработки с обязательным проведением наблюдений за восстановлением уровня воды в выработке. Количество проб воды из каждого водоносного горизонта должно составлять не менее 3.