О шнековом бурении скважин и устройстве свайных оснований

Помните знаменитую легенду о том, как один древний грек бегал обнаженным по улицам Сиракуз и кричал: «Эврика». Нравы, как и климат были мягкими, да и «Эврика» грек кричал по совершенно иному поводу, но архимедов винт уже существовал и вполне успешно справлялся с задачами подачи воды в оросительные системы полей и садов древнего мира.

Казалось бы, какое отношение имеет упомянутый грек и изобретенный им винт к проблемам шнекового бурения? А отношение самое непосредственное, поскольку винт Архимеда является прообразом шнека, который мы и применяем для производства бурильных работ.

Шнек — стержень снабженный сплошной винтовой поверхностью расположенной вдоль продольной оси упомянутого стержня. Винтовая поверхность шнека обеспечивает экскавацию грунта из скважины.

Чем замечателен шнек или архимедов винт? Очевидно тем, что бурение и экскавация грунта происходит одновременно. Также тем, что контактная поверхность между стенками скважины и наружными краями винта может быть не идеальной, небольшие зазоры допустимы и иногда даже полезны. За один поворот шнека черпается достаточно большое количество грунта относительно угловой скорости бурового снаряда, кроме того, грунт, осыпающийся из верхних секций шнека, попадает в предыдущую секцию и продолжает свое движение вверх по стволу скважины. В процессе бурения и экскавации грунта устанавливается динамическое равновесие, что препятствует снижению эффективности экскавации. Но, у каждого способа есть и своя оборотная сторона. При шнековом бурении затраты  мощности относительно диаметра скважины меняются нелинейно, зависимость степенная (квадратичная), что делает устройство скважин больших диаметров (более 1000 мм) если и не невозможным, то крайне не эффективным с точки зрения затрат энергии и необходимости приобретать дорогостоящее мощное оборудование.

Несмотря на отсутствие жестких требований к контактной поверхности между стволом скважины и шнеком, следить за формой шнека надо обязательно, а для предотвращения повышенного износа винтовой поверхности на ее наружный торец наплавляют твердосплавный материал при помощи специальных электродов.

Производительность бурения шнеком зависит не только от материала шнека и его конструкции, но и от правильного подбора режущего инструмента. На конце шнека, устанавливают отъёмный бур с резцами. Резец – расходный элемент бурового снаряда, заменяемый машинистом по мере износа. Кроме того, диаметр бура по своим размерам должен всегда превосходить диаметр винтовой поверхности шнека (около 0,3-0,5% диаметра винтовой поверхности), чтобы не допускать заклинивания шнека, преждевременного износа и поломки винтовой поверхности из-за силового контакта между упомянутой винтовой поверхностью и стенкой скважины.

Для нормальной, производительной работы шнекового снаряда, необходимо: правильно подобрать материалы резцов, конструкцию бурового снаряда или непосредственно бура. Очень важно также правильно подобрать шаг винтовой поверхности в зависимости от типа грунта. Практика показала, что применение двухлопастного бура эффективнее. При применении однолопастного бура, со временем, происходит цикличное обкатывание внутри скважины. Шнек начинает «болтать» внутри ствола, появляется реактивный момент, который отжимает бур от стенок. При работе двумя лопастями силы выравниваются, бур идёт ровно и выполняет скважину правильной геометрии. Существует много различных пород и различных климатических условий: мерзлота, скалы, разборная скала, песчаные, глинистые и суглинистые почвы и т. д.  Для каждого варианта подбирается бур, резцы и шнек наиболее приемлемой конструкциии.

Во время длительного бурения наиболее уязвима нижняя часть шнека, и подвергающиеся износу наружные края винтовой поверхности шнека. Поскольку нижняя часть бурового снаряда находиться в работе чаще, а наружная часть винтовой поверхности изнашивается быстрее, возможны изменение формы в виде конуса, что чревато проблемами как при дальнейшем использовании инструмента (повышенные затраты мощности на бурение, увеличение времени проходки), так и при установке армокаркаса. Aрмокаркас, цепляясь за стенки скважины, не доходит до необходимой отметки. Такая скважина не пригодна для устройства сваи.

Во время бурения скважины возможна проходка карстовых полостей, что может негативно сказаться на последующем устройстве сваи. Селевые, грязевые или карстовые участки будут способствовать оттоку бетона. В этом случае, необходимо применение обсадной трубы. Поскольку встречаются достаточно обширные карстовые полости, зачастую, трубу оставляют в скважине.

 

Непрерывное бурение

Бурение с помощью шнекового снаряда (либо нескольких секций шнека), на конце которого находится буровой инструмент, с непрерывной экскавацией грунта.Непрерывный способ бурения производится на взрыхлённых грунтах или шламах. Грунт поднимается непрерывно, вследствие этого данный способ наиболее производительный, однако и самый энергоемкий. Применяется (в основном) для устройства скважин глубиной до 10-20 метров.

 

Цикличное бурение

Бурение инструментом, имеющим на конце либо ковшовый бур, либо небольшую часть шнека на который можно набрать грунт и извлечь его. Инструмент очищают различными способами и возвращают в скважину. Этот метод менее производительный, поскольку при большой глубине неизбежны холостые пробеги инструмента, иногда очень значительные. Но, существует преимущество — при больших диаметрах (от 1000 мм) требуется существенно меньшая мощность на бурение скважины, относительно непрерывного способа бурения.

 

Условно цикличный способ бурения

Буровые установки не всегда обладают ходом подачи, необходимым для погружения шнека на проектные отметки. Какую-то часть можно погружать за один ход буровой каретки, но если хода недостаточно для достижения проектных глубин, то шнек наращивают секциями.  К находящемуся в забое шнеку присоединяют дополнительную секцию, а дополнительную секцию, в свою очередь, присоединяют к буровому вращателю. При проходке скважины, шнек наращивают снова и снова, до достижения необходимых глубин.

 

Бурение с помощью телескопического шнека

Внутри центрального стержня (трубы) шнека находится штанга, которая имеет возможность перемещаться вдоль оси трубы, увеличивая таким образом длину бурового снаряда. Штанга фиксируется на необходимой длине специальным упором. При большой длине шнека и использовании малых диаметров стержня, возможна потеря устойчивости (изгиб шнека). Как правило, указанная ситуация возникает при использовании принудительной подачи, использовании дополнительных пригрузов и устройств, механизмов подачи. Потеря устойчивости чревата разрушением и выходом из строя бурового снаряда. Одним из способов избежать этого является использование как подвижных, так и неподвижных люнетов. Неподвижный люнет используется для лучшего наведения инструмента на точку бурения и сохранения устойчивости бурового снаряда. Подвижный (промежуточный) люнет, который движется с кратной скоростью по отношению к буровой каретке обеспечивает дополнительную поддержку, для сохранения формы и предотвращения потери устойчивости.

 

Бурение шнеком с применением обсадных труб

Шнековое бурение может применяться на любых грунтах, в том числе, и на несвязанных (песок, супесь и т. п.), если при этом используется дополнительное приспособление — обсадные трубы.

Осыпающийся грунт укрепляют и изолируют от шнекового бурового снаряда используя обсадную трубу. Буровой снаряд для цикличного бурения находится внутри трубы.

Трубу устанавливают в скважину вместе со шнеком и осаживают при проходке скважины. Привод на вращение должен осуществляться как на трубу, так и на шнек (допускается попеременное включение). Осадка трубы и бурение выполняются одновременно. При достижении обсадной трубой уровня грунта, на неё, сверху, устанавливают вторую, третью, и т. д., трубу пока не будет достигнута необходимая по проекту глубина. Трубы соединяют между собой байонетным креплением, выполненным непосредственно в трубе.  На нижнем торце первой трубы выполняют режущую коронку для увеличения эффективности проходки. Далее, извлекают из этих труб шнек, а скважину заполняют жидким бетоном, устанавливают армокаркас и после отверждения бетона получают сваю. Во время заполнения бетоном обсадной трубе сообщают вибрацию, с помощью которой, по мере наполнения скважины, обсадная труба извлекается. Существует способ подачи бетона с помощью полого шнека с одновременным, извлечением шнека из скважины. В этом случае, шнеку сообщают вращение, которое препятствует, осыпанию слабого, несвязного грунта. Шлам, в процессе устройства сваи, постоянно удаляется.

Данный способ устройства свайных оснований достаточно дорог, но, на сегодняшний день, применяется все больше, особенно, в городском строительстве, где недопустим ударный способ погружения свай и связанные с ним сейсмические возмущения, а применение сваевдавливающей техники и вибропогружателей по разным причинам невозможно.

У каждого способа есть свои плюсы и минусы. Выбор остаётся за Вами.