Skrutkové vŕtanie studní: špecifiká technológie a vrtného nástroja na ručné vŕtanie a pomocou zariadenia

Šnekové vŕtanie vrtov pre pitnú vodu je dnes najobľúbenejší spôsob vŕtania na území súkromných domácností. Samostatne vybudovať plytkú vodonosnú studňu je možné pomocou ručného zemného vrtáka. Na uľahčenie práce sa často využívajú malorozmerové vŕtacie súpravy s pohonom.

Povieme Vám, prečo je táto metóda taká populárna. Rozoberieme, čím sa líši od iných spôsobov vŕtania, v ktorých situáciách je účinné ju použiť. V článku je podrobne opísaná šneková technológia a konštrukcia vŕtacieho zariadenia, ako aj vŕtací nástroj používaný pri ručnom a mechanickom vŕtaní.

Špecifiká šnekového vŕtania

Vrt je výrub valcovitého tvaru v zemskej kôre, ktorý pri veľkej dĺžke má malý priečny prierez. Jeho začiatok sa nazýva ústie, bočná plocha – steny a dno výrubu – čelba.

Optimálny spôsob vŕtania sa vyberá s ohľadom na funkčné určenie vrtu, potrebný priemer a hĺbku. Dôležité je zohľadniť fyzikálno-mechanické vlastnosti hornín, ktoré je potrebné prejsť počas procesu vytvárania vodozáberného vrtu.

Vplýva aj technicko-ekonomická účelnosť vŕtania v konkrétnych podmienkach. Toto je významná etapa pri projektovaní vrtov, počas ktorej sa určujú základné technologické riešenia – typ používaného zariadenia a režimy vŕtania.

Technicko-ekonomická účelnosť metódy šnekového vŕtania sa určuje s ohľadom na kvalitu vrtu, jeho trvácnosť, termíny výstavby, ako aj náklady.

Pri projektovaní a následnom vŕtaní vodozáberných vrtov je potrebné orientovať sa práve na dlhodobosť používania. Dôležitá je schopnosť udržať stabilný debet a nezmenenú vodopriepustnosť príčelbovej zóny počas dlhého obdobia.

Proces vŕtania vrtu zahŕňa niekoľko pracovných operácií:

1. Rozrušenie horniny na čelbe, teda oddelenie častíc od masívu.
2. Doprava vyťaženej zeminy na povrch.
3. Príprava vrtu na prevádzku vyčistením a vybavením rúry, ako aj vykonaním premývania vodozáberného výrubu.

Účinnosť vŕtania priamo závisí od prírodných fyzikálno-mechanických vlastností, a to: hustoty uloženia, pórovitosti, vodopriepustnosti nesúdržných zemín, konzistencie ílovitých súdržných hornín.

Skrutkové vŕtanie je vhodné používať na hĺbenie vrtov s priemerom od 60 mm do 200 mm, hĺbkou maximálne 80 m v nesúvislých a súvislých zeminách (Ⅰ-Ⅲ kategória podľa vŕtateľnosti). Pre hĺbenie v skalných horninách strednej tvrdosti (Ⅳ-Ⅵ kategória) nie je vhodné používať skrutkový vrták.

Pre vŕtanie skalných hornín, ktoré sa vyznačujú monolitickosťou a kryštalickým typom väzieb medzi časticami, táto metóda nie je vhodná. Čím pevnejšie sú minerálne zrná v hornine konsolidované, tým viac práce sa vynakladá na jej rozrušenie.

Výhody a nevýhody metódy

Skrutková varianta vŕtania sa používa v priemysle, aj v civilnom staviteľstve, aj v ručnom vŕtaní studní. Odlišnou vlastnosťou je odstraňovanie rozdrvenej horniny nie preplachovacou kvapalinou alebo špeciálnymi plynokvapalinovými zmesami, ale priamo časťami skrutkovej súpravy.

Rozlišujeme vertikálne a horizontálne smerované skrutkové vŕtanie. Prvá metóda sa využíva pri zriaďovaní vodonosných vrtov, ako aj na vytváranie otvorov pre pilóty. Druhá sa používa pri ukladaní inžinierskych sietí bezvýkopovou metódou.

Rotačné vŕtanie v mäkkých horninách je najrýchlejšie a najlacnejšie v porovnaní s inými spôsobmi.

Táto metóda zabezpečuje súčasne vysokú rýchlosť hĺbenia v neskalnatých zeminách do hĺbky 50 – 80 metrov, pričom umožňuje okamžite formovať steny výkopu inštaláciou kolóny pažníc.

Ďalšou výhodou je vyťahovanie odťaženej zeminy na povrch bez zdvíhania nástroja. A ešte: keďže skrutkové vŕtanie nevyžaduje preplachovaciu kvapalinu, úspešne sa používa v bezvodných oblastiach a tiež v obdobiach s prevládajúcimi nízkymi teplotami.

Dnes sa vŕtanie skrutkovými súpravami používa:

• Na zriadenie individuálnych vodných vrtov;
• Pri stavbe základov z vrutových/vŕtaných pilót;
• Na inštaláciu oplotení a železobetónových stĺpov;
• Pri vykonávaní bezvýkopového ukladania inžinierskych sietí;
• Na stavbu plytkých studní a jám.

Existujú však aj nevýhody. Skrutkami nie je možné vyvŕtať vrt v horninách vysokej tvrdosti. Pri hĺbení v tvrdých a polotvrdých hlinách, íloch s vrstvami vápenca môžu nastať komplikácie a pri vŕtaní abrazívnych hornín sa zaznamenáva vysoká spotreba vŕtacieho náčinia.

Okrem toho existuje obmedzenie týkajúce sa hĺbky výkopu. Zriadiť vrt s hĺbkou viac ako 80 metrov týmto spôsobom je veľmi ťažké.

Technológia vertikálneho vŕtania

Skrutka je vysokopevnostná vŕtacia rúra s navinutou špirálou, ktorá plní funkciu vertikálneho skrutkového dopravníka. Pôsobením axiálneho zaťaženia sa pracovná časť vŕtacieho náčinia zanára do horniny a rozrušuje ju rezaním a rozvoľňovaním. Súčasne sa skrutkovým vrtákom dopravuje odťažená zemina na špirálu skrutky.

Proces čistenia vrtu prebieha nepretržite a paralelne s rozrušovaním horniny. Zemina oddelená od dna vrtu padá na rýchlo rotujúci šnek.

Pôsobením odstredivých síl sa uvoľnená zemina dvíha po lopatkách vrtnej kolóny nahor. Dvíhanie prebieha vďaka kĺzaniu po špirále, pretože trenie zeminy o šnek je menšie ako o steny vrtu.

Takto je rozrušená hornina dopravovaná v rozdrvenom stave od dna na povrch a vyhadzovaná cez ústie vrtu. Pri nerušenej preprave vypĺňa zemina 30–40 % celkového objemu medzizávitového priestoru.

Parametre šnekovej kolóny musia zabezpečiť rýchle zdvihnutie celej masy zeminy rozrušenej šnekom. Pri vŕtaní sa však časť uvoľnenej zeminy osýpa späť na dno vrtu. Preto je pri šnekovom vŕtaní potrebné dôkladnejšie čistenie kmeňa a po ukončení je nutné povinné prepláchnutie.

Horizontálne smerované vŕtanie šnekom

Pri montáži inžinierskych sietí rôzneho funkčného určenia pod prekážkami (diaľnicami, železničnými traťami, lesnými porastmi) sa používa horizontálne riadené šnekové vŕtanie.

V úvodnej fáze prác sa vykopú dve jamy – štartovacia (pracovná) a prijímacia. Musia byť v rovnakej úrovni s projektovaným vrtom. Potom sa do pracovnej jamy spustí a namontuje potrebné zariadenie.

Na šnekové vŕtanie v horizontálnom smere sa používajú veľkorozmerné zariadenia s pohyblivým vrtným rotátorom so zvýšeným krútiacim momentom.

Takéto zariadenie má veľký zdvih posuvu a je vybavené odolnou vrtnou hlavicou z vysoko legovanej ocele. Je na ňom tiež nainštalovaná sonda na sledovanie vŕtania. Prijímaním signálov na monitor operátor kontroluje priebeh procesu a môže korigovať smer pohybu, ako aj uhol sklonu vrtnej hlavice.

Keď šnek vstúpi do prijímacej jamy, teda do konečného bodu podľa projektu, vrták sa odstráni. Namiesto neho sa upevní rozširovač a rúra. Potom sa spustí otáčanie lopatiek v opačnom smere, aby sa rúra vtiahla do hotového vrtu. Po skončení vŕtacích prác sa zo štartovacej jamy vyberie šnekové zariadenie.

Bezvykopová metóda umožňuje realizovať kladenie rúr pod siete pod hladinou podzemnej vody v dĺžke až 80 m. Pritom sa všetky náročné práce vykonávajú bez pracného výkopu rýh, čo umožňuje minimalizovať čas realizácie a znížiť finančné náklady.

Horizontálne šnekové vŕtanie sa používa pri ukladaní tlakových potrubí a montáži komunikačných systémov v oblastiach, kde nie je možné vykonať pokládku inými spôsobmi. Hlavnou výhodou bezvykopovej pokládky je hospodárnosť. Okrem toho nie je potrebné na podporu stability hotového vývrtu používať bentonit ani iné polyméry.

Osobitosti vŕtania v rôznych horninách

Základné technologické parametre vŕtania studne – axiálne zaťaženie a frekvencia otáčania skrutky šnekového dopravníka. Pri zvýšení zaťaženia sa nevyhnutne zvyšuje aj rýchlosť vŕtania, čo môže viesť k vzniku rôznych havarijných situácií.

Preto je nevyhnutné sledovať, aby objem horniny oddelenej šnekom za jednotku času neprekračoval výkon dopravníka. V opačnom prípade sa na závitoch vytvárajú zátky.

Rýchlosť šnekového vŕtania priamo závisí od vlastností zemín, hĺbky a priemeru studne, počtu otáčok kolóny, axiálneho zaťaženia na dno, konštrukcie použitého nástroja na rozrušovanie horniny.

Spravidla sa plastické ílovité horniny, sypké piesky a piesky strednej hustoty vŕtajú bez núteného podávania axiálneho zaťaženia. Šnekový nástroj sa vnára do zeminy vlastnou váhou, ako aj vďaka reaktívnej sile vznikajúcej pri doprave vyťaženej horniny k ústiu valcového vrtu.

Axiálne zaťaženia do 5 kN sa zvyčajne vytvárajú pri štartovom navŕtaní studne, pri vŕtaní v tvrdých piesčitých hlinách, hlinitých pôdach, íloch, argilitoch, aleurolitoch. Frekvencia otáčania kolóny by pri tom nemala prekročiť 1,7–3,3 s^-1.

Pri vyšších frekvenciách vznikajú vo vnútri vibrácie, v dôsledku ktorých môžu články vrtnej kolóny stratiť spoje. Výsledkom je, že vrtné náradie zostane na dne, vybrať ho je prakticky nemožné, takže bude potrebné vyvŕtať nový vrt. Pri nízkych frekvenciách sa naopak výrazne sťažuje doprava vyťaženej zeminy na povrch.

So zvyšujúcou sa tvrdosťou hornín sa axiálne zaťaženia zvyšujú. Vŕtanie v štrkovitých a drveno-štrkovitých zeminách, zamrznutých hlinitých pôdach, vodou nasýtených pieskoch, aleurolitoch s prímesou kremeňa sa vykonáva s axiálnym zaťažením 8–10 kN na vrták a frekvenciou otáčania kolóny 1,3–2,2 s^-1.

Štrkové horniny a horniny s obsahom balvanov sa šnekovou metódou nevŕtajú. Tieto obrúsené úlomky skalných hornín sa rozrušujú vrtákom a vynášajú na denný povrch žliabkovým náradím.

Vŕtanie v pieskoch rôznej hustoty a stupňa nasýtenia vodou, v štrkovitých a štrkodrvných usadeninách sa vykonáva pri veľkých otáčkach a súčasne sa spevňujú steny vrtu pažnicovými konštrukciami.

Ražba šnekovým spôsobom v mäkkoplastických a tečúco-plastických íloch je často komplikovaná tvorbou zátok. Keď ílovité častice priľnú na šnekový nástroj, zastaví sa prehlbovanie vrtu a výrazne sa sťaží doprava vyťaženej horniny na povrch.

Aby sa tomu zabránilo, zníži sa rýchlosť vŕtania na minimálnu možnú, kolóna sa vyťahuje a spúšťa a do vrtu sa pridáva voda. V takejto situácii tiež pomáha periodické zdvíhanie vrtného nástroja na povrch a čistenie od priľnutého ílu.

Nástroj pre šnekové vŕtanie

Nástroje na šnekové vŕtanie studní sa podľa typu konštrukcie líšia počtom závitov a geometriou reznej časti. Na prechod v tvrdých a polotvrdých piesčitých hlinách a ílovitých pôdach sa často používajú vŕtacie súpravy, ktorých ostrie je vybavené prídavnými rezákmi.

Najčastejšie sa na prechod vodozáberného vrtu pre súkromníkov používa iba jeden štartovací šnek bez akýchkoľvek doplnkov, pretože sa bude vŕtať do sedimentárnych súdržných a nesúdržných hornín. Pri prehlbovaní sa nástroj jednoducho predlžuje vŕtacími tyčami.

V tomto prípade sa súprava z rúry studne vyťahuje každých 0,5 – 0,7 m, aby sa očistil samotný vrták a dno vrtu od rozdrvenej horniny. Je to ekonomickejší, ale aj prácnejší variant vŕtania.

Na rozvŕtanie balvanov a štrku, ktoré sa môžu vyskytnúť v sedimentárnych pôdach, sa prechádza na úderno-lanovú metódu. Spravidla sa na to používa dláto vyrobené z nástrojovej ocele. Tento vrták zahrotený na spodnej strane sa silou “hodí” na dno vrtu, kým sa nezničí “tvrdá prekážka”.

Po zničení štrku alebo balvana sa úlomky vyťahujú na povrch sklenicou (kolonovou rúrou) alebo bailerom. Potom sa opäť prechádza na šnekovú metódu. Najčastejšie je na prechod výkopu potrebné použiť niekoľko vŕtacích metód v komplexe.

Pri vŕtaní sypkých pieskov a mäkkých ílovitých pôd sa používajú šnekové vŕtacie súpravy s lopatkami rozvinutými k dnu vrtu pod uhlom 30-60°, a pre vŕtanie v súdržných ílovitých horninách – 90°.

Konštrukčne šnek predstavuje rúru alebo dlhý plný prút/tyč s navinutou špirálou.

Túto špirálu získavajú navinutím vysokopevnostnej oceľovej pásky s priemerom 5-7 mm na závitový tŕň. Natiahnu ju na rúre/tyči a potom privaria.

Čím väčší je priemer základnej rúry, tým menšia je transportná schopnosť šneku. Priemer dlhého výrobku je však obmedzený mechanickou pevnosťou šneku a tiež technológiou jeho výroby.

Dnes sa vyrábajú dva druhy šnekov:

• S centrálnym otvorom, teda duté;
• Zaťažené – bez otvoru.

Aby sa minimalizovalo opotrebenie skrutkového dopravníka pri vŕtaní v abrazívnych horninách, na vonkajší okraj sa navíja pás z ocele alebo sa na povrch nataví vrstva kovu.

Pri vysokých rýchlostiach šnekového vŕtania sa nad súpravou upevňuje špeciálny adaptér s dvojchodovým navinutím pásovej ocele. Pritom sa hlavná hmota horniny dostáva na skrutkový dopravník bez rozomletia.

Na konci rúry s navinutou špirálou sa nevyhnutne privaria spojovacie prvky. Rozlišujú sa dva typy spojenia šnekov: bezzávitové a závitové. V prvom prípade sa šneky spájajú objímkovými zámkami a držia sa pomocou kovových kolíkov s poistkami, v druhom prípade – metódou zaskrutkovania.

Závitové spojenie šnekov do vrtnej kolóny umožňuje mechanizovať ich spájanie a rozpojanie pri vykonávaní spúšťacích a zdvíhacích operácií, pri dodávaní tekutiny na dno vrtu. Je tu však aj podstatná nevýhoda – v tomto prípade nie je možnosť spätného otáčania šnekov. Preto sa bezzávitové spojenie rozšírilo viac.

Špeciálne vrtné súpravy spravidla zahŕňajú súbor šnekov rôznych priemerov.

Najúčinnejšie sú šneky s centrálnym otvorom, cez ktorý sa na dno vrtu privádza vzduch alebo voda. To umožňuje znížiť trenie horniny o povrch skrutkového dopravníka.

Duté šneky so závitovým typom spojenia sa používajú pri vŕtaní s prefukovaním, na odčerpávanie vody pri razení valcových výrubov v zemskej kôre, na umiestnenie nálože do geofyzikálnych vrtov, na injektáž betónu do otvorov pre pilóty. Možno ich tiež použiť ako pažnicovú kolónu.

Pri vŕtaní plným dnom sa centrálny kanál prekrýva vrtným nástrojom na lane.

Prehľad vŕtacích strojov

Na šnekové vŕtanie sa používajú ako ručné nástroje, tak aj mechanizované súpravy. Najjednoduchšou konštrukciou je ručný zemný vrták. Skladá sa z tyče/rúry so skrutkovitým nožom a pevne upevnenou T-rukoväťou.

Vrtný nástroj tohto typu sa zaskrutkováva do zeme ako vývrtka. Počas razenia výrubu sa predlžuje tyčami. Ručné zemné vrtáky sa vyrábajú rozoberateľné, aby sa dali čo najpohodlnejšie prepravovať v osobnom automobile. Taktiež to umožňuje meniť dĺžku šnekovej vrtnej kolóny.

Ručným nástrojom možno vytvárať otvory s hĺbkou až 2 metre pri priemere najviac 20 centimetrov. Existujú aj motorové vrtáky s benzínovým alebo elektrickým pohonom. Ich konštrukcia zahŕňa skrutkový dopravník, teda šnek, a motor s prevodovkou. Otáčanie hriadeľa motora zabezpečuje pohyb šneku.

S použitím pohonného nástroja a vrtných tyčí na predlžovanie možno vŕtať vrty s hĺbkou až 25 metrov. Pri priemere do 30 centimetrov sa používa na inštaláciu pouličných osvetľovacích stĺpov, montáž oplotenia, prieskumných šácht na kontrolu základov a zemného podložia.

Vŕtanie vodných vrtov na území súkromných domácností a vytváranie otvorov veľkého priemeru pre pilótové základy sa vykonáva prenosnými kompaktnými strojmi alebo vrtnými súpravami na mobilnej technike.

Mobilné agregáty predstavujú stroje malých rozmerov s elektro- alebo benzínovým motorom. S ich pomocou možno rýchlo vyvŕtať vrt pre chatu a pripraviť veľké množstvo jám pre podpery rôzneho funkčného určenia.

Často sa takéto vrtné stroje vyrábajú ako príves k osobnému automobilu, aby sa uľahčila preprava na miesto vykonávania prác.

V civilnom a priemyselnom stavebníctve sa na vytváranie vrtov veľkej hĺbky a priemeru používa šnekové špeciálne zariadenie upevnené na mobilnej technike – nákladných automobiloch, traktoroch.

Používa sa pri montáži podpier vysokonapäťových elektrických vedení a stĺpov pouličného osvetlenia, pri inštalácii podpier plotov štadiónov, športových komplexov, priemyselných objektov, letísk. Okrem toho sa pomocou šnekových vrtných súprav na mobilnej technike buduje štetové oplotenie stavebných jám a osadzujú sa skrutkové pilóty.

Užitočné video k téme

Šnekové vŕtanie vodnej studne s hĺbkou 20 m na území súkromnej domácnosti:

V tomto videu je znázornená technológia horizontálneho šnekového vŕtania vrtu na kladenie inžinierskych sietí pod diaľnicou:

Zhotovenie pilót pomocou plynulého šneku veľkého priemeru s centrálnym kanálom. Na vykonávanie prác sa používa vrtná súprava Bauer BG-30 a vysokovýkonné stacionárne betónové čerpadlo Liebherr:

Šneková metóda zabezpečuje vysoké tempo vŕtania studní. Vývoj vrtu a doprava vyťaženej zeminy od čela k ústiu vrtu prebieha súčasne a nepretržite, čo šetrí čas aj úsilie vrtárov a prostriedky investované do projektu. Preto je metóda šnekového vŕtania obľúbená.

Prosím, zanechajte komentáre v blokovom formulári nižšie. Povedzte nám, či ste už niekedy použili ručný šnekový nástroj alebo vŕtali na malorozmernej vrtnej súprave s použitím šneku. Podeľte sa o technologické nuansy, ktoré by mohli byť užitočné pre návštevníkov stránky.