Šnekové vrtání studní: specifika technologie a vrtacího nástroje pro ruční vrtání a se soupravou

Šnekové vrtání studní pro pitnou vodu je dnes nejoblíbenější způsob vrtání na území soukromých domácností. Samostatně lze zřídit mělkou vodonosnou studnu pomocí ručního zemního vrtáku. Pro usnadnění práce se často využívají malorozměrné vrtací soupravy s pohonem.

My vám řekneme, proč je tato metoda tak oblíbená. Rozebereme, čím se liší od jiných způsobů vrtání, v jakých situacích je účinné ji použít. V článku je podrobně popsána šneková technologie a konstrukce vrtacího zařízení, stejně jako vrtací nástroj používaný při ručním a mechanickém vrtání.

Specifika šnekového vrtání

Vrt je vývrt válcovitého tvaru v zemské kůře, který při velké délce má malý příčný průřez. Jeho začátek se nazývá ústí, boční plocha – stěny a dno vývrtu – čelba.

Optimální způsob vrtání se volí s ohledem na funkční účel vrtu, požadovaný průměr a hloubku. Je důležité zohlednit fyzikálně-mechanické vlastnosti hornin, které je třeba projít během vytváření vodárenského vývrtu.

Ovlivňuje také technicko-ekonomická vhodnost vrtání v konkrétních podmínkách. Je to významná etapa při projektování vrtů, během níž se určují základní technologická řešení – typ používaného zařízení a režimy vrtání.

Technicko-ekonomická vhodnost metody šnekového vrtání se určuje s ohledem na kvalitu vrtu, jeho životnost, dobu výstavby a také cenu.

Při projektování a následném vrtání vodárenských vrtů je nutné se orientovat právě na dlouhodobost používání. Důležitá je schopnost zachovat stabilní výdatnost a neměnnou propustnost vody v příčelní zóně po dlouhou dobu.

Proces vrtání vrtu zahrnuje několik pracovních operací:

1. Rozrušování horniny na čelbě, tedy oddělování částic od masivu.
2. Dopravu vytěžené zeminy na povrch.
3. Přípravu vrtu k provozu vyčištěním a vybavením stěny, stejně jako provedení proplachu vodárenského vývrtu.

Účinnost vrtání přímo závisí na přírodních fyzikálně-mechanických vlastnostech, a to: hustoty uložení, pórovitosti, propustnosti vodonosných nesoudržných zemin, konzistenci jílovitých soudržných hornin.

Šnekové vrtání je vhodné použít pro hloubení vrtů o průměru 60 mm až 200 mm, hloubce ne větší než 80 m v nesoudržných a soudržných zeminách (I–III kategorie vrtatelnosti). Pro hloubení ve středně tvrdých skalních horninách (IV–VI kategorie) není použití šnekového vrtáku vhodné.

Pro vrtání skalních hornin, charakterizovaných monolitností a krystalickým typem vazeb mezi částicemi, tato metoda není vhodná. Čím pevněji jsou mineralogická zrna v hornině konsolidována, tím větší práce je potřeba na její rozrušení.

Výhody a nevýhody metody

Šnekový způsob vrtání se používá jak v průmyslu, tak v civilním stavitelství, a také při ručním vrtání studní. Jeho charakteristickou vlastností je odstraňování rozrušené horniny nikoli výplachovou kapalinou nebo speciálními plyno-kapalinovými směsmi, ale přímo částmi šnekového zařízení.

Rozlišujeme vertikálně a horizontálně směrované šnekové vrtání. První metoda se využívá při zřizování vodonosných vrtů a také pro vytváření otvorů pro piloty. Druhá se používá při pokládání inženýrských sítí bezzákopovým způsobem.

Rotační vrtání v měkkých horninách je nejrychlejší a nejlevnější ve srovnání s jinými způsoby

Tato metoda zajišťuje současně vysokou rychlost hloubení v neskalnatých zeminách do hloubky 50–80 metrů, což umožňuje okamžitě vytvářet stěny výkopu instalací kolony pažnic.

Další výhodou je vytěžení vyvrtané zeminy na povrch bez zdvihání nástroje. A také: protože šnekové vrtání nepotřebuje výplachovou kapalinu, úspěšně se používá v bezvodých regionech a také v obdobích s převahou nízkých teplot.

Dnes se šnekové vrtání používá:

• Pro zřízení individuálních jímacích vrtů;
• Při stavbě základů z vrutových / vrtaných pilot;
• Pro instalaci oplocení a železobetonových sloupů;
• Při provádění bezzákopového pokládání sítí;
• Pro stavbu mělkých studní a jímek.

Existují však i nevýhody. Šneky nelze vyvrtat vrt v horninách vysoké tvrdosti. Při hloubení v tvrdých a polotvrdých jílovitých hlínách, jílech s vrstvami vápence mohou nastat komplikace a při vrtání abrazivních hornin je zaznamenána velká spotřeba vrtacího zařízení.

Kromě toho existuje omezení hloubky výkopu. Vybudovat vrt hlubší než 80 metrů tímto způsobem je velmi obtížné.

Technologie vertikálního vrtání vývrtů

Šnek – vysoce pevná vrtná trubka s navinutou spirálou, která plní funkci vertikálního šnekového dopravníku. Působením osového zatížení pracovní část vrtacího zařízení proniká do horniny a rozrušuje ji řezáním a sypáním. Současně šnekový vrták dopravuje vyvrtanou zeminu na spirálu šneku.

Proces čištění vrtu probíhá nepřetržitě a paralelně s destrukcí horniny. Zemina oddělená od dna se dostává na rychle rotující šnek.

Působením odstředivých sil se rozvolněná zemina zvedá po lopatkách vrtné kolony vzhůru. Stoupání probíhá díky klouzání po spirále, protože tření zeminy o šnek je menší než o stěny vrtu.

Takto je rozrušená hornina dopravována v drceném stavu ode dna na povrch a vyhazována ústím vrtu. Při neztížené dopravě zemina vyplňuje 30–40 % celkového objemu meziprostoru závitů.

Parametry šnekové kolony musí zajistit rychlý výstup celé hmoty zeminy rozrušené šnekem. Při vrtání však část rozvolněné zeminy opět spadá na dno. Proto je při provádění šnekového vrtání nutné důkladnější čištění stvolu a po dokončení je nezbytné povinné propláchnutí.

Horizontálně řízené vrtání šnekem

Při montáži inženýrských sítí různého funkčního určení pod překážkami (dálnice, železniční tratě, lesní masivy) se používá horizontálně směrové šnekové vrtání.

V počáteční fázi prací se hloubí dvě jámy – startovací (pracovní) a přijímací. Musí být ve stejné úrovni jako projektovaný vrt. Poté se do pracovní jámy spouští a montuje potřebné zařízení.

Pro šnekové vrtání v horizontálním směru se používají velkorozměrné soupravy s pohyblivým vrtným rotátorem se zvýšeným krouticím momentem.

Takové zařízení má velký zdvih posuvu a je vybaveno opotřebení odolnou vrtnou hlavou z vysoce legované oceli. Je na něm také instalována sonda pro sledování vrtání. Přijímáním signálů na monitor operátor kontroluje průběh procesu a může korigovat směr pohybu i úhel sklonu vrtné hlavy.

Když šnek vstupuje do přijímací jámy, tedy koncového bodu dle projektu, vrták se odstraní. Místo něj se upevní rozšiřovač a trubka. Poté se spustí rotace lopatek v opačném směru, aby se trubka zatáhla do hotového vrtu. Po dokončení vrtných prací se ze startovací jámy vyjme šneková souprava.

Bezvýkopová metoda umožňuje provádět pokládku trub pod komunikace pod úrovní podzemní vody do délky 80 m. Přitom se všechny složité práce provádějí bez pracného hloubení rýh, což umožňuje minimalizovat dobu provedení a snížit finanční náklady.

Horizontální šnekové vrtání se používá při pokládce tlakových potrubí a montáži komunikačních systémů v oblastech, kde není možné provést pokládku jinými způsoby. Hlavní výhodou bezvýkopové pokládky je hospodárnost. Kromě toho není pro podporu stability hotového výkopu nutné používat bentonit ani jiné polymery.

Zvláštnosti vrtání v různých horninách

Základní technologické parametry vrtání vrtu – axiální zatížení a frekvence otáčení šneku šnekového dopravníku. Při zvýšení zatížení se nevyhnutelně zvyšuje i rychlost vrtání, což může vést ke vzniku různých havarijních situací.

Proto je nezbytné sledovat, aby objem horniny oddělované šnekem za jednotku času nepřekračoval kapacitu dopravníku. V opačném případě se na závitech tvoří zátky.

Rychlost šnekového vrtání přímo závisí na vlastnostech zemin, hloubce a průměru vrtu, počtu otáček kolony, axiálním zatížení na dně vrtu, konstrukci použitého nástroje pro rozrušování horniny.

Plastické jílovité horniny, sypké písky a písky střední hustoty se obvykle vrtají bez nuceného přísunu axiálního zatížení. Šnekový nástroj proniká do zeminy vlastní vahou a také díky reaktivní síle vznikající při dopravě vytěžené horniny k ústí válcového vrtu.

Axiální zatížení do 5 kN se obvykle vytváří při počátečním zavrtávání vrtu, při vrtání v tvrdých písčitých hlínách, jílovitých hlínách, jílech, argilitech, prachovcích. Frekvence otáčení kolony by přitom neměla překročit 1,7-3,3 s^-1.

Při vyšších frekvencích uvnitř vznikají vibrace, kvůli kterým mohou články vrtací kolony ztratit spoje. Výsledkem je, že vrtací nářadí zůstane na dně vrtu, vyzvednout je je prakticky nemožné, takže bude nutné vrtat nový vrt. A při nízkých frekvencích je doprava vytěžené zeminy nahoru značně ztížena.

Se zvyšováním tvrdosti hornin se zvyšuje axiální zatížení. Vrtání ve štěrkových a drcených kamenitých zeminách, zmrzlých jílovitých hlínách, vodou nasycených píscích, prachovcích s příměsí křemene se provádí s axiálním zatížením 8-10 kN na vrtací dláto a frekvencí otáčení kolony 1,3-2,2 s^-1.

Štěrkovité horniny a horniny s příměsí balvanů se šnekovou metodou nevrtají. Tyto zaoblené úlomky skalních hornin se rozrušují dlátem a na denní povrch se vytahují jehlankou.

Vrtání v píscích různé hustoty a stupně nasycení vodou, štěrkových a kamenitých sedimentech se provádí při vysokých otáčkách a současně se zpevňují stěny vrtu pažnicemi.

Vrtání šnekem v měkkoplastických a tekutoplastických jílech je často komplikováno tvorbou zátek. Když jílovité částice ulpívají na šnekovém nástroji, zastaví se prohlubování vrtu a doprava vytěžené horniny nahoru je značně ztížena.

Aby se tomu zabránilo, sníží se rychlost vrtání na minimum, kolona se prohazuje a přidá se voda do vrtu. V podobné situaci také pomáhá periodické zvedání vrtacího nástroje na povrch a jeho čištění od ulpělé jílovité hlíny.

Nástroj pro šnekové vrtání

Nástroje pro šnekové vrtání studní se podle typu konstrukce rozlišují podle počtu závitů a geometrie řezné části. K ražbě v tvrdých a polotvrdých písčitých hlínách a hlinitých půdách se často používají vrtné soupravy, jejichž okraj je opatřen dalšími řezáky.

Nejčastěji se k ražbě vodárenského vrtu pro soukromé osoby používá pouze jeden startovací šnek bez jakýchkoli doplňků, protože je třeba vrtat sedimentární soudržné a nesoudržné horniny. Při hloubení se nástroj jednoduše prodlužuje vrtnými tyčemi.

V tomto případě se vrtná souprava z vrtu vytahuje každých 0,5 – 0,7 m, aby se vyčistil vrták i čelba od rozrušené horniny. Jedná se o ekonomičtější, ale také pracnější variantu vrtání.

K rozvrtání balvanů a oblázků, které se mohou vyskytnout v sedimentárních zeminách, se přechází na metodu úderného lana. Zpravidla se k tomu používá dláto vyrobené z nástrojové oceli. Tento vrták, zaostřený na spodním konci, je silou “vržen” na čelbu, dokud není “tvrdá překážka” rozrušena.

Po rozrušení oblázku nebo balvanu jsou úlomky vytaženy na povrch pomocí sklenice (korunové trubky) nebo žlábkovým naběrákem. Poté se opět přechází na šnekovou metodu. Nejčastěji je pro ražbu vrtu nutné použít několik vrtných metod v kombinaci.

Při vrtání sypkých písků a měkkých hlinitých půd se používají šnekové vrtné soupravy s lopatkami rozvinutými směrem k čelbě pod úhlem 30-60°, pro vrtání v soudržných jílovitých horninách – 90°.

Konstrukčně představuje šnek trubku nebo dlouhý plný prut/tyč s navinutou spirálou

Tato spirála se získává navinutím vysokopevnostní ocelové pásky o průměru 5-7 mm na šroubový trn. Natahuje se na trubku/tyč a poté se přivaří.

Čím větší je průměr základní trubky, tím menší je dopravní kapacita šneku. Průměr dlouhého výrobku je však omezen mechanickou pevností šneku a také technologií jeho výroby.

Dnes se vyrábějí dva druhy šneků:

• S centrálním otvorem, tedy duté;
• Zatížené – bez otvoru.

Aby se minimalizovalo opotřebení šnekového dopravníku při vrtání v abrazivních horninách, na vnější okraj se navíjí ocelový pás nebo se na povrch navařuje vrstva kovu.

Při vysokých rychlostech šnekového vrtání se nad soupravou upevňuje speciální adaptér s dvouchodým vinutím z pásové oceli. Přitom se hlavní masa horniny dostává na šnekový dopravník bez roztírání.

Na konci trubky s navinutou spirálou jsou vždy přivařeny spojovací prvky. Rozlišují se dva typy spojení šneků: bezzávitové a závitové. V prvním případě jsou šneky spojeny spojkovými zámky a drženy pomocí kovových kolíků s fixátory, ve druhém případě metodou zašroubování.

Závitové spojení šneků do vrtné kolony umožňuje mechanizovat jejich spojování a rozpojování při provádění spouštěcích a vytahovacích operací, při přívodu kapaliny na dno. Má však podstatnou nevýhodu – v tomto případě není možné zpětné otáčení šneků. A proto bezzávitové spojení získalo širší rozšíření.

Speciální vrtné soupravy zpravidla zahrnují sadu šneků různých průměrů.

Nejefektivnější jsou šneky s centrálním otvorem, kterým je na dno přiváděn vzduch nebo voda. To umožňuje snížit tření horniny o povrch šnekového dopravníku.

Duté šneky se závitovým typem spojení se používají při vrtání s profukováním, pro odčerpávání vody při ražbě válcových děl v zemské kůře, pro instalaci nálože do geofyzikálních vrtů, pro injektáž betonu do otvorů pro piloty. Lze je také použít jako pažnicovou kolonu.

Při vrtání plným dnem se centrální kanál přehrazuje vrtným nástrojem na laně.

Přehled vrtných souprav

Pro šnekové vrtání se používají jak ruční nástroje, tak mechanizované soupravy. Nejjednodušší konstrukcí je ruční zemní vrták. Skládá se z tyče/trubky se šroubovitým nožem a pevně uchycené T-rukojeti.

Vrtný nástroj tohoto typu se zašroubovává do země podobně jako vývrtka. Během ražby se prodlužuje tyčemi. Ruční zemní vrtáky se vyrábějí rozebíratelné, aby se daly co nejpohodlněji přepravovat v osobním automobilu. To také umožňuje měnit délku šnekové vrtné kolony.

Ručním nástrojem lze vytvářet otvory o hloubce až 2 metry při průměru nejvýše 20 centimetrů. Existují také motorové vrtáky s benzínovým nebo elektrickým pohonem. Jejich konstrukce zahrnuje šnekový dopravník, tedy šnek, a motor s převodovkou. Otáčení hřídele motoru zajišťuje pohyb šneku.

S použitím pohonného nástroje a s vrtnými tyčemi pro prodlužování lze vrtat vrty o hloubce až 25 metrů. Při průměru do 30 centimetrů se používá pro instalaci pouličních osvětlovacích stožárů, montáž plotových sloupků, sondážních šachet pro kontrolu základů, základové půdy.

Vrtání vodních vrtů na území soukromých domácností a vytváření otvorů velkého průměru pro pilotové základy se provádí přenosnými malorozměrnými soupravami nebo vrtnými soupravami na mobilním podvozku.

Mobilní agregáty představují soupravy malých rozměrů s elektro- nebo benzínovým motorem. S jejich pomocí lze rychle provrtat vrt pro chatu a připravit velké množství jam pro podpěry různého funkčního účelu.

Často se tyto vrtné soupravy vyrábějí jako přívěs k osobním automobilům, aby se usnadnila přeprava na místo provádění prací.

Ve stavebnictví pozemních a průmyslových staveb se pro vytváření výklenků velké hloubky a průměru používá šnekové speciální zařízení upevněné na mobilní technice – nákladních automobilech, traktorech.

Používá se při montáži podpěr vysokonapěťových vedení a sloupů veřejného osvětlení, při instalaci plotových podpěr stadionů, sportovních areálů, průmyslových objektů, letišť. Kromě toho se pomocí šnekových vrtných souprav na mobilní technice staví štětové stěny jam a instalují se šroubovací piloty.

Užitečné video k tématu

Šnekové vrtání vodárenské studny o hloubce 20 m na pozemku soukromé domácnosti:

Toto video ukazuje technologii horizontálního šnekového vrtání studny pro vedení komunikací pod dálnicí:

Založení pilot pomocí kontinuálního šneku velkého průměru se středovým kanálem. Pro práce se používá vrtná souprava Bauer BG-30 a vysoce výkonné stacionární čerpadlo na beton Liebherr:

Šneková metoda zajišťuje vysokou rychlost vrtání studní. Vrtání a doprava vytěžené zeminy z čela k ústí výkopu probíhá současně a nepřetržitě, což šetří čas, úsilí vrtacího týmu i prostředky vložené do projektu. Proto je metoda šnekového vrtání oblíbená.

Prosím, zanechte komentáře v blokovém formuláři níže. Popište, zda jste již použili ruční šnekové nářadí nebo vrtali na malé vrtné soupravě pomocí šneku. Podělte se o technologické nuance, které by mohly být užitečné pro návštěvníky webu.