Polžasto vrtanje vrtin: značilnosti tehnologije in orodja za ročno vrtanje in z napravo

Vijačno vrtanje vodnjakov za pitno vodo je danes najbolj priljubljen način vrtanja na območju zasebnih gospodinjstev. Plitve vodonosne vodnjake lahko sami uredite z ročnim zemeljskim svedrom. Za lažje delo pogosto uporabljajo majhne vrtalne naprave s pogonom.

Povedali vam bomo, zakaj je ta metoda tako priljubljena. Analizirali bomo, po čem se razlikuje od drugih načinov vrtanja, v katerih situacijah jo je učinkovito uporabljati. V članku so podrobno opisani vijačna tehnologija in konstrukcija vrtalne opreme ter vrtalno orodje, ki se uporablja v ročnem in mehanskem vrtanju.

Specifika vijačnega vrtanja

Vrtalni vodnjak predstavlja izkop cilindrične oblike v zemeljski skorji, ki ima pri veliki dolžini majhen prerez. Njegov začetek imenujemo ustje, stransko površino stene, dno izkopa pa čelo.

Optimalen način vrtanja izberejo glede na funkcionalni namen vodnjaka, potrebnega premera in globine. Pomembno je upoštevati fizikalno-mehanske lastnosti kamnin, ki jih je treba preiti med oblikovanjem vodonosnega izkopa.

Vpliva tudi tehnično-ekonomska smiselnost vrtanja v danih pogojih. To je pomembna faza pri načrtovanju vodnjakov, med katero določijo osnovne tehnološke rešitve – vrsto uporabljene opreme in načine vrtanja.

Tehnično-ekonomsko smiselnost metode vijačnega vrtanja določijo ob upoštevanju kakovosti vodnjaka, njegove trajnosti, rokov gradnje ter stroškov.

Pri načrtovanju in kasnejšem vrtanju vodonosnih vodnjakov se je treba osredotočiti na dolgoročnost uporabe. Pomembna je sposobnost ohranjanja stabilnega pretoka in nespremenljive vodoprepustnosti območja dna vrtine v daljšem časovnem obdobju.

Postopek vrtanja vodnjaka vključuje več delovnih operacij:

1. Rušenje kamnine na dnu vrtine, to je ločevanje delcev od masiva.
2. Transport izvrtane zemljine na površje.
3. Pripravo vodnjaka za obratovanje s čiščenjem in ureditvijo cevi ter izvedbo izpiranja vodonosnega izkopa.

Učinkovitost vrtanja je neposredno odvisna od naravnih fizikalno-mehanskih lastnosti, in sicer: gostote zgradbe, poroznosti, vodoprepustnosti nevezanih tal, konsistence glinastih vezanih kamnin.

Polžasto vrtanje je smiselno uporabljati za vrtanje vrtin s premerom od 60 mm do 200 mm, globine največ 80 m v nevezljivih in vezljivih tleh (I–III kategorija glede na vrtljivost). Za vrtanje v srednje trdih skalnih kamninah (IV–VI kategorija) uporaba vijačnega svedra ni smiselna.

Za vrtanje skalnih kamnin, za katere je značilna monolitnost in kristalni tip vezi med delci, ta metoda ni primerna. Bolj ko so mineralna zrna v sestavi kamnine konsolidirana, več dela je potrebnega za njeno uničenje.

Prednosti in slabosti metode

Polžasto različico vrtanja uporabljajo tako v industriji kot v civilnem gradbeništvu ter pri ročnem vrtanju vrtin. Njegova posebnost je v odstranjevanju uničene kamnine ne z izplakovalno tekočino ali posebnimi plinsko-tekočinskimi mešanicami, temveč neposredno z deli polžastega vrtalnega orodja.

Ločimo vertikalno in horizontalno usmerjeno polžasto vrtanje. Prvo metodo uporabljajo pri izdelavi vodonosnih vrtin ter za oblikovanje odprtin za pilote. Drugo – uporabljajo pri polaganju inženirskih komunikacij brez izkopa.

Rotacijsko vrtanje v mehkih kamninah je najhitrejše in najcenejše v primerjavi z drugimi metodami.

Ta metoda hkrati zagotavlja visoko hitrost vrtanja v neskalnih tleh do globine 50–80 metrov, kar omogoča takojšnje oblikovanje sten izkopa z namestitvijo kolone zaščitnih cevi.

Še ena prednost – dvig izrabljene zemljine na površje brez dviganja orodja. In še: ker za polžasto vrtanje ni potrebna izplakovalna tekočina, ga uspešno uporabljajo v sušnih regijah, pa tudi v obdobjih s prevlado nizkih temperatur.

Danes uporabljajo vrtanje s polžastimi napravami:

• Za izdelavo individualnih vodozbirnih vrtin;
• Pri gradnji temeljev iz vijačnih/vrtanih pilotov;
• Za postavitev ograj in armiranobetonskih podpor;
• Pri izvedbi brezizkopnega polaganja komunikacij;
• Za gradnjo plitvih vodnjakov in jaškov.

Vendar pa obstajajo tudi pomanjkljivosti. S polži ni mogoče izvrtati vrtine v kamninah visoke trdote. Pri vrtanju v trdih in poltrdih ilovnatih tleh, glinah z vložki apnenca lahko nastanejo zapleti, pri vrtanju abrazivnih kamnin pa je opazen velik porabek vrtalnega orodja.

Poleg tega obstaja omejitev glede globine izkopa. Narediti vrtino globine več kot 80 metrov s to metodo je zelo težko.

Tehnologija vertikalnega vrtanja izkopov

Polž – visokotrdožna vrtalna cev z navito spiralo, ki opravlja funkcijo vertikalnega vijačnega transporterja. Pod vplivom osne obremenitve se delovni del vrtalnega orodja zarije v kamnino in jo uniči z rezanjem in razrahljanjem. Istočasno polžasti sveder dovaja izrabljeno zemljino na spiralo polža.

Postopek čiščenja vrtine poteka neprekinjeno in vzporedno z drobljenjem kamnine. Zemljina, ločena od dna, pride na vijačni sveder, ki se vrti z veliko hitrostjo.

Pod delovanjem centrifugalnih sil se razrahljana zemljina dviga po lopaticah vrtalne kolone navzgor. Dvig poteka zaradi drsenja po spirali, saj je trenje zemljine ob vijačni sveder manjše kot ob stene vrtine.

Tako se zdrobljena kamnina v zdrobljenem stanju dostavi od dna na površje in se izvrže skozi ustje vrtine. Pri neovirani transportaciji zemljina zapolni 30–40 % celotnega prostora med navoji.

Parametri vijačne kolone morajo zagotavljati hiter dvig celotne mase zemljine, ki jo je zdrobil vijačni sveder. Vendar se med vrtanjem del razrahljane zemljine posipa nazaj na dno. Zato je pri izvajanju vijačnega vrtanja potrebno okrepljeno čiščenje stebla, po zaključku pa je obvezno izpiranje.

Horizontalno usmerjeno vijačno vrtanje

Pri polaganju inženirskih komunalnih napeljav različnih namembnosti pod ovirami (avtocestami, železniškimi progami, gozdnimi območji) se uporablja horizontalno usmerjeno vijačno vrtanje.

Na začetku del se izkopljeta dve jami – začetna (delovna) in sprejemna. Biti morata na isti ravni kot projektirana vrtina. Nato se v delovno jamo spusti in montira potrebna oprema.

Za vijačno vrtanje v horizontalni smeri se uporabljajo velike naprave s premičnim vrtalnim vrtilnikom s povečanim navorom.

Takšna oprema ima velik podajalni hod in je opremljena z odporno vrtalno glavo iz visokolegiranega jekla. Na njej je nameščena tudi sonda za sledenje vrtanju. Z sprejemanjem signalov na monitorju operater nadzoruje potek in lahko prilagaja smer gibanja ter kot nagiba vrtalne glave.

Ko vijačni sveder vstopi v sprejemno jamo, to je končno točko po načrtu, se sveder odstrani. Namesto njega se pritrdita razširjevalec in cev. Nato se zažene vrtenje lopatic v obratni smeri, da se cev potegne v pripravljeno vrtino. Po končanih vrtalnih delih se iz začetne jame izvleče vijačna naprava.

Brezrovna metoda omogoča polaganje cevi pod komunalne napeljave pod nivojem podtalnice v dolžini do 80 m. Pri tem se vsa zahtevna dela opravijo brez zamudnega kopanja rovov, kar omogoča zmanjšanje časa izvedbe in znižanje finančnih stroškov.

Horizontalno vijačno vrtanje se uporablja pri polaganju tlačnih cevovodov in montaži komunikacijskih sistemov v območjih, kjer polaganje z drugimi metodami ni mogoče. Glavna prednost brezrovnega polaganja je ekonomičnost. Poleg tega za ohranjanje stabilnosti končnega izkopa ni treba uporabljati bentonita ali drugih polimerov.

Značilnosti vrtanja v različnih kamninah

Osnovni tehnološki parametri vrtanja vrtine – osna obremenitev in frekvenca vrtenja vijaka polžastega transporterja. S povečanjem obremenitve se neizogibno poveča tudi hitrost prodiranja, kar lahko privede do različnih izrednih situacij.

Zato je nujno treba paziti, da količina kamnine, ki jo polž loči v časovni enoti, ne presega zmogljivosti transporterja. V nasprotnem primeru se na navojih tvorijo zamaški.

Hitrost polžastega vrtanja je neposredno odvisna od lastnosti tal, globine in premera vrtine, števila vrtljajev kolone, osne obremenitve na dnu vrtine, konstrukcije uporabljenega orodja za drobljenje kamnine.

Praviloma se plastične glinene kamnine, sipki peski in peski srednje gostote vrtajo brez prisilnega dovajanja osne obremenitve. Polžasto orodje se v zemljo vdira pod lastno težo ter zaradi reaktivne sile, ki nastane pri dovajanju izrabljene kamnine k ustju valjastega izkopa.

Osne obremenitve do 5 kN se običajno ustvarijo pri začetnem vrtanju vrtine, pri vrtanju v trdih peščenih ilovicah, ilovicah, glinah, argilitih, alevritih. Frekvenca vrtenja kolone pri tem ne sme presegati 1,7–3,3 s^-1.

Pri višjih frekvencah znotraj nastanejo vibracije, zaradi katerih lahko členi vrtalne kolone izgubijo povezave. Posledično bo vrtalno orodje ostalo na dnu vrtine, njegovo dvigovanje je praktično nemogoče, zato bo treba izvrtati nov izkop. Pri nizkih frekvencah pa je transport izrabljene zemlje na površje močno otežen.

S povečanjem trdote kamnin se osne obremenitve povečujejo. Vrtanje v prodnatih in drobirsko-škrlatnih tleh, zmrznjenih ilovicah, vodonasičenih peskih, alevritih z vključki kremena se izvaja z osno obremenitvijo 8–10 kN na dleto in frekvenco vrtenja kolone 1,3–2,2 s^-1.

Prodnikov in kamnin z vključki balvanov se s polžasto metodo ne vrtajo. Te zaobljene drobce kamnin se uniči z dletom in dvigne na dnevno površino z zajemalko.

Vrtanje v peskih različne gostote in stopnje nasičenosti z vodo, prodnatih in drobirskih usedlinah poteka pri visokih vrtljajih, hkrati pa se stene izkopa utrjujejo z obložnimi konstrukcijami.

Prodiranje s polžem po mehkoplastičnih in tekočeplastičnih glinah se pogosto zaplete zaradi nastajanja zamaškov. Ko se glineni delci nalepijo na polžasto orodje, se poglabljanje vrtine ustavi, transport izrabljene kamnine na površje pa je močno otežen.

Da bi se temu izognili, zmanjšajo hitrost vrtanja na najnižjo možno, premikajo kolono gor in dol ter dodajajo vodo v vrtino. Prav tako v takšni situaciji pomaga občasno dvigovanje vrtalnega orodja na površje in čiščenje naleple ilovice.

Orodje za vijačno vrtanje

Orodja za polžno vrtanje vodnjakov se glede na vrsto konstrukcije razlikujejo po številu ovojev in geometriji rezalnega dela. Za prehod v trdih in poltrdih peščenih ilovicah in ilovici pogosto uporabljajo vrtalne naprave, katerih rob je opremljen z dodatnimi rezili.

Najpogosteje za prehod vodozbirnega vrtanja za zasebnike uporabljajo le en začetni polž brez kakršnih koli dodatkov, saj je treba vrtati sedimentne vezane in nevezane kamnine. Pri poglabljanju orodje preprosto podaljšajo z vrtalnimi palicami.

V tem primeru napravo iz cevi vodnjaka izvlečejo vsakih 0,5 – 0,7 m, da očistijo sam sveder in dno vrtine od uničene kamnine. To je bolj ekonomična, a tudi bolj delovno intenzivna možnost vrtanja.

Za vrtanje balvanov in prodnikov, ki se lahko pojavijo v sedimentnih tleh, preidejo na udarno-vrvno metodo. Praviloma za to uporabljajo dleto iz orodnega jekla. Ta sveder, zašiljen na spodnjem koncu, s silo “vržejo” na dno vrtine, dokler ne uničijo “trde ovire”.

Po uničenju prodnika ali balvana drobce na površje izvlečejo s kozarcem (jedrno cevjo) ali žajfo. Nato spet preidejo na polžno metodo. Najpogosteje je treba za prehod vrtine uporabiti več metod v kombinaciji.

Pri vrtanju sipkih peskov in mehkih ilovic uporabljajo vrtalne polžne naprave z lopaticami, obrnjenimi proti dnu vrtine pod kotom 30-60º, za vrtanje v vezanih glinenih kamninah pa 90º.

Konstrukcijsko je polž cev ali dolg neprekinjen palični/železni drog z navito spiralo.

To spiralo dobijo z navijanjem visoko trdnega jeklenega traku premera 5-7 mm na vijačno opravko. Nato jo raztegnejo na cev/palico in privarijo.

Večji kot je premer osnovne cevi, manjša je transportna zmogljivost polža. Vendar je premer dolgega izdelka omejen z mehansko trdnostjo polža in tehnologijo njegove izdelave.

Danes izdelujejo dve vrsti polžev:

• S središčno luknjo, torej votli;
• Težki – brez luknje.

Da bi zmanjšali obrabo vijačnega transporterja pri vrtanju v abrazivnih kamninah, na zunanji rob navijejo jekleni trak ali pa na površino napravijo plast kovine.

Pri visokih hitrostih polžnega vrtanja nad napravo pritrdijo poseben adapter z dvovhodnim navitjem jeklenega traku. Pri tem glavna masa kamnine pride na vijačni transporter brez mletja.

Na koncu cevi z navito spiralo obvezno privarijo spojne elemente. Ločimo dve vrsti povezav polžev: breznavojno in navojno. V prvem primeru se polži povežejo z obročnimi zaklepi in se držijo s kovinskimi zatiči z zaskočniki, v drugem primeru pa z metodo privijanja.

Navojna povezava polžev v vrtalno kolono omogoča mehanizirano povezovanje in ločevanje med izvajanjem spuščanja in dviganja ter dovajanjem tekočine na dno vrtine. Vendar pa obstaja tudi pomembna pomanjkljivost – v tem primeru ni možnosti za obratno vrtenje polžev. Zato je breznavojna povezava bolj razširjena.

Posebne vrtalne naprave praviloma vključujejo komplet polžev različnih premerov.

Najučinkovitejši so polži s sredinsko odprtino, skozi katero se na dno vrtine dovaja zrak ali voda. To omogoča zmanjšanje trenja kamnine ob površino vijačnega transporterja.

Votle polže z navojnim tipom povezave uporabljajo pri vrtanju s prepihovanjem, za črpanje vode med izvajanjem cilindričnih izkopov v zemeljski skorji, za namestitev naboja v geofizikalne vrtine, za vbrizgavanje betona v luknje za pilote. Prav tako jih lahko uporabimo kot oplaščno kolono.

Pri vrtanju s trdnim dnom se osrednji kanal zapre z vrtalnim orodjem na vrvi.

Pregled vrtalnih strojev

Za vrtanje s polži uporabljajo tako ročna orodja kot tudi mehanizirane naprave. Najpreprostejši po konstrukciji je ročni zemeljski sveder. Sestavljen je iz palice/cevi z vijačnim nožem in togo pritrjenega T-ročaja.

Vrtalno orodje tega tipa se vijači v zemljo podobno kot vijak. Med izvajanjem izkopa ga podaljšujejo s palicami. Ročne zemeljske svedre izdelujejo razstavljive, da jih je čim bolj priročno prevažati z osebnimi avtomobili. Prav tako to omogoča spreminjanje dolžine polžne vrtalne kolone.

Z ročnim orodjem je mogoče narediti luknje globine do dveh metrov pri premeru največ 20 centimetrov. Obstajajo tudi motorni svedri z bencinskim ali električnim pogonom. Njihova konstrukcija vključuje vijačni transporter, to je polž, in motor z reduktorjem. Vrtenje gredi motorja omogoča gibanje polža.

Z uporabo pogonskega orodja ob prisotnosti vrtalnih palic za podaljševanje je mogoče vrtati vrtine globine do 25 metrov. Pri premeru do 30 centimetrov ga uporabljajo za postavitev opornikov ulične razsvetljave, za montažo ograjnih stebrov, izkopov za pregled temeljev in talne podlage.

Vrtanje vodnjakov na območju zasebnih gospodinjstev in oblikovanje lukenj velikega premera za pilotni temelj izvajajo s prenosnimi kompaktnimi stroji ali vrtalnimi napravami na mobilni tehniki.

Mobilni agregati so stroji majhnih dimenzij z električnim ali bencinskim motorjem. Z njihovo pomočjo je mogoče hitro izvrtati vodnjak za počitniško hišo in pripraviti veliko število jam za podpore različnih funkcionalnih namenov.

Pogosto takšne vrtalne stroje izdelujejo v obliki prikolice za osebna vozila, da olajšajo prevoz na kraj izvajanja del.

Pri civilnem in industrijskem gradbeništvu se za oblikovanje izkopov velike globine in premera uporablja specialna polžasta oprema, pritrjena na premičnih vozilih – tovornjakih, traktorjih.

Uporablja se pri montaži nosilcev visokonapetostnih daljnovodov in stebrov ulične razsvetljave, pri postavljanju nosilcev ograj stadionov, športnih kompleksov, industrijskih objektov, letališč. Poleg tega s pomočjo polžastih vrtalnih naprav na premičnih vozilih gradijo špuntne ograje jam in postavljajo vijačne pilote.

Koristen video na to temo

Polžasto vrtanje vodozajetne vrtine globine 20 m na ozemlju zasebnega gospodinjstva:

V tem videu je prikazana tehnologija horizontalnega polžastega vrtanja vrtine za polaganje komunalnih vodov pod avtocesto:

Namestitev pilotov z neprekinjenim polžem velikega premera s centralnim kanalom. Za izvedbo del se uporabljata vrtalna naprava Bauer BG-30 in visokozmogljiva stacionarna betonska črpalka Liebherr:

Polžasta metoda zagotavlja visoke hitrosti vrtanja vrtin. Razvijanje vrtine in dovajanje izrabljene zemljine od dna do ustja izkopa potekata sočasno in neprekinjeno, kar prihrani čas, trud vrtalcev in v projekt vložena sredstva. Zato je metoda polžastega vrtanja priljubljena.

Prosimo, pustite komentarje v spodnji blok-obrazcu. Povejte nam, ali ste že kdaj uporabljali ročno polžasto orodje ali vrtali na kompaktni vrtalni napravi s polžem. Delite tehnične podrobnosti, ki bi lahko koristile obiskovalcem spletnega mesta.