Wiercenie świdrowe studni: specyfika technologii i narzędzia do wiercenia ręcznego i maszynowego

Wiercenie ślimakowe studni dla wody pitnej jest obecnie najpopularniejszą metodą wiercenia na terenie prywatnych gospodarstw domowych. Samodzielnie można wykonać płytką studnię wodonośną za pomocą ręcznego świdra ziemnego. Aby ułatwić pracę, często wykorzystuje się niewielkie zestawy wiertnicze z napędem.

Opowiemy, dlaczego ta metoda jest tak popularna. Przeanalizujemy, czym różni się od innych sposobów wiercenia, w jakich sytuacjach warto ją stosować. W artykule szczegółowo opisano technologię ślimakową oraz konstrukcję urządzeń wiertniczych, a także narzędzia wiertnicze używane w wierceniu ręcznym i mechanicznym.

Specyfika wiercenia ślimakowego

Otwór wiertniczy jest cylindrycznym wyrobiskiem w skorupie ziemskiej, które przy dużej długości ma mały przekrój poprzeczny. Jego początek nazywa się wylotem, powierzchnię boczną – ścianami, a dno wyrobiska – dnem otworu.

Optymalną metodę wiercenia wybiera się biorąc pod uwagę przeznaczenie funkcjonalne studni, wymaganą średnicę i głębokość. Ważne jest uwzględnienie właściwości fizykomechanicznych skał, które należy przewiercić podczas tworzenia wyrobiska ujęcia wody.

Wpływa również techniczno-ekonomiczna celowość wiercenia w konkretnych warunkach. Jest to istotny etap przy projektowaniu studni, podczas którego określa się podstawowe rozwiązania technologiczne – typ używanego sprzętu i tryby wiercenia.

Techniczno-ekonomiczną celowość metody wiercenia ślimakowego określa się z uwzględnieniem jakości studni, jej trwałości, terminów budowy oraz kosztów.

Przy projektowaniu i późniejszym wierceniu studni ujęć wody należy orientować się właśnie na długotrwałość użytkowania. Ważna jest zdolność do utrzymania stabilnego wydobycia i niezmiennej przepuszczalności wody w strefie przydennej przez długi okres czasu.

Proces wiercenia studni obejmuje kilka operacji roboczych:

1. Niszczenie skały na dnie otworu, czyli oddzielanie cząstek od masywu.
2. Transport zwiercin na powierzchnię.
3. Przygotowanie studni do eksploatacji poprzez oczyszczenie i wyposażenie przewodu wiertniczego, a także przeprowadzenie płukania wyrobiska ujęcia wody.

Efektywność wiercenia bezpośrednio zależy od właściwości fizykomechanicznych nadanych przez naturę, a mianowicie: gęstości nasypowej, porowatości, przepuszczalności wodnej gruntów niespoistych, konsystencji spoistych skał ilastych.

Wiercenie ślimakowe należy stosować do wiercenia otworów o średnicy od 60 mm do 200 mm, głębokości nie większej niż 80 m, w gruntach niespoistych i spoistych (kategoria wiertnicza I–III). Do wiercenia w skałach średniej twardości (kategoria IV–VI) stosowanie świdra ślimakowego jest niecelowe.

Do wiercenia w skałach litych, charakteryzujących się monolitycznością i krystalicznymi więzami między cząstkami, ta metoda nie jest odpowiednia. Im silniej skonsolidowane są ziarna mineralne w składzie skały, tym więcej pracy potrzeba na jej zniszczenie.

Zalety i wady metody

Wariant wiercenia ślimakowego stosowany jest zarówno w przemyśle, jak i w budownictwie mieszkaniowym, jak również w ręcznym wierceniu otworów. Jego cechą charakterystyczną jest usuwanie zniszczonej skały nie za pomocą płuczki lub specjalnych mieszanin gazowo-cieczowych, lecz bezpośrednio przez elementy zestawu ślimakowego.

Wyróżnia się wiercenie ślimakowe pionowe i poziome. Pierwsza metoda stosowana jest przy budowie studni wodnych, a także do formowania otworów pod pale. Drugą metodę stosuje się przy bezwykopowym układaniu sieci uzbrojenia podziemnego.

Wiercenie obrotowe w miękkich skałach jest najszybsze i najtańsze w porównaniu z innymi metodami.

Metoda ta zapewnia jednocześnie wysoką prędkość wiercenia w gruntach nieskalistych na głębokość do 50–80 metrów, pozwalając na natychmiastowe uformowanie ścian wyrobiska poprzez montaż kolumny rur osłonowych.

Kolejną zaletą jest wydobycie zużytego gruntu na powierzchnię bez podnoszenia narzędzia. Ponadto, ponieważ wiercenie ślimakowe nie wymaga płuczki, jest z powodzeniem stosowane w regionach pozbawionych wody, a także w okresach niskich temperatur.

Obecnie wiercenie zestawami ślimakowymi stosuje się:

• Do wykonywania indywidualnych studni ujęć wody;
• Przy budowie fundamentów ze śrubowych/wierconych pali;
• Do montażu ogrodzeń i żelbetowych podpór;
• Przy wykonywaniu bezwykopowego układania sieci;
• Do budowy płytkich studni i wykopów.

Istnieją jednak również wady. Ślimakami nie można wywiercić otworu w skałach o wysokiej twardości. Przy wierceniu w twardych i półtwardych glinach pylastych, iłach z warstwami wapienia mogą wystąpić komplikacje, a przy wierceniu w skałach ściernych obserwuje się duże zużycie sprzętu wiertniczego.

Ponadto istnieje ograniczenie głębokości wyrobiska. Wykonanie otworu o głębokości ponad 80 metrów tą metodą jest bardzo trudne.

Technologia pionowego wiercenia otworów

Ślimak jest wysokowytrzymałą rurą wiertniczą z nawiniętą spiralą, która pełni funkcję pionowego przenośnika śrubowego. Pod działaniem obciążenia osiowego część robocza zestawu wiertniczego wnika w skałę i niszczy ją poprzez cięcie i spulchnianie. Jednocześnie świder ślimakowy podaje zużyty grunt na spiralę ślimaka.

Proces oczyszczania otworu wiertniczego przebiega nieprzerwanie i równolegle do kruszenia skały. Grunt oddzielony od dna otworu trafia na obracający się z dużą prędkością ślimak.

Pod działaniem sił odśrodkowych rozluźniony grunt unosi się łopatkami kolumny wiertniczej do góry. Unoszenie odbywa się dzięki poślizgowi po spirali, ponieważ tarcie gruntu o ślimak jest mniejsze niż o ściany otworu wiertniczego.

W ten sposób skruszona skała jest dostarczana w rozdrobnionym stanie od dna otworu na powierzchnię i wyrzucana przez wylot otworu. Przy nieskomplikowanym transporcie grunt wypełnia 30-40% całkowitej objętości przestrzeni międzyzwojowej.

Parametry kolumny ślimakowej muszą zapewniać szybkie podniesienie całej masy gruntu skruszonego przez ślimak. Jednak podczas wiercenia część rozluźnionego gruntu osypuje się z powrotem na dno otworu. Dlatego przy wykonywaniu wiercenia ślimakowego wymagane jest bardziej wzmocnione czyszczenie pnia, a po zakończeniu konieczne jest obowiązkowe płukanie.

Wiercenie poziome kierunkowe ślimakiem

Podczas montażu sieci inżynieryjnych o różnym przeznaczeniu funkcjonalnym pod przeszkodami (autostradami, liniami kolejowymi, kompleksami leśnymi) stosuje się poziome wiercenie ślimakowe.

Na początkowym etapie prac wykopuje się dwa wykopy – startowy (roboczy) i odbiorczy. Powinny one znajdować się na tym samym poziomie co zaprojektowany otwór. Następnie do wykopu roboczego opuszcza się i montuje niezbędny sprzęt.

Do wiercenia ślimakowego w kierunku poziomym używa się wielkogabarytowych urządzeń z ruchomym obrotnikiem wiertniczym o podwyższonym momencie obrotowym.

Takie urządzenie ma duży skok posuwu i jest wyposażone w odporną na zużycie głowicę wiertniczą ze stali wysokostopowej. Zamontowano na nim również sondę do monitorowania wiercenia. Odbierając sygnały na monitor operator kontroluje przebieg procesu i może korygować kierunek ruchu oraz kąt nachylenia głowicy wiertniczej.

Kiedy ślimak wchodzi do wykopu odbiorczego, czyli punktu końcowego według projektu, wiertło jest zdejmowane. Zamiast niego mocuje się poszerzacz i rurę. Następnie uruchamia się obrót łopatek w przeciwnym kierunku, aby wciągnąć rurę do gotowego otworu. Po zakończeniu prac wiertniczych z wykopu startowego wyjmuje się urządzenie ślimakowe.

Metoda bezwykopowa umożliwia układanie rur pod sieci poniżej poziomu wód gruntowych o długości do 80 m. Przy tym wszystkie skomplikowane prace wykonywane są bez pracochłonnego wykonywania wykopów, co pozwala zminimalizować czas realizacji i obniżyć koszty finansowe.

Stosuje się poziome wiercenie ślimakowe przy układaniu rurociągów ciśnieniowych i montażu systemów komunikacyjnych w strefach, gdzie wykonanie przewiertu innymi metodami jest niemożliwe. Główną zaletą układania bezwykopowego jest ekonomiczność. Ponadto, aby utrzymać stabilność gotowego wyrobiska, nie ma potrzeby stosowania bentonitu ani innych polimerów.

Specyfika wiercenia w różnych skałach

Podstawowe parametry technologiczne wiercenia otworu – obciążenie osiowe i częstotliwość obrotów ślimaka przenośnika ślimakowego. Wraz ze wzrostem obciążenia wzrasta również prędkość wiercenia, co może prowadzić do różnych sytuacji awaryjnych.

Dlatego należy koniecznie pilnować, aby objętość urobku oddzielanego w jednostce czasu przez ślimak nie przekraczała wydajności przenośnika. W przeciwnym razie na zwojach tworzą się zatory.

Prędkość wiercenia ślimakowego zależy bezpośrednio od właściwości gruntów, głębokości i średnicy otworu, liczby obrotów kolumny, obciążenia osiowego na dnie, konstrukcji używanego narzędzia do urabiania skał.

Z reguły plastyczne skały ilaste, piaski luźne i średniozagęszczone wierci się bez wymuszonego podawania obciążenia osiowego. Narzędzie ślimakowe wnika w grunt pod własnym ciężarem, a także dzięki sile reakcji powstającej przy podawaniu urobku do wylotu wyrobiska cylindrycznego.

Obciążenia osiowe do 5 kN zazwyczaj stosuje się przy początkowym nawiercaniu otworu, podczas wiercenia w twardych piaskach gliniastych, glinach piaszczystych, glinach, argilitach, mułowcach. Częstotliwość obrotów kolumny nie powinna przy tym przekraczać 1,7-3,3 s^-1.

Przy wyższych częstotliwościach wewnątrz powstają drgania, w wyniku których ogniwa kolumny wiertniczej mogą utracić połączenia. W efekcie narzędzie wiertnicze pozostanie na dnie, a jego wydobycie jest praktycznie niemożliwe, czyli trzeba będzie wiercić nowy otwór. Natomiast przy małych częstotliwościach transport urobku na powierzchnię jest bardzo utrudniony.

Wraz ze wzrostem twardości skał zwiększa się obciążenie osiowe. Wiercenie w gruntach żwirowych i rumoszowo-żwirowych, zamarzniętych glinach piaszczystych, piaskach nasyconych wodą, mułowcach z domieszką kwarcu wykonuje się z obciążeniem osiowym 8-10 kN na świder i częstotliwością obrotów kolumny 1,3-2,2 s^-1.

Otoczaków i skał z domieszką głazów nie wierci się metodą ślimakową. Te obtoczone okruchy skał litych niszczy się świdrem i wynosi na powierzchnię za pomocą łyżki wiertniczej.

Wiercenie w piaskach o różnej gęstości i stopniu nasycenia wodą, w osadach żwirowych i gruzowych prowadzi się przy dużych obrotach, jednocześnie wzmacniając ściany wyrobiska rurami okładzinowymi.

Przejście ślimakiem przez gliny miękkoplastyczne i upłynnione często komplikuje się poprzez tworzenie się zatorów. Gdy cząstki gliny przyklejają się do narzędzia ślimakowego, pogłębianie otworu ustaje, a transport urobku na powierzchnię jest bardzo utrudniony.

Aby tego uniknąć, zmniejsza się prędkość wiercenia do minimalnej, przeciąga kolumnę w górę i w dół oraz dodaje wodę do otworu. W takiej sytuacji pomaga również okresowe podnoszenie narzędzia wiertniczego na powierzchnię i czyszczenie z przylegającej gliny.

Narzędzia do wiercenia ślimakowego

Narzędzia do wiercenia ślimakowego otworów różnią się w zależności od konstrukcji pod względem liczby zwojów i geometrii części tnącej. Do przewiercania twardych i półtwardych piasków gliniastych oraz glin często używa się zestawów wiertniczych, których krawędź wyposażona jest w dodatkowe noże.

Najczęściej do przewiercania otworu ujęcia wody dla prywatnych użytkowników używa się tylko jednego ślimaka startowego bez żadnych dodatków, ponieważ wierci się w osadowych skałach spoistych i niespoistych. Podczas pogłębiania narzędzie jest po prostu przedłużane za pomocą żerdzi wiertniczych.

W tym przypadku zestaw wiertniczy jest wyciągany z otworu co 0,5 – 0,7 m, aby oczyścić samo wiertło i dno otworu ze zniszczonej skały. Jest to bardziej ekonomiczna, ale i bardziej pracochłonna metoda wiercenia.

Do rozwiercania głazów i żwiru, które mogą wystąpić w gruntach osadowych, przechodzi się na metodę udarowo-linową. Zazwyczaj używa się do tego dłuta wykonanego ze stali narzędziowej. To zaostrzone na dolnym końcu wiertło jest z siłą “rzucane” na dno otworu, aż do zniszczenia “twardej przeszkody”.

Po zniszczeniu żwiru lub głazu odłamki wydobywa się na powierzchnię za pomocą wyciskacza (rury rdzeniowej) lub łyżki wiertniczej. Następnie ponownie przechodzi się na metodę ślimakową. Najczęściej do przewiercania otworu trzeba używać kilku metod wiertniczych łącznie.

Przy wierceniu w luźnych piaskach i miękkich glinach używa się ślimakowych zestawów wiertniczych z łopatkami rozłożonymi w kierunku dna otworu pod kątem 30–60°, a do wiercenia w spoistych skałach ilastych – 90°.

Konstrukcyjnie ślimak jest rurą lub długim, pełnym prętem/walcówką z nawiniętą spiralą.

Tę spiralę uzyskuje się przez nawinięcie taśmy ze stali o wysokiej wytrzymałości o średnicy 5–7 mm na gwintowany trzpień. Następnie rozciąga się ją na rurze/pręcie i przyspawa.

Im większa średnica rury bazowej, tym mniejsza zdolność transportowa ślimaka. Jednak średnica długiego wyrobu jest ograniczona wytrzymałością mechaniczną ślimaka oraz technologią jego produkcji.

Dziś produkuje się dwa rodzaje ślimaków:

• Z centralnym otworem, czyli puste;
• Obciążone – bez otworu.

Aby zminimalizować zużycie transportu śrubowego przy wierceniu w skałach ściernych, na zewnętrzną krawędź nawija się taśmę stalową lub napawa się warstwę metalu na powierzchnię.

Przy dużych prędkościach wiercenia ślimakowego nad zestawem wiertniczym mocuje się specjalny przejściówkę z dwuzwojowym nawinięciem taśmy stalowej. Przy tym główna masa skały trafia na transport śrubowy bez rozcierania.

Na końcu rury z nawiniętą spiralą koniecznie przyspawa się elementy łączące. Rozróżnia się dwa typy połączeń ślimaków: bezgwintowe i gwintowe. W pierwszym przypadku ślimaki łączy się za pomocą zamków muftowych i utrzymuje się za pomocą metalowych sworzni z zabezpieczeniami, w drugim przypadku – metodą wkręcania.

Połączenie gwintowe świdrów w kolumnę wiertniczą umożliwia zmechanizowanie ich łączenia i rozłączania podczas wykonywania operacji wchodzenia i wychodzenia z otworu, przy podawaniu płynu na dno otworu. Istnieje jednak istotna wada – w tym przypadku nie ma możliwości odwrotnego obrotu świdrów. Dlatego też połączenie bezgwintowe stało się bardziej rozpowszechnione.

Specjalne wiertnice zazwyczaj obejmują zestaw świdrów o różnych średnicach.

Najbardziej efektywne są świdry z centralnym otworem, przez który do dna otworu podawane jest powietrze lub woda. Pozwala to zmniejszyć tarcie skały o powierzchnię przenośnika śrubowego.

Świdry drążone z połączeniem gwintowym stosuje się przy wierceniu z przedmuchem, do wypompowywania wody podczas drążenia wyrobisk cylindrycznych w skorupie ziemskiej, do umieszczania ładunku w otworach geofizycznych, do wtłaczania betonu w otwory pod pale. Można je również stosować jako kolumnę osłonową.

Podczas wiercenia pełnym dnem otworu kanał centralny jest zamykany narzędziem wiertniczym na linie.

Przegląd wiertnic

Do wiercenia śrubowego wykorzystuje się zarówno narzędzia ręczne, jak i zmechanizowane urządzenia. Najprostszym w konstrukcji jest ręczny świder ziemny. Składa się on z pręta/rury z nożem śrubowym i sztywno zamocowanym uchwytem w kształcie litery T.

Narzędzie wiertnicze tego typu wkręca się w grunt jak korkociąg. W trakcie drążenia wyrobiska jest ono przedłużane żerdziami. Ręczne świdry ziemne wykonuje się jako rozbieralne, aby można je było jak najwygodniej przewozić w samochodzie osobowym. Pozwala to również zmieniać długość śrubowej kolumny wiertniczej.

Ręcznymi narzędziami można wykonać otwory o głębokości do 2 metrów przy średnicy nie większej niż 20 centymetrów. Istnieją również wiertnice motorowe z napędem benzynowym lub elektrycznym. Ich konstrukcja obejmuje przenośnik śrubowy, czyli świder, oraz silnik z przekładnią. Obrót wału silnika zapewnia ruch świdra.

Przy użyciu narzędzia napędzanego, w obecności żerdzi wiertniczych do przedłużania, można wiercić otwory o głębokości do 25 metrów. Przy średnicy do 30 centymetrów używa się go do montażu słupów oświetlenia ulicznego, do montażu słupów ogrodzeń, wykopów kontrolnych fundamentu, podstawy gruntowej.

Wiercenie studni wodnych na terenie prywatnych gospodarstw domowych oraz formowanie otworów o dużej średnicy pod fundament palowy wykonuje się za pomocą przenośnych małogabarytowych wiertnic lub wiertnic na mobilnym sprzęcie.

Mobilne agregaty to małe wiertnice z silnikiem elektrycznym lub benzynowym. Za ich pomocą można szybko przewiercić studnię na działkę przygotować dużą liczbę dołów na słupy o różnym przeznaczeniu funkcjonalnym.

Nierzadko takie wiertnice wykonuje się w formie przyczepy do samochodów osobowych, aby ułatwić transport na miejsce prowadzenia prac.

W budownictwie cywilnym i przemysłowym do tworzenia wykopów o dużej głębokości i średnicy wykorzystuje się specjalistyczny sprzęt ślimakowy zamontowany na ruchomym pojeździe – samochodach ciężarowych, ciągnikach.

Używa się go podczas montażu słupów linii wysokiego napięcia i słupów oświetlenia ulicznego, przy stawianiu ogrodzeń stadionów, kompleksów sportowych, obiektów przemysłowych, lotnisk. Ponadto za pomocą wiertnic ślimakowych na ruchomym podwoziu buduje się ścianki szczelne wykopów, montuje się pale śrubowe.

Przydatne wideo na ten temat

Wiercenie ślimakowe studni wodociągowej o głębokości 20 m na terenie prywatnej posesji:

W tym filmie przedstawiono technologię poziomego wiercenia ślimakowego dla układania mediów pod autostradą:

Wykonywanie pali ciągłym ślimakiem o dużej średnicy z centralnym kanałem. Do prac używa się wiertnicy Bauer BG-30 oraz wysokowydajnej stacjonarnej pompy do betonu Liebherr:

Metoda ślimakowa zapewnia wysokie tempo wiercenia. Drążenie otworu i usuwanie urobku od dna do wylotu wykopu odbywa się jednocześnie i w sposób ciągły, co oszczędza czas, wysiłek wiertaczy oraz środki zainwestowane w projekt. Dlatego metoda wiercenia ślimakowego cieszy się popularnością.

Prosimy pozostawiać komentarze w poniższym formularzu. Proszę opowiedzieć, czy zdarzyło się Państwu używać ręcznego narzędzia ślimakowego lub wiercić na małogabarytowej wiertnicy z użyciem ślimaka. Podzielcie się technologicznymi niuansami, które mogą przydać się odwiedzającym stronę.