Společnost TALPA-RPF a její lidé pracují v oboru bezvýkopových technologií déle než tři desítky let. Všichni jsme si zvykli na to, že používání řízeného horizontálního vrtání je výhodné jak z finančních důvodů, tak i z hlediska rychlosti výstavby. Bezvýkopové technologie se staly standardem – ovšem ve standardních podmínkách.
Jakmile se v minulosti během realizace stavby objevila v podloží skála, bezvýkopová technologie ustoupila a stavaři se vraceli k výkopům. Vrtání ve skále proto představovalo velkou výzvu. Dnes jsme mnohem dále, a to jak ve vybavení, tak především ve zkušenostech. Skalní vrtání však stále přináší řadu rizik, jejichž zvládnutí vyžaduje pozitivní přístup a spolupráci všech zainteresovaných – od investora přes projektanta až po realizační stavební firmy. O mimořádné situace zde totiž není nouze.
Jistě se shodneme, že základem je technicky i ekonomicky dobře zvládnutý projekt. Ačkoliv se dnes objevují kvalitní projekty „šité na míru“ technologii HDD pro realizace ve skalních podmínkách, velká část projektantů stále nepřijala, že vrtání ve skále je samostatná disciplína, která vyžaduje mnohem důkladnější přípravu. Projekt pak nedokáže vytvořit ani technické, ani finanční podmínky nutné pro úspěšnou realizaci stavby. Následující text může být vodítkem pro pochopení této problematiky.
Jaký je význam geologického průzkumu
Znalost geologických podmínek v místě provádění vrtů nebo protlaků je vždy základem úspěchu. U skalního vrtání však nedostatečné informace mohou vést k značným ekonomickým ztrátám nebo dokonce k havárii vrtu. Pro výběr vhodného stroje, pro návrh optimálního vrtného nářadí a způsobu provedení skalního vrtu je bezpodmínečně nutné znát geotechnické poměry v místech vrtání.
Průzkum by měl sdělit, které horniny se v daném území vyskytují, jakou mají pevnost v prostém tlaku, do jaké míry jsou zvětrané, a měl by podat informace o mocnosti a sklonu jednotlivých vrstev, o hydrogeologických poměrech apod. Tyto informace zprávy geologického průzkumu standardně obsahují, jejich vypovídací schopnost – respektive míra jejich přesnosti – však klesá se vzdáleností místa průzkumu od místa realizace.
Jinými slovy, projekt by neměl být postaven pouze na rešerších výsledků geologického průzkumu prováděného v minulosti, zvláště pokud byl průzkum proveden stovky metrů od místa připravovaného projektu. Výrazně tím klesá pravděpodobnost úspěšné realizace. Cena neúspěšného projektu, ať už ji zaplatí kdokoliv, je řádově vyšší než cena geologického průzkumu provedeného přímo v budoucím místě vrtání.
Pro řízené horizontální vrtání prováděné v zeminách standardním způsobem je obvyklé zatřídění dle těžitelnosti hornin podle normy ČSN 73 6133 (dříve ČSN 73 3050), což pro základní zhodnocení podmínek postačuje. Pokud je však plánován vrt v třídách těžitelnosti 5 až 7, je z pohledu vrtaře tato informace nedostatečná a mnohem lépe situaci vystihuje ČSN EN ISO 14689, případně starší norma ČSN 72 1001, která dělí horniny podle pevnosti v prostém tlaku. Parametr pevnosti v prostém tlaku je totiž zásadní pro určení typu vrtného nářadí a odhad doby vrtání.
Horniny se podle vrtařských kritérií dají rozčlenit do následujících skupin:
- Horniny s velmi nízkou pevností v prostém tlaku do 15 MPa (třídy R6 až R5)
Obvykle jde o silně zvětralé horniny. Jejich vrtání lze bez větších problémů zvládnout pomocí valivých dlát s ocelovými roubíky. - Horniny střední pevnosti v prostém tlaku 15 až 50 MPa (třída R3)
Nejčastěji zdravé sedimentární horniny, jako jsou pískovce, jílovce nebo prachovce, případně navětralé horniny původně vysoké pevnosti. K jejich vrtání už potřebujeme valivá dláta osazená roubíky ze slinutých karbidů. - Horniny vysoké pevnosti v prostém tlaku 50 až 150 MPa (třída R2)
Patří sem zdravé vápence a pískovce, droby, pararuly, svory apod. Tyto horniny musíme vrtat valivými dláty osazenými roubíky ze slinutých karbidů vyšších pevnostních parametrů a během vrtání lze očekávat komplikace typu střídání tvrdších a měkčích vrstev, zlomů, kaveren apod. - Horniny velmi vysoké pevnosti v prostém tlaku 150 až 250 MPa (třída R1)
Tyto horniny jsou pro valivá dláta s roubíky ze slinutých karbidů již velmi náročné. Jejich použití sice není nemožné, je však neefektivní a drahé – často dochází k příliš rychlému zničení nástrojů. Zde se otevírá prostor pro nástroje osazené polykrystalickými diamanty (PCD) nebo pro odvrtání pomocí pneumatických ponorných kladiv. - Horniny s extrémní pevností v prostém tlaku nad 250 MPa (třída R0)
V tomto případě je nutné případ od případu posuzovat rozsah výskytu takto pevných hornin v horninovém prostředí a kalkulovat efektivitu a nákladovost této operace.
Významným parametrem hodnocení hornin je také jejich abrazivita, kterou můžeme orientačně odhadovat podle podílu křemičitých látek v hornině.
Jaký je rozdíl mezi MUD motorem a systémem duálních vrtných tyčí?
Řízené horizontální vrtání ve třídách těžitelnosti 5 až 7 lze provádět pomocí MUD motoru nebo systémem duálních vrtných tyčí. Oba systémy se liší především způsobem přenosu krouticího momentu na valivá dláta, která mají oba typy nástrojů na svém čele.
MUD motor je vrtný nástroj, který pro zajištění krouticího momentu valivých dlát využívá energii proudícího vrtného výplachu, otáčejícího šroubovicovým rotorem. Při průtoku vrtného výplachu cca 600 litrů za minutu a více dosahuje dostatečného krouticího momentu. Délka těla tohoto nástroje však přesahuje 5 metrů, což podstatně omezuje dosažitelný rádius vrtaného oblouku. Proto je tento typ pilotního nástroje používán nejčastěji pro velké stroje a velmi dlouhé vrty, kde menší rádius vrtaného oblouku není nedostatkem.
Systém duálních vrtných tyčí se častěji používá u menších strojů do cca 30 tun tahu, což jsou případy, s nimiž se v praxi setkáváme nejčastěji. Duální vrtná tyč je zjednodušeně řečeno „tyč v tyči“ – krouticí moment na valivá dláta je přenášen vnitřní tyčí, zatímco vnější tyč slouží podobně jako u běžného vrtání k přenosu přítlačné síly a k rotaci celého vrtného nástroje. Systém nepotřebuje takové množství výplachu jako MUD motor, je schopen lépe směrovat vrt a vytvořit požadovaný oblouk. Výsledkem je, že vrty prováděné systémem s duálními tyčemi mohou dosáhnout cíle na kratší vzdálenost.
Minimální rádius oblouku je v obou případech několikanásobně větší než u vrtání v zeminách. I to je důvod, proč je vhodné připravovaný projekt konzultovat s pracovníky realizační firmy.
Valivá dláta
Valivá dláta jsou nejčastěji používané vrtné nástroje. Princip vrtání spočívá v odvalování tří konických hlaviček osazených roubíky po hornině, čímž dochází k jejímu rozemílání. Uvolněné částečky jsou následně vynášeny vrtným výplachem z vrtaného otvoru.
Z konstrukčního hlediska mají valivá dláta dvě hlavní úskalí:
- Abrazivita vrtané horniny – vysoká abrazivita může vést k rychlému opotřebení nástrojů. Jejich průměrná životnost například v horninách vysoké pevnosti je podle typu použitých karbidů pouze cca 150 až 200 metrů.
- Prostředí pro valivá ložiska – ložiska v jednotlivých satelitech pracují v prostředí vrtného výplachu obsahujícího jemnozrnné částečky odvrtané horniny. Snadno tak může dojít k porušení těsnicího systému a k destrukci satelitu během vrtání. K destrukci nástroje může dojít i při průchodu kavernami nebo vylamujícími se bloky horniny.
Přesto jsou s ohledem na cenu a flexibilitu použití valivá dláta stále nejčastěji používaným nástrojem.
Jak se řídí vrt ve skále?
Vrtný nástroj má doutníkový tvar, pouze přední část s valivými dláty je odkloněna od osy nástroje o 1 až 3 stupně. Tím je umožněno směrování vrtu.
V běžném režimu rotuje tělo vrtného nástroje i valivá dláta současně a vrtání probíhá v přímém směru. Pokud však obsluha zastaví rotaci těla nástroje, natočí valivá dláta do požadovaného směru a dále nechá rotovat pouze je, vrt se po čase odkloní z původní osy. Z tohoto principu vyplývá, že změna směru vrtání je velmi pozvolná a dosažitelné oblouky mají rádius 150 m a více.
Vrtné nástroje osazené polykrystalickými diamanty (PCD)
Vrtný nástroj osazený PCD je kompaktní, bez rotujících satelitů. Jeho práce spočívá spíše v „obrušování“ horniny. Velkou výhodou je nepřítomnost valivých ložisek v těle nástroje a výrazně vyšší životnost.
Použití PCD nástrojů je však vykoupeno podstatně vyšší cenou. V současnosti tyto nástroje procházejí obdobím prudkého rozvoje – výrobci sledují jejich opotřebení v různých podmínkách a na základě toho počítačově modelují nová konstrukční řešení. Roste tak efektivita i životnost těchto nástrojů a lze očekávat, že se postupně rozšíří na úkor valivých dlát.
Aplikace ponorného kladiva pro HDD
Ponorné kladivo využívá rotačně příklepový účinek vrtné hlavy osazené slinutými karbidy na horninu. V okamžiku přizvednutí pístu nad dno vrtu prochází do prostoru mezi pístem a dnem množství stlačeného vzduchu, který transportuje vrtnou drť z vrtu ven. Vrtná souprava pro HDD tedy nevyužívá vrtný výplach, ale stlačený vzduch.
Použití tohoto způsobu vyžaduje úpravu vrtného zařízení a zejména doplnění soupravy o velmi výkonný kompresor. Vzhledem k nákladnosti se tato modifikace metody HDD v praxi objevuje spíše výjimečně.
Novinkou je stroj, který kombinuje protlačování ocelového potrubí s využitím pneumatického ponorného kladiva. Jde o zajímavou alternativu pro specifické případy bezvýkopového pokládání ocelových potrubí, zejména v místech s výskytem hornin velmi vysoké pevnosti nebo při protlačování v zónách přechodu mezi tvrdší a měkčí horninou. Nevýhodou je omezení využití pouze pro přímé vrty bez oblouků a ve srovnání s HDD kratší maximální délka protlaků.
Vrtný výplach a jeho význam
Proč je zvládnutí procesu výnosu odvrtané horninové drtě z čela vrtu do jam klíčové? Pokud se nepodaří vynést jak malé, tak velké částečky z vrtu ven, dojde k jejich sedimentaci ve vrtu. To vede nejprve ke zvyšování odporu proti pohybu vrtného nářadí a posléze k jeho zablokování. To znamená havárii vrtu s nenávratnou ztrátou vrtného nářadí i vrtných tyčí.
Proto záleží na znalosti horninového prostředí a na posouzení vlastností rozvolněných částeček horniny. Na základě těchto informací se upravuje receptura výplachu tak, aby se zvýšila efektivita výnosu – přidávají se polymery zamezující sedimentaci a zlepšující reologické vlastnosti proudící kapaliny.
Je nutné si uvědomit, že proces vrtání v horninách je výrazně pomalejší než vrtání v zeminách. Po celou tuto dobu musíme zajišťovat transport těžkých částic horniny mimo prostor vrtu, takže spotřebujeme mnohem více vrtného výplachu než u vrtání v zeminách.
Pro srovnání: vyvrtání 100 m vrtu o průměru 150 mm v zeminách třídy těžitelnosti 3 může trvat zhruba 4 hodiny, a to včetně vtažení potrubí. Provedení stejného úkolu v hornině vysoké pevnosti je otázkou přibližně 30 až 35 hodin. Vznikají tak stovky metrů krychlových výplachů, takže se prakticky neobejdeme bez technologie recyklace vrtného výplachu. Důvod je především ekonomický – i přes nákladnost recyklace se snižují náklady na přípravu výplachu a zároveň se výrazně snižuje jeho celkové množství, které by bylo nutné po ukončení vrtu odčerpat, odvézt a uložit na skládce. A to je velmi významná nákladová položka.
Proto by při projektové přípravě skalního vrtu neměly být v žádném případě opomenuty dvě věci:
- zemní práce by měly zahrnovat lagunu pro jímání vrtného výplachu,
- v rozpočtu by se měla objevit položka na likvidaci tohoto výplachu po ukončení stavby.
Slovo závěrem
Nákladovost vrtání ve skále je několikanásobně vyšší než u vrtání ve standardních podmínkách. Pokud se zamyslíte nad výše uvedenými odstavci, je zřejmé proč. Přesto je vrtání ve skále v mnoha případech jediným řešením, jak překonat překážky v trase stavby. Mnohdy jsou náklady na provedení výkopů ve skalním prostředí nebo na vedení stavby po náhradní trase tak vysoké, že je aplikace HDD pro překonání horninového prostředí jednoznačně výhodná.
Projektanti, kteří připravují projekt stavby zahrnující vrtání ve skále, někdy nedoceňují význam nutných podmínek pro úspěšnou realizaci díla. Jindy se ocitnou pod tlakem investora, který požaduje snížení nákladů na projekt. Pokud se to stane v rámci projektu bezvýkopové technologie prováděné ve standardních podmínkách, odborně zdatná firma obvykle dokáže najít řešení. Pokud se však tato situace vyskytne v případě HDD vrtání ve skále, bývá tím ohrožen celý projekt.
