Jakmile se v minulosti během realizace stavby objevila v podloží skála, bezvýkopová technologie ustoupila a stavaři se vraceli k výkopům. Vrtání ve skále byla proto velká výzva.
Dnes jsme mnohem dále jak vybavením, tak především zkušenostmi. 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 neakceptovala, 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 říct, které horniny se zde vyskytují a jakou mají pevnost v prostém tlaku, nakolik jsou zvětrané, měl by podat informace o mocnosti a sklonu jednotlivých vrstev, o hydrogeologických poměrech apod. Tyto informace zprávy geologického průzkumu zcela 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 vznikl stovky metrů od místa připravovaného projektu. Výrazně tím klesá pravděpodobnost úspěšné realizace. Cena neúspěšného projektu, ať už ji zaplatí kdokoliv, je řádově vyšší, než je cena geologického průzkumu provedeného v budoucím místě vrtání.
Pro řízené horizontální vrtání prováděné v zeminách standardním způsobem je obvyklé zatřídění dle těžitelnosti hornin dle normy ČSN 73 6133, dříve ČSN 73 30 50, což pro základní zhodnocení podmínek je dostatečné. Pokud je však plánován vrt ve třídách těžitelnosti 5 až 7, z pohledu vrtaře je tato informace nedostatečná a mnohem lépe ji vystihuje ČSN EN ISO 14689, případně stará norma ČSN 72 10 01 dělící 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 zde patří 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 třídy R3 jsou nejčastěji zdravé sedimentární horniny jako pískovce, jílovce nebo prachovce, resp. 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 třídy R2. Patří zde zdravé vápence a pískovce, droby, pararuly svory apod. Tyto horniny již musíme vrtat valivými dláty osazenými roubíky ze slinutých karbidů vyšších pevnostních parametrů a během vrtání se dají očekávat nejrůznější komplikace typu střídání tvrdších a měkčích vrstev, zlomů a kaveren apod.
- Horniny velmi vysoké pevnosti v prostém tlaku 150 až 250 MPa třídy R1 jsou pro valivá dláta s roubíky ze slinutých karbidů již příliš náročným soustem. Jejich použití sice není nemožné, je však neefektivní a drahé, často totiž dochází k příliš rychlému zničení těchto nástrojů. Otevírá se zde prostor pro nástroje osazené polykrystalickými diamanty nebo jejich odvrtání pomocí pneumatických ponorných kladiv.
- Horniny s extrémní pevností v prostém tlaku nad 250 MPa tříd 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 jejich abrazivita, kterou můžeme 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 anebo systémem duálních vrtných tyčí. Oba systémy se liší především způsobem přenosu kroutícího momentu na valivá dláta, které mají oba typy nástrojů na svém čele.
Mud Motor je vrtný nástroj, který pro zajištění kroutícího momentu valivých dlát využívá energie proudícího výplachu otáčejícího šroubovicovým rotorem. Při průtoku vrtného výplachu 600 litrů za minutu nebo více dosahuje dostatečného kroutícího momentu, délka těla tohoto nástroje však přesahuje 5 metrů, čímž se dosti omezuje dosažitelný rádius vrtaného oblouku. Proto je tento typ pilotního nástroje používán nejčastěji pro velké stroje a velmi dlouhé vrty, kdy menší rádius vrtaného oblouku není nedostatkem.
Systém duálních vrtných tyčí se častěji používá u menších strojů do 30 tun tahu. S těmito případy se setkáváme nejčastěji. Duální vrtná tyč je laicky řečeno tyč v tyči, kdy kroutící moment na valivá dláta je přenášen vnitřní tyčí a vnější tyč se využívá jako u běžného vrtání pro přenos přítlačné síly i pro rotaci celého vrtného nástroje. Systém nepotřebuje takové množství výplachu jako Mud Motor, je schopen lépe směrovat vrt a vytvořit požadovaný oblouk. Ve svém důsledku tak vrty prováděné systémem s duálními tyčemi mohou dosáhnout cíle na kratší vzdálenost.
Minimální rádius oblouku je v obou případech několikanásobně větší, než je tomu u vrtání v zeminách. I toto je důvod pro konzultaci připravovaného projektu s pracovníky realizační firmy.
Valivá dláta
Valivá dláta jsou nejčastěji užívané vrtné nástroje. Principem vrtání je odvalování tří konických hlaviček osazených roubíky po hornině, čímž dochází k jejímu rozemílání. Uvolněné částečky jsou vynášeny vrtným výplachem ven z vrtaného otvoru. Z konstrukčního hlediska mají dvě úskalí. Prvním je abrazivita vrtané horniny, která může vést k rychlému opotřebení nástrojů. Jejich průměrná životnost např. v horninách vysoké pevnosti je podle typu použitých karbidů pouze 150 až 200 metrů. Druhým úskalím je skutečnost, že valivá ložiska v jednotlivých satelitech pracují v prostředí vrtného výplachu obsahujícího jemnozrnné částečky odvrtané horniny a snadno dochází k porušení těsnícího systému a k destrukci satelitu během vrtání. K destrukci nástroje může dojít i průchodem přes kaverny nebo vylamující se bloky horniny. Přesto s ohledem na cenu valivých dlát a na flexibilitu použití jsou valivá dláta nejčastěji používaný nástroj.
Jak se řídí vrt ve skále?
Vrtný nástroj je doutníkového tvaru, pouze přední část s valivými dláty je odkloněna od osy nástroje o 1 až 3 stupně. Tím je umožněno směrování vrtu. Tělo vrtného nástroje v běžném režimu rotuje a zároveň rotují i valivá dláta. Vrtání probíhá v přímém směru. Pokud však obsluha zastaví rotaci nástroje, pootočí valivými dláty do požadovaného směru a dále nechá rotovat pouze valivá dláta, pak se po čase vrt odkloní z původní osy. Z popsaného principu jasně vyplývá, že provedení změny směru vrtání je velmi pozvolné a dosažitelné oblouky mají rádius 150 m a více.
Vrtné nástroje osazené polykrystalickými diamanty
Vrtný nástroj je kompaktní, bez rotujících satelitů (viz obr. na následující straně). Jeho práce je tedy spíše obrušování horniny. Velkou výhodou je nepřítomnost valivých ložisek v těle nástroje a mnohem vyšší životnost nástroje. Použití PCD je bohužel vykoupeno mnohem vyšší cenou. Dnes tyto nástroje procházejí obdobím prudkého rozvoje, výrobci sledují opotřebení nástrojů v různých situacích a pak počítačově modelují nová konstrukční řešení. Roste tím efektivita a životnost těchto nástrojů a dá se přepokládat, že se postupně rozšíří na úkor valivých dlát.
Aplikace ponorného kladiva pro HDD
Ponorné kladivo využívá rotačně příklepového účinku 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 tedy vyžaduje úpravu vrtného zařízení a hlavně doplnění soupravy o velmi výkonný kompresor. Vzhledem k nákladnosti řešení se tato modifikace metody HDD neobjevuje často.
Novinkou je stroj, který kombinuje protlačování ocelového potrubí s využitím pneumatického ponorného kladiva. Je to zajímavá eventualita pro určité případy bezvýkopového pokládání ocelových potrubí, především v místech s výskytem hornin velmi vysoké pevnosti nebo při protlačování v místech přechodu mezi tvrdší a měkčí horninou. Nevýhodu 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 i velké částečky z vrtu ven, dojde k jejich sedimentaci ve vrtu a tím nejprve ke zvyšování odporu proti pohybu vrtného nářadí ve vrtu a posléze k jeho zablokování ve vrtu. A to znamená havárii vrtu s nenávratnou ztrátou vrtného nářadí a vrtných tyčí. Proto záleží na znalosti horninového prostředí a posouzení vlastností rozvolněných částeček horniny. Na základě daných informací je pak upravována receptura výplachu, vedoucí ke zvýšení efektivity procesu výnosu přidáváním polymerů zamezujících sedimentaci a zlepšujících reologické vlastnosti proudící kapaliny.
Je nutné si uvědomit, že proces vrtání v horninách je výrazně pomalejší, než u vrtání v zeminách. Po celou tuto dobu musíme zajištovat 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 4 hodiny včetně vtažení potrubí. Provedení stejného úkolu v hornině vysoké pevnosti je otázka cca 30 až 35 hodin. Vznikají tak stovky metrů kubických výplachů, které si vynucují využití technologie recyklace vrtného výplachu (viz obr.). Důvod je především ekonomický. I přes nákladnost recyklace se snižují náklady na přípravu výplachu, a především se snižuje jeho celkové množství, které by bylo nutné po ukončení vrtu vyčerpat, transportovat a uložit na skládce. A toto je výrazná 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 a v rozpočtu by se měla objevit položka na likvidaci tohoto výplachu po ukončení stavby.
Slovo závěrem
Nákladovost vrtání ve skále je několikanásobně vyšší, než je to u vrtání ve standardních podmínkách. Pokud se zamyslíte nad předchozími odstavci, bude vám jasné, proč je tomu tak. Přesto je to v mnoha případech jediné řešení, jak překonat překážky v trase stavby. Mnohdy jsou náklady na provedení výkopů ve skalním prostředí nebo na provedení stavby v 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 zase ocitnou pod tlakem investora, který požaduje snížení nákladů na projekt. Pokud se toto 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 tímto ohrožen celý projekt.
Ing. Ivan Demjan
TALPA-RPF, s.r.o.
