Schneckenbohren von Bohrungen: Besonderheiten der Technologie und des Bohrgestänges für manuelles und maschinelles Bohren

Die Schneckenbohrung von Brunnen für Trinkwasser ist heute die gängigste Bohrmethode auf Privatgrundstücken. Mit einer handgeführten Erdbohreinrichtung kann selbstständig ein flacher Wasserbrunnen angelegt werden. Zur Arbeitserleichterung werden häufig kleinformatige Bohranlagen mit Antrieb eingesetzt.

Wir erklären, warum diese Methode so beliebt ist. Wir untersuchen, wie sie sich von anderen Bohrverfahren unterscheidet und in welchen Situationen sie effektiv eingesetzt wird. Der Artikel beschreibt detailliert die Schneckentechnologie und die Konstruktion der Bohrausrüstung sowie die Bohrwerkzeuge, die beim manuellen und mechanischen Bohren verwendet werden.

Besonderheiten der Schneckenbohrung

Eine Bohrung ist eine zylindrische Aussparung in der Erdkruste, die bei großer Länge einen geringen Querschnitt aufweist. Ihr Beginn wird als Bohrlochmund, die Seitenfläche als Bohrlochwand und der Grund der Aussparung als Bohrsohle bezeichnet.

Die optimale Bohrmethode wird unter Berücksichtigung des funktionalen Zwecks des Brunnens, des erforderlichen Durchmessers und der Tiefe gewählt. Wichtig sind die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Gesteine, die beim Bau des Wasserentnahmebauwerks durchteuft werden müssen.

Auch die technisch-wirtschaftliche Zweckmäßigkeit des Bohrens unter den gegebenen Bedingungen ist von Einfluss. Dies ist ein bedeutender Schritt bei der Planung von Brunnen, bei dem grundlegende technologische Entscheidungen getroffen werden – Art der verwendeten Ausrüstung und Bohrmodi.

Die technisch-wirtschaftliche Zweckmäßigkeit der Schneckenbohrmethode wird unter Berücksichtigung der Brunnenqualität, seiner Haltbarkeit, der Bauzeit sowie der Kosten bestimmt

Bei der Planung und dem anschließenden Bohren von Wasserentnahmebrunnen sollte vor allem auf die Langzeitnutzung geachtet werden. Wichtig ist die Fähigkeit, über einen langen Zeitraum eine stabile Schüttung und eine unveränderte Wasserdurchlässigkeit der Bohrsohlenzone zu erhalten.

Der Bohrprozess umfasst mehrere Arbeitsgänge:

1. Zerstörung des Gesteins an der Bohrsohle, d. h. Abtrennung von Partikeln aus dem Gesteinsverband.
2. Transport des abgetragenen Erdreichs an die Oberfläche.
3. Vorbereitung des Brunnens für den Betrieb durch Reinigung und Ausbau des Schachts sowie Durchführung der Spülung des Wasserentnahmebauwerks.

Die Effizienz des Bohrens hängt direkt von den von der Natur vorgegebenen physikalisch-mechanischen Eigenschaften ab, nämlich: der Lagerungsdichte, Porosität, Wasserdurchlässigkeit nichtbindiger Böden, der Konsistenz von tonigen bindigen Gesteinen.

Das Schneckenbohren ist sinnvoll für den Vortrieb von Bohrlöchern mit einem Durchmesser von 60 mm bis 200 mm und einer Tiefe von nicht mehr als 80 m in nichtbindigen und bindigen Böden (Bohrbarkeitskategorie Ⅰ-Ⅲ). Für den Vortrieb in mittelharten Felsgesteinen (Kategorie Ⅳ-Ⅵ) ist der Einsatz eines Schneckenbohrers nicht zweckmäßig.

Für das Bohren von Felsgesteinen, die sich durch Monolithizität und kristalline Bindungsart zwischen den Partikeln auszeichnen, ist diese Methode nicht geeignet. Je fester die Mineralkörner im Gestein konsolidiert sind, desto mehr Arbeit wird für deren Zerstörung aufgewendet.

Vor- und Nachteile der Methode

Die Schneckenbohrvariante wird sowohl in der Industrie als auch im Tiefbau und beim manuellen Bohren von Brunnen eingesetzt. Ihr besonderes Merkmal besteht darin, dass das zerstörte Gestein nicht mit Spülflüssigkeit oder speziellen Gas-Flüssigkeits-Gemischen, sondern direkt mit den Teilen des Schneckenbohrgestänges entfernt wird.

Man unterscheidet vertikal und horizontal gerichtetes Schneckenbohren. Die erste Methode wird beim Bau von Wasserbrunnen sowie zur Herstellung von Pfahllöchern eingesetzt. Die zweite wird bei der grabenlosen Verlegung von Versorgungsleitungen verwendet.

Das Drehbohren in weichen Gesteinen ist im Vergleich zu anderen Verfahren das schnellste und kostengünstigste.

Diese Methode gewährleistet gleichzeitig eine hohe Vortriebsgeschwindigkeit in nicht felsigen Böden bis zu einer Tiefe von 50-80 Metern und ermöglicht es, die Bohrlochwände sofort durch das Einbringen einer Verrohrungsrohrtour zu bilden.

Ein weiterer Vorteil ist die Förderung des abgetragenen Erdreichs an die Oberfläche ohne Anheben des Werkzeugs. Und noch etwas: Da für das Schneckenbohren keine Spülflüssigkeit erforderlich ist, wird es erfolgreich in wasserarmen Regionen sowie in Zeiten mit vorherrschend niedrigen Temperaturen eingesetzt.

Heute wird das Bohren mit Schneckenbohrgeräten eingesetzt:

• Für den Bau von privaten Wasserentnahmebohrungen;
• Beim Bau von Fundamenten aus Schraub-/Bohrpfählen;
• Für die Errichtung von Zäunen und Stahlbetonstützen;
• Bei der grabenlosen Verlegung von Versorgungsleitungen;
• Für den Bau von flachen Brunnen und Baugruben.

Es gibt jedoch auch Nachteile. Mit Schneckenbohrern können keine Bohrlöcher in Gesteinen mit hoher Härte gebohrt werden. Beim Vortrieb in festen und halbfesten Lehmböden, Tonen mit Kalksteineinlagerungen können Komplikationen auftreten, und beim Bohren abrasiver Gesteine wird ein hoher Verschleiß des Bohrwerkzeugs festgestellt.

Außerdem gibt es eine Einschränkung hinsichtlich der Bohrtiefe. Eine Bohrung mit einer Tiefe von mehr als 80 Metern auf diese Weise zu erstellen, ist sehr schwierig.

Technologie des vertikalen Vortriebs

Die Schnecke – ein hochfestes Bohrgestänge mit einer gewendelten Spirale, das als vertikaler Schraubenförderer fungiert. Unter axialer Belastung dringt der Arbeitsteil des Bohrstrangs in das Gestein ein und zerstört es durch Schneiden und Auflockern. Gleichzeitig fördert der Schneckenbohrer das abgetragene Erdreich auf die Spirale der Schnecke.

Der Reinigungsprozess des Bohrlochs erfolgt kontinuierlich und parallel zur Gesteinszerstörung. Das von der Bohrsohle gelöste Erdreich gelangt auf die mit hoher Geschwindigkeit rotierende Schnecke.

Unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte steigt das aufgelockerte Erdreich an den Schaufeln des Bohrstrangs nach oben. Der Aufstieg erfolgt durch das Gleiten entlang der Spirale, da die Reibung des Erdreichs an der Schnecke geringer ist als an den Bohrlochwänden.

So wird das zerstörte Gestein in zerkleinertem Zustand von der Bohrsohle an die Oberfläche transportiert und durch die Bohrlochmündung ausgeworfen. Bei ungehinderter Förderung füllt das Erdreich 30–40 % des gesamten Volumens des Zwischenwindungsraums.

Die Parameter der Schneckensäule müssen einen schnellen Aufstieg der gesamten durch die Schnecke zerstörten Erdmasse gewährleisten. Beim Bohren rieselt jedoch ein Teil des aufgelockerten Erdreichs zurück auf die Bohrsohle. Daher ist bei der Durchführung des Schneckenbohrens eine verstärkte Reinigung des Bohrlochs erforderlich, und nach Abschluss ist eine obligatorische Spülung notwendig.

Horizontal gerichtetes Schneckenbohren

Bei der Verlegung von Versorgungsleitungen unterschiedlicher funktionaler Zweckbestimmung unter Hindernissen (Autobahnen, Eisenbahnstrecken, Waldgebieten) wird das horizontal gerichtete Schneckenbohren eingesetzt.

In der Anfangsphase der Arbeiten werden zwei Gruben ausgehoben – eine Startgrube (Arbeitsgrube) und eine Zielgrube. Sie müssen sich auf gleicher Höhe mit dem geplanten Bohrloch befinden. Anschließend wird die notwendige Ausrüstung in die Arbeitsgrube hinabgelassen und installiert.

Für das horizontal gerichtete Schneckenbohren werden großformatige Anlagen mit einem beweglichen Bohrdrehkopf mit erhöhtem Drehmoment eingesetzt.

Solche Ausrüstung hat einen großen Vorschubweg und ist mit einem verschleißfesten Bohrmeißel aus hochlegiertem Stahl ausgestattet. Darauf ist auch eine Sonde zur Bohrverfolgung montiert. Indem der Bediener Signale auf dem Monitor empfängt, kontrolliert er den Prozessverlauf und kann die Bewegungsrichtung sowie den Neigungswinkel des Bohrmeißels korrigieren.

Wenn die Schnecke in die Zielgrube eintritt, also den Endpunkt gemäß Projekt, wird der Bohrer abgenommen. Stattdessen werden ein Aufweiter und ein Rohr befestigt. Danach wird die Drehung der Schaufeln in die entgegengesetzte Richtung gestartet, um das Rohr in das fertige Bohrloch einzuziehen. Nach Abschluss der Bohrarbeiten wird die Schneckenanlage aus der Startgrube entfernt.

Das grabenlose Verfahren ermöglicht die Verlegung von Rohren unterhalb des Grundwasserspiegels über eine Länge von bis zu 80 m. Dabei werden alle komplexen Arbeiten ohne aufwändigen Grabenaushub durchgeführt, was es ermöglicht, die Ausführungszeit zu minimieren und die finanziellen Kosten zu senken.

Das horizontale Schneckenbohren wird bei der Verlegung von Druckrohrleitungen und der Installation von Kommunikationssystemen in Bereichen eingesetzt, in denen eine Verlegung mit anderen Methoden nicht möglich ist. Der Hauptvorteil der grabenlosen Verlegung ist die Wirtschaftlichkeit. Außerdem ist es nicht erforderlich, zur Unterstützung der Stabilität des fertigen Bauwerks Bentonit oder andere Polymere zu verwenden.

Besonderheiten des Bohrens in verschiedenen Gesteinsarten

Die grundlegenden technologischen Parameter des Bohrlochbohrens sind die Axialbelastung und die Drehzahl der Schnecke des Schneckenförderers. Bei Erhöhung der Last steigt zwangsläufig auch die Vortriebsgeschwindigkeit, was zu verschiedenen Notsituationen führen kann.

Daher muss unbedingt darauf geachtet werden, dass das von der Schnecke pro Zeiteinheit abgetrennte Gesteinsvolumen die Förderleistung des Förderers nicht überschreitet. Andernfalls bilden sich Pfropfen auf den Windungen.

Die Geschwindigkeit des Schneckenbohrens hängt direkt von den Bodeneigenschaften, der Tiefe und dem Durchmesser des Bohrlochs, der Drehzahl des Gestänges, der Axialbelastung auf die Bohrlochsohle und der Konstruktion des verwendeten Gesteinszerstörungswerkzeugs ab.

In der Regel werden plastische tonige Gesteine, lockere Sande und Sande mittlerer Dichte ohne erzwungene Axialbelastung gebohrt. Das Schneckenwerkzeug dringt unter seinem Eigengewicht sowie durch die Reaktionskraft, die beim Transport des abgetragenen Gesteins zur Mündung des zylindrischen Hohlraums entsteht, in den Boden ein.

Axialbelastungen bis zu 5 kN werden in der Regel beim Startbohren des Bohrlochs, beim Bohren in festen Sandlehmen, Lehm, Ton, Tonsteinen, Siltsteinen erzeugt. Die Drehzahl des Gestänges sollte dabei 1,7-3,3 s^-1 nicht überschreiten.

Bei höheren Frequenzen entstehen im Inneren Vibrationen, durch die die Glieder der Bohrgarnitur Verbindungen verlieren können. Infolgedessen bleibt das Bohrgestänge im Bohrloch zurück und kann praktisch nicht mehr geborgen werden, sodass eine neue Bohrung niedergebracht werden muss. Bei niedrigen Frequenzen wird hingegen der Transport des abgetragenen Bodens nach oben stark erschwert.

Mit zunehmender Gesteinshärte werden die Axialbelastungen erhöht. Das Bohren in Kies- und Grus-Schotter-Böden, gefrorenem Lehm, wassergesättigten Sanden, Siltsteinen mit Quarzeinschlüssen erfolgt mit einer Axialbelastung von 8-10 kN auf den Meißel und einer Drehzahl des Gestänges von 1,3-2,2 s^-1.

Kies- und Geröllböden mit Findlingen werden nicht mit der Schneckenmethode gebohrt. Diese gerundeten Bruchstücke von Felsgestein werden mit einem Meißel zerkleinert und mit einer Schappe an die Tagesoberfläche gebracht.

Das Bohren in Sanden unterschiedlicher Dichte und Wassersättigung, Kies- und Schotterablagerungen erfolgt bei hohen Drehzahlen und gleichzeitig werden die Wände des Hohlraums mit Verrohrungen gestützt.

Das Schneckenbohren in weichplastischen und fließplastischen Tonen wird nicht selten durch die Bildung von Pfropfen erschwert. Wenn Tonpartikel am Schneckenwerkzeug haften bleiben, kommt das Vertiefen des Bohrlochs zum Stillstand und der Transport des abgetragenen Gesteins nach oben wird stark erschwert.

Um dies zu vermeiden, senken Sie die Bohrgeschwindigkeit auf das minimal Mögliche, fahren Sie das Bohrgestänge hin und her und fügen Sie Wasser in das Bohrloch hinzu. Auch in einer solchen Situation hilft das regelmäßige Anheben des Bohrwerkzeugs an die Oberfläche und das Reinigen von anhaftendem Lehm.

Werkzeuge für die Schneckenbohrung

Werkzeuge für das Schneckenbohren von Bohrlöchern unterscheiden sich je nach Konstruktionstyp durch die Anzahl der Windungen und die Geometrie des Schneidenteils. Für das Durchteufen von festen und halbfesten Sand-Lehm-Gemischen und Lehmböden werden häufig Bohrgarnituren verwendet, deren Schneide mit zusätzlichen Schneidzähnen versehen ist.

Am häufigsten wird für den Vortrieb eines Wasserentnahmebohrlochs für Privatpersonen nur eine einzelne Start-Schnecke ohne jegliche Zusätze verwendet, da es sich um sedimentäre bindige und nichtbindige Gesteine handelt, die gebohrt werden müssen. Beim Tiefergehen wird das Werkzeug einfach durch Bohrgestänge verlängert.

In diesem Fall wird die Bohrgarnitur alle 0,5 – 0,7 m aus dem Bohrloch gezogen, um den Bohrer selbst und die Bohrsohle von zerstörtem Gestein zu reinigen. Dies ist eine wirtschaftlichere, aber auch arbeitsintensivere Variante des Bohrens.

Für das Aufbohren von Findlingen und Kies, die in Sedimentböden vorkommen können, wird auf das Seilbohrverfahren umgestiegen. In der Regel wird dazu ein Meißel aus Werkzeugstahl verwendet. Dieser an der Unterseite angespitzte Bohrer wird mit Kraft auf die Bohrsohle „geworfen“, bis das „harte Hindernis“ zerstört ist.

Nach dem Zerstören von Kies oder Findlingen werden die Bruchstücke mit einem Glaszylinder (Kernrohr) oder einer Bailer an die Oberfläche geholt. Danach wird wieder zur Schneckenmethode übergegangen. Meistens müssen für die Herstellung einer Bohrung mehrere Bohrverfahren kombiniert eingesetzt werden.

Beim Bohren von lockeren Sanden und weichen Lehmen werden Schneckenbohrgarnituren mit zur Bohrsohle hin abgewinkelten Schaufeln unter einem Winkel von 30-60° verwendet, für das Bohren in bindigen Tongesteinen – 90°.

Konstruktionsmäßig besteht eine Schnecke aus einem Rohr oder einem langen Vollstab/-stange mit einer aufgewickelten Spirale.

Diese Spirale wird durch Aufwickeln eines hochfesten Stahlbandes mit einem Durchmesser von 5-7 mm auf einen Schraubdorn hergestellt. Sie wird auf das Rohr/den Stab gespannt und dann angeschweißt.

Je größer der Durchmesser des Grundrohrs, desto geringer ist die Transportkapazität der Schnecke. Allerdings ist der Durchmesser des langen Produkts durch die mechanische Festigkeit der Schnecke sowie durch die Herstellungstechnologie begrenzt.

Heute werden zwei Arten von Schnecken hergestellt:

• Mit zentraler Bohrung, also hohl;
• Schwere – ohne Bohrung.

Um den Verschleiß der Schneckenförderer beim Bohren in abrasiven Gesteinen zu minimieren, wird auf die äußere Kante ein Stahlband aufgewickelt oder eine Metallschicht auf die Oberfläche aufgeschweißt.

Bei hohen Geschwindigkeiten des Schneckenbohrens wird über der Bohrgarnitur ein spezieller Adapter mit zweigängiger Wicklung aus Bandstahl befestigt. Dabei gelangt die Hauptmasse des Gesteins ohne Zerreibung auf den Schneckenförderer.

Am Ende des Rohres mit aufgewickelter Spirale werden unbedingt Verbindungselemente angeschweißt. Man unterscheidet zwei Arten der Schneckenverbindung: gewindelos und mit Gewinde. Im ersten Fall werden die Schnecken mit Muffenverschlüssen verbunden und durch Metallstifte mit Sicherungen gehalten, im zweiten Fall durch Einschrauben.

Die Gewindeverbindung der Schnecken zum Bohrstrang ermöglicht die Mechanisierung ihres Verbindens und Trennens bei den Ein- und Ausfahrvorgängen sowie bei der Förderung von Flüssigkeit zum Bohrlochgrund. Es gibt jedoch einen wesentlichen Nachteil – die Möglichkeit der Rückwärtsdrehung der Schnecken besteht in diesem Fall nicht. Daher hat sich die gewindelose Verbindung weiter verbreitet.

Spezielle Bohranlagen umfassen in der Regel einen Satz Schnecken unterschiedlicher Durchmesser.

Am effektivsten sind Schnecken mit einer zentralen Öffnung, durch die Luft oder Wasser zum Bohrlochgrund gefördert wird. Dies ermöglicht es, die Reibung des Gesteins an der Oberfläche des Schneckenförderers zu verringern.

Hohlschnecken mit Gewindeverbindung werden beim Bohren mit Spülung eingesetzt, zum Abpumpen von Wasser beim Vortrieb zylindrischer Hohlräume in der Erdkruste, zum Einbringen von Ladungen in geophysikalische Bohrlöcher, zum Einpressen von Beton in Pfahllöcher. Sie können auch als Verrohrung verwendet werden.

Beim Bohren mit Vollbohrkrone wird der zentrale Kanal durch ein Bohrwerkzeug an einem Seil verschlossen.

Überblick über Bohranlagen

Für das Schneckenbohren werden sowohl Handwerkzeuge als auch mechanisierte Anlagen eingesetzt. Das einfachste in der Konstruktion ist der handgeführte Erdbohrer. Er besteht aus einem Stab/Rohr mit einem schneckenförmigen Messer und einem fest fixierten T-förmigen Handgriff.

Ein Bohrwerkzeug dieser Art wird wie ein Korkenzieher in den Boden geschraubt. Während des Vortriebs wird es durch Gestänge verlängert. Hand-Erdbohrer werden zerlegbar hergestellt, damit sie möglichst bequem in einem Pkw transportiert werden können. Außerdem ermöglicht dies, die Länge der Schneckenbohrsäule zu verändern.

Mit Handwerkzeugen können Löcher mit einer Tiefe von bis zu 2 Metern und einem Durchmesser von nicht mehr als 20 Zentimetern gebohrt werden. Es gibt auch Motorbohrer mit Benzin- oder Elektroantrieb. Ihre Konstruktion umfasst einen Schneckenförderer, also eine Schnecke, und einen Motor mit Getriebe. Die Drehung der Motorwelle sorgt für die Bewegung der Schnecke.

Mit einem angetriebenen Werkzeug und Bohrgestänge zur Verlängerung können Bohrlöcher mit einer Tiefe von bis zu 25 Metern gebohrt werden. Bei einem Durchmesser von bis zu 30 Zentimetern wird es für die Installation von Beleuchtungsmasten im Freien, für die Montage von Zaunpfählen, für Schürfgruben zur Untersuchung von Fundamenten und Erdreich verwendet.

Das Bohren von Wasserbrunnen auf Privatgrundstücken und die Bildung von Löchern mit großem Durchmesser für Pfahlgründungen werden mit tragbaren Kleinbohrmaschinen oder Bohranlagen auf mobiler Technik durchgeführt.

Mobile Aggregate sind Anlagen kleiner Größe mit Elektro- oder Benzinmotor. Mit ihnen kann schnell ein Brunnen für das Wochenendhaus gebohrt und eine große Anzahl von Gruben für Stützen verschiedener funktionaler Zwecke vorbereitet werden.

Häufig werden solche Bohrmaschinen als Anhänger für Personenkraftwagen hergestellt, um den Transport zum Einsatzort zu erleichtern.

Im zivilen und industriellen Bauwesen werden für die Erstellung von Bohrlöchern großer Tiefe und großen Durchmessers spezielle Schneckenausrüstungen eingesetzt, die auf Fahrzeugen – Lastkraftwagen, Traktoren – montiert sind.

Sie werden bei der Montage von Masten für Hochspannungsleitungen und Straßenbeleuchtung, bei der Installation von Zaunpfosten für Stadien, Sportkomplexe, Industrieanlagen und Flugplätze verwendet. Darüber hinaus werden mit Schneckenbohranlagen auf Fahrzeugen Spundwände für Baugruben errichtet und Schraubpfähle gesetzt.

Nützliches Video zum Thema

Schneckenbohren eines Wasserbrunnens mit einer Tiefe von 20 m auf dem Grundstück eines Privathaushalts:

In diesem Video wird die Technologie des horizontalen Schneckenbohrens eines Brunnens für die Verlegung von Leitungen unter einer Autobahn gezeigt:

Errichtung von Pfählen mit einem durchgehenden Schneckenbohrer großen Durchmessers mit zentralem Kanal. Für die Arbeiten werden ein Bohrgerät Bauer BG-30 und eine leistungsstarke stationäre Betonpumpe Liebherr eingesetzt:

Die Schneckenmethode gewährleistet hohe Bohrgeschwindigkeiten. Das Bohren des Brunnens und der Abtransport des abgetragenen Erdreichs vom Bohrlochgrund zur Bohrlochmündung erfolgt gleichzeitig und kontinuierlich, was sowohl Zeit als auch Mühe der Bohrmannschaft und die in das Projekt investierten Mittel spart. Daher erfreut sich die Schneckenbohrmethode großer Beliebtheit.

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