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Die Erfindung betrifft eine Injektionsvorrichtung
zum Injizieren einer Flüssigkeit
in den Boden, insbesondere zur Herstellung von Gründungen,
Unterfangungen oder Abdichtungen im Boden, mit einem rohrförmigen Grundkörper, an
dessen Außenseite
mindestens eine Schneidstrahldüse
zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahles
aus der Flüssigkeit und
eine die Schneidstrahldüse
umgebende Ringdüse
zum Erzeugen eines den Flüssigkeitsstrahl
umhüllenden
Gasstrahles ausgebildet sind.
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Eine gattungsgemäße Injektionsvorrichtung ist
beispielsweise aus der
DE
21 24 385 A bekannt. Mit dieser Injektionsvorrichtung können beispielsweise
zum Abdichten von Baugruben spezielle Wasser abschirmende Stoffe
gezielt in Bodenschichten eingebracht werden. Auf diese Weise kann
unterhalb einer Baugrube eine Wasser sperrende Dichtwanne erstellt
werden. Weiterhin kann eine solche Injektionsvorrichtung auch zum
Einbringen einer abbindbaren Suspension zur Erstellung von Unterfangungen, Gründungen
oder Bodenverbesserungen eingesetzt werden.
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Die jeweils zu injizierende Flüssigkeit
wird dabei unter einem hohen Druck in den Boden eingespritzt, um
in einem möglichst
großen
Umkreis um die Injektionsstelle die Flüs sigkeit einzubringen. Der sich
ergebende Hochdruck- oder Schneidstrahl kann dabei den umgebenden
Boden lockern oder zumindest teilsweise entfernen.
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Um die Reichweite und Wirkung des Schneidstrahls
zu erhöhen,
ist es aus der
DE 21
24 385 A bekannt, den Schneidstrahl durch einen diesen umgebenden
Gasstrahl aus einer Ringdüse
zu umhüllen.
Diese Druckluftummantelung sorgt für eine gewisse Verdrängung umgebender
Suspension und von Bodenmaterial um den eigentlichen Flüssigkeitsschneidstrahl.
Allerdings wird auch bei dieser Anordnung ab einem gewissen Abstand
von dem Düsenaustritt
der ringförmige
Druckluftstrahl durch die umgebende Suspension und das Bodenmaterial
zum mittigen Schneidstrahl hin abgelenkt, so dass die Reichweitenwirkung
hierdurch begrenzt wird. Eine Erhöhung der Reichweite ist nur
mit einer entsprechenden Druckerhöhung möglich, was jeoch zu einem drastisch
erhöhten
Energieverbrauch führt.
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Weiterhin ist es aus der
DE 35 16 756 C1 bekannt,
statt einer den Schneidstrahl umgebenden Ringdüse einzelne Gasstrahldüsen im Nahbereich der
Schneidstrahldüse
anzuordnen. Mit einer solchen vereinfachten Anordnung der Gasstrahldüsen kann
eine vergleichbare Reichweite wie bei einer Ringdüse erzeugt
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Injektionsvorrichtung anzugeben, mit welcher bei einem möglichst
geringen Energieaufwand zur Druckerzeugung eine hohe Reichweite
des Schneidstrahles erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Injektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Injektionsvorrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich
zu der Ringdüse
mindestens eine Vorspüldüse zum Erzeugen
eines weiteren Gasstrahles vorgesehen ist und dass die Vorspüldüse in Richtung
auf das bodenseitige Ende des rohrförmigen Grundkörpers unterhalb der
Ringdüse
mit einem vorgegebenen Abstand angeordnet ist. Die Vorspüldüse unterhalb
der Ringdüse
sorgt für
eine gewisse Vorverdrängung
des Bodenmateriales und der Suspension, so dass eine Abschwächung der
durch die Ringdüse
erzeugten Luftummantelung durch die umgebende Suspension und das
umgebende Bodenmaterial verringert wird. Aufgrund des vorgegebenen
Abstandes der Vorspüldüse zu der
Ringdüse
und der darin angeordneten Schneidstrahldüse kann der durch die Vorspüldüse erzeugte
Gasstrahl den Schneidstrahl in einer größeren Entfernung kreuzen, so
dass hierdurch nochmal ein zusätzlicher
Freiraum für
den Schneidstrahl geschaffen wird. Hierdurch kann sich eine weitere Reichweitenerhöhung ergeben.
Es hat sich dabei überraschenderweise
herausgestellt, dass mit der erfindungsgemäßen zusätzlichen Vorspüldüse bei gleichem
Energieaufwand zur Druckerzeugung im Vergleich zu einer herkömmlichen
Ringdüsenanordnung eine
Reichweitenerhöhung
erzielen lässt.
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Die Ringdüse kann durch einen ringförmigen Schlitz
um die Schneidstrahldüse
gebildet sein. Eine besonders energieeffiziente Ringdüsenanordnung ergibt
sich nach der Erfindung dadurch; dass die Ringdüse durch mehrere Düsenöffnungen
gebildet ist, welche die Schneidstrahldüse ringförmig umgeben. Vorzugsweise
weisen die Düsenöffnungen
der Ringdüse
einen gleichen Abstand zur Schneidstrahldüse auf. Die Düsenöffnungen
können
dabei einen kreisförmigen,
eckigen, stabförmigen
oder bogenförmigen
Querschnitt aufweisen.
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Die Vorspüldüse kann in einer einfachen Ausführung in
Achsrichtung unterhalb der Ringdüse angeordnet
sein. Eine bevorzugte Ausführungsform nach
der Erfindung besteht darin, dass in Umfangsrichtung des rohrförmigen Grundkörpers die
Vorspüldüse gegenüber der
Schneidstrahldüse
um einen Vorlaufwinkel versetzt angeordnet ist. Hierdurch kann berücksichtigt
werden, dass bei einer Drehung der Injektionsvorrichtung der durch
die Vorspüldüse erzeugte
Gasstrahl abgelenkt wird. Dies kann durch den Vorlaufwinkel kompensiert
werden, so dass der Gasstrahl der Vorspüldüse den Schneidstrahl in einem
gewünschten
Bereich kreuzt.
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Eine weitere Justierung des Gasstrahles
der Vorspüldüse kann
nach der Erfindung dadurch erreicht werden, dass ein Austrittswinkel
der Vorspüldüse gegenüber einer
Austrittseinrichtung der Schneidstrahldüse geneigt ist.
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Während
die Ringdüse
im unmittelbaren Nahbereich der Schneidstrahldüse mit einem Abstand von weniger
als einem Düsendurchmesser oder
nur einigen Düsendurchmessern
angeordnet ist, ist die Vorspüldüse gegenüber der
Schneidstrahldüse
in einem deutlich größeren Abstand
angeordnet. Dieser entspricht etwa zumindest dem Zehnfachen eines
Düsendurchmessers,
wobei bevorzugt ist, dass der Abstand zwischen der Vorspüldüse und der
Schneidstrahldüse
zwischen 5 cm und 50 cm, vorzugsweise zwischen 20 cm und 30 cm beträgt.
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Zur Druckmedienversorgung sind innerhalb des
rohrförmigen
Grundkörpers,
welches ein zusammensetzbares Gestänge sein kann, Leitungen vorgesehen.
Dabei kann für
jede einzelne Düse
eine separate Leitung ausgebildet sein, über welche die jeweilige Düse mit einer
Druckerzeugungseinrichtung verbunden ist. Eine besonders einfache
und kompakte Injektionsvorrichtung ergibt sich nach der Erfindung dadurch,
dass die Vorspüldüse und die
Ringdüse
an dieselbe Gasleitung innerhalb des rohrförmigen Grundkörpers angeschlossen
sind.
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Für
ein leichtes Einbringen der Injektionsvorrichtung in den Boden ist
es nach der Erfindung vorgesehen, dass am bodenseitigen Ende des
rohrförmigen
Grundkörpers
ein Bohrwerkzeug angeordnet ist. Dies kann eine Bohrkrone sein,
welche beim Eindrehen der Injektionsvorrichtung in den Boden Bodenmaterial
seitlich verdrängt.
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Ein wirksamer Schneid- und Gasstrahl
wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Düsenöffnungen
einen Durchmesser zwischen 3 bis 15 mm aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Injektionsvorrichtung ist
vorzugsweise an einem Injektionsgerät vorgesehen, welches eine
Druckerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Druckes für eine Flüssigkeit
und ein Gas und einen Antrieb zum drehenden und/oder linearen Bewegen
der stangenförmigen
Injektionsvorrichtung aufweist. Die Druckerzeugungseinrichtung ist
dabei so ausgebildet, dass durch diese ein Druck zwischen 4 und
20 bar erzeugbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben, welche schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Injektionsvorrichtung;
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2 eine
schematische Vorderansicht auf eine abgewandelte erfindungsgemäße Injektionsvorrichtung
und
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3 eine
schematische Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Injektionsvorrichtung
mit alternativen Düsenanordnungen.
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Gemäß 1 umfasst eine erfindungsgemäße Injektionsvorrichtung 10 zur
Herstellung von säulen-
oder scheibenförmigen
Körpern
im Boden nach dem Düsenstrahlverfahren
bzw. dem HDI-Verfahren (Hochdruck-Injektions-Verfahren) an ihrem unteren
Endbereich eines rohrförmigen
Grundkörpers 9 eine
Schneidstrahldüse 1,
welche über
einen Hochdruckkanal 5 mit einer zu injizierenden Flüssigkeit
versorgt wird. Die Flüssigkeit
tritt als ein Schneidstrahl 3 etwa radial zur Längsachse
der rohrförmigen Injektionseinrichtung
aus. Dies ist schematisch durch einen Pfeil dargestellt. Dieser
Schneidstrahl 3 ist vorzugsweise senkrecht zur Rohrachse,
kann aber auch leicht nach oben oder unten geneigt sein. Durch den Hochdruckkanal 5 kann
als das Hauptschneidmedium Wasser oder eine Bindemittelsuspension
gepumpt werden.
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Die Schneidstrahlsüse ist von
einem ringförmigen
Schlitz umgeben, welcher die Ringdüse 2 bildet. In Achsrichtung
unterhalb der Ringdüse 2 ist
mit deutlichem Abstand dazu eine einzelne Vorspüldüse 6 angeordnet. Die
Ringdüse 2 sowie
die Vorspüldüse 6 sind
an eine gemeinsame Gasleitung 4 angeschlossen, welche innerhalb
des rohrförmigen Grundkörpers 9 verläuft.
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Durch die Ringdüse 2 wird ein ringförmiger Hochdruck-Gasstrahl,
vorzugsweise ein Druckluftstrahl erzeugt, welcher den Schneidstrahl 3 ummantelt.
Hierdurch wird ein Freiraum für
den Schneidstrahl 3 gebildet, der ein vorzeitiges Abbremsen
und Abschwächen
des Schneidstrahles 3 durch umgebende Suspension und Bodenmaterial
verhindert.
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Das gleiche Druckgas versorgt die
Vorspüldüse 6,
welche einen schematisch mit einem Pfeil dargestellten Gasstrahl 7 erzeugt.
Der Gasstrahl 7 kann gegenüber der Rohrachse der Injektionsvorrichtung
um einen Winkel α zum
Schneidstrahl 3 hin geneigt sein. Aufgrund des in Betrieb
umgebenden Bodenmateriales und der umgebenden Suspension wird der
Gasstrahl 7 abgebremst und aufgrund eines Auftriebes bogenförmig in
Richtung zum Schneidstrahl 3 hin abgelenkt, was schematisch
durch eine gestrichelte Linie 8 dargestellt ist. Durch
den vorgegebenen Abstand der Vorspüldüse 6 zur Schneidstrahldüse 1 kreuzt
der Gasstrahl 7 den Schneidstrahl 3 erst in größerer Entfernung
vom Grundkörper 9 und
verbessert so zusätzlich
zur Luftummantelung durch die Ringdüse 2 die Reichweite
des Schneidstrahles 3. Der Gasstrahl 7 aus der
Vorspüldüse 6 kann
teilweise die den Schneidstrahl 3 umgebende Suspension
beiseite drängen
und erleichtert dabei dessen Schneidwirkung im Boden.
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Der Winkel α, welcher den Austrittswinkel des
Gasstrahles 7° zur
Rohrachse angibt, ist vorzugsweise 90°, kann aber auch zwischen 45° und 135° je nach
Einsatzzweck eingestellt sein.
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Am unteren, bodenseitigen Ende des
rohrförmigen
Grundkörpers 9 ist
ein Bohrwerkzeug 11 angeordnet, welches beim Eindrehen
der Injektionsvorrichtung 10 in den Boden Bodenmaterial
seitlich verdrängt.
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In 2 ist
eine Injektionsvorrichtung 10 dargestellt, bei welcher
die Ringdüse 2 durch
eine Vielzahl einzelner Düsenöffnungen
ausgebildet ist, welche ringförmig
um die Schneiddüse 1 angeodnet
ist. Die Vorspüldüse 6 ist
um den Betrag A senkrecht unterhalb der Schneiddüse 1 und zusätzlich um
den Betrag B in Umfangsrichtung versetzt zur Schneiddüse 1 angeordnet.
Hierdurch ergibt sich ein definierter Vorlaufwinkel zwischen der
Vorspüldüse 6 und
der Schneiddüse 1,
wodurch auch während
einer Drehung der Injektionsvorrichtung 10 der durch die
Vorspüldüse 6 gebildete
Gasstrahl den Schneidstrahl kreuzen kann. Abhängig vom Einsatzzweck kann
der Versatz B nicht nur in Drehrichtung sondern auch entgegengesetzt
der Drehrichtung vorgesehen sein.
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In 3 ist
ein waagerechter Schnitt durch den Grundkörper 9 dargestellt.
Diese Darstellung zeigt dabei die horizontalen Winkel der Austrittsrichtung
des Gasstrahles 7 der Vorspüldüse 6, wie sie bezüglich einer
Rohrachse 12 verlaufen kann. So gibt es Ausführungsformen,
bei denen der Austritt des Gasstrahles 7 unter einem Winkel β von bevorzugter Weise
90° erfolgt,
d.h. die Austrittsrichtung ist auch in horizontaler Richtung im
Wesentlichen radial.
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Eine weitere Ausführungsform ist gegeben, wenn
die Richtung des Gasstrahles 7 unter einem Winkel γ austritt,
der zwischen +/– 45° zur radialen Richtung
liegt, wie dies ebenfalls in 3 dargestellt ist.
Dieser Anstellwinkel γ kann
sich insbesondere bei größerer Drehgeschwindigkeit
der Injektionsvorrichtung 10 vorteilhaft auf die Reichweite
des Schneidstrahles 3 auswirken.