DE19834731C1 - Meßvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Durchmessers eines HDI-Körpers - Google Patents
Meßvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Durchmessers eines HDI-KörpersInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Be
stimmen des Durchmessers eines HDI-Körpers nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 5.
Auf dem Gebiet des Tiefbaus ist es bekannt, mittels eines Hoch
druckinjektionsverfahrens (HDI), das auch Düsenstrahlverfahren
genannt wird, Säulen oder Scheiben von derartigen HDI-Körpern
im Erdreich herzustellen. Zur Vereinfachung wird nachfolgend in
diesem Zusammenhang von HDI-Körpern gesprochen, es sollen unter
diesem Begriff Säulen, Scheiben und Scheibensegmente fallen,
die mit einem Hochdruckinjektionsverfahren hergestellt wurden.
Die HDI-Körper werden zur Gründung eines Bauwerks, zur Bildung
von Stützwänden und Dichtsohlen u. ä. verwendet. Stützwände und
Dichtsohlen werden dadurch gebildet, daß HDI-Körper unmittelbar
nebeneinander erzeugt werden, wobei sich die Ränder zur Bildung
einer geschlossenen Fläche überschneiden.
Es ist dabei erforderlich, daß die HDI-Körper, welche insgesamt
die geschlossene und dichte Wand oder Dichtsohle bilden sollen,
stets einen vorgesehenen Durchmesser aufweisen. In der Praxis
kann jedoch gelegentlich der Fall eintreten, daß ein HDI-Körper
eine Verengung aufweist, die in der Wand oder Sohle zu einer
undichten Fehlstelle führen kann, wenn dadurch keine ausrei
chende Verbindung mit dem benachbarten HDI-Körper hergestellt
wird. Dies rührt von Inhomogenitäten im zu bearbeitenden Erd
reich, typischerweise unterschiedlichen Festigkeiten des Bodens
oder Geröll, her. Der Hochdruckinjektionsstrahl kann dabei
nicht in der gewünschten, den gleichmäßigen Durchmesser der
HDI-Körper bestimmenden Strecke in das Erdreich injiziert wer
den.
Man arbeitet deshalb häufig mit sogenannten Sicherheitsvor
halten, d. h., man erstellt die HDI-Körper mit größerem Durch
messer als eigentlich erforderlich wäre. Dies kostet unnötig
Zeit und Material, denn man muß demzufolge für eine vorgegebene
Fläche mehr HDI-Körper vorsehen als in einem Fall, in dem sol
che Fehlstellen nicht auftreten und demzufolge keine Vorhalte
vorzusehen sind.
Deshalb ist es wünschenswert, bereits während jedes einzelnen
Injektionsvorganges den aktuell erreichten Durchmesser ermit
teln zu können um sicherstellen zu können, daß der gewünschte
Durchmesser über die gesamte Höhe der HDI-Körper auch sicher
erreicht ist.
Zu diesem Zweck sieht die DE 196 22 282 C1 ein Verfahren und
eine Vorrichtung vor, mit welchem während der Herstellung eines
HDI-Körpers dessen Durchmesser ermittelbar wird. Diese beruhen
auf einer Ultraschall-Laufzeitmessung in Verbindung mit einem
definierten flüssigen Medium, z. B. Wasser, das zu diesem Zweck
separat in das Hochdruckinjektionsmaterial als Meßstrahl einge
spritzt wird. Nachteilig dabei ist, daß nicht in jedem Fall si
chergestellt ist, daß sich das Meßsignal innerhalb des Meß
strahles oder in dessen unmittelbarer Umgebung fortpflanzt,
sondern daß es sich in Abhängigkeit von Materialgegebenheiten
in der Umgebung des Meßstrahls unter Umständen auf nicht vorge
sehenen Bahnen fortpflanzt und so das Meßergebnis verfälscht.
Darüber hinaus verursacht ein Meßstrahl aus einem zusätzlich
zugeführten Fluid unerwünschte Kosten. Unter Umständen wird
auch die Konsistenz des Hochdruckinjektionsmaterials negativ
beeinflußt.
Ferner ist aus DE 44 29 917 A1 ein Meßverfahren mit einem
schirmartigen Meßgestänge bekannt. Aus der Stellung und radia
len Abspreizung von Tastarmen wird der Abstand zum festen
Außenrand des HDI-Körpers bestimmt, solange das injizierte Ma
terial noch nicht ausgehärtet ist. Die Gestängekonstruktion
führt systembedingt dazu, daß der zu messende HDI-Körper nicht
über seine gesamte Höhe überwacht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Meßvor
richtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Durchmessers eines
HDI-Körpers zu schaffen, welche eine zuverlässige Messung ent
lang der gesamten Höhe des HDI-Körpers ermöglichen und welche
mit einfachen Mitteln arbeiten.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1 und verfahrensmäßig mit den im
Anspruch 5 beschriebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Aus-
und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrie
ben.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen Schwimmkör
per oder Strömungskörper in den Hochdruckinjektionsstrahl zu
bringen, der eine am Injektionsrohr angebrachte Meßleine aus
zieht. Der Schwimmkörper erreicht dabei am Ende der Auszugs
stecke der Meßleine den Umlenkungspunkt des Hochdruckinjekti
onsstrahles, d. h., die maximale Länge des Strahles und die ent
sprechende Seillänge entsprechen dabei dem Radius des HDI-
Körpers. Der Schwimmkörper positioniert sich dabei selbständig
in der stärksten Strömung im Strömungszentrum. Eine auf die
Meßleine wirkende Vorspannung verhindert ein Verdriften des
Schwimmkörpers. Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Radius
messung mit einer einfachen Seillängenmessung durchgeführt wer
den kann. Außerdem kann der Radius zur Erzeugung eines HDI-
Körpers kontinuierlich über den gesamten Umfang und die gesamte
Höhe des HDI-Körpers gemessen werden. Es können somit Hinder
nisse, die Fehlstellen erzeugen, geortet und nach Position und
Größe genau bestimmt werden. Man erhält eine genaue und ständig
aktuelle Information über den tatsächlich erreichten Wirkungs
bereich des Hochdruckinjektionsstrahles und kann rechtzeitig
gezielte Verfahrensänderungen einleiten. Damit wird man in die
Lage versetzt, durch Steuerung des Injektionsrohres und des In
jektionsstrahles das Hindernis zu kompensieren oder benachbarte
HDI-Körper zum Ausgleich entsprechend auszuformen oder anzuord
nen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er
läutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen HDI-Körper im Querschnitt mit einer Fehlstelle;
Fig. 2 einen Teil-Querschnitt einer Dichtsohle aus HDI-
Körpern mit einer Fehlstelle;
Fig. 3 eine Meßvorrichtung bei der Herstellung eines HDI-
Körpers im Längsschnitt;
Fig. 4 ein Beispiel eines Schwimmkörpers; und
Fig. 5 eine vorteilhafte Weiterbildung der Meßvorrichtung
nach Fig. 1.
Fig. 1 veranschaulicht einen mangelhaften HDI-Körper 3 im
Längsschnitt. Er ist im Erdreich 2 hergestellt, welches bei
spielhaft im Bereich der Wandung eine härtere oder dichtere
Stelle 2' aufweist, die sich in den zylindrischen HDI-Körper 3
hinein erstreckt. Der gewünschte, gleichmäßige Durchmesser d
des HDI-Körpers wird daher in Form einer Verengung an dieser
Stelle 2' nicht erreicht. Der HDI-Körper 3 weist dort daher ei
ne Fehlstelle F auf, die bei der HDI-Körperherstellung durch
Nachregelung des Injektionsstrahles (siehe Fig. 3 und 5) ausge
glichen werden kann.
Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine aus mehreren nebeneinander
angeordneten, vertikalen HDI-Körpern 3 gebildete Dichtsohle 30.
Sie überlappen sich im wesentlichen in der Weise, daß mit Aus
nahme einer Fehlstelle F eine geschlossene horizontale Fläche
gebildet wird. Zur Veranschaulichung der Fehlstelle F ist bei
spielhaft eine Fehlstelle F gemäß Fig. 1 dargestellt, die zu
einer undichten Stelle in der Dichtsohle 30 führen kann.
Der Schnitt durch die Dichtsohle 30 entspricht dabei einem
Schnitt durch den HDI-Körper 3 entlang der Linie A-A in Fig. 1.
Mit der Meßvorrichtung gemäß Fig. 3 lassen sich derartige
Fehlstellen F dadurch vermeiden, daß ein vom gewünschten Durch
messer d an der Fehlstelle abweichender Durchmesser ermittelt
und in Abhängigkeit vom Meßergebnis eine Nachregelung des In
jektionsstrahles 10 erfolgt, bis auch das Erdreich im Bereich
der Fehlstelle F ausreichend vom Injektionsmaterial durchdrun
gen ist.
Fig. 3 zeigt im Längsschnitt einen Teil eines ins Erdreich 2
abgeteuften Bohrgestänges 1 eines Hochdruckinjektionsbohrgerä
tes. Ein Rund-Pfeil 9 deutet an, daß zur Herstellung des zylin
drischen HDI-Körpers 3' eine Drehbewegung um die Längsachse des
Bohrgestänges 1 stattfindet, während der Injektionsstrahl 10 in
das Erdreich 2 Injektionsmaterial auf bekannte Weise einbringt.
Das Injektionsmaterial wird über eine Rohrleitung 11 im Hohl
raum 17 des Bohrgestänges 1 zugeführt. Mittels der Rohrleitung
11, die in einer Düse 8 endet, wird eine geeignete Suspension
als Hochdruckinjektionsstrahl 10 über hohen Druck injiziert.
Typisch ist z. B. ein Druckwert von 500 Bar. Das Verfahren wird
allgemein als Hochdruckinjektionsverfahren bezeichnet. Bei Aus
tritt der Suspension aus der Düse 8 als Hochdruckinjektions
strahl 10 löst dieser das Erdreich 2 so auf, daß ein relativ
dickflüssiges Gemisch erzeugt wird. Dabei wird der Hochdruckin
jektionsstrahl 10 auf seinem Weg in Richtung des gewünschten
Randes 31 (entspricht dem gewünschten Durchmesser d) des HDI-
Körpers 3 abgebremst. Im Umlenkpunkt wird die gerichtete Ener
gie auf nahezu Null abgesenkt. Aufgrund der bereits beschriebe
nen Drehbewegung entsteht so eine Art Scheibe von dickflüssiger
Konsistenz, die durch zusätzliche Ab- bzw. Aufbewegung des
Bohrgestänges 1 zum gewünschten HDI-Körper 3' aufgeweitet wird
(der HDI-Körper 3' ist nur ausschnittsweise dargestellt).
Der Hochdruckinjektionsstrahl 10 ist in Fig. 3 schematisch mit
gestrichelter Linie als ein sich nach außen hin öffnender
Trichter dargestellt. Anstelle des Endwertes d des gewünschten
Durchmessers ist nur der Radius gezeigt mit der Bezeichnung
"1/2 . d". Dieser Endwert d ergibt sich naturgemäß unter anderem
aus Austrittsdruck und -geschwindigkeit des Hochdruckinjekti
onsstrahls 10 aus der Düse 8 und der Härte und Zusammensetzung
des kompakten Erdreichs.
Es ist eine Meßvorrichtung vorhanden, mit welcher die Länge des
Wirkungsbereichs des Hochdruckinjektionsstrahls 10 mittels ei
ner Seilstrecke gemessen wird. Diese wird von einer Meßleine 5
erzeugt, die von einer Spule 4 von einem Schwimmkörper 10 am
freien Ende der Meßleine 5 ausgezogen wird.
Die Spule 4 ist mit einem Rückzugmechanismus versehen, welcher
die Meßleine 5 gegen die Zugrichtung mit einer Vorspannung be
aufschlagt. Die Spule 4 ist in dem dargestellten Beispiel im
Hohlraum 17 des Bohrgestänges 1 angeordnet. Der Austrittspunkt
der Meßleine 5 befindet sich so nahe wie möglich an der Düse 8,
damit der Schwimmkörper 6 in seiner Ausgangslage bei rückge
spulter Meßleine 5 im Wirkungsbereich des Hochdruckinjektions
strahles zu liegen kommt. Die Meßleine 5 ist als kunststoffum
manteltes Stahlseil ausgebildet. Der Rückzugmechanismus besteht
im einfachsten Fall aus einer Feder, welche die Spule 4 in
Drehrichtung beaufschlagt.
Der Schwimmkörper 6 am freien Ende der Meßleine 5 ist strö
mungsgünstig ausgelegt, insbesondere in Tropfenform. Diese
Formgebung gemäß Fig. 4, d. h. ein dickes Ende mit großer Außen
wölbung 61 in Richtung der Ausströmung und Verjüngung 62 in
Strömungsrichtung, sorgt für eine selbständige Positionierung
des Schwimmkörpers 6 im Bereich der maximalen Strömungsge
schwindigkeit.
Wenn der Hochdruckinjektionsstrahl 10 eingeschaltet wird, d. h.,
wenn der Hochdruckinjektionsstrahl 10 anfängt, aus der Düse 8
des Rohres 11 auszutreten, wird der Schwimmkörper 6 aus seiner
Ausgangslage von der Strömung des Hochdruckinjektionsstrahles
10 mitgerissen. Dabei wird auch die Meßleine 5 von der unter
Vorspannung stehenden Spule 4 abgewickelt. Der Schwimmkörper 10
"schwimmt" dabei im Zentrum des Hochdruckinjektionsstrahles 10,
weil der Hochdruckinjektionsstrahl 10 bekanntlich dort seine
größte Geschwindigkeit aufweist. Dieser Vorgang ist in etwa
vergleichbar mit einem kleinen Ball, der bei einer Fontäne
stets an deren Spitze und in deren Zentrum "tanzt", d. h., er
positioniert sich selbsttätig im Bereich der stärksten Strö
mung. Dadurch, daß die Spule 4 unter Vorspannung steht, ist ein
Verdriften des Schwimmkörpers 6 ausgeschlossen.
Die Meßvorrichtung weist weiterhin eine Einrichtung 7 auf zum
Erfassen des Ausmaßes α des Abrollens der Halteleine 5 von der
Spule 4. Diese Sensoreinrichtung 7 kann z. B. ein Winkelgeber
sein, der den Drehwinkel α mißt, um den sich die Spule 4 wäh
rend des Abwickelvorganges der Meßleine 5 dreht. Aus dem Dreh
winkel α ist unter Berücksichtigung des Durchmessers der Spule
4 die Länge der abgespulten Meßleine 5 errechenbar. Da sich der
Schwimmkörper 6 stets am Endpunkt des Hochdruckinjektionsstrah
les 10 befindet, ist damit gleichzeitig auch der aktuell er
reichte Durchmesser des HDI-Körpers ermittelbar. Am Endpunkt
des Hochdruckinjektionsstrahles 10 wird die gerichtete HDI-
Strömung umgelenkt. Durch die Spannung im Meßseil 5 ist sicher
gestellt, das der Schwimmkörper 6 der umgelenkten Strömung
nicht mehr folgt. Damit stellt sich der Schwimmkörper 6 im
Strömungsmaximum an der Umlenkungsstelle ein, die dem aktuellen
Wirkungsbereich entspricht. Die ausgezogene Seilstrecke und die
Länge des Schwimmkörpers 6 entspricht der Strecke zwischen dem
Austrittspunkt des HDI-Strahles 10 und der Umlenkungsstelle der
Strömung.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung weist ferner eine Steuer
einheit CTRL auf, die in Fig. 3 symbolisch als sogenannte
Blackbox mit einer gestrichelt gezeichneten Verbindung zur Ein
richtung 7 zum Erfassen des Ausmaßes α des Abwickelns der Meß
leine 5 dargestellt ist. Zu dieser Steuereinheit CTRL wird das
jeweilige, aktuelle Ausmaß α der Drehung der Abwickeleinrich
tung 4 übertragen. Sie ermittelt daraus den Wert des aktuell
erreichten Durchmesser des HDI-Körpers 3. Wenn dieser aktuell
erreichte Wert des Durchmessers des HDI-Körpers 3 einen vorge
gebenen Endwert d des Durchmessers des HDI-Körpers 3 erreicht
hat, bewirkt das Steuergerät CTRL (zumindest zunächst) ein Zu
rückziehen der Meßleine 5 samt des daran befestigten Schwimm
körpers 6, ggf. bis in die Ausgangslage des Schwimmkörpers 6.
Zusätzlich oder statt dessen kann das Steuergerät CTRL auch ein
Höher- oder Tieferfahren des Bohrgestänges und damit auch der
für den Austritt des Hochdruckinjektionsstrahls 10 zuständigen
Düse 8 am Rohr 11 bewirken, um den gewünschten HDI-Körper 3
auch bezüglich seiner Höhe (und nicht nur bezüglich seines
Durchmessers) herzustellen. Dabei wird die das Zurückziehen be
wirkende Kraft "abgeschaltet", so daß die Meßleine 5 durch den
Schwimmkörper 6 wieder so weit abgewickelt wird, bis der
Schwimmkörper 6 wieder an der Spitze des Hochdruckinjektions
strahles 10 "schwimmt".
Ein großer Vorteil dieser Meßvorrichtung besteht darin, daß der
tatsächlich erreichte Durchmesser des HDI-Körpers 3 stets
"online" präzise ermittelbar ist und somit bislang (wegen der
Gefahr des Entstehens der geschilderten Fehlstellen) übliche
Vorhalte entfallen können. Der HDI-Körper 3 kann somit in kür
zerer Zeit und mit weniger Material hergestellt werden.
Bei der Weiterbildung der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 5
befindet sich die Meßvorrichtung mit der Spule 4 in einem Ge
häuse 9, welches in einem separaten Rohrstück RS angeordnet
ist. Das Rohrstück RS ist zwischen dem Bohrrohr 1 und einem
Bohrkopf B in der Art eines Bohrrohres einsetzbar und mittels
üblicher Kupplungen lösbar zu verriegeln. Dies hat insbesondere
den Vorteil, das bereits vorhandene Bohrgestänge 1 nach dem
Stand der Technik mittels eines solchen separaten Rohrstückes
RS ergänzbar sind. Hochdruckinjektionsgeräte können somit auf
einfache Weise nachgerüstet werden.
Claims (7)
1. Meßvorrichtung bei einem Bohrgestänge (1) zum Herstellen
von HDI-Körpern (3),
dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine von einer unter Vorspannung stehenden Spule
(4) abwickelbare Meßleine (5) aufweist, an deren einem
Ende ein Schwimmkörper (6) oder Strömungskörper befe
stigt ist, der während des Aussendens eines die Hoch
druckinjektion bewirkenden Injektionsstrahls (10) in den
Injektionsstrahl gebracht werden und in diesem gehalten
werden kann, wobei die Meßvorrichtung eine Einrichtung
(7) aufweist zum Erfassen des Ausmaßes (α) des Abrollens
der Meßleine (5), und die Meßleine (5) wieder aufrollbar
ist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Steue
rungseinheit (CTRL) aufweist, welche das erfaßte Ausmaß (α)
des Abwickelns der Meßleine (5) in Verbindung setzt zu einem
vorgegebenen Endwert (d) des Durchmessers des herzustellenden
HDI-Körpers (3).
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerungseinheit (CTRL) bei Erreichen des vorgegebenen
Endwertes (d) bewirkt, daß die Meßleine (5) samt des daran be
festigten Schwimmkörpers (6) oder Strömungskörper wenigstens
teilweise zurückgezogen wird.
4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie in einem separaten Rohrstück (RS) angeordnet ist, die
zwischen dem Bohrgestänge (1) und einem Bohrkopf (B) einsetzbar
ist.
5. Verfahren zum Bestimmen des Durchmessers eines HDI-Körpers
(3) während des Herstellung des HDI-Körpers (3) im Erdreich,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Aussendens eines die Hochdruckinjektion bewir kenden Injektionsstrahles (10) ein an einer Meßleine (5) befe stigter Schwimmkörper (6) oder Strömungskörper in den Injekti onsstrahl (10) gebracht wird und in diesem gehalten wird,
daß die Meßleine (5) während des Bohrvorganges von einer unter Vorspannung stehenden Spule (4) soweit abgewickelt wird, wie der Injektionsstrahl (10) reicht, und
daß das Ausmaß des Abwickelns (α) der Meßleine (5) erfaßt (7) wird.
daß während des Aussendens eines die Hochdruckinjektion bewir kenden Injektionsstrahles (10) ein an einer Meßleine (5) befe stigter Schwimmkörper (6) oder Strömungskörper in den Injekti onsstrahl (10) gebracht wird und in diesem gehalten wird,
daß die Meßleine (5) während des Bohrvorganges von einer unter Vorspannung stehenden Spule (4) soweit abgewickelt wird, wie der Injektionsstrahl (10) reicht, und
daß das Ausmaß des Abwickelns (α) der Meßleine (5) erfaßt (7) wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausmaß des Abwickelns (α) an eine Steuerungseinheit
(CTRL) übertragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Erreichen eines vorgegebenen Endwertes (d) des Durch
messers des herzustellenden HDI-Körpers (3) der Schwimmkörper
(6) oder Strömungskörper wenigstens teilweise zurückgezogen
wird.
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Cited By (3)
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