-
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckinjektionsvorrichtung mit einer Injektionslanze, wobei mindestens Teile der Injektionslanze um ihre Längsachse drehbar sind und wobei mindestens drei Kanäle in Längsrichtung durch die Injektionslanze verlaufen, wobei zwei Kanäle der Durchleitung von Wasser und/oder einer Bindemittelsuspension unter hohem Druck und ein weiterer Kanal der Durchleitung von Druckluft dienen.
-
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bohrverfahren für Gestein und Erdreich bekannt. Derartige Bohrungen werden beispielsweise im Tiefbau, zum Setzen von Ankern, welche Zugkräfte in den Boden oder Fels einleiten, und in der Geothermie eingesetzt.
-
Ein spezielles Verfahren ist das sog. Hochdruckinjektionsverfahren (HDI-Verfahren), auch Düsenstrahlverfahren genannt. Hierbei handelt es sich um ein Bohrverfahren mit Bodenaustausch. Dabei werden Poren- und Hohlräume im Boden bzw. Gestein durch eingebrachte Bindemittelsuspensionen verfüllt. Der Boden wird von einem unter hohem Druck stehenden Flüssigkeits- bzw. Bindemittelsuspensionsstrahl aufgeschnitten und mit einer Bindemittelsuspension gemischt, die anschließend aushärtet, wodurch letztlich ein Verfestigungskörper im Boden entsteht. Der erodierte Boden vermischt sich dabei mit der Suspension und bildet den Verfestigungskörper. Ein Vorteil von HDI-Verfahren ist darin zu sehen, dass mit einem Bohrgestänge vergleichsweise geringen Durchmessers Verfestigungskörper mit größerem Durchmesser erzeugt werden können.
-
Beim Hochdruckinjektionsverfahren wird in der Regel so vorgegangen, dass zunächst eine Injektionslanze bzw. ein HDI-Gestänge in den Boden eingebohrt (abgeteuft) wird, wofür bspw. ein herkömmliches Nassbohrverfahren eingesetzt werden kann. Nach Erreichen der Endtiefe wird durch Ausbringen von Wasser und/oder Bindemittelsuspension unter hohem Druck der Boden aufgeschnitten und durch gleichzeitige oder nachträgliche Vermischung mit der Bindemittelsuspension ein betonartiger Verfestigungskörper gebildet. Typischerweise wird gleichzeitig mit dem Ausbringen des Schneidstrahls die Injektionslanze gedreht und langsam aus dem Boden gezogen, sodass sich ein säulenartiger Hohlraum ergibt.
-
In diesem Zusammenhang sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Beim Simplex-Verfahren wird direkt die Bindemittelsuspension ausgebracht und mit dieser geschnitten, beim Duplex-Verfahren wird zusätzlich Druckluft ausgebracht, typischerweise in Form eines die Bindemittelsuspension ummantelnden Strahls. Durch die Luftunterstützung wird die Reichweite des Düsenstrahls vergrößert. Simplex- und Duplex-Verfahren kommen häufig bei nicht kohäsiven Böden zum Einsatz.
-
Bei kohäsiven Böden hingegen wird häufig das Triplex-Verfahren angewandt; hierbei wird zunächst durch Ausbringen eines Wasserstrahls unter hohem Druck geschnitten und anschließend die Bindemittelsuspension ausgebracht, um die Verfestigung zu erreichen. Auch dieser Prozess kann mit Druckluft unterstützt werden. Beim nachträglichen Ausbringen der Bindemittelsuspension kann für diese ein geringerer Druck eingesetzt werden als für den Wasserstrahl. Möglich ist auch, über eine zusätzliche Düse gleichzeitig zum Schneiden mit dem Wasserstrahl die Bindemittelsuspension auszubringen.
-
Als Bindemittel wird in der Regel eine Suspension auf Zementbasis verwendet. Ggf. kann auch Bentonit beigegeben werden, insbesondere um eine rasche Wasserabdichtung zu erreichen.
-
HDI-Verfahren haben sich grundsätzlich im Stand der Technik bewährt, sind jedoch auch mit Problemen behaftet. Bei herkömmlichen Triplex-Verfahren, bei denen Wasser, Bindemittelsuspension und Druckluft ausgebracht werden, kommen mehrere, insbesondere drei ineinander liegende Rohre zum Einsatz, durch die Wasser, Bindemittel bzw. Druckluft geleitet werden. Dies macht das HDI-Gestänge bzw. die Injektionslanze relativ schwer. Zudem ist die Montage des Bohrstranges relativ aufwendig.
-
Bei der Verwendung von drei ineinander liegenden Rohren kommen drei verschiedene Rohrdurchmesser zum Einsatz, um auf diese Weise die 3 Kanäle für das 3-Fach-HDI-System zu bilden. Bei den eingesetzten hohen Drücken von mehreren hundert bar bewirkt das Reduzieren des Rohrdurchmessers einen Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit bis hin zur Ausbildung einer turbulenten Strömung. Diese turbulente Strömung kann Schäden am Innengestänge des Bohrstranges hervorrufen.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellte sich die Aufgabe, das HDI-Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weiter zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Hochdruckinjektionsvorrichtung mit einer Injektionslanze, wobei mindestens Teile der Injektionslanze um ihre Längsachse drehbar sind und mindestens drei Kanäle in Längsrichtung durch die Injektionslanze verlaufen, wobei zwei Kanäle der Durchleitung von Wasser und/oder einer Bindemittelsuspension unter hohem Druck und ein weiterer Kanal der Durchleitung von Druckluft dienen, wobei die Kanäle zur Durchleitung des Wassers und/oder der Bindemittelsuspension als Schläuche ausgebildet sind.
-
Dadurch, dass die Kanäle erfindungsgemäß als Schläuche und nicht als Rohre ausgebildet sind, wird zum einen erhebliches Gewicht gespart. Dies vereinfacht zugleich die Handhabung. Zum anderen wird vermieden, dass sich der Kanalquerschnitt in einem Maße reduziert, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit bis in Bereiche der turbulenten Strömung erhöht. Bei herkömmlichen HDI-Systemen zum Teil auftretende Schäden im HDI-Gestänge werden auf diese Weise vermieden.
-
Zumeist weist die Injektionslanze somit zwei Schläuche auf, die in Längsrichtung durch die Injektionslanze verlaufen, nämlich für Wasser und Bindemittelsuspension. Die Injektionslanze kann auch als HDI-Gestänge oder Bohrgestänge bezeichnet werden Denkbar ist jedoch, auch den Kanal zur Durchleitung der Druckluft als Schlauch auszubilden, sodass in der Injektionslanze drei Schläuche vorhanden sind.
-
Das endständige Ende der Injektionslanze wird typischerweise von einem Düsenkopf gebildet, an dem die Fluide aus der Injektionslanze austreten. Der Düsenkopf befindet sich somit bei einer senkrechten Bohrung nach unten am unteren Ende der Injektionslanze.
-
Das Ausbringen von Wasser, Bindemittelsuspension und Druckluft erfolgt in der Regel in radialer Richtung, d. h. orthogonal zur Längsrichtung der Injektionslanze. Der Düsenkopf verfügt somit über mindestens eine orthogonal zur Längsrichtung ausgerichtete Austrittsöffnung. Bei einer senkrechten Bohrung werden die Fluide daher seitlich ausgebracht, um einen zylindrischen oder teilzylindrischen Verfestigungskörper zu erzeugen. Die Injektionslanze wird in der Regel zugleich um ihre Längsachse gedreht. Bei Rotation um 360° wird ein Zylinder (Säule) im Erdreich erzeugt, bei Schwenken der Injektionslanze um einen Winkel von 180° eine Halbsäule und bei Schwenk um sonstige Winkel < 360° eine Segmentsäule. Es ist auch möglich, nur Teile der Injektionslanze drehbar auszubilden, beispielsweise nur den Düsenkopf, so dass sich die Ausrichtung der Austrittsöffnungen verändert. Gleichzeitig mit der Drehbewegung wird die Injektionslanze langsam zurückgezogen, bei einer senkrechten Bohrung also nach oben, um eine (Teil)säule mit der gewünschten Höhe zu erzeugen.
-
Als seitlich bzw. orthogonal zur Längsrichtung wird in diesem Zusammenhang jede Richtung verstanden, die im Wesentlichen orthogonal zur Längsrichtung der Injektionslanze liegt, auch wenn es sich nicht um exakt 90° handelt, solange die Strahlrichtung im Wesentlichen in radialer Richtung verläuft.
-
Um durch die beiden für Wasser und Bindemittelsuspension vorgesehenen Kanäle Material ausbringen zu können, ist es erfindungsgemäß sinnvoll, zumindest zwei orthogonal zur Längsrichtung der Injektionslanze ausgerichtete Austrittsöffnungen vorzusehen, von denen eine erste Austrittsöffnung mit dem ersten Kanal zur Durchleitung von Wasser bzw. Bindemittelsuspension und eine zweite Austrittsöffnung mit dem zweiten Kanal zur Durchleitung von Wasser bzw. Bindemittelsuspension in Verbindung steht. Die erste und/oder zweite Austrittsöffnung steht zudem mit dem Kanal zur Durchleitung der Druckluft in Verbindung. In der Regel wird somit durch zumindest eine Austrittsöffnung nicht nur Wasser/Bindemittelsuspension, sondern zusätzlich Druckluft ausgebracht, wodurch die Reichweite des Düsenstrahls erhöht wird. Die Ausbringung der Druckluft erfolgt vorteilhafterweise so, dass die Druckluft den Wasser- bzw. Bindemittelsuspensionsstrahl ummantelt, d. h. im Zentrum des Strahls ist Wasser bzw. Bindemittelsuspension, außen die die Reichweite des Düsenstrahls unterstützende Druckluft. Zweckmäßigerweise weisen die erste und die zweite Austrittsöffnung in unterschiedliche Richtungen und liegen sich bevorzugt hinsichtlich der radialen Ausrichtung gegenüber. Hinsichtlich der axialen Ausrichtung kann zwischen erster und zweiter Austrittsöffnung hingegen ein gewisser Abstand liegen, die Austrittsöffnungen können also in Längsrichtung beabstandet sein. Ein typischer Durchmesser einer Austrittsöffnung liegt zwischen 2 und 7 mm.
-
Von den beiden Kanälen für Wasser/Bindemittelsuspension kann ein erster Kanal zunächst für die Durchleitung von Wasser und anschließend von Bindemittelsuspension vorgesehen sein, während ein zweiter Kanal der Durchleitung von Bindemittelsuspension dient. Durch den ersten Kanal und die erste Austrittsöffnung wird somit zunächst Wasser unter hohem Druck ausgebracht, um die gewünschte Schneidwirkung zu erzielen. Parallel dazu wird durch den zweiten Kanal und die damit in Verbindung stehende zweite Austrittsöffnung Bindemittelsuspension appliziert. Wenn der Boden durch den Wasserstrahl in ausreichendem Maße erodiert ist, wird auch der erste Kanal auf Bindemittelsuspension umgestellt, um den Verfestigungskörper zu erzeugen. Die erste Austrittsöffnung steht zudem sinnvollerweise mit dem Kanal für die Druckluft in Verbindung, d. h. die Wirkung des Wasserstrahls wird durch Druckluft verstärkt. Denkbar ist auch, dass zusätzlich die zweite Austrittsöffnung mit dem Kanal für die Druckluft in Verbindung steht.
-
Sinnvollerweise verfügt der Düsenkopf über ein oder mehrere Rückschlagventile. Das Rückschlagventil verhindert, dass im Falle eines plötzlichen Druckanstiegs Material aus dem Erdreich in den Düsenkopf bzw. die Injektionslanze eindringt.
-
Die der Durchleitung von Wasser, Bindemittelsuspension und/oder Druckluft dienenden Schläuche sollten ausreichend widerstandsfähig für die aufgewandten Drücke sein. Zweckmäßigerweise verfügen die Schläuche daher über ein oder mehrere Drahteinlagen. Insbesondere kann es sich um Hydraulikschläuche handeln, die auch für mehrere hundert bar geeignet sind.
-
Das Wasser und/oder die Bindemittelsuspension können mit einem Druck von 200 bis 600 bar ausgebracht werden. Dies gilt insbesondere für den Kanal, durch den zunächst Wasser und anschließend die Bindemittelsuspension ausgebracht wird. Der weitere Kanal, durch den parallel dazu ebenfalls Bindemittelsuspension ausgebracht wird, kann hingegen auch mit einem niedrigeren Druck betrieben werden, der z. B. bei 2 bis 15 bar liegen kann. Die Druckluft kann beispielsweise mit einem Druck von 3 bis 12, vorzugsweise 5 bis 6 bar aus der Injektionslanze ausgebracht werden.
-
In der Regel enthält die Bindemittelsuspension Zement als Bindemittel. Zumeist bildet Zement zusammen mit Wasser die Grundlage der Bindemittelsuspension. Ggf. können noch Zusatzstoffe beigefügt werden. Insbesondere kann Bentonit beigemischt werden, welches für eine Wasserdichtheit bereits des Frischbetons sorgt. Dies ist insbesondere bei Bohrungen im Bereich von fließendem Grundwasser von Bedeutung.
-
Der Mengenstrom, der durch die Kanäle zur Durchleitung des Wassers und/oder der Bindemittelsuspension geleitet wird, insbesondere durch den Kanal, durch den zunächst Wasser und nach Umstellung Bindemittelsuspension ausgebracht wird, kann in einem Bereich von 70 bis 110 l/min liegen. Bevorzugt sind 80 bis 100 l/min, insbesondere ca. 90 l/min. Eine entsprechend hohe Ausbringrate sorgt für einen schnellen Fortschritt bei der Durchführung der Bohrung und eine rasche Ausbildung des Verfestigungskörpers. Die Austrittsgeschwindigkeit kann > 100 m/s bzw. in einem Bereich zwischen 150 und 200 m/s liegen.
-
Die Injektionslanze als Bestandteil der Hochdruckinjektionsvorrichtung ist vorzugsweise in Längsrichtung bewegbar ausgebildet. Entsprechend kann die Injektionslanze während des Bohrvorgangs langsam hochgezogen werden, um einen Verfestigungskörper mit einer gewissen Höhe zu erzeugen. Eine typische Geschwindigkeit, mit der die Injektionslanze gezogen wird, liegt bei 1 bis 12 min/m. Zusätzlich ist die Injektionslanze vorzugsweise auch drehbar, sodass beispielsweise ein zylindrischer oder halbzylindrischer Verfestigungskörper erzeugt werden kann. Die Hochdruckinjektionsvorrichtung kann neben der drehbaren Injektionslanze ggf. auch nicht drehbare Teile als Bestandteile des Injektionsgestänges aufweisen. Ebenfalls möglich ist, nur Teile der Injektionslanze drehbar auszubilden, bspw. nur den Düsenkopf mit den Austrittsöffnungen.
-
Neben den bereits beschriebenen Komponenten kann die erfindungsgemäße Hochruckinjektionsvorrichtung weitere Komponenten umfassen oder mit diesen verbunden sein, die für den Betrieb einer Hochdruckinjektionsvorrichtung von Bedeutung sind. Hierzu gehören beispielsweise Pumpen und Kompressoren zur Erzielung der gewünschten Drücke. Auch Mischanlagen, in denen die Bindemittelsuspension hergestellt wird, sowie Vorratsbehälter für Wasser und Bindemittel sind sinnvoll. Ebenso können Rückflusspumpen und Auffangbehälter vorgesehen sein, um ggf. einen Teil der Bindemittelsuspension wiederverwenden zu können. Die gesamte Hochdruckinjektionsvorrichtung kann auf einer Lafette angeordnet sein, um sie an ihren Einsatzort bewegen zu können. Neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren.
-
Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Ansprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.
-
Es zeigen:
- 1 die erfindungsgemäße Injektionslanze in der Seitenansicht;
- 2 einen Teilbereich der erfindungsgemäßen Injektionslanze in der Seitenansicht;
- 3 einen weiteren Teilbereich der erfindungsgemäßen Injektionslanze in der Seitenansicht;
- 4 einen weiteren Teilbereich der erfindungsgemäßen Injektionslanze mit einem Teil des Düsenkopfes in der Seitenansicht und
- 5 den Düsenkopf der erfindungsgemäßen Injektionslanze in der Seitenansicht.
-
In 1 ist die erfindungsgemäße Injektionslanze 4 in der Seitenansicht dargestellt. Diese verfügt über einen Düsenkopf 5, in dem sich zwei sich gegenüberliegende Austrittsöffnungen 6 befinden. Zudem weist der Düsenkopf 5 ein Rückschlagventil 7 auf.
-
Am dem Düsenkopf 5 abgewandten Ende der Injektionslanze 4 befindet sich ein Anschluss 8 zum Einbringen von Wasser, wobei dieser Anschluss auf Bindemittelsuspension umstellbar ist. Darüber hinaus ist ein Anschluss 9 vorhanden, der von vornherein der Einbringung von Bindemittelsuspension dient. Der Anschluss 8 ist mit dem Kanal 1, der Anschluss 9 mit dem Kanal 2 verbunden, wobei beide Kanäle 1, 2 als Hydraulikschläuche ausgebildet sind und in den Düsenkopf 5 geführt werden, wo das Wasser/die Bindemittelsuspension durch die Austrittsöffnungen 6 ausgebracht wird.
-
Zusätzlich verfügt die Injektionslanze 4 noch über einen Anschluss 10 für Druckluft. Für die Druckluft steht ein weiterer in Richtung Düsenkopf 5 verlaufender Kanal 3 zur Verfügung. Zumindest an einer Austrittsöffnung 6 tritt somit auch Druckluft aus, wobei die Druckluft den Wasser-/Bindemittelstrahl vorzugsweise ummantelt, um dessen Wirkung zu verstärken.
-
In 2 ist ein Teilabschnitt der Injektionslanze 4 gezeigt, der eine Durchgangsbohrung 11 aufweist, durch die die Kanäle 1, 2 geführt werden. Der Bereich um die Kanäle 1, 2 herum steht mit dem Anschluss 10 für die Druckluft in Verbindung und stellt somit den Kanal 3 für die Druckluft dar.
-
In 3 ist ein weiterer, sich in Richtung des Düsenkopfes 5 an den Teilabschnitt aus 2 anschließender Teilabschnitt zu sehen. Die als Schlauch ausgebildeten Kanäle 1, 2 verlaufen in Längsrichtung der Injektionslanze 4 durch die Durchgangsbohrung 11, die zudem als Kanal 3 für die Druckluft dient.
-
4 zeigt den Übergang der Kanäle 1, 2 und 3 in den Düsenkopf 5. Der Kanal 1 sowie der Kanal 3 für die Druckluft stehen mit der hier dargestellten Austrittsöffnung 6 in Verbindung. Durch diese werden somit Wasser/Bindemittelsuspension und Druckluft ausgebracht.
-
In 5 schließlich sind weitere Bereiche des Düsenkopfes 5 gezeigt, insbesondere die weitere Austrittsöffnung 6, die mit dem Kanal 2 für Bindemittelsuspension in Verbindung steht. Die hier dargestellte Austrittsöffnung 6 liegt der in 4 erkennbaren gegenüber.
