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Verfahren und Vorrichtung zum Abteufen von Schächten, insbesondere
durch wasserführende Schichten. Beim Abteufen von Schächten durch wasserführende
Schichten bedient man sich des Gefrierverfahrens, falls man sie durch eine übertags
aufgestellte Gefriereinrichtung erreichen kann. Zuweilen kommen diese Schichten
aber in solcher Tiefe vor, daß das gewöhnliche Abteuf.verfahren nicht ausführbar
oder unwirtschaftlich ist, oder die wasserführenden Schichten kommen unvorhergesehenerweise
erst im Laufe des Abteufverfahrens zum Vorschein. Da diese Schichten unter Druck
stehen, können die Gefrierlöcher nicht in der gewöhnlichen Weise vom Grunde des
Schachtes aus gebohrt werden.
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Der Zweck der Erfindung ist nun, ein Verfahren zum Abteufen von Schächten
zu schaffen, gemäß welchem die Bohrlöcher stets in gefrorenem Erdreich niedergebracht
werden. Erreicht. wird dies dadurch, daß das Erdreich von einem mittleren Bohrloch
ausgehend in den sich anschließenden nächstfolgenden äußeren Schichten zum Gefrieren
gebracht wird durch Bohrlöcher, die in den jeweils vorher erhärteten inneren Schichten
niedergebracht werden. .
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Zur Ausübung des oben angegebenen Verfahrens bedient -man sich der
Erfindung gemäß einer Bohrstange mit doppeltem Kühlmantel, durch welchen bei der
Bohrarbeit für das mittlere Bohrloch eine Kühlflüssigkeit hindurchgeführt wird,
wobei der Hohlraum zwischen dgm äußeren Umfange des Kühlmantels der Bohrstange und
dem umgebenden Erdreich durch Quecksilber gedichtet ist. Eine Ausführungsform des
neuen Verfahrens soll nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielsweise erläutert
werden.
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Fig. i zeigt - im Grundriß das strahlige Fortschreiten der Bohrungen
von einem mittleren Bohrloch aus, Fig. 2 einen senkrechten Schnitt des Schachtes
während des Abteufens; Fig. 3 die Herstellung des ersten (mittleren) Bohrloches,
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Fig. q. den Vortrieb des unteren Endes des Bohrers, Fig. 5 einen Bohrer
mit doppeltem Mantel: Um wasserführende Schichten gemäß der Erfindung zu durchbrechen,
wird zunächst ein mittleres Bohrloch i (Fig. i) hergestellt und durch dieses eine
Kühlflüssigkeit hindurchgeschickt, um rings um das Rohr herum das Erdreich in einer
Säule a zu gefrieren. In dein erhärteten Erdreich werden Bohrlöcher 2 niedergebracht,
die unter der Einwirkung der durch Leitungen 7a, i (Fig. 2) zugeführten Kühlflüssigkeit
Gefriersäulen um jedes Bohrloch ergeben. Die verschiedenen Einzelsäulen schließen
sich aneinander und vergrößern dadurch die Dicke des gefrorenen Kernes; der nach
Ausführung der Löcher 2 durch den Umkreis b begrenzt wird. Nunmehr werden Löcher
3 gebohrt, welche den Gefrierkern bis zum Umfange ausdehnen. So wird weiter- gearbeitet,
bis durch die Löcher 5 ein Kern e von genügendem Umfange erzielt wird, um darin
den zu bauenden Schacht vollkommen durch die wasserführende
Schicht
abzuteufen. Auf diese Weise wird ein größerer Querschnitt des Erdreichs erhärtet,
als der abzuteufende Schacht erhalten soll, so daß nach dem vollständigen Erhärten
der Schacht in dieser gefrorenen Masse niedergebracht werden kann, und als Schutz
gegen das Wasser ein ringförmiger harter Wall verbleibt, dessen Dicke genügend stark
ist, um dem Druck des Erdreiches zu widerstehen.
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Soll z. B. ein Schacht von 6 m Durchmesserabgeteuft werden, so wird
das Erdreich bis zu 12- m im Durchmesser erhärtet. Nach dem Erhärten wird der Kühlflüssigkeitsumlauf
in allen Bohrlöchern innerhalb eines Kreises von 6 m Durchmesser unterbrochen, und
bei dein nunmehr beginnenden Abteufen des Schachtes bleibt ein aus gefrorenem Erdreich
gebildeter, 3 m dicker Schutzwall bestehen.
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Beim Niederbringen des ersten Bohrloches i wird in bekannter Weise
verfahren, indem man sich über der Wasserdruckhöhe hält. In der Verrohrung, die
zum Bohren dieses Loches gedient hat, werden die Gefrierrohre untergebracht, und
die Kühlflüssigkeit wird von der Oberfläche her eingeleitet.
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Zum Bohren des ersten Loches kann jedoch das Gefrieren auch schrittweise
nach der Tiefe zu z: B. in folgender Weise ausgeführt werden: "-Oberhalb der zu
durchbrechenden wasserführenden Schicht muß sich entweder eine undurchlässige Schicht
vorfinden, oder es muß eine solche Schicht künstlich durch Beton hergestellt werden.
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Das in dieser Schicht vorhandene Loch wird bis zu der Stelle i2 (Fig.
3) geführt, d. h. bis zu wenigen Metern über der wasserführenden Schicht i9, dann
verrohrt und bei il zementiert, damit zwischen dem Rohr und dem Erdreich eine zuverlässige
Dichtung entsteht. Der Kopf des Rohres ist mit einer ein einfaches Schutzmittel
für einen etwaigen Unfall bildenden Stopfbüchse j (Fig. 5) versehen, durch welche
die Bohrstange hindurchgeht.
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Zur Weiterführung der Bohrung wird eine Bohrstange k mit doppeltem
Kühlmantel e, e'
(Fig. 5) verwendet, in deren Mantel e1 die bei in eintretende
und das Rohr bei ia verlassende Kühlflüssigkeit umläuft und das frische Erdreich
gefriert, ehe der Bohrer darin eindringt. Wie aus Fig. d. zu ersehen ist, begrenzen
die Abschnitte p1, p=, p3 das gefrorene Erdreich, wenn das Ende` der Bohrstange
sich bei q1, q=, q3 befindet. Der Bohrer muß dementsprechend langsam vorgetrieben
werden und muß alle zwei Stunden so weit gesenkt werden, daß in 2.4 Stunden das
Loch etwa 25 cm tiefer wird. Auf diese Weise wird der Fräser oder die Bohrkrone
stets die gleiche Stärke von gefrorenem Erdreich unter sich vorfinden.
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Die mit diesem Bohrverfahren verbundene Schwierigkeit besteht darin,
daß nicht das gewöhnlich beim Bohren mit Kronenbobrer benutzte Verfahren angewendet
werden kann, nach welchem der Abraum nach oben geschafft wird, indem innerhalb der
Bohrstange ein Wasserstrom nach unten geschickt wird, der am Grunde des Bohrloches
austritt und durch den zwischen der Stange und der Wand des Bohrloches befindlichen
Ringraum nach oben steigt und hierbei den Bohrabfall mit sich nimmt. Im -vorliegenden
Falle würde dieses Wasser gefrieren und jeden Umlauf Ummöglich machen, während es
gleichzeitig zur Folge hätte, daß' der Bohrer rin Erdreich festgekeilt würde.
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Um diesen Übelstand zu belieben, muß das Bohrloch mit einer nicht
gefrierfähigen Flüssigkeit gefüllt werden. Hierbei ist jedoch eine Salzlösung ausgeschlossen,
die das Erdreich durchdringen, es auftauen und nachher nicht mehr gefrierbar machen
würde. Aus diesem Grunde wird gemäß der Erfindung das Loch mit Quecksilber ausgefüllt,
das auch bei tiefen Wärmegraden flüssig bleibt. Der Bohrer behält hierdurch volle
Bewegungsfreiheit, und der Bohrabfall kann infolge des Unterschiedes der Eigengewichte
von selbst an die Oberfläche des Quecksilbers aufsteigen.
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Sobald das Bohren mit der doppelt umniantelten . Stange h beginnt',
wird Quecksilber bei v (Fig. 5) in .das Bohrloch v1 eingefüllt und dem Fortschreiten
des Bohren entsprechend nachgegossen, damit der Ringraum r zwischein dem Bohrer
und dem Erdreich stets gefüllt ist: Das Quecksilber dringt auch in den Innenraum
des Bohrers ein, wo sich .beim Bohren der Gesteinkern t bildet, und steigt fast
bis zur Höhe u auf. Der Bohrabfall, der für gewöhnlich durch einen Strom von Spülwasser
ausgetrieben wird, steigt bei dem vorliegenden Verfahren infolge der Unterschiede
im Eigengewicht bis zur Oberfläche des Quecksilbers und tritt bei v1 aus.
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Um den Druck des Quecksilbers auszugleichen, kann ein Gegengewicht
x (Fig. 3) angeordnet werden, dessen Seil an einem Bund des Bohrloches angebracht
ist. Sobald die von den Bohrlöchern 2 abhängige Säule gefroren ist, kann der Bohrer
herausgezogen «-erden. Das Quecksilber bleibt dann am Grunde des Bohrloches und
kann durch einen mit Klappen versehenen Schöpfer oder auf andere Weise zutage gefördert
werden.