DE3543059C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen von Bodenabschnitten insbesondere durch von zueinander beabstandeten Bohrungen ausgehenden, durch Injektion von Zementsuspension gebildeten Streifen verfestigten Zustandes zur Bildung eines Bodentragwerkes, bei dem zunächst Bohrungen in den Boden eingebracht werden und bei dem anschließend, von jeder Bohrung ausgehend radial gerichtet Zementsuspension streifenförmig unter Aufrechterhaltung eines bestimmten Drucks injiziert wird.

In der auf die Anmelderin zurückgehende Werbedruckschrift M 690/J2/483/5/idw vom April 1983 wird ein Verfahren dieser Art nach dem Soilcrete-Verfahren beschrieben. Bei diesem Verfahren bestimmen die Düsenführung, der Injektionsdruck sowie die Menge der injizierten Suspension die Form und die Festigkeit der im Boden hergestellten Bodenzementkörper.

Die in dieser Druckschrift beschriebenen, gegebenenfalls auch horizontal hergestellten und auf bestimmter Länge zusammenhängenden Boden-Zementkörper haben sich in der Praxis bewährt. Die Verfestigung ist jedoch immer nur auf bestimmte Abschnitte dieser Boden-Zementkörper beschränkt. Wenn der Verfestigungsbereich vergrößert werden soll, so sind mehrere zusammenhängende Boden-Zementkörper herzustellen. Die bei dieser Verfahrensweise einzusetzenden Suspensionsmengen und der damit hohe Bedarf an Zement sind im Verhältnis zum Gewinn an Tragfähigkeit sehr groß. Bei Setzungserscheinungen im Bereich der zusammenhängenden Boden-Zementkörper verbleibt nur die Möglichkeit, einen weiteren zusammenhängenden Boden-Zementkörper gleicher Art in paralleler Anordnung herzustellen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik soll mit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gelöst werden, das bekannte Verfahren so fortzubilden, daß ein späterer Zugewinn an Tragfähigkeit bei verhältnismäßig geringem zusätzlichen Materialeinsatz erzielt werden kann. Daneben sollen zur Durchführung eines Teils des Verfahrens geeignete Vorrichtungen bereitgestellt werden. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 enthalten.

Mit diesem Lösungsvorschlag geht der Vorteil einher, daß eine relativ große Bodenfläche durch die Zusatzinjektion nach Bildung der Streifen gezielt verfestigt werden kann, wobei jedoch der Aufwand an Material und Arbeit relativ gering ist. Hierdurch verbilligt sich zugleich ein Bauvorhaben nicht unwesentlich. Vorteilhaft wirkt sich zudem aus, daß es das vorgeschlagene Verfahren auch ohne weiteres zuläßt, Bereiche zwischen dem durch Injektion einer Zement-Suspension hergestellten Bodentragwerk zu verfestigen, nachdem die für die Zusatz-Injektion notwendigen Öffnungen durch Druckeinwirkung von innen aufgebrochen wurden. Hierbei wird das im Hinblick auf die jeweiligen Bodenverhältnisse bezüglich Aushärtezeit ausgewählte Injektionsmittel unter einem nach der Injektionsreichweite bestimmten Druck in den zu stabilisierenden Bodenbereich eingepreßt. Ferner wird die Aushärtezeit für den das Rohr aufnehmenden Zentralbereich so bemessen, daß für das Aufbrechen bzw. Aufsprengen desselben ein genügeng großer Druck aufgebaut werden kann und eine Umläufigkeit verhindert wird.

Ein wesentliches Erfindungsmerkmal besteht darin, daß in das Innere des Rohres ein über eine bestimmte Rohrlänge sich erstreckender und an eine Zuleitung angeschlossener Injektionspacker eingeführt wird, der gemäß Anspruch 2 bewegt wird. Der Vorteil, der sich aus diesem Merkmal ergibt, besteht im wesentlichen in der Anwendung eines bereits vielfach in der Praxis bewährten Injektionspackers, der ein gleichermaßen abschnittsweises und gezieltes Injizieren der Suspension wie auch ein Arbeiten bei nur relativ geringem Druck gewährleistet.

Die Zementsuspensionen werden mit den im Anspruch 3 angegebenen Drucken injiziert.

Der Wasserstrahl, der dem Ausräumen dient, hat eine Geschwindigkeit von etwa 150...250 m/sec.

Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht darin, daß die durch die erste Zementsuspension gebildeten streifenförmigen Bereiche jeweils zweier benachbarter Bohrungen unter einem Winkel zur Horizontalen erzeugt werden, wobei sie sich ggf. schneiden. Der sich hieraus ergebende Vorteil besteht im Aufbau eines falt- oder gitterartigen Netzwerkes. Darüber hinaus wird zusätzlich zu dem schon vorhandenen Bodentragwerk mittels Injektionen der ober-, unter- und/oder innerhalb des Tragwerks befindliche Boden in seinen Trageigenschaften nachhaltig verbessert, so daß hierdurch ein regelrechtes Boden-Verbundtragwerk großer Homogenität sowie auch mit guten Trag- und Dichtungsverhalten entsteht. Ebenso ist es möglich, eine wand- oder kastenartige Struktur zu wählen.

Für eine überaus rationelle Arbeitsweise sorgt auch das im Anspruch 5 angebene erfindungswesentliche Merkmal, wonach die Zementsuspension, ausgehend von der niedergebrachten Bohrung, in jeweils mindestens zwei diametral entgegengesetzt gerichtete Streifen injiziert wird.

Infolge des Beaufschlagens der an den Boden-Zementkörper angrenzenden Bereiche mit Zementsuspension zwischen oder am äußeren Umfang der Körperflächen wird eine Stabilisierung derart vorgenommen, daß ein Boden-Verbundtragwerk entsteht. Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine ganz wesentliche Verbesserung und damit zugleich auch ein größerer Anwendungsbereich derartiger, sich horizontal erstreckender Boden-Zementkörper durch die Möglichkeit erreicht, auch die tangierenden oder eingeschlossenen Bodenbereiche gezielt zu stabilisieren und zu verfestigen.

Mittels gezielter, einseitiger Injektionen, etwa zwischen einem Tragwerk und einer darunterliegenden, höher tragfähigen Schicht, kann ein gezielter, flächenhafter Druck zur Oberfläche hin bewirkt werden, wobei der Druck durch die Injektionsmenge, d. h. Volumenvergrößerung, so gesteigert werden kann, daß gezielte Hebungen als gleichmäßig große Flächenbewegungen entstehen. Gleichermaßen kann ein Absacken einer unterhalb eines solchen Tragwerks liegenden Bodenformation durch Nachinjektion in die Zwischenschicht derart ausgeglichen werden, daß oberhalb des Tragwerks keine Setzungs- oder Sackungseinflüsse entstehen.

Zusätzlich läßt sich der Einfluß auf den Oberflächenbereich flächenhaft oder partiell durch eine zweite, ausschließlich in den oberhalb liegenden Bodenbereich gerichtete Injektion verstärken.

Bei Verwendung eines entsprechenden Ventilrohr-Materials und einer entsprechenden Ventilrohr-Konstruktion können derartige Stabilisierungs- und Injektionsvorgänge in zeitlichen Abständen wiederholt werden. Normalerweise jedoch erfolgt nur eine einmalige Verfestigung. Das Ventilrohr verbleibt im Boden- Zementkörper.

Bei gleichzeitiger oder ausschließlicher Aufgabe der flächenhaften Boden-Zementkörper als Abdichtungsfläche gegen Wasser bietet eine erfindungsgemäße gitterartige Anordnung den Vorteil doppelter Sicherheit. Die eingeschlossenen Bodenbereiche zeigen bei gezielter Entwässerung den Grad der erreichten Abdichtung, wobei durch gezielte Nachinjektionen in solchen umschlossenen, entwässerten Bereichen eine zusätzliche Nachabdichtung erfolgen kann.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet seine Grenze keineswegs allein in einer waagerechten Anordnung. Ebensogut läßt sich das Verfahren nach der Erfindung auch in senkrechter oder schräger Anordnung anwenden.

Beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann die in den Boden niederzubringende Bohrung unter Zuhilfenahme einer Bohreinrichtung hergestellt werden, deren Bohrkopf mit Öffnungen zum Austritt des Spülmittels versehen ist, wobei die Einrichtung im Bereich des Bohrkopfes eine oder mehrere radial gerichtete Düsenöffnungen für die Zementsuspension aufweist, aus welchen nach dem Herstellen der Bohrung während des Zurückziehens des Bohrgestänges samt Bohrkopf die Zementsuspension in den Boden zur streifenförmigen Verfestigung injiziert wird. Mit einer derart ausgebildeten Bohreinrichtung ist sowohl das Herstellen des Bohrloches selbst im Vorwärtsgang als auch das Herstellen der der Verfestigung dienenden Streifen im Rückwärtshub möglich.

Das an das Verfahren angepaßte, in die Bohrung einzuführende Rohr weist im Abstand zueinander und auf einer bestimmten Umfangsstellung angeordnete Bohrungen auf, die mittels einer flexiblen Manschette, insbesondere Gummimanschette, abgedeckt sind und so ein Ventil bilden. Damit ist eine besonders einfache und gezielte Einleitung der nachträglich injizierten Suspension erreichbar.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Boden-Verbund- Tragwerk, das dem Abfangen von Lasten aus der Oberfläche sowie auch zum Schutze etwaiger unterirdischer Hohlräume dient,

Fig. 2 schematisch das Herstellen eines Boden- Zementkörpers in waagerechter Richtung aus einem senkrecht zur Herstellrichtung verlaufenden Stollen, Schacht od. dgl.,

Fig. 3 ein zusammenhängendes, etwa streifen- oder gitterartig hergestelltes Tragewerk,

Fig. 4 eine Teillängsschnitt durch ein einseitig abgeschlossenes, in den mit Zement-Suspension durchmischten Bodenanteil einschiebbares Rohr, das durch Druck öffenbare Durchlässe aufweist und in das ein Injektionspacker einführbar ist,

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein in thixotrophem Zustand befindliches streifenartiges Tragwerk im Augenblick seines Aufsprengens mittels eines durch Druck seine Durchlässe öffnenden Rohres, und

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein in thixotrophem Zustand befindliches gitterartiges Tragwerk im Augenblick seines Aufsprengens mittels zweier zueinander etwa paralleler, durch Druck ihre Durchlässe öffenender Rohre.

In Fig. 1 ist schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines - nicht weiter dargestellten - Gebäudes als Oberflächenlast 1 gezeigt. Diese Last wird dabei gegen schädliche Setzungen aus einem untertägigen Streckenvortrieb, dargestellt durch den Hohlraum 2, abgeschirmt. Das Herstellen des schematisch angedeuteten, gitterartig ausgebildeten Boden-Verbundtragwerks 3 erfolgt in noch näher zu beschreibender Weise über Schächte, Stollen od. dgl. 4.

Entsprechend Fig. 2 erfolgt das Herstellen eines Boden- Zementkörpers 8 in waagerechter Richtung aus dem senkrecht zur Herstellrichtung verlaufenden Schacht 4. Über die Leitbohrung 5, die je nach Bodenart und spezifischer Aufgabenstellung einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 50...100 mm aufweist und deren Länge der Längserstreckung des herzustellenden Boden-Zementkörpers 8 entsprechen kann, wird vom Bohrlochtiefsten bzw. vom äußersten Ende des Bohrlochs der Bohrkopf mit dem (den) austretenden Düsenstrahl(en) 7 nach rückwärts zurückgezogen. "Rückwärts" bedeutet demgemäß von der entferntesten Stellung der Leitbohrung 5 aus bis hin zum Ausgangspunkt, also etwa bis zum Stollen 4. Dabei kann die Wirkung des Düsenstrahls auf bestimmte Abschnitte begrenzt werden.

Der Überschuß an in den Boden eingebrachten, der Streifenbildung dienenden Wasser bzw. Zementsuspension fließt innerhalb des Ringraumes zwischen der Leitbohrung 5 bzw. einem Dichtrohr und dem Bohrgestänge in Richtung des Schachtes 4 in nicht weiter dargestellter Weise zurück. Er wird dort vor einem Preventer gesammelt. Nach Erreichen einer Wasser- bzw. Zementsuspensionssäule bestimmter Größe wird selbsttätig ein Überdruckventil geöffnet, um die gesammelte Suspension abzuführen und ggf. einer Neuverwendung zuzuführen.

Je nach Anordnung der - nicht weiter dargestellten - Düsen zum Austritt der thixotrophen, im wesentlichen aus einer Bentonit und Zement enthaltenden Suspension, d. h. nach der Stellung des Düsenwinkels zur Achse des Bohrlochs bzw. zur Achse des Düsenträgers, und bei einem Abstand der einzelnen, aufeinander folgenden Bohr- bzw. Suspensions-Füllstrecken, überschneiden sich die Einwirkbereiche der Düsenstrahlen (Düsvorgänge) derart, daß ein zusammenhängender, bevorzugt streifen- oder faltwerkähnlicher, sich horizontal erstreckender Boden- Zementkörper entsteht. Unter "streifenförmig" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist zu verstehen, daß es sich um ein ebenes Gebilde von endlicher Länge und Stärke handelt.

Als "thixotroph" werden solche Stoffe bezeichnet, die durch Rühr-, Schüttel- od. dgl. Bewegungen von einem flüssigen in einen halbfesten, etwa gallertartigen Zustand übergehen; der Zementanteil in der im vorliegenden Falle aus Wasser, Bentonit und Zement bestehenden Suspension gewährleistet schließlich deren Erstarrung.

Der vorstehend beschriebene bis hierhin als solcher bekannte Verfahrensablauf ist über die Anordnung und Stellung der Düsen so wählbar, daß möglichst große Flächeneinheiten aus einer Bohrung hergestellt werden können bzw. daß zum Bilden derartiger räumlich-körperlicher Tragwerke oder Dichtungselemente ein sicherer Verbund gewährleistet ist. Fig. 3 zeigt ein solches zusammenhängendes Tragwerk. Dieses ist dabei vergleichbar mit einem unmittelbar zusammenhängenden Rohrschirm in den Berührungsflächen. Diese lassen sich mittels zweier, sich gegenüberstehender und gleichgroßer Austrittsdüsen erzielen, die bei einem zweiten Düsvorgang in derselben Leitbohrung um 90° verschwenkt werden. In Fig. 3 ist das Innere eines derart hergestellten Körpers mit 9, dessen Oberhaut mit 10 und dessen Unterhaut mit 11 bezeichnet.

Nach beendetem Herstellen der Boden-Zementkörper 8 wird in die thixotrophe, also noch nicht abgebundene Suspension der Leitbohrung 5 (Fig. 2) ein oder mehrere Ventilrohre 12 (Fig. 3) eingeführt. Das Einführen der Rohre 12 erfolgt so, daß die Ventile entsprechend Fig. 4 derart ausgerichtet sind, daß die Ventilöffnungen 13 in Richtung der zu stabilisierenden und zu injizierenden Bodenbereiche mit möglichst geringer Wandstärke des umschließenden Boden-Zementkörpers 8 liegen. Die Ventilrohre 12 weisen radial, z. B. gruppenweise angeordnete Ventilöffnungen 13 oder Bohrungen auf, die durch über diese Ventilöffnungen geschobene Manschetten 14 aus Gummi- od. dgl. Werkstoff verschlossen sind. Ein Rohr 12, eine Öffnung 13 und eine Manschette 14 bilden jeweils ein Ventil.

Wenn die Boden-Zementkörper 8 abgebunden haben bzw. erhärtet sind, wird sodann über an sich bekannte Injektionspacker die jeweils vorgegebene Stelle am Ventilrohr 12 mit einer zweiten Injektionssuspension beaufschlagt. Durch die Wahl eines entsprechenden Injektionsdruckes, etwa 20...50 bar, wird mittels der auf dem Rohr 12 angeordneten Ventile 13 ein Aufsprengen der noch in thixotrophem Zustand befindlichen Boden-Zementkörper 8 bewirkt. Hierbei wird das Injektionsmittel in der je Stufe vorgegebenen Menge in den zu stabilisierenden Bodenbereich eingepreßt.

Der (die) Injektionspacker werden bei diesem Vorgang in Intervallen fortschreitend vom Ende eines Rohres 12 zu dessen Anfang hin fortbewegt. In Fig. 5 ist das Aufsprengen bzw. Aufbrechen und Verfüllen des Umgebungsbereiches eines Boden- Zementkörpers 8 mittels eines Ventilrohres 12 und in Fig. 6 mittels zweier solcher Ventilrohre gezeigt. Im letzteren Falle erfolgt das Verfüllen gleichzeitig in diametral entgegengesetzten Richtungen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verfestigen von Bodenabschnitten, insbesondere durch von zueinander beabstandeten Bohrungen ausgehenden, durch Injektion von Zementsuspension gebildeten Streifen verfestigten Zustandes zur Bildung eines Bodentragwerkes, bei dem zunächst Bohrungen in den Boden eingebracht werden und bei dem anschließend, von jeder Bohrung ausgehend radial gerichtet Zementsuspension streifenförmig unter Aufrechterhaltung eines bestimmten Drucks injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dieser Injektion in zumindest jede zweite Bohrung vor dem Aushärten der Zementsuspension ein an seinem Einschubende geschlossenes Rohr eingeführt wird, das als Sollbruchstellen oder als Ventile ausgebildete, durch Druck öffenbare Durchlässe aufweist,
und daß nach Verfestigung des zuerst injizierten Bereiches in das Innere jedes eingebrachten Rohres eine zweite Zementsuspension eingebracht, unter einen zum Öffnen der Ventile oder der Sollbruchstellen sowie zum Aufsprengen des um die Bohrungen gelegenen und bereits verfestigten Zentralbereiches genügenden Druck gesetzt und in einen Bereich außerhalb des durch die erste Injektion gebildeten Bodentragwerkes injiziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere des Rohres ein über eine bestimmte Rohrlänge sich erstreckender und an eine Zuleitung angeschlossener Injektionspacker eingeführt wird, der in Intervallen fortschreitend vom Rohrende zum Rohranfang bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Bilden der Streifen dienende erste Zementsuspension mit einem Druck von etwa 50 bis 100 bar injiziert wird und das die zweite Zementsuspension mit einem Druck von etwa 20 bis 50 bar injiziert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die erste Zementsuspension gebildeten streifenförmigen Bereiche jeweils zweier benachbarter Bohrungen unter einem Winkel zur Horizontalen erzeugt werden, wobei sie sich gegebenenfalls schneiden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die erste Zementsuspension gebildeten streifenförmigen Bereiche, ausgehend von einer Bohrung, in jeweils mindestens zwei diametral entgegengesetzten Richtungen erzeugt werden.

6. Vorrichtung zum Einbringen der zweiten Zementsuspension bei einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch ein Rohr, das im Abstand zueinander und auf einer bestimmten Umfangsstellung angeordnete Bohrungen aufweist, die mittels einer flexiblen Manschette, insbesondere einer Gummimanschette, abgedeckt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen in das Innere des Rohres einführbaren und mit diesem einen Abschnitt des Rohrinneren abdichtenden Injektionspacker, der an eine Zuleitung für Zementsuspension anschließbar ist und Öffnungen zur Verbindung derselben mit dem abgedichteten Rohrabschnitt aufweist.