DE3624202C2 - Spiralbohrer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralbohrer zum Herstellen eines Stützelementes im Boden mit einem kreiszylindrischen Seelenrohr mit einem Seelenrohrmantel und mit einer am See­ lenrohr-Ende angeordneten Auslaßöffnung.

Stützelemente im Boden sind überall dort notwendig, wo durch Bauwerke Lasten in den Boden abzutragen sind und das natürlich anstehende Erdreich diese Lasten nicht aufnehmen kann. Die ein­ gebrachten Stützelemente, die entweder bis auf den tragfähigen Boden oder in dem tragfähigen Boden geführt sind, überbrücken das nicht standfeste Erdreich und stellen ein Verbindungsglied zwischen dem Bauwerk und der festen Geologie her. Als Bauwerke kommen Verkehrsverbindungen und Gebäude gleichermaßen in Be­ tracht.

Es ist bekannt, beispielsweise im Straßenbau, den nicht trag­ fähigen Boden vollständig abzutragen und mit tragfähigem Mate­ rial auszutauschen. Des weiteren werden Stützelemente eingesetzt, die aus Bohr- oder Rammpfählen bestehen, die in Abhängigkeit von ihrer Anzahl und ihrem Durchmesser bis auf den tragfähigen Boden reichen oder im tragfähigen Boden eingebunden sind. Des weite­ ren wird auch eine Methode zur Bodenverbesserung bzw. zum Bodenaustausch angewendet, bei welcher der nicht tragfähige Boden durch Vibration verdichtet und auf diese Weise in einen standfesten Untergrund umgewandelt wird. Durch Zugabe von Schotter kann auf diese Weise eine weitere Verfestigung er­ reicht werden. Wenn die Verdichtung des Bodens ohne eine vorherige Bohrung, in welche das zu verdichtende Material gefüllt wird, ausgeführt wird, so kann prinzipbedingt allen­ falls eine Gründung des Stützelementes auf dem tragfähigen Bodenanteil erreicht werden. Unter diesen Bedingungen kann jedoch in vielen Fällen nicht die gewünschte und geforderte Abstützung erreicht werden. Dieser Nachteil haftet auch einem Verfahren an, bei welchem mittels chemischer Injektion, beispielsweise einer Zement-Hochdruck-Injektion, der nicht tragfähige Bodenanteil verbessert bzw. ausgetauscht wird.

Bei den bekannten Verfahren sind daher üblicherweise Öffnungen durch den nicht tragfähigen Boden zu treiben und im Anschluß daran die Stützelemente einzuführen. In den meisten Fällen sind diese Öffnungen verrohrt auszuführen, was zu einem hohen Arbeitsaufwand und zu hohen Kosten führt.

Aus der DE 35 01 439 A1 ist ein gattungsgemäßer Erdverdrän­ gungsbohrer bekannt, bei dem im Bereich der Bohrerspitze Auslaßöffnungen für das Einbringen eines flüssigen, härtba­ ren Materials vorgesehen sind, um während der letzten Meter des Bohrvortriebs um den Bohrkopf herum ein Futter aus ei­ ner Mixtur von Erdreich und härtbarem Material zu schaffen. Der Bohrkopf dieses Erdverdrängungsbohrers wird im Bohrloch belassen, der Bohrer dann herausgezogen und das Bohrloch verfüllt.

Eine ähnliche Vorrichtung zur Gründung eines Erdpfahls ist aus der EP 0 065 340 B1 bekannt. Am unteren Ende einer Schneckenschneidschaufel ist eine Öffnung zur Ausbringung einer Verfestigungsflüssigkeit unterhalb der unteren Flä­ che der Schaufel vorgesehen. Sowohl das Bohrrohr als auch die Schneckenschneidschaufel verbleiben im Erdreich. Mit keinem der bekannten Bohrer ist das Einbringen eines Pro­ filstützelementes in den Boden möglich.

Weiterhin ist ein Bohrverfahren aus der DE-AS 12 10 385 und ein Rammverfahren aus der DE 33 32 519 A1 bekannt. Weitere Techniken zum Herstellen eines Stützenelementes im Boden sind z. B. in GB 10 26 094, DE-OS 19 03 392 und DE-AS 22 60 473 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spiralbohrer der eingangs genannten Art zu schaffen, wel­ cher besonders kostengünstig arbeitet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Spiralbohrer erzeugt ein Stützelement im Boden dadurch, daß das Bohrgut beim Abteufen des ein Seelenrohr aufweisenden Spiralbohrers zur Bodenverdichtung mittels einer keilartig ausgebildeten Bohrerspitze radial nach außen in den umgeben­ den Boden verdrängt wird, daß das Seelenrohr zum Zuführen von Stützmaterial herangezogen wird, und daß das Bohrloch über eine Auslaßöffnung im Seelenrohr unter Zurückziehen des Seelenrohres verfüllt wird.

Weiterhin kann der Spiralbohrer auch dadurch beschrieben werden, daß er ein kreiszylinderförmiges Seelenrohr mit einer am Seelenrohr-Ende angeordneten Auslaßöffnung aufweist, daß am Seelenrohr-Ende eine an einem etwa zylinderhufförmigen Anschnitt des Seelenrohres angeordnete Keilfläche vorhanden ist, daß der von der Keilfläche freie Querschnitt des Seelen­ rohres als Auslaßöffnung freigehalten ist, daß eine radial verlaufende, unter einem maximal rechten Winkel zur Seelenrohr- Achse unterhalb der Keilfläche angeordnete Schneide vorhanden ist, deren Außenradius dem Spiralbohrer-Außenradius entspricht.

Der Kerngedanke der Erfindung liegt also darin, zur Herstellung einer Stütze einen Bohrer abzuteufen und dabei einen beträcht­ lichen Teil des mit der Schneide gelösten Erdreichs mittels der abgeschrägten Spitze in den benachbarten Bohrlochbereich zu verdrängen und dadurch die baugeologischen Gegebenheiten zu verbessern. Da ferner eine Auslaßöffnung vorgesehen ist, kann der Bohrer auch zum Verfüllen des Bohrloches verwendet werden, ohne daß eine separate Verrohrung in das Bohrloch eingebracht werden muß. Auf diese Weise kann der Baufort­ schritt im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren sprunghaft beschleunigt werden. Durch die Verfestigung des benachbarten Erdreichs wird auch die Standfestigkeit und die Belastbarkeit der gefertigten Stützen wesentlich verbessert.

Außerdem kann die Öffnung des Erdreichs im wesentlichen ohne Bodenförderung geschehen. Es erübrigt sich, tieferliegende Bodenschichten nach oben zu fördern. Dies kann aus Umwelt­ schutzgründen wünschenswert sein, beispielsweise, wenn im nicht tragfähigen Boden Torfeinlagerungen vorhanden sind oder wenn beispielsweise in ehemaligen Müllgruben Stützen angebracht werden müssen.

Es kann bei manchen Anwendungen günstig sein, daß das Stützmaterial während des Verfüllens unter Rückwärtsdrehung des Spiralbohrers verdichtet wird. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß jedes verfügbare ver­ dichtungsfähige Material verfüllt werden kann, das ohne hohe Transportkosten aus der näheren Umgebung der Baustelle entnommen werden kann. Es entstehen dabei auch nur geringe Materialkosten. Es erübrigt sich daher, teueres, klassifi­ ziertes Material zu verwenden, das in der Regel vor Ort nicht zur Verfügung steht und daher unter hohen Transportkosten aus entfernten Lagerstätten herbeigeschafft werden muß. Somit werden wertvolle Rohstoffe und Energie gespart und die Um­ welt durch den Wegfall der Materialtransporte entlastet.

Es kann ferner vorteilhaft sein, ein auf der Bohrlochsohle abgestütztes, nach oben führendes Profilstützelement im Stütz­ material anzuordnen,- wobei das Profilstützelement aus der Aus­ laßöffnung des Seelenrohres herausgeführt ist. Vorzugsweise besteht das Profilstützelement aus einem Doppel-T-Träger.

Eine weitere Verstärkung des säulenförmigen Stützelementes kann dadurch erreicht werden, daß das Profilstützelement mit einer Armierung versehen wird.

Eine Weiterbildung des Spiralbohrers besteht darin, die Keil­ fläche mit einer in der Projektion radial verlaufenden freien Vorderkante zu versehen.

Die Erfindung wird weiterhin dadurch bevorzugt weitergebildet, daß die Projektion der Keilfläche spiralförmig ausgebildet ist. Diese Formgebung ist zur radialen Verdrängung des ge­ lösten Erdreichs besonders vorteilhaft.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Schneide in ihrem rückwärtigen Teil in die Förderwendel übergeht.

Es kann auch vorteilhaft sein, auf der Schneide Schneidzähne anzuordnen.

Die Tragfähigkeit des verfüllten Materials und des umgebenden Bohrlochbereichs kann dadurch verbessert werden, daß die Schnei­ de unter einem Winkel zur Seelenrohrachse, der kleiner als 90° ist, angeordnet ist. Auf diese Weise wird bei einer Vi­ brationsbewegung des Bohrers nicht nur ein vertikaler Druck ausgeübt, sondern es ist auch aufgrund der Abschrägung eine horizontale Komponente wirksam.

Es ist besonders vorteilhaft, daß die Stirnseite der Keil­ fläche und/oder des Seelenrohres spiralförmig angeschnitten sind und daß darauf mindestens ein vertikaler Schneidzahn angeordnet ist. Diese Maßnahmen verbessern nicht nur die Bohrleistung, sondern sie dienen auch zur Stabilisierung des Bohrers beim Anfahren.

Des weiteren ist vorteilhaft, daß die Schneide mit einer Steigung versehen ist und in die Förderwendel übergeht.

Des weiteren ist für die Stabilität und Robustheit des Spiralbohrers vorteilhaft, daß sich die Vorderkanten der Schneide und der Keilfläche auf der Seelenrohrachse schneiden.

Zusammenfassend zeichnet sich die Erfindung also dadurch aus, daß Stützelemente mit geringen Material- und Fertigungskosten hergestellt werden können, wobei auch der Zeitaufwand sprunghaft verkürzt wird. Ferner ist die Erfindung umweltfreundlich, da keine Lärmbelastung und kein Energieverbrauch bei der Klassifizierung und beim Transport von tragfähigem Material anfallen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels weiter beschrieben.

Fig. 1 zeigt rein schematisch eine perspektivische An­ sicht einer Vorrichtung für die Herstellung von Bodenstützelementen,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 zeigt schematisch die Herstellung eines Stutzele­ mentes mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 4 und 5 zeigen jeweils einen Querschnitt bzw. eine schematische perspektivische Ansicht eines Stützelementes.

In Fig. 1 ist mit 10 allgemein eine Vorrichtung für die Her­ stellung von Bodenstützelementen bezeichnet. Sie besteht aus einem Spiralbohrer mit einem kreiszylinderförmigen Seelenrohr 12, auf dessen Zylindermantel eine Förderwendel 11 angebracht ist. Ferner ist am Ende des Seelenrohres 12, d. h. an der Boh­ rerspitze, eine geneigte Keilfläche 14 mit einer in der Pro­ jektion radial verlaufenden freien Vorderkante 18 angeordnet. Die freie Vorderkante 18 erstreckt sich von der Seelenrohr­ achse 17 an der Bohrerspitze bis zum Seelenrohrmantel. Die Keilfläche 14 selbst verläuft in dem hier gezeigten Beispiel schneckenförmig unter einer trichterförmigen Ausweitung um in ihrem rückwärtigen Teil in den Seelenrohrmantel über zu­ gehen. Das stirnseitige Ende der Keilfläche 14 und des Seelen­ rohrs ist wendelförmig angeschnitten. An seinem Vorderende weist das Seelenrohr 12 ferner eine Auslaßöffnung 16 auf, die im wesentlichen dem Innenquerschnitt des Seelenrohres 12 entspricht. Ferner ist die Vorrichtung mit einer Schneide 13 versehen, die in dem hier gezeigten Beispiel etwa senkrecht zur Rohrachse ausgerichtet ist. Sie ist an ihrer Schneidkante, die unterhalb der freien Kante 18 der Keilfläche angeordnet ist, mit Schneidzähnen 20 versehen. Die freie Vorderkante 18 der Keilfläche 14 und die Schneidkante der Schneide 13 sind an einem Punkt 19 auf der Rohrachse verbunden, so daß sie sich gegenseitig stabilisieren und stützen. Die Breite der Schneide 13 entspricht in der Projektion genau dem Außenradius der För­ derwendel 11. Sie ist nach hinten an der Keilfläche 14 entlang geführt und geht entsprechend dem Verlauf der Keilfläche 14 unter einer der Förderwendel 11 entsprechenden Steigung in die Förderwendel 11 über.

Die Keilfläche 14 setzt in dem hier gezeigten Beispiel unmittelbar unterhalb der Förderwendel an, wobei die untere Stirnfläche 21 des Seelenrohres und der Keilfläche 13 dem Verlauf der Förderwendel 11 und der Schneide 13 folgt. Ent­ lang der unteren Stirnfläche 21 ist in dem hier gezeigten Beispiel ein vertikaler Schneidzahn 23 ausgebildet, der in der Verlängerung der Zylindermantelfläche des Seelenrohres 12 verläuft. Während also die Schneidfläche 13 in etwa horizon­ taler Richtung angreift, wirkt der vertikale Schneidzahn 23 entlang der Bohrlochwand. Es dürfte ohne weiteres einsichtig sein, daß mehr als ein weiterer Schneidzahn 23 auf der unte­ ren Stirnfläche 21 angeordnet sein können. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde lediglich ein einziger derartiger Schneidzahn 23 in die Figur eingezeichnet.

An der Oberseite der Vorrichtung 10 ist eine Schnellkupplung 15 zur Verbindung der Vorrichtung 10 mit einem Bohrrohr oder dergleichen vorgesehen (nicht dargestellt).

Mit II ist die Ansichtsrichtung für den in Fig. 2 gezeig­ ten Querschnitt veranschaulicht.

In Fig. 2 ist deutlich erkennbar, daß die Unterkante der Keil­ fläche 14 eine Spirale 24 bildet, die in den vom Seelenrohr 12 gebildeten Mantelkreis übergeht. Wird die Vorrichtung gemäß Fig. 2 in Uhrzeigerrichtung gedreht, so wird durch die Schnei­ de 13 das Erdreich gelöst, wobei der Schneidzahn 23 unter­ stützend wirkt. Durch die geneigte Keilfläche 14 wird der ge­ löste Boden in den Umgebungsbereich verdrängt, wobei Boden­ körner umgelagert werden und durch die Verdichtung eine Um­ wandlung des Umgebungsbereiches des Bohrlochs in einen trag­ fähigeren Zustand erreicht wird. Bei nicht ohne weiteres umlagerungsfähigem Boden tritt zumindest eine Verspannung ein, die ebenfalls die Tragfähigkeit erhöht. Die Fig. 2 ver­ anschaulicht ferner die Auslaßöffnung 16. Obwohl offenbar nahezu der gesamte Querschnitt des Seelenrohres 12 geöffnet ist, wird durch die Anordnung der Keilfläche 14 das gesamte Bohrgut nach außen verdrängt, ohne daß Bohrschmand in das Innere des Seelenrohres 12 gelangt.

In Fig. 2 ist ferner gezeigt, auf welche Weise ein Doppel-T- Träger 25 im Inneren des Seelenrohres 12 angeordnet und ohne Behinderung durch die Vorrichtung 10 durch die Auslaßöffnung 16 hindurch auf der Bohrsohle abgestützt werden kann. Eine weitere Erläuterung dazu erfolgt zusammen mit Fig. 5.

Die beiden Fig. 1 und 2 veranschaulichen ferner, daß bei einer Rückwärtsdrehung der Vorrichtung 10, d. h. in dem ge­ zeigten Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn, insbesondere durch die Schneide 13, aber auch durch die Förderwendel 11 bei einer nach unten gerichteten Bewegung der Vorrichtung 10 ein Flächendruck auf den sich darunter befindlichen Boden aus­ geübt werden kann. Mit der Fläche der Schneide 13 kann suk­ zessive der gesamte Querschnitt des Bohrloches erreicht werden. Anstelle eines konstanten vertikalen Druckes ist es auch mög­ lich, die Vorrichtung 10 in Vibration zu versetzen oder durch eine Auf- und Ab-Bewegung eine Stampfwirkung zu erreichen.

Im folgenden wird anhand der Fig. 1 bis 5 die Funktion der Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines säulen­ förmigen Stützelementes weiter beschrieben.

In den Fig. 3 bis 5 ist in einem Erdreich-Querschnitt über tragfähigem Boden 30 nicht tragfähiger Boden 31 angeordnet. Mit Hilfe der Vorrichtung 10 wird eine Bohrung bis in den tragfähigen Boden hinein verteuft. Der durch die Vorrichtung 10 gelöste Boden wird ohne nennenswerte Nach-Oben-Förderung nahezu ausschließlich in radialer Richtung in die Umgebung des Bohrloches verdrängt, so daß ein verdichteter Bereich 32 erzeugt wird. Die Verdrängung erfolgt im wesentlichen durch die Keilfläche 14. Die Förderwendel 11 hat unter anderem die Aufgabe, eine Verklemmung des Seelenrohres 12 im Bohrloch zu verhindern und Bohrschmand, der sich zwischen dem Seelenrohr 12 und der Bohrlochwandung verklemmen könnte, in Bewegung zu halten oder aus dem Bohrloch herauszufördern.

Die Verdrängung des gelösten Materials und das Umlagern in den dabei verdichteten Bereich 32 kann durch eine Vibration der Vorrichtung 10 und durch die Formgebung der Förderwendel verstärkt werden.

Nachdem das Seelenrohr 12 bis in die gewünschte Tiefe abge­ teuft ist, wird zur Bildung des Stützelementes Material in das Seelenrohr 12 gebracht. Am kostengünstigsten und ein­ fachsten ist es, wenn dazu verdichtungsfähiges Material ver­ wendet wird, welches in der Umgebung der Baustelle in der Regel in großer Menge zur Verfügung steht. Das Material gelangt durch die Auslaßöffnung 16 auf die jeweilige Bohrsohle und wird unter Rückwärtsdrehung der Vorrichtung 10 durch die Fläche der Schneide 13 verdichtet. Die Verdichtung wird unterstützt wenn die Vorrichtung 10 in eine Vibrationsbewegung versetzt wird.

Durch eine Neigung der Schneidenfläche, d. h. einer Anordnung in einem Winkel zur Längsachse des Seelenrohres, der kleiner ist als 90°, wird bei diesem Vorgang eine weitere Verdichtung der Bohrlochumgebung erreicht, da der Druck nach außen weiter­ geleitet wird.

Die Qualität der Verdichtung kann durch einen Beschleunigungs­ nehmer überprüft und gemessen werden, der mit der Vorrichtung 10 in Wirkverbindung steht.

Durch Zurückführung der Vorrichtung 10 bis an die Erdoberfläche in der beschriebenen Weise wird ein säulenförmiges Stützelement 33 gebildet, wie es Fig. 4 im Querschnitt veranschaulicht. Das Stützelement 33 ist im tragfähigen Boden 30 gegründet und von dem verdichteten Bereich 32 umgeben.

Aus der Fig. 2 und der Fig. 5 ist entnehmbar, daß zusätzlich zu dem eingefüllten Material 34 im Endlosverfahren ein Form­ profil 25 aus Stahl oder Beton in das Bohrloch eingeführt und in tragfähigem Boden 30 abgestützt werden kann, ohne daß die Vorrichtung 10 zu diesem Zweck aus dem Bohrloch entfernt werden muß. Anschließend kann ebenfalls Material 34 in das Seelenrohr eingeführt und durch Vibration und vertikalen Druck in der oben beschriebenen Weise verdichtet werden. Ein Rückwärtsdrehen der Vorrichtung 10 ist bei diesem Vorgehen nicht vorgesehen.

Claims (9)

1. Spiralbohrer zum Herstellen eines Stützelementes im Boden mit einem kreiszylindrischen Seelenrohr mit einem Seelenrohrmantel und mit einer am Seelenrohr-Ende ange­ ordneten Auslaßöffnung, dadurch gekennzeichnet,
daß am Ende des Seelenrohres (12) entlang eines An­ schnitts eine Keilfläche (14) angeordnet ist, die ge­ neigt ist und in Projektion radial verläuft, daß sich die Keilfläche (14) in ihrem vorderen Bereich von der Bohrerspitze bis zum Seelenrohrmantel er­ streckt,
daß die Keilfläche (14) in ihrem rückwärtigen Teil in den Seelenrohrmantel übergeht,
daß unterhalb der Keilfläche (14) eine Schneide (13) angeordnet ist, die im wesentlichen radial verläuft,
wobei die Schneide (13) Bohrgut löst und die Keilfläche (14) das gelöste Bohrgut verdrängt, und
daß der von der Keilfläche (14) freie Querschnitt des Seelenrohres (12) die Auslaßöffnung (16) bildet.

2. Spiralbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilfläche (14) schneckenförmig ausgebildet ist.

3. Spiralbohrer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (13) in ihrem rückwärtigen Teil in die Förderwendel (11) übergeht.

4. Spiralbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schneide (13) Schneidzähne (20) angeordnet sind.

5. Spiralbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (13) unter einem Winkel zur Seelen­ rohr-Achse, der kleiner ist als 90°, angeordnet ist.

6. Spiralbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnseite der Keilfläche (14) und/oder des Seelenrohres (12) wendelförmig verlaufen und
daß darauf mindestens ein sich axial erstreckender Schneidzahn (23) angeordnet ist.

7. Spiralbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (13) mit einer Steigung versehen ist und in die Förderwendel (11) übergeht.

8. Spiralbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorderkanten der Schneide (13) und der Keilfläche (14) auf der Seelenrohr-Achse (17) schneiden.

9. Spiralbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilfläche (14) eine freie Vorderkante (18) aufweist, die in Projektion radial verläuft.