DE3718480C2 - Bohrvorrichtung für ein Hochdruck-Injektions-Bohrverfahren und Bohrverfahren unter Verwendung der Bohrvorrichtung - Google Patents
Bohrvorrichtung für ein Hochdruck-Injektions-Bohrverfahren und Bohrverfahren unter Verwendung der BohrvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung für ein Hoch
druck-Injektions-Verfahren mit einem ersten Bohrantrieb und
mit einem Kanalgestänge, welches mindestens eine Injektionsdüse
zum Austritt einer Hochdruck-Suspension und an
ihrem Ende einen Bohrkopf aufweist. Die Erfindung betrifft
ferner ein Bohrverfahren unter Verwendung dieser Bohrvorrichtung.
Derartige Bohrvorrichtungen sind aus dem Firmenprospekt
der Firma Bauer Spezialtiefbau GmbH "Hochdruck-Injektion
HDI-System-Bauer Schrobenhausen", 1986, und des Prospektes
der Firma GKN Keller GmbH "Soilcrete Jet Grouting",
1985, bekannt.
Hochdruck-Injektions-Verfahren werden im Tiefbau zu Herstellung
von Stütz- und Dichtwänden im Erdreich, Unterfangungskörpern
oder plattenförmigen Körpern für Sohldichtungen
verwendet. Hierbei wird vornehmlich unter Außenspülung eine
an einem Gestänge angebrachte Bohrkrone eingebracht. Nach Erreichen
der Endteufe wird über eine im unteren Teil des Bohrgestänges
befindliche, horizontal ausgerichtete Düse unter
Hochdruck eine Betonit-Zement-Suspension in das
Erdreich injiziert. Durch Drehen des Bohrgestänges ist es
beim Zurückziehen möglich, säulenförmige Injektionskörper
herzustellen, deren Größe und Festigkeit durch die Wahl von
Ziehgeschwindigkeit, Pumpdruck und Düsendurchmesser festgelegt
wird. Durch Verbindung von mehreren Säulen erhält man
die wand- und plattenförmigen Injektionskörper.
Obwohl derartige Hochdruck-Injektions-Verfahren, die auch
als HDI-Verfahren bezeichnet werden, in den meisten Fällen
erfolgreich eingesetzt werden, kann die relativ schlechte
Zielgenauigkeit der Bohrungen als nachteilig bezeichnet wer
den.
Ferner ist aus der deutschen Patentschrift 29 24 393 ein
Überlagerungsbohrgerät bekannt, welches jedoch nicht für
ein Hochdruck-Injektions-Verfahren konzipiert ist und
welches daher keine Injektionsdüse oberhalb des Bohrkopfes
aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Bohrvorrichtung für ein Hochdruck-Injektions-Bohrverfahren
sowie ein Bohrverfahren unter Verwendung dieser Bohrvorrichtung
anzugegen, bei welchem die Zielgenauigkeit verbessert und auf einfache Weise
ein Spülmedium zugeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsgemäß mit den im Anspruch 1
genannten Merkmalen gelöst. Verfahrensmäßig wird die
Aufgabe durch die im Anspruch 6 beschriebenen Verfahrensschritte
gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß das Abbohren des Kanalgestänges
durch die Bohrhilfe des Außenrohres erleichtert
wird. Die Führung des Außenrohres gewährleistet ein zielgenaues
Abteufen. Insbesondere bei horizontalem Vortrieb
kann einem Abweichen des Kanalgestänges von der vorgegebenen
Vortriebsvorrichtung wirksam begegnet werden.
Der Ringraum zwischen dem Außenrohr und dem Kanalgestänge
hat den Vorteil, daß über diesen Zwischenraum überschüssige
Injektions-Suspension ungehindert nach oben entweichen
kann. Somit wird vermieden, daß unkontrolliert austretende
Injektions-Suspension Hebungen im Boden verursacht.
Außerdem besteht keine Gefahr von Verstopfungen, die ansonsten
bei einem Einfallen der Bohrlochwand auftreten
könnten. Da der Abstand zwischen dem Außenrohr und dem
Kanalgestänge vorher wählbar ist, kann durch entsprechende
Wahl des Außenrohrdurchmessers eine optimale Anpassung an
den Bohrgrund vorgenommen werden. Eine bevorzugte Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens besteht darin,
daß der Vortrieb des Kanalgestänges und des Außenrohres unabhängig
voneinander sind und mit unterschiedlicher Drehrichtung,
Drehzahl und/oder unterschiedlichem Vortrieb bewegt
und abgeteuft werden.
Durch diese Maßnahmen ist eine optimale Anpassung an die
jeweilige Geologie sowohl beim Abbohren als auch beim
Ziehen durchführbar. Der Bohrfortschritt des Außenrohres
und des Kanalgestänges kann unabhängig voneinander gewählt
werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispieles weiter
beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Bohrloch
während des Abbohrens einer Bohrvorrichtung
Fig. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch das Bohrloch ge
mäß Fig. 1 während des Ziehens der Bohrvorrichtung, und
Fig. 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch die Bohrvorrichtung.
In Fig. 1 ist ein Bohrwerkzeug und das dazugehörige Ge
stänge während einer Bohrphase veranschaulicht. Das Bohr
werkzeug besteht aus einem doppelwandigen Außenrohr 1 mit
einer endseitigen Bohrkrone 2. Im Inneren des Außenrohres 1
ist koaxial ein separates, unabhängiges Kanalgestänge 3 mit
einem Bohrkopf 4 angeordnet. Aus Gründen einer übersicht
lichen Darstellung ist nicht gezeigt, daß sowohl das Außen
rohr 1 als auch das Kanalgestänge 3 jeweils mit einem
separaten Bohrantrieb versehen sind, die oberhalb des Erd
reichs beispielsweise auf einer Lafette montiert sein können.
Während der in der Fig. 1 gezeigten Bohrphase wird das
Außenrohr 1 und das Gestänge 3 gleichzeitig abgebohrt, wo
bei die Drehrichtungen gegenphasig sein können, wie die
Drehrichtungspfeile 6 andeuten. Ebenso ist es möglich, auf
grund der beiden unabhängigen Bohrantriebe unterschiedliche
Drehzahlen vorzusehen. Die Wahl der Drehrichtungen und der
Drehzahlen wird in Abhängigkeit von den Eigenschaften des
Erdreichs 5 im Hinblick auf einen optimalen Vortrieb ge
wählt. Durch einen Zuführkanal 7, der zwischen der Außen
wand 8 und der Innenwand 9 des Außenrohres gebildet ist,
wird ein Spülmedium, beispielsweise Bentonit-Suspension,
als Bohrhilfe für das Außenrohr eingeleitet. Die dazu er
forderlichen Pumpeinrichtungen und Vorratsbehälter sind an
der Erdoberfläche installiert. Das Spülmedium gelangt im
Bereich der Bohrkrone 2 über Austrittsöffnungen 10, die
über den Umfang des Außenrohres 1 verteilt sind, in das
von der Bohrkrone 2 beaufschlagte Erdreich. Das austretende
Spülmedium ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 11 verse
hen. Der Bohrgrund wird ferner mit Hilfe des Bohrkopfes 4
bearbeitet. Auch der Bohrkopf 4 ist mit Austrittsöffnungen
(nicht dargestellt) für weiteres Spülmedium versehen, wel
ches im Inneren des Kanalgestänges 3 zugeführt wird. Es
entfaltet seine Wirkung im Bereich 13 vor dem Bohrkopf 4.
In der Fig. 1 ist eine Konfiguration dargestellt, bei wel
cher das Außenrohr 1 dem Kanalgestänge 3 vorauseilt. In
Abhängigkeit von der jeweiligen Geologie kann es aber glei
chermaßen zweckmäßig sein, das Kanalgestänge 3 vor dem
Außenrohr 1 oder auf gleicher Höhe des Außenrohrs 1 zu
führen.
Im unteren Bereich weist das Gestänge 3 mindestens eine
Injektionsdüse 12 auf, die im wesentlichen horizontal aus
gerichtet ist. Sie ist im Inneren des Kanalgestänges 3
über eine Zuleitung (nicht dargestellt) mit einer Hoch
druckpumpe an der Erdoberfläche verbunden, über welche
eine Hochdruck-Suspension eingeleitet wird, wie die
nachfolgende Beschreibung erläutert.
Nach Erreichen der Endteufe wird das Gestänge 3 in eine
Stellung gebracht, in welcher die Injektionsdüse 12 oder
gegebenenfalls mehrere derartiger Injektionsdüsen vor der
Bohrkrone 2 stehen. Diese Stellung veranschaulicht Fig.
2. Anschließend wird die Hochdruck-Suspension 14 in das
Erdreich 5 injiziert, wobei durch Drehen und Ziehen des
Bohrgestänges 3 ein zylinderförmiger Injektionskörper 15
erzeugt wird.
Gleichzeitig mit dem Kanalgestänge 3 wird auch das Außenrohr
1 zurückgezogen. Überschüssige Injektions-Suspension, die
nicht mehr in das Erdreich 5 eindringen kann, tritt über
eine Ringraum 16 zwischen dem Außenrohr 1 und dem Kanal
gestänge 3 nach oben an die Erdoberfläche aus.
In Fig. 3 ist das Außenrohr 1 und das Kanalgestänge 3 teil
weise im Längsschnitt entlang der Längsmittellinie 17 darge
stellt. Es wird ersichtlich, daß das Kanalgestänge 3 aus
zwei koaxialen Rohren besteht, wobei das äußere Kanalrohr mit
dem Bezugszeichen 18, das innere Kanalrohr mit dem Bezugszei
chen 20 versehen sind. Über das innere Kanalrohr 20 wird die
Suspension an die Injektionsdüse 12 geleitet.
Eine Spülleitung 21, die durch den Rohrraum zwischen dem
äußeren Kanalrohr 18 und dem inneren Kanalrohr 20 gebildet
wird, dient zur Versorgung mit dem weiteren Spülmedium für
das bevorzugt Wasser verwendet wird.
Wie die Fig. 3 veranschaulicht, kann dieses weitere Spül
medium auch zum Ausspülen des Ringraums 16 verwendet wer
den. Zu diesem Zweck ist das äußere Kanalrohr 18 mit min
destens einer Spüldüse 22 versehen, welche einen Flüssig
keitsstrahl von unten nach oben lenkt. Durch diese Maßnahme
wird ein kontinuierlicher Rückfluß im Ringraum 16 sicherge
stellt und ein Verstopfen oder teilweises Verengen des
Ringraums 16 verhindert.
Das austretende weitere Spülmedium fließt nach oben in Rich
tung auf die Erdoberfläche und unterstützt den Transport des
Bohrguts, das von der Bohrkrone 2 und dem Bohrkopf 4 (Fig. 1)
unter dem zusätzlichen Einfluß von Spülmedium gelöst wurde.
Es verhindert, daß sich dieses Bohrgut im Ringraum 16 zusammen
setzt oder verklumpt.
Grundsätzlich kann es ausreichend sein, daß eine einzige
Spüldüse 22 vorhanden ist. Werden mehrere derartiger Spül
düsen entlang des Umfangs des äußeren Kanalrohrs 18 ver
teilt, so kann der kontinuierliche Bohrguttransport an
die Erdoberfläche weiter verbessert werden. Insbesondere
bei längeren Kanalgestängen 3 wird die Spülung des Ring
raums 16 unterstützt, wenn Spüldüsen vertikal übereinander
entlang des Kanalgestänges 3 angeordnet sind.
Da eine Verstopfung oder Verengung des Ringraums 16 nicht
nur beim Abbohren eintreten kann, wird die Spüldüse 22
gleichermaßen beim Rückziehen der Bohrvorrichtung, wie es
im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben ist, betätigt.
In dieser Phase wird überschüssige Hochdruck-Suspension
nach oben abgeführt.
Claims (10)
1. Bohrvorrichtung für Hochdruck-Injektions-Bohrverfahren,
bestehend aus
- a) einem durch einen ersten Bohrantrieb drehbaren, einen Bohrkopf (4) tragenden Kanalgestänge (3), welches oberhalb des Bohrkopfes (3) mit mindestens einer Injektionsdüse (12) zum Austritt einer Hochdruck-Suspension versehen ist,
- b) einer im Inneren des Kanalgestänges (3) verlaufenden Leitung zur Zuleitung eines Spülmediums zu dem Bohrkopf (4),
- c) einer innerhalb des Kanalgestänges (3) vorgesehenen, mit der Injektionsdüse (12) verbundenen Hochdruck-Suspensionsleitung,
- d) einem das Kanalgestänge (3) zur Bildung eines Ringraumes (16) im Abstand koaxial und längsverschieblich umfassenden, mit einer Austrittsöffnungen (10) aufweisenden Bohrkrone (2) ausgestatteten und einem die Bohrkrone (2) mit Spülmedium (11) versorgenden, einen Zuführkanal (7) bildenden doppelwandigen Außenrohr (1), welches über einen separaten zweiten Bohrantrieb unabhängig von dem Kanalgestänge (3) drehbar ist.
2. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet
daß das Kanalgestänge (3) mindestens eine in den Ringraum
(16) austretende und in Vortriebsrichtung hinter
der Injektionsdüse (12) angeordnete Spüldüse (22) aufweist.
3. Bohrvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spüldüse (22) vom bohrkopfseitigen Ende weggerichtet
ist.
4. Bohrvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Spüldüsen (22) über den Umfang des Kanalgestänges
(3) verteilt sind.
5. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Spüldüsen (22) über die Länge des Kanalgestänges
(3) verteilt sind.
6. Bohrverfahren unter Verwendung der Bohrvorrichtung
nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- a) gleichzeitiges Abbohren des Kanalgestänges (3) und des Außenrohres (1),
- b) Einleiten eines Spülmediums (11) als Bohrhilfe für das Außenrohr (1),
- c) nach Erreichen der Endteufe Anordnen der Injektionsdüse (12) vor der Bohrkrone (2) des Außenrohres und anschließend
- d) gleichzeitiges Zurückziehen des Außenrohres (1) und des Kanalgestänges (3) unter Injektion der Hochdruck-Suspension (14).
7. Bohrverfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenrohr (1) und das Kanalgestänge (3) mit
unterschiedlicher Drehrichtung bewegt werden.
8. Bohrverfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenrohr (1) und das Kanalgestänge (3) mit
unterschiedlicher Drehzahl bewegt werden.
9. Bohrverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenrohr (1) und das Kanalgestänge (3) mit
unterschiedlichem Vortrieb abgeteuft werden.
10. Bohrverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Abteufens und/oder Zurückziehens über
eine Spüldüse (22) weiteres Spülmedium in den Ringraum
(16) zur Spülung des Ringraums (16) eingeleitet wird.
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