DE4403040A1 - Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung im Lockergesteinsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen sogenannten Aufweitkopf, wie er beim Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung von Dükern unter Einsatz einer Bohrspülung Verwendung findet.

Bekannt ist ein Aufweitkopf (Firmenschrift Nr. 15 vom September 1993 der "Tracto-Technik" KG, D-57356 Lennestadt;), der im we­ sentlichen von birnenförmiger Gestalt und mit spiralförmig an­ geordneten Kratzelementen besetzt ist und der unter Einleitung einer drehenden Bewegung mit seiner schlanken Seite voran in axialer Richtung verzogen wird. Dieser Erweiterungsbohrer besitzt ebenfalls Durchtrittsbohrungen für eine eingesetzte Bohrspülung und erweitert die Pilotbohrung durch Pressen, so daß das anstehen­ de Gebirge nahezu ausnahmslos verdichtet werden muß. Die Einlei­ tung von Bohrspülung erfolgt über Austrittsbohrungen im Aufweit­ kopf und dient dazu, ein Zusammenfallen der entstehenden horizon­ talen Bohrung zu vermeiden sowie als eine Art Schmiermittel zu wirken.

Bekannt ist ebenfalls (DE-OS 40 21 719) eine Aufweiteinrichtung, bei der durch radial angeordnete Bohrungen in den Bereich der Schneiden Wasser und Bohrspülung eingebracht wird, um einerseits Antihaftflächen zwischen gelösten Bodenteilen und Schneideinrich­ tung zu schaffen und gelöste Bodenteile mittels Spülung auszutra­ gen und durch die somit geschaffenen hydraulischen Verhältnisse Reibungsverluste weitgehendst zu minimieren. Der zu beseitigende Querschnitt wird einerseits in Form eines runden Körpers aufge­ schnitten, der durch radial angeordnete und mit Schneiden besetz­ te Stege entsprechend der Anzahl dieser Stege radial aufge­ schnitten wird. Ein der Wandungsstärke der die Schneidenteile tragenden Bauteile entsprechender Querschnitt des zu beseitigen­ den Bodens wird durch Verpressen in die umgebende Wandung besei­ tigt. Dieser Vorrichtung haftet der Mangel an, daß die bodenlö­ senden Kräfte ausschließlich durch das in der Pilotbohrung ge­ führte Ziehen der Vorrichtung eingeleitet werden und eine Umset­ zung in eine Rotationsbewegung auf Grund der konstruktiven Eigen­ arten weder vorgesehen und auch nicht möglich ist. Damit sind die einzuleitenden Kräfte im Verhältnis zum Vortriebsweg als erheb­ lich zu bezeichnen. Die Verwendung von Bohrspülung im Zusammen­ hang mit Wasser dient ausschließlich dem Transport des gelösten Bohrkleins und führt dazu, daß die Bohrspülung einer ständigen Regenerierung bedarf, da sie ihren thixotropen Charakter durch die ständige Wasserzufuhr verliert und sich zunehmend im Sinne einer Klarwasserspülung wandelt.

Die DE-PS 41 34 095 beschreibt die Anordnung mehrerer scheibenar­ tiger Körper, die im Sinne der Hüllkurve eines Kegels ausgebildet sind, damit eine kontinuierliche Aufweitung einer hergestellten Pilotbohrung bewirken und unter ständiger Einleitung einer Rota­ tionsbewegung auf einer hohlgebohrten Achswelle verschieblich be­ festigt sind, durch die in den scheibenartigen Körpern austreten­ de Bohrspülung zur intensiven Aufladung des Spülstromes beigetra­ gen wird und durch diese intensive Durchmischung ein leichter Transport des gelösten Bohrkleins nach über Tage erfolgt. Sehr vorteilhaft für die Energiebilanz des Prozesses ist die geringe Masse der scheibenartigen Körper und das Vorhandensein von Durch­ brüchen in den scheibenartigen Körpern. Nachteilig ist, daß die Möglichkeiten der abrasiven Wirkung der Bohrspülung im Lockerge­ birge nicht genutzt werden und eine optimale Geometrie der schei­ benartigen Körper nicht zum Tragen kommt. Einhergehend mit einem spezifischen Verwendungszweck angepaßten Energieeinsatz wird zwar eine Verstellmöglichkeit der Scheiben genutzt, jedoch ist hier insbesondere die Anpassung an einen spezifischen Bohrdurchmesser gefragt. Die ständige Verschmutzung des möglichen Verstellberei­ ches auf dem zur Führung vorgesehenen Vierkant einschließlich der notwendigen Klemmeinrichtung verhindert regelmäßig deren ständi­ gen Benutzung.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aufweitkopf zu entwickeln, der auch in schwer verdrängbaren Böden bei gleichzeitiger Herab­ setzung der benötigten Antriebsleistung eingesetzt werden kann und damit eine weitere Herabsetzung des einzuleitenden Drehmomen­ tes bewirkt. Dazu sind übliche Elemente mit abrasiver Wirkung hinsichtlich ihrer Effekte in ihrer Gesamtheit weiter zu verbes­ sern. Gleichermaßen ist der Aufweitkopf so auszubilden, daß auch unter Bedingungen, die in erheblichem Maße die gegenseitige Ver­ schieblichkeit mechanischer Teile zueinander verhindern, eine hinreichende Kombinierfähigkeit für unterschiedliche Durchmesser­ bereiche gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem mehrere Schneid­ ringe, die unterschiedlichen Durchmessern entsprechen, der Größe nach so geordnet sind, daß eine gedachte Umhüllungskurve einem Kegel entspricht, der mit seiner Verjüngung in Richtung der auf­ zuweitenden Pilotbohrung weisend angeordnet ist und jeder der Schneidringe stirnseitig im Wechsel mit Spülungsaustrittsöffnun­ gen Schneidelemente aufweist, die in Bezug zu gedachten den Mit­ telpunkt des zylindrischen Achskörpers schneidenden radialen Li­ nien in einem Winkel α zwischen 1° und 15° entgegen der Schneid­ richtung angeordnet sind. Der Winkelbereich wird in Abhängigkeit von der Festigkeit des anstehenden Gebirges festgelegt. Recht universell läßt sich ein Aufweitkopf einsetzen, dessen Schneid­ elemente in einem Winkel α von 5° angeordnet sind. Die Spülungs­ austrittsöffnungen sind in Bezug zur Achse der zylindrischen Hohlkörper und in Bearbeitungsrichtung in einem Winkelbereich von 10° bis 30° von der Achse des zylindrischen Achskörpers nach au­ ßen gerichtet abweichend angeordnet. Sehr zweckmäßig hat sich de­ ren Anordnung in einem Winkel von 15° von der axialen Richtung abweichend erwiesen. In diesen Spülungsaustrittsöffnungen befin­ den sich Düsen, die über ein entsprechendes Gewinde auswechselbar in diesen befestigt sind. Jeder Schneidring verfügt über wenig­ stens 3 Schneidelemente, um eine möglichst gleichmäßige Kraftein­ leitung zu gewährleisten. Hinsichtlich ihrer wirksamen Breite sind die Schneidelemente so bemessen, daß diese Breite immer der halben Durchmesserdifferenz zweier unterschiedlicher Schneidringe entspricht. Diese Feststellung ist auf den ersten Schneidring be­ zogen nur insofern zutreffend, als hier als Basiswert vom Durch­ messer der Pilotbohrung auszugehen ist.

Um den Aufweitkopf einem spezifischen Bohrungsdurchmesser auch unter stark korrosiv wirkenden Verhältnissen anpassen und den ge­ rätetechnischen Aufwand weitestgehend reduzieren zu können, ist der zylindrische Achskörper in axialer Richtung geteilt, indem jeder Schneidring auf einem Teilstück des mit einem durchgängigen Hohlraum und mit entsprechenden Gewindestücken versehenen zylin­ drischen Achskörpers unlösbar befestigt und durch das Aneinander­ reihen von mehreren der gestuften Schneidringe unterschiedlichen Durchmessers eine Anpassung der Vorrichtung an verschiedene End­ durchmesser möglich ist.

Die Verbindung der einzelnen Teilstücke erfolgt durch Verschrau­ ben, indem jeweils der der Bearbeitungsrichtung zugewandte Teil Außengewinde und das jeweils gegenüberliegende Teil Innengewinde besitzt, wie das auch bei kombinierfähigen Bohrgestängen üblich ist.

Um den gezielten Einsatz der unter Druck im Anschlußbereich des Bohrgestänges zugeführten Bohrspülung zum Lösen des anstehenden Bodens zu ermöglichen, ist das jeweils letzte Teilstück des zy­ lindrischen Achskörpers durch einen lösbaren Stopfen verschlos­ sen, um die Kombinationsfähigkeit des Teilkörpers zu sichern. Al­ ternativ ist es ebenso möglich, statt eines Stopfens eine ebenso dichtende Aufnahme zu verwenden, die gleichzeitig über eine Kup­ plungseinrichtung zum Mitführen der in die aufgeweitete Bohrung einzuziehenden Rohrtour verfügt oder/und die Bohrspülung nicht stirnseitig, sondern durch den den letzten Achskörper verschlie­ ßenden Stopfen zuzuführen, auch wenn dort die einzubauende Rohr­ tour mitgeführt wird.

Durch die zweckmäßige Gestaltung der die Bohrspülung einleitenden Kanäle wird nicht nur der Löseprozeß weiter effektiv gestaltet, es erfolgt vielmehr durch die gezielte Einbeziehung der durch die Düsen erhöhten abrasiven Wirkung der Bohrspülung nicht nur eine gezielte Steigerung des Arbeitsvermögens des Aufweitkopfes, son­ dern ebenfalls eine größtmöglichste Aufladung des Spülstromes, wobei die Bohrspülung an sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung im wesentlichen erhalten bleibt und nach Abtrennen des Bohr­ kleins ungehindert wieder verwendet werden kann. Von Vorteil ist das Herstellen eines Dükers mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung insofern, als zunächst in einer Richtung mittels einer geeigneten Bohrlanze das Herstellen einer Pilotbohrung erfolgt, nach Fertig­ stellung derselben auf dem Rückweg der erfindungsgemäße Aufweit­ kopf mitgeführt, der gewünschte Enddurchmesser durch Auswahl ei­ ner geeigneten Kombination von entsprechend gestuften Schneidkör­ pern hergestellt wird, indem immer die Minimierung der Schneid­ kräfte gewährleistet ist und, falls ein solcher Einbau gewünscht ist, gleich die einzuziehende Rohrtour mitgeführt wird.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Aufweitko­ pfes,

Fig. 2 den Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausge­ stalteten Schneidring eines erfindungsgemäßen Auf­ weitkopfes,

Fig. 3 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Schneidringes.

Ein mit einem Hohlraum zur Zuführung der Bohrspülung versehener zylindrischer Achskörper 1 ist in axialer Richtung vom kleinsten nach dem größten Durchmesser geordnet mit Schneidringen 2 unter­ schiedlichen Durchmessers besetzt, die sich über Speichen 3 auf dem mit einem Hohlraum versehenen zylindrischen Achskörper 1 ab­ stützen. Stirnseitig weist jeder der Schneidringe 2 stirnseitig im Wechsel mit Spülungsaustrittsöffnungen 6 Schneidelemente 4 auf, die in Bezug zu den Mittelpunkt des zylindrischen Achskör­ pers 1 schneidenden gedachten radialen Linien in einem Winkel α von 5° entgegen der vorgesehenen Schneidrichtung angeordnet sind. Damit ist es nicht möglich, den gleichen Schneidkopf mit anderem Drehsinn einzusetzen. Der Winkelbereich wird vor Beginn der Ar­ beiten in Abhängigkeit von der Festigkeit des anstehenden Gebir­ ges festgelegt. Nach bisherigen Erfahrungen läßt sich recht uni­ versell ein Aufweitkopf einsetzen, dessen Schneidelemente 4 in einem Winkel α von 5° angeordnet sind, wobei im festeren Boden eine Vergrößerung des Winkels und im lockeren Boden eine Ver­ kleinerung empfehlenswert ist.

Der für die Herstellung eines Dükers mit einem Durchmesser von 400 mm vorgesehene Aufweitkopf verfügt beispielhaft über drei Schneidringe 2, die mit Durchmessern von 200 mm, 300 mm und 400 mm Durchmesser ausgeführt sind, jeweils entsprechend der genann­ ten Reihenfolge vom ersten bis zum dritten Schneidring 2 gestuft. Damit die Schneidringe 2 einer entgegen der Bearbeitungsrichtung gerichteten Spülstromführung nicht hinderlich im Wege sind, be­ sitzen diese, wie andere ähnliche Konstruktionen auch, Speichen 3, um einen Durchtritt der Spülung in der genannten Richtung zu gestatten und gleichzeitig das Gewicht der Schneidringe 2 und da­ mit deren Massenträgheit zu verringern. Das wirkt sich günstig auf die Kinematik des Aufweitkopfes auf.

Die Spülungsaustrittsöffnungen 6 sind in Bezug zur Achse der zy­ lindrischen Achskörper 1 und in Bearbeitungsrichtung in einem Winkelbereich von 10° bis 30° von der Achse des zylindrischen Achskörpers 1 nach außen gerichtet abweichend angeordnet und durch zum Hohlraum des zylindrischen Achskörpers 1 führende Kanä­ le mit diesem verbunden. Sehr zweckmäßig hat sich die Anordnung der Spülungsaustrittsöffnungen 6 in einem Winkel von 15° von der axialen Richtung abweichend erwiesen. In diesen Spülungsaus­ trittsöffnungen 6 befinden sich Austrittsdüsen 7, die über ein entsprechendes Gewinde auswechselbar in den Spülungsaustrittsöff­ nungen 6 befestigt sind. Dadurch erhält die mit Druck über den Hohlraum des zylindrischen Achskörpers 1 eingeleitete Bohrspülung eine definierte Richtung, und die abrasive Wirkung der mit Druck aus den Austrittsdüsen 7 austretenden Spülung wird erhöht. Über die Befestigung der Austrittsdüsen 7 in einem Gewinde ist es mög­ lich, bei nicht auszuschließender Verschmutzung oder gar vorhand­ enem Verschleiß diese Austrittsdüsen 7 auszuwechseln.

Jeder Schneidring 2 verfügt über wenigstens drei Schneidelemente 4, um eine möglichst gleichmäßige Krafteinleitung in den Aufweit­ kopf zu gewährleisten und infolgedessen einen ruhigen Lauf zu er­ reichen.

Um den Aufweitkopf einem spezifischen Bohrungsdurchmesser auch unter stark korrosiv wirkenden Verhältnissen anpassen und den ge­ rätetechnischen Aufwand weitestgehend reduzieren zu können, ist der zylindrische Achskörper 1 in axialer Richtung geteilt, indem jeder Schneidring 2 auf einem Teilstück gleicher Länge des mit einem durchgängigen Hohlraum versehenen zylindrischen Achskörpers 1 unlösbar befestigt und durch das Aneinanderreihen von mehreren der gestuften Schneidringe 2 unterschiedlichen Durchmessers eine Anpassung des Aufweitkopfes an verschiedene Durchmesser möglich ist.

Die Verbindung der einzelnen Teilstücke erfolgt durch Verschrau­ ben, indem jeweils die der Bearbeitungsrichtung zugewandte Seite eines Teils des zylindrischen Achskörpers 1 Außengewinde und die jeweils gegenüberliegende Seite Innengewinde besitzt, wie das adäquat auch bei kombinierfähigen Bohrgestängen in der Regel üb­ lich ist.

Um den gezielten Einsatz der unter Druck im Anschlußbereich des Bohrgestänges zugeführten Bohrspülung zum Lösen des anstehenden Bodens zu ermöglichen, ist das jeweils letzte Teilstück des zy­ lindrischen Achskörpers 1 durch einen lösbaren Stopfen 5 ver­ schlossen, um die Kombinationsfähigkeit der Teilkörper zu si­ chern. Alternativ ist es ebenso möglich, statt eines lösbaren Stopfens 5 eine ebenso dichtende Aufnahme zu verwenden, die gleichzeitig in ihrem Außenbereich über eine zweckmäßigerweise drehbare Kupplungseinrichtung zum Mitführen der in die aufgewei­ tete Bohrung einzuziehenden Rohrtour verfügt, so daß diese nach Abpumpen der Bohrspülung dann bereits für andere Zwecke zur Ver­ fügung steht.

Durch die zweckmäßige Gestaltung der die Bohrspülung einleitenden Kanäle wird nicht nur der Löseprozeß weiter effektiv gestaltet, es erfolgt vielmehr durch die gezielte Einbeziehung der durch die Austrittsdüsen 7 hervorgerufenen erhöhten abrasiven Wirkung der Bohrspülung nicht nur eine gezielte Steigerung des Arbeitsvermö­ gens des Aufweitkopfes, indem immer eine Minimierung der Schneid­ kräfte bewirkt wird. Es ist vielmehr ebenfalls eine größtmöglich­ ste Aufladung des Spülstromes gewährleistet. Durch die in den zy­ lindrischen Achskörper 1 eingeleitete Rotationsbewegung wird das anstehende und dem Lockergesteinsbereich zuzuordnende Gebirge ge­ löst und durch den Spülstrom durch die zwischen den Speichen 3 befindlichen Ausnehmungen hindurchtretend ausgetragen. Die so aufgeladene Bohrspülung wird entgegengesetzt zur Bearbeitungs­ richtung abgezogen, einem Spülteich aufgegeben und nach Absetzen des ausgetragenen Bohrkleins wieder verwendet. Entsprechend dem Bohrfortschritt muß die Bohrspülung mengenmäßig ergänzt werden.

Claims (13)

1. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung, der auf einem hohl­ gebohrten zylindrischen Achskörper (1) vom kleinsten nach dem größten Durchmesser geordnet Schneidringe (2) unterschiedlichen Durchmessers aufweist, die sich über Speichen (3) auf diesen zy­ lindrischen Achskörper (1) abstützen und die mit Schneidelementen (4) besetzt sind und bis zum Hohlraum des zylindrischen Achskör­ pers (1) reichende Spülungsaustrittsöffnungen (6) aufweisen, da­ durch gekennzeichnet, daß der zylindrische Achskörper (1) ent­ sprechend der Anzahl der gestuften Schneidringe (2) in axialer Richtung geteilt ausgeführt ist und die einzelnen zylindrischen Achskörperstücke Gewindestücke zur gegenseitigen Verbindung auf­ weisen sowie diese Schneidringe (2) hinsichtlich ihrer Anordnung einer sich aus den unterschiedlichen Durchmessern der Schneidrin­ ge (2) ergebenden gedachten kegelförmigen Umhüllungskurve ent­ sprechend so geordnet sind, indem der Durchmesser des letzten Schneidringes (2) dem maximal aufzuweitenden Durchmesser der Pi­ lotbohrung entspricht und jeder Schneidring (2) stirnseitig Schneidelemente (4) aufweist.

2. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schneidelemente (4) in einem Winkel α zwischen 1° und 15° zu den Mittelpunkt des zylindrischen Achskörpers (1) schneidenden gedachten Radialen abweichend und entgegengesetzt zur Schneidrichtung angeordnet sind und hinsicht­ lich ihrer Schnittbreite im wesentlichen der halben Durchmesser­ differenz zum nächst kleineren Schneidring (2) entsprechend be­ messen sind.

3. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach einem der An­ sprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen zylin­ drischen Achskörperstücke (1) in Zugrichtung mit einem Außenge­ winde und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Innengewinde entsprechender Dimension versehen sind.

4. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülungsaus­ trittsöffnungen (6) in den Schneidringen (2) in den in Bearbei­ tungsrichtung befindlichen Stirnseiten in einem Winkelbereich von 10° bis 30° von der Achse des zylindrischen Achskörpers (1) nach außen gerichtet abweichend angeordnet sind.

5. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spülungsaustrittsöffnungen (6) in einem Winkel von 15° von der Achse des zylindrischen Achskörpers (1) nach außen gerichtet abweichend angeordnet sind.

6. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Spülungsaus­ trittsöffnungen (6) Austrittsdüsen (7) angeordnet sind.

7. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spülungsaustrittsöffnungen (6) Ge­ winde zur Befestigung der Austrittsdüsen (7) besitzen.

8. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach einem der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß entgegen der Zug­ richtung des Aufweitkopfes und im jeweils letzten der einzelnen miteinander verbundenen Achskörperstücke befindlich ein den Hohl­ raum im Achskörper (1) verschließender Stopfen (5) angeordnet ist.

9. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der das jeweils letzte Achskörperstück verschließende Stopfen (5) auf seiner Außenseite eine Kuppelein­ richtung für eine in die aufgeweitete Bohrung einzuziehende Rohr­ tour aufweist.

10. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitig auf den Schneidringen (2) angeordneten Schneidelemente (4) gleichmä­ ßig verteilt und lösbar ausgebildet sind.

11. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach einem der An­ sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Schneide­ lemente (4) aus einem Grundwerkstoff herkömmlicher Festigkeit be­ steht, der mit hochfesten abrasiv wirkenden Elementen hoher Zeit­ standsfestigkeit besetzt ist.

12. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach einem der An­ sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Win­ kel α, in dem die Schneidelemente (4) von der durch den Mittel­ punkt des zylindrischen Achskörpers (1) führenden gedachten Ra­ dialen abweichend angeordnet sind, 5° beträgt.

13. Aufweitkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zur Herstellung eines Dükers unter Einsatz einer Bohrspülung nach einem der An­ sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Schneidelemente (4) zwischen drei und acht je Schneidring (2) be­ trägt und diese in den Stirnseiten der Schneidringe (2) im Wech­ sel mit den Spülungsaustrittsöffnungen (6) angeordnet sind.