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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen
von Informationen durch ein Spezialbohrgestänge, das zur Herstellung von
Säulen
dient, die widerstandsfähiger
sind als der Erdboden vor Ort, wobei dieses Bohrgestänge das Übertragen
der genannten Informationen zwischen seinem oberen Ende in der Nähe der Bodenoberfläche und seinem
unteren Ende, das die Bohrwerkzeuge trägt, ermöglicht.
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Die
Technik zur Verfestigung der Böden durch
Destrukturierung des Erdbodens durch einen Hochdruckflüssigkeitsstrahl,
meistens „jet
grouting" genannt,
besteht darin, Bodenbetonsäulen
(Mischen vor Ort von Erdboden mit einem durch das Fluid des Strahls
mitgebrachten Bindemittel) aus einer Bohrung herzustellen, indem
ein Bohrgestänge
verwendet wird, in das das Hochdruckfluid eingeleitet wird, um die
Säule herzustellen.
Eines der Strahlverfahren, „Doppelstrahl" genannt, verwendet
zwei Fluide. Eine erste Flüssigkeit
zur Destrukturierung des Erdbodens und der Luft, um die Wirksamkeit
des Flüssigkeitsstrahls
zu verbessern. Sie wird auf übliche Weise
unter Verwendung eines Bohrgestänges
mit doppelter Säule
eingebracht, d.h. die eine Innenleitung umfasst, die es ermöglicht,
die beiden Fluide zum Grund der Bohrung zu leiten. Die Mittelbohrung befördert die
Flüssigkeit
des Strahls, im Allgemeinen eine Mischung aus Wasser und Zement,
und in dem ringförmigen
Raum zwischen der Außenwand
des Rohrs und der Innenleitung zirkuliert Druckluft.
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Es
werden immer häufiger
tiefe Säulen
beim „jet
grouting" eingesetzt,
die perfekt positioniert werden müssen, um eine Schicht im Boden
oder ein Erdbodenmassiv zu bilden, das nach diesem Verfahren hergestellt
ist. Um diesen Werktyp richtig zu verwirklichen, müssen ständig einerseits
die Position der Bohrung während
der Bohrphase und andererseits der Durchmesser der Säule während der
Strahlphase, die zur Herstellung der Säule in der vorher durchgeführten Bohrung
dient, gemessen werden. Dazu sind Positionsfühler vom Typ Querneigungsmesser, Magnetometer,
Gyrometer und Durchmessermessgeräte
am unteren Ende des Bohrgestänges
eingebaut. Diese Fühler
müssen
mit der Oberfläche
kommunizieren können,
damit die Daten, die sie liefern, in Echtzeit übertragen werden, um es zu
ermöglichen, sofort
die erforderlichen Korrekturen durchzuführen, um die erforderliche
Qualität
für das
im Bau befindliche Werk erhalten zu können.
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Um
diese Informationsübertragung
durchzuführen,
wurde bereits in den französischen
Patentanmeldungen 2 777 595 und 2 777 594 vorgeschlagen, eine Stromschleife
zu verwenden, um die Information zu übertragen, wobei ein Leiter
das Bohrfluid selbst und der zweite entweder das Gestänge oder
der Erdboden ist. Spulen, eine Sende- bzw. eine Empfangsspule, sind
auf dieser elektrischen Schaltung angeordnet, um die Informationen
in Form von elektrischen Impulsen zu senden und zu empfangen. Dazu müssen Gestänge verwendet
werden, die einen inneren Isolator umfassen, und das Fluid muss
elektrisch leitend sein.
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Ein
erster Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines Trägers zur
Informationsübertragung
mit Hilfe eines Bohrgestänges
für die
Technik des „Doppelstrahls", die einfacher im
Einsatz ist und mit Gestängen
für einen „Standard-Doppelstrahl" verwendbar ist.
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Um
dieses Ziel zu erreichen ist erfindungsgemäß das Verfahren zum Übertragen
von Informationen zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende
eines Bohrgestänges,
wobei jede Stange eine leitende Außenwand und eine koaxiale Innenleitung aus
einem leitenden Material für
die Beförderung
der unter Druck stehenden Flüssigkeit
aufweist, wobei der ringförmige
Raum zwischen der genannten Leitung und der genannten Außenwand
mit einem fluiden elektrischen Isolator gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass es die folgenden Schritte umfasst:
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- – eine
erste Spule zur induktiven Kopplung wird in der Nähe des zu
verschließenden
Endes des Bohrgestänges
in dem genannten ringförmigen Raum
derart angeordnet, dass die Spule die Leitung umgibt,
- – an
die Spule wird ein die zu übertragende
Information darstellendes elektrisches Signal angelegt,
- – eine
zweite Spule zur induktiven Kopplung wird in der Nähe des oberen
Endes des Bohrgestänges
in dem ringförmigen
Raum angeordnet, damit die zweite Spule die Leitung umgibt,
- – an
der zweiten Spule wird ein die übertragene Information
darstellendes elektrisches Signal aufgenommen.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines Bohrgestänges für den Einsatz
der Technik mit „Doppelstrahl", die die Übertragung
der Information auf verbesserte Weise ermöglicht.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, ist das Bohrgestänge, das mit Informationsübertragungsmitteln ausgestattet
ist, wobei jede Stange eine leitende Außenwand, eine ebenfalls leitende
koaxiale Innenleitung für
den Durchfluss einer unter Druck stehenden Flüssigkeit aufweist, wobei der
ringförmige
Raum zwischen der Außenwand
und der Innenleitung mit einem fluiden Isolator gefüllt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübertragungsmittel umfassen:
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- – eine
erste Spule zur induktiven Kopplung, die in der Nähe des unteren
Endes des Bohrgestänges in
dem ringförmigen
Raum derart angeordnet ist, dass die Spule die Leitung umgibt;
- – Mittel,
um an die Spule ein die zu übertragenden Informationen
darstellendes elektrisches Signal anzulegen;
- – eine
zweite Spule zur induktiven Kopplung, die in der Nähe des oberen
Endes des Bohrgestänges
und in dem ringförmigen
Raum derart angeordnet ist, dass die genannte Spule die Leitung umgibt;
- – Mittel,
um das in der zweiten Spule erzeugte elektrische Signal aufzunehmen.
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Es
ist zu verstehen, dass erfindungsgemäß die Stromschleife von den
leitenden Elementen gebildet ist, die von der Außenwand der Stangen und von der
Innenleitung dieser selben Stangen gebildet sind, die durch das
Isoliergas getrennt sind, das den ringförmigen Raum zwischen diesen
beiden koaxialen Rohren ausfüllt.
Es ist somit zu sehen, dass diese Informationsübertragung keinerlei Änderung
der Standardstangen erfordert. Sie erfordert nur die Anbringung
der Spulen zur induktiven Kopplung in der unteren Bohrstange und
in der oberen Bohrstange. Die untere Spule spielt bei dieser Ausführungsart
die Rolle eines Senders, und die obere Spule spielt die Rolle eines
Empfängers,
der es ermöglicht,
die Information zu den Bearbeitungs- und Verwertungsanlagen, die auf
der Bodenoberfläche
angeordnet sind, zu übertragen.
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Es
ist auch zu verstehen, dass die an die erste Spule, d.h. an die
untere Spule, angelegten Informationen, jene sind, die von den Fühlern geliefert werden,
die in dem unteren Teil des Bohrgestänges angeordnet sind, und dass
diese selben Informationen, die eventuell hinsichtlich ihrer Form
umgeformt werden, von der oberen Spule aufgenommen und an die auf
der Bodenoberfläche
befindlichen Bearbeitungseinheiten übertragen werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Studie der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer Ausführungsarten
der Erfindung hervor, die als nicht einschränkende Beispiele angeführt sind.
Die Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Figuren, wobei:
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1 ein Aufriss einer Bohranlage
vom Typ „jet
grouting" bekannter
Art ist;
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2 eine vereinfachte Ansicht
der Bohrgestängeeinheit,
die mit den Übertragungsmitteln
ausgestattet ist, ist;
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3 im Detail die Informationsübertragungsmittel
darstellt, die am oberen Teil und am unteren Teil des Bohrgestänges befestigt
sind; und
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4 ein Beispiel für die Codierung
der zu übertragenden
Information zeigt.
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In 1 ist auf vereinfachte Weise
eine Bohrmaschine vom Typ mit „Doppelstrahl" dargestellt. Diese
Figur zeigt eine Plattform 10, die vorzugsweise auf Raupenketten 12 montiert
ist und auf der an ihrem unteren Ende 14a ein vertikaler
Führungsmast 14 angelenkt
ist. Der Mast 14 dient zur vertikalen Translationsführung eines
Wagens 16, der selbst einen Bohrkopf 18 oder Drehkopf
trägt.
Der Bohrkopf 18 dient einerseits dazu, das Bohrgestänge 20 in
Drehung zu versetzen, das von den elementaren Stangen 20a gebildet
ist, und das Bohrgestänge unter
der Wirkung des Hinabfahrens des Wagens 16 abzusenken.
Am oberen Ende des Bohrgestänges
ist insbesondere eine Drehkupplung 22 zu finden, die die
Versorgung mit Druckluft und Flüssigkeit
für den Strahl 24 und 26 ermöglicht.
Die untere Stange 20 ist mit dem Strahlwerkzeug 28 und
einem mechanischen Bohrwerkzeug 30 ausgestattet.
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Es
ist zu verstehen, dass die Bohrung dadurch erfolgt, dass das Bohrgestänge in Drehung versetzt
und in den Boden abgesenkt wird. Es ist auch zu verstehen, dass
im Falle einer tiefen Bohrung zusätzliche Zwischenstangen 20a montiert
werden müssen.
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In 2 ist auf vereinfachte Weise
das Bohrgestänge 20 mit
seinen laufenden Stangen 20a, seiner unteren Stange 20i,
dem Strahlwerkzeug 28 und dem mechanischen Werkzeug 30 dargestellt.
An seinem unteren Ende umfasst das Bohrgestänge ferner ein Modul 32,
das verschiedene Fühler
enthält,
die später
erklärt
sind. Wie 2 zeigt, ist
jede Stange 20a von einem Außenrohr 34 und einer
koaxialen Innenleitung 36 gebildet. Die Außenwand 34 und
die Innenleitung 36 definieren zwischen sich einen ringförmigen Raum 38,
der zur Beförderung
der Druckluft zu dem Strahlmodul 28 dient. Die koaxiale
Innenleitung 36 dient zur Beförderung der unter Druck stehenden
Flüssigkeit
ebenfalls zu dem Strahlmodul.
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Erfindungsgemäß wird,
um die Übertragung der
Informationen zwischen den in dem unteren Modul 32 enthaltenen
Fühlern
und der Bodenoberfläche zu
ermöglichen,
in dem Element der unteren Stange 20i eine erste Spule 40 zur
elektromagnetischen Kopplung montiert, wobei diese Spule in dem
mit Druckluft gefüllten
ringförmigen
Raum 38 befestigt ist. Diese Spule 40 umgibt die
Innenleitung 36. Um die Befestigung der Spule 40 zu
erleichtern, ist es möglich
vorzusehen, dass in dieser Zone die Außenwand 34 der Stange
einen Abschnitt mit einem größeren Durchmesser 42 aufweist.
Wie später
im Detail erklärt,
ist die Spule 40 durch elektrische Leiter, wie beispielsweise 44,
mit den Fühlern
des Moduls 32 verbunden. In dem Element der oberen Stange 20s wird
eine zweite Spule 46 montiert, die die Innenleitung 36 umgibt
und in dem ringförmigen
Raum 38 angeordnet ist. Diese zweite Spule 46 ist
mit elektrischen Leitern 48 über eine Drehverbindung 22 verbunden.
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Wie
bekannt ist, sind die Außenwand
der Stangen 20 und die Innenleitung 36 dieser
selben Stangen aus einem elektrisch leitenden Metall oder einer
Legierung hergestellt. Es ist zu verstehen, dass die Innenleitung 36 und
die Außenwand 34,
die elektrisch an ihren oberen und unteren Enden durch jedes geeignete
Mittel verbunden sind, eine leitende Schleife darstellen, die gut
für die Übertragung
nach dem Stromschleifenmodus geeignet ist. Die Spulen 40 und 46 sind
auf einem der leitenden Elemente dieser Stromschleife montiert,
die von der Innenleitung 36 und der Außenwand 34 gebildet
ist. Wenn somit ein nicht kontinuierliches elektrisches Signal an
die untere Spule 40 angelegt wird, wird ein induzierter Strom
in der vorher definierten Stromschleife erzeugt und somit von der
oberen Spule 46 gesammelt. Es wird somit auf der Spule 46 und
den mit ihr verbundenen Leitern 48 ein elektrisches Signal
erhalten, das für
das elektrische Signal repräsentativ
ist, das an die untere Spule 40 angelegt wurde. Wenn das
an die Spule 40 angelegte Signal für Messungen repräsentativ
ist, die von den Fühlern
durchgeführt
wurden, die in der Messabteilung 32 angeordnet sind, ist
zu verstehen, dass an der Bodenoberfläche elektrische Signale erhalten
werden, die für
diese Messungen repräsentativ
sind, wobei diese elektrischen Signale im Echtzeitverfahren an der
Oberfläche
bearbeitet werden können.
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Unter
Bezugnahme auf 3 werden
die Elemente, die Bestandteile der Erfindung sind, im Detail beschrieben,
die in dem Element der unteren Stange 20i und in dem Element
der oberen Stange 20s angeordnet sind.
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In 3 sind im Detail in der
Messabteilung 32 ein Vertikalitätsfühler 50, der dazu
dient, die Vertikalität
des Bohrwerkzeugs zu kontrollieren, und ein Fühler 52 dargestellt,
der es ermöglicht,
die Dicke der in der Strahlphase hergestellten Säule zu messen. Es können in
dieser Abteilung natürlich
noch weitere Fühler
angeordnet sein. Es befindet sich auch eine autonome Stromversorgungsquelle 54 darin.
Die Messfühler 50, 52 sind
mit einem Schnittstellenbauteil 56 verbunden, der es ermöglicht,
die von den Fühlern
gelieferten elektrischen Signale, die den in digitaler Form durchgeführten Messungen
entsprechen, dann in ein für
die digitale Information repräsentatives
Wechselsignal umzusetzen. Es handelt sich beispielsweise um einen
Generator mit fester Frequenz und fester Amplitude, der ein Wechselsignal
in den Zeiträumen
liefert, in denen das digitale Signal den Binärwert 1 hat, und das kein Wechselsignal liefert,
wenn das digitale Signal den Binärwert
0 hat. Dies ist in 4 dargestellt.
Die von der Schnittstellenschaltung 56 ausgearbeiteten
Frequenzsignale werden an die untere Spule 40 zur induktiven
Kopplung durch die Leiter 44 angelegt. Vorzugsweise sind die
Spulen 40 und 46 zur induktiven Kopplung von einem
Magnetkern in Form eines Rundstabs gebildet, der die Innenleitung 36 umgibt,
wobei auf diesen Kern ein elektrischer Leiter gewickelt ist, um
eine elektromagnetische Spule herkömmlichen Typs zu bilden.
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In
dem ringförmigen
Raum 38 der oberen Stange 20s ist die obere Aufnahmespule 46 zu
finden, die über
die Drehverbindung 22 mit dem elektrischen Ausgangsleiter 48 verbunden
ist. Die Spule 46 ist vorzugsweise auch mit Hilfe eines
Magnetkerns in Form eines Rundstabs 58 und eines auf diesen
Kern 60 gewickelten Leiters ausgeführt.
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In 3 ist auch schematisch die
Ankunft der Druckflüssigkeit 62,
beispielsweise des Zements in Suspension in Wasser, um die Innenleitung 36 zu versorgen,
und die Druckluftversorgung 64, um den ringförmigen Raum 38 zu
versorgen, dargestellt. In der Strahlabteilung 28 ist ebenfalls
schematisch eine Einspritzdüse 66 dargestellt,
die mit der Axialleitung 36 verbunden ist, und eine Ringdüse, die
mit dem ringförmigen
Raum 38 verbunden ist, in dem die Druckluft zirkuliert.
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Nach
der oben beschriebenen Ausführungsart
ist eine untere Sendespule 40 zu sehen, die mit den Fühlern verbunden
ist, und eine obere Spule 46, die mit der Bearbeitungseinheit
verbunden ist. Die Information zirkuliert somit vom unteren Teil
des Bohrgestänges
zur Bodenoberfläche.
In manchen Fällen kann
es interessant sein, Informationen an die Fühler von der Bodenoberfläche zu übertragen,
d.h. die Übertragung
von oben nach unten zu ermöglichen. Dazu
können
zwei Spulen in der oberen Stange 20s vorgesehen werden,
von denen eine sendend und die andere empfangend ist, und zwei Spulen
in der unteren Stange 20i, eine sendende bzw. eine empfangende.
In der Praxis sind die beiden Spulen vorzugsweise von nur einem
Magnetstab gebildet, auf den eine Sende- und eine Empfangswicklung
gewickelt ist.
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Um
dieses Ergebnis zu erzielen, ist es auch möglich, nur zwei Spulen zu verwenden,
die alternativ als Sender oder Empfänger verwendet werden. Dazu
kann jede Spule mit einem Umschaltelement verbunden sein, das es
ermöglicht,
sie entweder an eine Empfangsschaltung oder an eine Sendeschaltung
anzuschließen.
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Die
beiden elektromagnetischen Spulen, die mit der oben definierten
Stromschleife verbunden sind, ermöglichen es auch, die elektrische
Energie von der Oberfläche
zu der Messabteilung 32 zu übertragen, um die Batterie
oder den Akkumulator 54 wieder aufzuladen. Diese Energieübertragung
erfolgt zu den Zeiten, zu denen keine Information übertragen werden
muss.
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Ferner
wurde in der vorhergehenden Beschreibung der Fall der Technik des „Doppelstrahls" betrachtet.
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Für manche
Werke wird die Technik des „Dreifachstrahls" verwendet. Ein Flüssigkeitsstrahl und
ein Druckluftstrahl dienen zur Destrukturierung der Erdoberfläche, während der
dritte Strahl zum Herbeibringen des Schlamms für die Bildung der Säule dient.
Die Stangen umfassen nun zwei koaxiale Innenleitungen. Bei dieser
Ausführungsart
sind die Spulen zur induktiven Kopplung noch in dem ringförmigen Raum
angeordnet, in dem die Druckluft zirkuliert.