<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Bodenbohrung längs einer wenigstens abschnittsweise gekrümmt verlaufenden Bahn, wobei ein zylindrischer Bohrkopf mit einer vorderen, zur Längsachse schräggeneigten Keilfläche um seine Längsachse gedreht und in Langsachsnchtung druckbelastet wird, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens-
Solche Verfahren sind seit langem bekannt und haben sich auch durchaus bewährt, da sie ohne die Notwendigkeit von aufwendigen Grabungsarbeiten das Verlegen von Versorgungs- leitungen, Kabeln, Kanälen od dgl im Untertageverfahren ermöglichen Von der Vortnebstechnik her hat sich allerdings der Vortrieb mit drehendem Bohrkopf, der nach dem Materialaustragsprinzip arbeitet, gegenüber dem Vortrieb mit presslufthammerartig schlagendem Vortriebskörper, der nach dem Materialverdrängungsprinzip arbeitet,
durchgesetzt, denn das austragende Vorwärtsbohren bietet höhere Vortriebsleistungen und lässt sich bei unterschiedlicheren Bodenarten einsetzen als das verdrängende, nur fur Böden aus verdichtbarem Material geeignete Vorwärtstreiben. Um nun beim Bohren von einer geradlinigen Bahn abweichen zu können, wird der Bohrkopf frontseitig mit einer schrägen Keilfläche ausgestattet, so dass eine durchgehende Drehbewegung des Bohrkopfes und ein entsprechender Vortriebsdruck zu einem Vorschub entlang einer geraden Bahn führt, eine Unterbrechung des Drehantriebes aber durch die aufgebrachte Druckbelastung beim Vorwärts- treiben den Bohrkopf entlang seiner Keilfläche von der Geraden ablenkt und in eine Krümmungs- bahn zwingt (US 4 993 503 A, EP 0 626 500 A2)
Eine neuerliche Drehbewegung des Bohrkopfes ergibt dann wiederum einen geraden Vorschub in der neuen Richtung Auf Grund der Unterbrechung der Bohrkopfdrehung bei einer Bohrrichtungsänderung muss allerdings beim Bohren entlang einer gekrümmten Bahn auf die Vorteile des drehenden Vortriebes verzichtet werden, was die Leistungsfähigkeit und den Einsatzbereich der bekannten Bohrverfahren wesentlich einschrankt Dabei spielt es prinzipiell keine Rolle, ob an der Spitze des Bohrkopfes die Keilfläche lediglich mit einem Meisselwerkzeug bestückt ist oder der Bohrkopf zusätzliche Spntzdusen zum Ausspritzen eines Spulmittels aufweist, da eine Lenkung des Bohrkopfes von der gegenseitigen Abstimmung der schräg vorwärts gerichteten Abtragswerkzeuge und der Bohrkopfdrehbewegung abhängt
Um das Lenkverhalten und die Vortriebsleistung zu verbessern, wurde auch schon vorgeschlagen,
den Bohrkopf mit einem eigenbetnebenen rotierenden Abtragswerkzeug aus- zurüsten, dessen Drehachse zur Bohrkopflängsachse schräg verläuft Auch hier wird zur Bohr- richtungsänderung die Bohrkopfdrehung unterbrochen und nur das schrägstehende Rotations- werkzeug betneben, womit zwar auch während der Richtungsänderung ein drehender Vortrieb besteht, doch ergibt sich ein beträchtlicher Mehraufwand für den Bohrkopf und das Rotations- werkzeug und wegen der Durchmesserunterschiede der Bohrungen durch den Einsatz des Rotationswerkzeuges bei stehendem oder drehendem Bohrkopf sind Schwierigkeiten beim Bohren entlang gekrümmter Bahnen zu befürchten und der Einsatz bleibt auf bestimmte Bodenarten beschränkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, das bei hohen Vortriebsleistungen rationell eingesetzt werden kann und sich durch die besonders gute Steuerbarkeit der Bohrrichtung entlang unterschiedlichst verlaufender Bahnen auszeichnet Ausserdem soll eine zweckmässige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die jeweilige Drehlage der Keilfläche während der Drehbewegung des Bohrkopfes erfasst wird und in Abhängigkeit vom Bahnverlauf als Taktvorgabe fur ein impulsartiges Ansteuern der Druckbeaufschlagung des Bohrkopfes dient, wobei zu einer Bohrrichtungsänderung der Bohrkopf einem Druckimpuls unterworfen wird,
wenn die Drehlage der Keilfläche deren Normallage zur Krümmungsebene der zu bohrenden Bahnkrümmung entspricht und in Krümmungsrichtung zeigt
Durch dieses neue Steuerungsprinzip, bei dem die Richtungsänderung des Vortriebes durch eine gezielte Druckimpulsbelastung des Bohrkopfes genau zu dem Zeitpunkt, zu dem die Keilfläche in die richtige Richtung zeigt, erfolgt, kann der Bohrkopf auch beim Bohren entlang einer Bahnkrümmung seine Drehbewegung aufrecht erhalten und es kommt im wesentlichen zu keiner Änderung der Abräum- und Austragsverhältnisse während des Vortriebes Es ist lediglich darauf zu achten, dass der Druckimpuls für den Bohrkopf auf die richtige Drehlage der Keilfläche abgestimmt
<Desc/Clms Page number 2>
wird,
damit der sich durch das Zusammenspiel von Druckimpuls und Keilfläche ergebende aussermittige Vortriebs- und Abgleiteffekt zu einer einheitlichen Richtungsänderung führen Dabei muss nicht jeweils bei Erreichen der richtigen Drehlage ein Druckimpuls erfolgen, doch müssen die Druckimpulse so getaktet sein, dass die Impulsfrequenz einem ganzzahligen Vielfachen der durch die Bohrkopfdrehung vorgegebenen Drehfrequenz entspricht, wobei sich ausserdem durch die Dauer und Stärke der Druckimpulse der Abweicheffekt beeinflussen und damit der Grad der Richtungsänderung vorbestimmen lässt Die Steuerungsmöglichkeit des Bohrkopfes bei aufrechterhaltener Drehbewegung dieses Bohrkopfes gewährleistet beste Vortriebsleistungen und Austragsbedingungen, wobei mit vergleichsweise geringem Bau- und Konstruktionsaufwand das Auslangen gefunden wird.
Zum Durchführen des Verfahrens eignen sich zylindrische Bohrköpfe, die vorderends eine zur Längsachse schräggeneigte Keilfläche und hinterends Anschlüsse für ein dreh- und druckbeauf- schlagbares Bohrgestänge einer Vortriebsmaschine aufweisen, wobei dem an der Keilflache mit einem Meisselwerkzeug bestückten Bohrkopf ein Drehstellungsgeber zugehört, wenn die Vortriebsmaschine über eine Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von den mittels des Drehstellungsgebers erfassbaren Drehlagen der Keilflache im Sinne einer mit an die Bohrgestängedrehzahl angepassten Frequenz getakteten impulsartigen Druckbeaufschlagung des Bohrgestänges angesteuert wird.
Ein solcher Bohrkopf wird folglich zur gezielten Richtungs- änderung mit entsprechenden Druckimpulsen beaufschlagt, wobei der dem Bohrkopf zugeordnete Drehstellungsgeber über die Steuerungseinrichtung dafür sorgt, dass die Druckimpulse jeweils im richtigen Augenblick erfolgen, nämlich dann, wenn der Bohrkopf bei einem Druckimpuls durch die Keilfläche in die gewünschte Richtung abgelenkt wird Die Steuerungseinrichtung muss dabei selbstverständlich auch die durch das Bohrgestänge sich ergebenden Übertragungsverhältnisse fur den Drehantrieb und die Druckbeaufschlagung, wie Torsions- und Dämpfungseigenschaften, Resonanzerscheinungen und andere Randbedingungen hinsichtlich Bodenbeschaffenheit, Rohrlänge u. dgl., berücksichtigen, wozu sich eine an sich bekannte lernfähige Steuerung anbietet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Bohrkopf an seiner der Keilfläche abgewandten Oberseite in an sich bekannter Weise wenigstens eine an eine Spülmittelversorgungsleitung angeschlossene Spritzdüse aufweist, die spitzwinkelig zur Längsachse vorwärts gerichtet ist Damit kommt es zu einer kombinierten Materialabtragung durch den meisselbedingten mechanischen Materialausbruch im Ortsbrustbereich einerseits und die hydraulische Abtrags- und Austrags- wirkung der unter Druck ausgespritzten Spülflüssigkeit anderseits Die Spülflüssigkeit wird durch die schräg vorwärts gerichtete Spritzduse am Meisselwerkzeug vorbeigespritzt, so dass sie für den Meisseleinsatz eine Auflockerungszone schafft und nicht nur den Austrag des Materials durch die entspannte Bohrspülung mit sich bringt,
sondern auch den Abtrag selbst wirkungsvoller macht So lassen sich mit ein und demselben Bohrkopf Bodenbohrungen in praktisch allen Bodenklassen durchfuhren, was vor allem bei sich ändernden Bodenverhältnissen während einer Bohrung entscheidende Vorteile gewährleistet
Die Spulwirkung kann dabei noch gesteigert werden, wenn in an sich bekannter Weise drei Spritzdüsen vorgesehen sind, von denen die mittlere in einer Axialebene und die beiden äusseren dazu spitzwinkelig auswärts gerichtet verlaufen, wobei der Winkel zwischen den beiden äusseren Spritzdüsen und der Langsachse des Bohrkopfes flacher als der Winkel zwischen mittlerer Spritzdüse und Längsachse verläuft, was zu einer grösseren Auflockerungszone im Meisseleinsatzbereich führt und auch eine gleichmässigere Ausspülung des abgetragenen Materials erbringt.
Der Bohrkopf kann an seiner Keilfläche mit einem festen Meisselwerkzeug, beispielsweise einem Spaten, bestückt sein, doch lässt sich die Bohrleistung wesentlich steigern, wenn die Keilfläche des Bohrkopfes mit einem frei drehbar gelagerten Rollenmeissel bestückt ist, da bei Bohrkopfdrehung der das Material abarbeitende Rollmeissel eine relative Gegendrehung ausführt und dadurch das abgetragene Material seitlich wegfördert, so dass sich vor allem zusammen mit einer Bohrspülung hervorragende Vortriebsergebnisse erzielen lassen.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand rein schematisch veranschaulicht, und zwar zeigen
Fig 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Herstellen einer Bodenbohrung an
Hand eines Anlagenschemas,
<Desc/Clms Page number 3>
Fig 2 den Bohrkopf dieser Vorrichtung in einem Funktionsschema und die
Fig 3 und 4 bzw
Fig 5 und 6 den meisselbestuckten Bohrkopf in zwei Ausfuhrungsbeispielen jeweils in
Seitenansicht und Draufsicht
Um eine Bodenbohrung 1 entlang einer wenigstens abschnittsweise gekrümmten Bahn 2 rationell herstellen zu können, gibt es eine Bohrvorrichtung 3, die eine Vortriebsmaschine 4 zur Betätigung eines über ein Bohrgestange 5 angeschlossenen Bohrkopfes 6 aufweist, welche Vortriebsmaschine 4 einen Drehantrieb und eine Druckbeaufschlagungseinrichtung für das Bohrgestänge 5 umfasst.
Der Bohrkopf 6 besteht aus einem zylindrischen Grundkörper 7, der an seiner vorderen Stirnseite eine zur Längsachse A schräggeneigte Keilfläche 8 bildet, die mit einem Meisselwerkzeug 9 bestückt ist Dieses Meisselwerkzeug 9 kann gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig 3 und 4 ein Rollmeissel 91 sein, der frei drehbar um eine zur Keilfläche 8 senkrechte Werkzeugachse W lagert und Hartmetallspitzen 92 trägt Das Meisselwerkzeug kann aber auch gemass dem Ausführungsbeispiel nach Fig 5 und 6 aus einem einfachen, fest an der Keilfläche 8 montierten Spaten 93 bestehen
An der der Keilfläche 8 abgewandten Oberseite des Bohrkopfes 6 sind drei Spntzdusen 10, 11 angeordnet,
die über nicht weiter dargestellte Verbindungskanäle an die Zuleitungsbohrung des Bohrgestänges 5 angeschlossen sind und zum Ausspritzen eines Spulmittels für eine Bohrspulung dienen Die Spritzdüsen sind gegenüber der Langsachsrichtung A um einen spitzen Winkel a, # vorwärtsgenchtet, wobei der Winkel a der mittleren Spritzduse 10 etwas grosser als der Winkel # der seitlichen Düsen 11bemessen ist Ausserdem liegt die mittlere Düse 10 in einer Axialebene zur Längsachse A und die beiden seitlichen Düsen 11sind dazu um spitze Winkel y auswärtsgerichtet, so dass die Spntzrichtungen der Spulmittelstrahlen uber und seitlich neben den Meisselwerkzeugen 9 vorbei auf die Ortsbrust 0 zielen Dadurch ergibt sich beim Bohrvorgang durch die Bohrspulung beim Vortneb des Bohrkopfes 6 eine Auflockerungszone Z,
in die dann das Meisselwerkzeug 9 eingreift, und diese Kombination aus hydraulischem und mechanischem Abtrag führt zu hohen und vor allem auch von den Bodenverhältnissen weitgehend unabhängigen Vortriebsleistungen
Wie in Fig 2 veranschaulicht, wird beim Vortrieb des Bohrkopfes 6 der Zylinderkorper 7 mit einem bestimmten Drehvorschub W1 angetrieben, wodurch sich für den Rollmeissel 91 widerstandsbedingt beim Matenalabtrag eine relative Gegendrehung W2 ergibt Auf Grund der Spülmittelspritzstrahlen S1, S2, S3 kommt es gleichzeitig zu einer Bohrspülung und im Ortsbrustbereich 0 entsteht eine Auflockerungszone Z, die einen verbesserten Materialabtrag durch den Rollmeissel 92 gewährleistet Die Relatiwerdrehung des Rollmeissels 92 entgegen der Vortriebsdrehung des Bohrkopfes 6 führt fur das abgetragene Material zu einem Abfordereffekt,
der dieses Material aus dem Abtragsbereich wegräumt, und durch die Bohrspulung wird dieses Material dann im Ringraum R zwischen Zylinderkörper 7 und Bohrung 1 ausgespult, so dass ein einwandfreier, den Bohrungsvortrieb begünstigender Materialaustrag gewährleistet ist
Um nun den Bohrkopf 6 entlang einer gekrümmten Bahn 2 vortreiben zu können, ist der Vortriebsmaschine 4 eine Steuerungseinrichtung 12 zugeordnet, dem über einen im Bohrkopf 6 sitzenden Drehstellungsgeber 13 und einen im Anschlussbereich des Bohrgestänges 5 an der Vortriebsmaschine 4 sitzenden Stellungsgeber 14 die jeweiligen Drehlagen der Keilfläche 8 des Bohrkopfes 6 einerseits und des Bohrgestängeanschlusses anderseits eingelesen werden,
welche Steuerungseinrichtung 12 dann die Vortriebsmaschine 4 in Abhangigkeit von der Keilflächen- drehlage ansteuert Die Vortriebsmaschine 4 überträgt so bei Aufrechterhaltung des Drehantriebes auf das Bohrgestänge 5 und damit auf den Bohrkopf 6 entsprechende Druckimpulse, durch die es im Werkzeugbereich des Bohrkopfes 6 auf Grund der Keilfläche 8 zu einer durch die Keilflächennchtung bestimmten Abweichung der Vortriebsrichtung von der Geraden kommt.
Wird daher der Bohrkopf 6 dann mit Druckimpulsen beaufschlagt, wenn sich die Keilfläche jeweils in der richtigen, von der Bohrungsbahn bestimmten Drehlage befindet, ergibt sich ein entsprechender Bohrungsverlauf und die Bodenbohrung kann entlang einer gewünschten Krümmung hergestellt werden Diese Richtungsänderung erfolgt ohne Stillhalten des Drehantriebes, so dass die Abtrags- und Vortriebsverhältnisse unabhängig von der Bohrungsbahn im wesentlichen unverändert bleiben
Durch die Kombination von mechanischem Meisselabtrag und hydraulischem Bohrspülabtrag
<Desc/Clms Page number 4>