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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum verbesserten Einbringen von
Profilen in das Erdreich für Bauwerksumschließungen oder
Gründungen
mittels Spülmitteln,
die durch Einbringhochdruckspülhilfen zugleich
mit dem Einbringen des Profils in das Erdreich in der Nähe des eindringenden
Endes des Profils gefördert
werden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Spundwände und
Bohrpfahlreihen stellen bei geeigneter Geologie ein sehr kostengünstiges
und rasch zu erstellendes Bauverfahren für einen Baugrubenabschluss
oder eine Bauwerksgründung
dar.
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Spundbohlen
werden von verschiedenen Herstellern in verschiedensten Größen und
Formen hergestellt. Grundsätzlich
muss man zwei Arten von Spundbohlen unterscheiden: solche mit wasserdichtem
Schloss (Spundbohlen, Spundwände)
und solche ohne Schloss (Kanaldielen). Von der Formgebung her gibt
es Spundbohlen mit U-Profil und solche mit Z-Profil.
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Waltz,
Pulsfort, haben in „Wandartige
Stützbauwerke
und Pfahlgründungen", Gesamthochschule
Wuppertal, Vorlesungsskript Grundbau 1 Teil A, Wintersemester 2002/2003
dargestellt, wie Stahlspundwände
und Verdrängungspfähle eingerammt, eingerüttelt oder
auch eingepresst werden. Ein Rammgerät besteht heute aus dem Geräteträger, dem
Mäkler
mit Führungseinrichtung
für den
Rammbär
und das Rammgut, dem Rammbär
oder Rüttler, aus
der Rammhaube und aus Winden zum Hochziehen des Rammgutes und ggf.
des Rammbären.
Der Geräteträger ist
meist ein Hydraulikbagger. Werden die Spundbohlen durch eine besondere
Einrichtung geführt
oder gehalten, kann eine „freireitende" Ramme, meist ein
Rüttler,
Verwendung finden (Freirammen), der selbst nicht am Mäkler geführt wird.
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Vor
dem Rammen ist die Rammbarkeit des Baugrundes zu prüfen. Wenn
Rammhindernisse zu erwarten sind, sollte ein schwereres Profil gewählt werden
als statisch erforderlich. Besonders schwierig sind Schotter- und
Steinlagen zu durchrammen. Einzelne Steine werden meist verdrängt. Bei
dicht gelagertem
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Feinsand
besteht die Gefahr, dass durch in die Schlösser eingedrungenen Sand die
Spundbohlen aus den Schlössern
springen. Einzelbohlen, die aus dem Schloss gesprungen sind, z.
B. auch infolge von Rammhindernissen, können schieflaufen oder sich
sogar aufrollen. Die Fehlstellen werden erst beim Aushub der Baugrube
bemerkt. Gegebenenfalls ist vor dem Baubeginn eine Proberammung durchzuführen.
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Rammerschütterungen
sind in ihren Auswirkungen auf benachbarte Bauwerke einzuschätzen. Die
hiermit verbundenen Erschütterungen
können
einen rolligen Baugrund verdichten, woraus sich Setzungen von Gebäuden ergeben
können.
Die Rammerschütterungen
können
durch die Gründung
in die Gebäude
wandern und bei großen
Schwinggeschwindigkeiten zu konstruktiven Schäden und bei geringeren Schwinggeschwindigkeiten
zu Belästigung
der Bewohner führen.
Für eine
Beurteilung der Möglichkeit
der Schädigung
eines Gebäudes
ist die Schwinggeschwindigkeit maßgebend. Da Rammerschütterung
in Gebäuden
meist „übertrieben" empfunden und hinsichtlich
ihrer Auswirkungen auf das Gebäude
häufig überschätzt wird,
sollten Messungen durchgeführt
werden, insbesondere im Rahmen einer Beweissicherung.
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Das
Rammen kann durch Spülhilfe
unterstützt
werden. Hierzu werden Rohre von 1'' bis
2'' Durchmesser im Spundwandtal
eingeschweißt,
die am Spundwandfuß enden.
Unter hohem Druck eingepresstes Wasser lockert den Boden vor dem Spundwandfuß auf. Das
Niederdruck-Spülen
erfolgt mit 15 bar bis 20 bar Druck, bei einem Spülrohrdurchmesser
von etwa 25 mm und Wassermengen 2 l/s bis 4 l/s je Rohr; das Hochdruckspülen geschieht
mit 250 bar bis 500 bar. Insbesondere in Böden, in welchen kein Grundwasser
vorhanden ist, wird durch diese Spülhilfe eine Art Schmierfilm
gebildet, welcher die Reibung vermindert und dadurch das Einvibrieren stark
erleichtert.
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Für das Einbringen
von Stahlprofilen in das Erdreich wird gelehrt, dass eine Spülhilfe lediglich beim
schweren Rammen begrenzt langer Profile in fest gelagerten feinsandigen,
schluffigen bzw. leicht tonigen Böden angebracht sei.
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Als
Alternativen zum Rammen werden das Einrütteln und Pressen dargestellt.
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Durch
die Schwingungen z.B. beim hochfrequenten Vibrieren zum Einrütteln wird
die Mantelreibung zwischen Boden/Spundwand erheblich reduziert.
Das „Rüttelverfahren" ist insbesondere
für das Ziehen
von Bohlen und Trägern
gut geeignet.
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Das
Einrütteln
ist im Vergleich zum Einrammen geräuscharm und für die in
den Boden einzubringenden Bauteile (Spundwand, Pfahl) schonender.
Die Gefahr der Schlosssprengung oder des Schieflaufens ist geringer
als beim Rammen, da die Spundbohle beim Auftreffen auf Hindernisse
eher stecken bleibt als abzuirren.
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Beim
Einpressen mit hydraulischen Pressen gegen eine Totlast kann ab
einer gewissen Eindringtiefe der Bohlen kann auch die Mantelreibung
an den momentan nicht gepressten Spundbohlen als Gegenkraft herangezogen
werden. Die Spundbohlen müssen
durch ein Gerüst
gehalten werden.
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Zur
Erleichterung des Vortriebs des Stahlprofils kann ein Bohrpressverfahren
eingesetzt werden; dabei arbeitet in den Spundwandtälern zusätzlich eine
Bohrschnecke zur Erleichterung des Einpressvorganges.
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Der
Aufwand für
das Spülen
nach dem Stand der Technik oder „Vorbohren" ist naturgemäß beträchtlich, aber nur so kann bei
festen Böden
eine Schlosssprengung vorgebeugt werden. Trotzdem: Stahlprofile,
die nur aufgrund der statischen Erfordernisse ausgewählt wurden,
können
unter Umständen beim
Rammen so stark beschädigt
werden, dass diese ihre Funktion als Baugrubenabschluss gar nicht mehr
erfüllen
können.
So ist es möglich,
dass die Bohlen an den Schlössern
auseinander gerissen werden oder sich an Hindernissen im Boden (z.B. Felsbrocken)
aufspalten. Häufig werden
solche Beschädigungen
erst während
des Aushubes der Baugrube – wenn
es für
Gegenmaßnahmen
meist zu spät
ist – bemerkt.
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Beim
Setzen von Pfählen
für eine
Bauwerksgründung
sind heute eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren im Einsatz.
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Bei
der Hochdruckinjektion nach DIN EN 12716:1997-04 regelt die Anwendung.
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wird
ein Hochdruckinjektionsgestänge
herkömmlich
(meist durch Drehbohren mit Außenspülung) bis
zur Solltiefe eingebracht. Beim anschließenden Ziehen unter gleichzeitigem
Drehen wird der Boden mit einem Hochdruckstrahl (100 bis > 700 bar) aufgeschnitten
und mit dem Injektionsgut, meist einer Zementsuspension, vermischt.
infolge Rotation und Aufwärtsbewegung
entsteht eine homogene zylindrische Säule aus einem Gemisch von Boden
und Zementsuspension. Beim Einfachverfahren schneidet der Hochdruckstrahl
den Boden allein und mischt ihn. Es ist vor allem für geringe
Tiefen geeignet. Im Zweifachverfahren wird der Schneidstrahl zusätzlich mit Druckluft
ummantelt, was größere Durchmesser
in weitaus tieferen Bereichen ermöglicht. Ein ummantelter Wasserstrahl
schneidet beim Dreifachverfahren (vor allem für Unterfangungen) separat den
Boden und durch eine darunter liegende zweite Düse wird die Zementsuspension
eingebracht. Vorteile von Düsenstrahlsäulen sind
das erschütterungsfreie
Arbeiten, die Anpassbarkeit an den Baugrund und die Anwendbarkeit
auch bei begrenzter Bauhöhe.
Von Nachteil ist, dass die Säulen
nicht bewehrt werden können
und der entstehende „Bodenbeton" ohnehin weniger
belastbar ist als ein Ortbeton mit Rezeptur.
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Es
wird anstelle derartiger aufwändiger
Verfahren daher versucht, Stahlprofile, vorzugsweise Rohre direkt
in das Erdreich zu pressen. Untersuchungen haben jedoch ergeben,
dass der Spitzendruck unter dem vorgetriebenen Profil so groß werden
können,
dass die elastischen Verformungen des Pfahles des reinen Spitzendruckpfahles
fast die Größe der gesamten
Verformungen des Pfahles ausmachen.
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Von
daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein verbessertes
Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen womit das Einbringen
von Stahlprofilen in das Erdreich erleichtert wird.
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Das
Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale der Ansprüche
1 und 5. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die
Lösung
umfasst bei dem gattungsgemäßen Verfahren
zunächst
die Lehre, dass mindestens mit einem Spülmittelstrahl vor der Kopffläche des Profils
in die Haupterstreckungsrichtung seines Querschnitts das Erdreich
gelockert wird.
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Gegenüber dem
Stand der Technik wird dadurch eine wesentlich effektivere Spülhilfe erreicht als
bisher bekannt.
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Vorzugsweise
wird der Spülmittelstrahl
mittels vorbestimmter Lage einer Düse ausgerichtet und zwar weiterhin
nach mehreren besonderen Ausführungsformen
so, dass der Spülmittelstrahl
in Abhängigkeit
von der Form des Profils konzentrisch, fächerförmig oder eliptisch durch entsprechende
Auswahl der Düse
ausgerichtet wird.
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Das
Verfahren kann weiter verbessert werden, indem die Spülhilfe mit
mehreren Düsen
eine entsprechende Zahl von Spülmittelstrahlen
vor mehrere Teilflächen
der Kopffläche
des Querschnitts des Profils spritzt. Dadurch kann mit scharf abgrenzbarem
Strahl, das Erdreich gezielt gelöst
werden, während
das umgebende, vom Profil nicht direkt berührte Erdreich, auch nicht gelöst oder
gelockert wird. In vielen Anwendungsfällen, bei denen es auf die
Mantelreibung des Profils zur statischen Sicherung der Gründungspfähle ankommt,
unterbleibt hier die Lockerung im Wesentlichen.
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Es
soll möglich
sein, dass das Spülmittel
von einer druckregelbaren Pumpe für das Spülmittel beaufschlagbar ist,
um mit zunehmender Eindringtiefe des Profils die Spülhilfe zu
verstärken,
aber zu Beginn der Arbeit keinen wesentlichen Druck zu haben. Dies
erhöht
die Sicherheit des Bedienungspersonals, da entgegen dem bisherigen
Stand der Technik, der Spülmittelstrahl
seitwärts
und nicht in Richtung Erdreich gerichtet ist.
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Die
Lösung
umfasst des Weiteren eine Vorrichtung zum verbesserten Einbringen
von Profilen in das Erdreich für
Bauwerksumschließungen
und Gründungen
mittels am Profil angebrachter Einbringhochdruckspülhilfen,
wobei die Spülhilfe
ein Hochdruckrohr mit einem Düsenkopf,
der das Profil am einzubringenden Ende überragt, umfasst und in dem Düsenkopf
mindestens eine etwa orthogonal zur Längsachse des Rohres angeordnete
Düse aufweist.
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Das
Hochdruckrohr ist mittels Abstandshaltern und der Düsenkopf
direkt längs
einer Profilkante mit dem Profil verbunden, vorzugsweise verschweißt.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist der Düsenkopf mehrere Düsen auf,
damit zugleich mehrere Querschnittsflächen des Profils mit Spülmittelstrahlen überstrichen
werden können.
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Diese
Düsen sind
im Düsenkopf
mit mindestens einer Verbindungseinrichtung zur Aufnahme der Düsen versehen.
Dies kann eine Gewindeeinrichtung mit Komplementärgewinde zu einem Außengewinde an
der Düse
sein. Vorzugsweise werden jedoch hoch beanspruchbare Hartmetalldüsen verwendet,
die in den Düsenkopf
eingeschraubt werden.
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Anhand
eines Ausführungsbeispiels
soll die Erfindung im Folgenden näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine
Spülhilfe
nach dem Stand der Technik;
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2 einen
Teil einer Spülhilfevorrichtung gemäß der Erfindung
in Gebrauchslage;
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3 Teilschnitt
gemäß Schnittlage
A-A in 4
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4 Seitenansicht
eines Kopfes der Spülhilfe
gemäß 2
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5 Anordnung
von Spülhilfen
beim Rammen einer Doppelspundbohle
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1 zeigt
eine Spundwand R aus H-Profilen 1, die teil gerammt wurde.
Auf der äußeren rechten
Seite ist noch ein Profil 1 zu rammen, wie der Pfeil angibt.
Ein Rohr 2 ist auf dem Profil 1 angebracht und ragt
bis zum Eindringende des Profils 1. Eine Wand F ist fertig
betoniert und das Profil 1' wird
gezogen. Das Rohr 2 wird benutzt um eine Injektionslösung 3 mit
einer nicht dargestellten Pumpe in den Schlitz unter dem gezogenen
Profil 1' einzubringen.
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2 bis 4 zeigen
die erfindungsgemäße Spülhilfe in
mehreren Ansichten in Gebrauchslage.
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Die
Hochdruckspühleinbringhilfe 10 nach 2 besteht
aus einem Düsenkopf 11,
an dessen Umfang zwei Hochdruckdüsen
eingeschraubt werden können;
hier sind nur Aufnahmebohrungen/Öffnungen 12 für einzusetzende
Düsen gezeigt.
Die perspektivische Ansicht des runden Düsenkopfes 11 zeigt
an einer geometrisch exakt festgelegten Stelle eine Freilassung 13 oder
Einarbeitung, wie einbausicher eine Verschweißung des Düsenkopfes 11 mit dem
einzubringenden Profil 14, hier eine Spundwand Larsen 606 ermöglicht.
Der Düsenkopf 11 überragt die
Unterkante UK des Profils 14 so, dass die Düsenöffnungen 12 knapp
unter Unterkante UK liegen.
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Am
rückwärtigen Ende
des Spülkopfes/Düsenkopfes 11 wird
zum Beispiel ein übliches
Stahlrohr 15 von etwa 20 bis 30 Millimeter Durchmesser an
den Düsenkopf 11 verschweißt. Die
Rohre 15 werden in handelsüblichen Längen mittels automatischer Orbitalschweißung (nicht
gezeigt) unter Zugabe von Schutzgas dicht verschweißt oder
aber mit Schraubkonstruktion versehen und auf die an der Baustelle erforderliche
Länge von
beispielsweise 30 Meter gebracht. An seinem Ende wird vorzugsweise
eine Schweißverschraubung
angebracht und mittels Schelle an dem Profil 14 axial festgesetzt;
damit kann die Schelle beim Aufsetzen eines weiteren Profils im Zuge
des Rammfortschritts gelöst
und auch ein weiteres Rohr aufgeschweißt werden. Am Ende des Hochdruckrohres 15 ist über einen
Schlauch eine Hochdruckpumpe angeschlossen mit der die Spülflüssigkeit
durch das Hochdruckrohr 15 und die Düsen unter das Stahlprofil 14 gespritzt
wird.
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Die
ansonsten freie Länge
des Rohres 15 erstreckt sich parallel zu dem einzubringenden
Stahlprofil 14 und wird mittels kurzer Winkeleisen in geeignetem
Längsabstand
gegenüber
dem Stahlprofil 14 gehalten. Nur die beiden Längsschenkel
des Winkeleisens werden mit dem Stahlprofil 14 verschweißt. Diese
Art der Anbringung des Hochdruckrohres 15 der Spülhilfe vermeidet
während
des Einbringens des Stahlprofils 14 das Auftreten von schädlichen Schwingungsknoten
und damit eine Beeinträchtigung
des Vortriebes oder des Durchflusses des Spülmittels.
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4 zeigt
die Situation gemäß 2 in Seitenansicht.
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3 ist
zunächst
eine Draufsicht auf die Situation wie in 4 durch
den Pfeil D angedeutet. Zugleich zeigt 3 einen
Teilschnitt durch den Düsenkopf 11 wie
durch die Schnittlage A-A in 4 dargestellt.
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Der
Düsenkopf
ist so gestaltet, das handelsübliche
haltbare Hartmetalldüsen
z.B. von der Firma Düsen-Schlick
GmbH, Coburg, DE Verwendung finden können. Die Düsen sollen einen Druck bis
zu 200 bis 700 bar und Mengen bis zu 300 l pro Minute verspritzen.
Die Variation der Zerstäubungsform
als Vollkegel, Hohlkegel, Glattstrahl, Flachstrahl oder anderes
mit Streukegeln von 30°-160° mit variablen Durchsatzmengen,
abhängig
von Düsentyp,
Anwendung und der gewünschten
Tropfengröße lässt sich vom
Fachmann in weiten Bereichen und angepasst an die Spülaufgabe
anpassen.
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Geeignete
Wasser-Hochdruckpumpen zur Beaufschlagung der Spülhilfe sind dazu z.B. von der Firma
WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg, DE erhältlich.
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Das
Verfahren umfasst daher zunächst
das Anordnen eines Hochdruckrohres am Stahlprofil; genauer an einer
Kante des Profils 14 wie in 3 gezeigt.
Die Lage der Spülöffnungen 12 wird
exakt gewählt;
der Düsenkopf
also für
jedes zu rammende oder pressende Profil 14 angepasst, sodass
nach Verschweißen
des Düsenkopfes 11 am
Profil 14 das über
Rohr 15 zugeführte
Spülmittel
im Fall des gezeigten Larssen-Profils einen rechten Strahl R und
einen linken Strahl L ermöglicht
die vor der Unterkante UK der jeweiligen Querschnittsbereiche den
Boden beim Eindringen des Profils 14 lockern.
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In
einem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 wird
eine Doppelspundbohle in das Erdreich getrieben werden. In der 5 dargestellt
sind zwei U-förmigen
Spundbohlen 21, 23, die ineinander verhakt und
an einem Schloss 22 verbunden sind. Man erkennt zwei Hochdruckrohr 25, 26 die
an den Kanten 24, 28 der zusammengesetzen Bohlenprofile
mit diesen in der oben beschriebenen Art verschweißt sind und
parallel zu den Kanten 24, 28 der Spundbohlen 21, 23 von
deren oberen Ende zu dem in das Erdreich einbringenden Ende verlaufen.
An diesem unteren Ende des Hochdruckrohres 25, 26 ist
jeweils ein Düsenkopf
angebracht und mit zwei Düsen
bestückt, deren
Ausrichtung in der Erstreckungsrichtung der Spundbohlen (über ihrem
Querschnitt) entspricht. In der 5 erkennt
man die Fächer
förmigen
Strahlen S1 bis S4. Die Düsenanordnung
ist hier nur exemplarisch zu verstehen; im Prinzip kann der Fachmann genauso
gut an den anderen Kanten der Profile 21, 23 Düsen anordnen
und entsprechende Fächer
spritzen.
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Auf
diese Weise schneidet der austretende Sprühstrahl des Spülmittels
den Boden vor Kopf des einzubringenden Stahlprofils "frei". Die Praxis hat
gezeigt das zu Beginn beispielsweise das Pressen der Doppelspundbohlen
nur einen geringen Druck erfordert, um ein Freispülen des
Kopfes der Spundbohlen zu erreichen. Die Pumpe ist in einem weiten
Bereich in ihrem Druck regelbar, sodass stets ein solcher Druck
im Spülmittel
aufgebracht werden kann, dass sich die Düsen nicht zusetzen. Zu Beginn
des Pressens ist besonders Obacht zu geben, dass niemand durch den
Hochdruckstrahl aus den Düsen
verletzt wird. Je tiefer die Bohlen 21, 23 in
das Erdreich eingebracht desto höher
wird der Druck der Pumpe bzw. des Spülmittels gefahren. Nach Erreichen
der Solltiefe des Stahlprofils, wird das Spülmittel bzw. die Pumpe abgestellt.
So weit das Stahlprofil in seiner endgültigen Positionen verbleibt,
ist die Einbringhilfe ein verlorenes Bauteil. Es verbleibt in seiner
Position und das Hochdruckrohr 25, 26 wird am
oberen Ende des Stahlprofils gekappt und verschlossen.