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Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zum Erstellen einer Gründung für ein Bauwerk im Wasser. Offshore-Anlage meint ein feststehendes Bauwerk, das in der offenen See und insbesondere vor Küsten errichtet wird. Offshore-Anlagen können neben Offshore-Windkraftanlagen auch beispielsweise Bohrinseln oder Brücken sein.
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Eine Offshore-Windkraftanlage weist ein Bauelement bzw. Gründungselement auf, welches die Windkraftanlage im Meeresboden verankert. Auf dieses Gründungselement ist ein Turm aufgesetzt, der hoch aus der Wasseroberfläche herausragt. Auf der Spitze des Turms ist in der Regel ein Gondel als Maschinenhaus aufgesetzt, das im Wesentlichen einen Generator, eine Lagerungseinheit für einen Rotor und den Rotor selbst aufweist. Heute geplante Offshore-Windkraftanlagen ragen bis über 150 m aus dem Wasser heraus und sollen in Wassertiefen bis zu 60 m installiert werden.
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Die Gründung der Windkraftanlagen am Meeresboden ist aufgrund von Wellengang, Windlasten und Eigengewicht der Windkraftanlage sowie aufgrund der dynamischen Kräfte aus dem Anlagenbetrieb aufwendig. Bis heute kommen im Wesentlichen entweder sogenannte Monopiles zum Einsatz (schwere Rohre mit großem Durchmesser bis über 6 m) oder schwere Stahlfachwerkkonstruktionen, insbesondere sogenannte Tripods, Tripiles oder Jackets, die an drei oder mehr Punkten mit Rammpfählen oder anderen Konstruktionen im Meeresboden verankert werden.
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Alle vorgenannten Gründungskonstruktionen stoßen zunehmend an wirtschaftliche, technische und insbesondere ökologische Grenzen. Zum Einbringen von Monopiles und der anderen Gründungssysteme sind oft schwere Rammarbeiten notwendig, die zu großen Schallemissionen im Meer führen und die Umwelt beeinträchtigen. Deshalb stoßen solche Vorhaben zunehmend auf Genehmigungsschwierigkeiten.
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Die Machbarkeit von Rammarbeiten abhängig von der lokalen Geologie. Ist der Boden mit Bestandteilen versehen, die sich als nicht rammbar erweisen, beispielsweise durch Festgestein oder durch das Vorhandensein von Lehmschichten in denen die Reibung zu stark zunimmt oder das Vorhandensein von Felsbrocken oder dergleichen, so lässt sich dieses Verfahren nicht einsetzen. Weiterhin nachteilig bei diesem Verfahren ist insbesondere in ökologisch sensitiven Bereichen, dass hohe Schallemissionen von diesem Verfahren ausgehen. Dieses ist durch die zunehmenden Gründungstiefen ein Problem, weil immer größere und stärkere Hämmer eingesetzt werden müssen. Dieses hat neben den Schallemissionsproblemen auch Nachteile im Hinblick auf Gewicht der Hämmer und daraus resultierend den immer größer und damit teurer werdenden Peripheriegeräten wie Schiff und Krankapazität.
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EP 2650446 A1 schlägt hierzu vor, ein Verfahren einzusetzen, bei dem statt des Rammens eine Kombination aus einer Vibrationseinrichtung und einer Bohreinrichtung eingesetzt werden. Durch das Vibrieren wird der Boden unter dem Pile in seiner Struktur aufgelöst, so dass der Pile in diesen Bereich abgesenkt werden kann. Ist ein Vortrieb mit der Vibrationseinheit nicht mehr möglich so wird eine Bohrvorrichtung eingesetzt. Hierbei wird im Überschnitt gebohrt und der Ringraum zwischen Boden und Pile wird hydraulisch gestützt bzw. direkt vergroutet. Dieses Verfahren hat sich als verbesserungswürdig im Hinblick auf den Bohrvortrieb und die Notwendigkeit eines Vergroutens erwiesen.
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Als Alternative schlägt
WO 2010/139380 A1 ein reines Bohrverfahren im Pile vor. Dafür wird eine Bohrvorrichtung im Pile angeordnet und, nachdem der Pile mittels einer Vorschubeinrichtung in den Boden gedrückt wurde, anschließend mit der Bohrvorrichtung in den Boden abgebohrt. Dieses Verfahren weist sich als sehr sicheres aber unter bestimmten geologischen Bedingungen zeitintensives Verfahren aus, was ebenfalls aufgrund von längeren Vorhaltezeiten pro Pile erhöhte Kosten mit sich bringt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein System und eine Verfahren bereitzustellen, mit dem sich in geologisch schwierigen Bedingungen Fundamente aus Einzelpfählen errichten lassen. Diese sollen gleichzeitig kostengünstig einsetzbar, schnell und auch in ökologisch sensitiven Bereichen einsetzbar sein.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein System gelöst, mit einem Bauelement in Form eines rohrförmigen Hohlkörpers, insbesondere ein Pfahl bzw. Monopile, mit einer Einrichtung zum vertikalen Positionieren des Bauelements, mit einer auf dem oberen Ende des Bauelements anordbaren Rammvorrichtung, mit einer im Bauelement anordbaren Bohrvorrichtung gelöst.
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Hierdurch sowie auch beim Verfahren wird es möglich, kleinere Hämmer einzusetzen und gleichzeitig die Vorteile des Hämmerns, schnell und günstig, beizubehalten. Weiterhin wird es damit möglich die Schallemissionsgrenzen einzuhalten. Weiterhin wird das Gründen gegenüber dem reinen Bohren beschleunigt, die Vorteile des Bohrens bei geologisch schwierigen Bedingungen bleiben aber erhalten.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass am unteren Ende des Bauelements eine Pfahlschneide vorgesehen ist. Hierdurch wird der Boden auf einfache Weise in den Pfahl eingebracht ohne eine Überschnitt zu verursachen.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Bohrvorrichtung mit einem Bohrwerkzeug für ein Bohren im Teilschnitt oder Vollschnitt, insbesondere gestuft, versehen ist, das Boden spezifische Werkzeuge wie Schneidrollen, Schälmesser und/oder Meißel aufweist. Hierdurch wird ein effektives Abtragen des Bodens möglich. Weiterhin wird durch eine Kombination der Werkzeuge ein Anpassen an unterschiedliche Geologien möglich.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, die Bohrvorrichtung beim Einsatz der Rammvorrichtung von der durch die Rammvorrichtung erzeugte Schlagenergie entkoppelt im Bauelement angeordnet ist. Hierdurch wird es möglich die Bohrvorrichtung während des Rammens im Pile zu belassen, wodurch Umrüstzeiten entfallen.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Bohrvorrichtung einen Auftriebskörper aufweist, der so ausgelegt ist, dass die Bohrvorrichtung im Bauelement schwebend anordbar ist. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass zwischen Bohrvorrichtung und Bauelement ein Dämpfungselement, bevorzugt ein Federelement vorgesehen ist. Hierdurch wird auf einfache Weise ein entkoppeln der Bohrvorrichtung von den Belastungen des Rammens möglich.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass eine Förderung des gelösten Bodens mittels Flüssigkeitsförderung oder Lufthebeverfahren erfolgt. Weiterhin ist es vorteilhaft die Rammeinrichtung und/oder die Bohrvorrichtung hydraulisch bzw. elektrisch anzutreiben.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch Verfahren gelöst, bei dem ein Bauelement in Form eines rohrförmigen Hohlkörpers, insbesondere ein Pfahl bzw. Monopile, am Gründungsort im Wesentlichen vertikal angeordnet wird, in dem Bauelement eine Bohrvorrichtung angeordnet wird, auf dem Bauelement eine Rammvorrichtung angeordnet wird, die Bohrvorrichtung gegenüber der Rammvorrichtung gedämpft wird, das Bauelement mit seiner Unterseite auf dem Gewässerboden angeordnet wird, das Bauelement mittels Rammvorrichtung in den Boden gerammt wird, bis ein Steuerwert überschritten wird, und anschließend weiterer Vortrieb des Bauelements in den Boden über die Bohrvorrichtung erreicht wird.
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Ein iterativer Einsatz der Techniken wird dadurch auf einfache Weise möglich.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Bohren überschnittfrei erfolgt und/oder ein Unterschneiden des Bauelements erfolgt. Ein Überschnitt erfordert zusätzlichen Grouting, was den Einbringaufwand und die Kosten erhöht. Wird der Schnitt lediglich auf unterschnitt begrenzt kann ein Einbringen in jeder Geologie einfach gewährleistet werden.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Bauelement anfangs infolge des Eigengewichts in den Boden einsinkt.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem Steuerwert Vortrieb pro Zeit, Reibwiderstand, und/oder Bodenhöhe im Bauelement handelt. Diese Parameter geben besonders gut die Werte wieder, die einen Wechsel der Einbringtechnik erforderlich machen.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Boden über eine Pfahlschneide an der Unterseite des Bauelements nach innen in das Bauelement verdrängt wird.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Bohrvorrichtung während des Rammens im Bauelement gedämpft wird, indem bevorzugt die Bohrvorrichtung im Bauelement in Schwebe gehalten wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung näher anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Systems, und
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2 bis 4 einen schematisch dargestellten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Systems 10 mit einem Bauelement 11 in Form eines Monopiles. An der Oberseite 12 des Bauelements 11 ist eine Rammeinrichtung 13 in Form eines Rammhammers angeordnet. Im Inneren 14 des Bauelements 11 ist eine Bohrvorrichtung 15 angeordnet. An einer Unterseite 16 des Bauelements 12 sind Pfahlschneiden 17 angeordnet.
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Die Bohrvorrichtung 15 umfasst einen Bohrkopf 18 mit Bohrwerkzeugen 19. Der Bohrkopf ist hier als Schneidrad für einen Vollschnitt ausgeführt. Alternativ könnten auch wenigstens eine Walze verwendet werden, mit der der Boden dann im Teilschnittverfahren gelöst wird. Die Bohrvorrichtung weist einen Bohrkopfantrieb 20 auf, der hier in einem Maschinenkörper 21 angeordnet ist. Der Maschinenkörper ist vorliegend als ein Auftriebskörper ausgeführt, das bedeutet, er weist in seinem inneren Speichergefäße auf (nicht dargestellt), in denen Luft gespeichert ist und durch den die Bohrvorrichtung 15 im Inneren 14 des Bauelements 11 schwebend angeordnet wird, wenn das Innere 14 des Bauelements 11 flüssigkeitsgefüllt ist. Weiterhin sind Gripper 22 vorgesehen, mit denen die Bohrvorrichtung 15 im Inneren 14 des Bauelements 11 gegenüber dem Bauelement 11 verspannt wird.
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Die Rammeinrichtung 13 weist einen Follower/Pilesleeve 23 auf, mit dem die Rammeinheit mit dem Bauelement 11 verbunden wird und über den die Schlagenergie der Rammeinrichtung 13 in das Bauelement und von dort in den Boden eingebracht wird. Bestandteil des Pilesleeve 23 ist eine Trommeleinheit 24, auf der eine hier beispielhaft schlauchförmig ausgeführte Energiekette 25 vorgesehen ist, die gleichzeitig Förderleitungen beinhaltet und als Hubvorrichtung für die Bohrvorrichtung 15 fungiert. Mit ihr verbunden ist eine Anbindung 26, die als Verbindung zur Schiffstechnik fungiert.
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Gemäß der in 2 dargestellten ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bauelement 11 mit der Hebevorrichtung 27 aus der Transportposition in eine vertikale Position überführt. Das in der vertikalen Position befindliche Bauelement 11 wird anschließend in eine Manipulationseinrichtung 28 der Hubinsel 29 eingespannt. Die Manipulationseinrichtung 28 weist dabei eine Spannschellenkonstruktion (nicht dargestellt) mit Spannschellen zum Einspannen des Bauelementes 11 auf. Das Einspannen des Bauelementes 11 in der Manipulationseinrichtung 28 erfolgt bevorzugt und im Ausführungsbeispiel (1) am oberen Ende 14 des Bauelementes 11.
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3 zeigt die zweite Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier wird das Bauelement 11 mit der an zumindest einer Führungsschiene 30 der Hubinsel 29 vertikal verfahrbaren Manipulationseinrichtung 28 zum Meeresboden 31 hingeführt. Mit andern Worten wird das untere Ende des Bauelementes 11 auf dem Meeresboden 31 abgestellt. Dabei kann nach einer Ausführungsform der Erfindung kurz vor Erreichen des Meeresbodens 3 das Bauelement 11 in der Manipulationseinrichtung 28 mit der Maßgabe gelöst werden, dass das Bauelement 11 unter seinem Eigengewicht vertikal nach unten zum Meeresboden 31 sinkt und gegebenenfalls in den Meeresboden 31 einsinkt. In der 3 ist auch erkennbar, dass im Inneren des Bauelementes 11 eine Bohrvorrichtung 15 angeordnet wird und am oberen Ende des Bauelementes 11 eine Rammeinrichtung 13 fixiert ist. Anschließend wird die Rammeinrichtung 13 aktiviert, wodurch das Bauelement 11 in dem Boden 31 eingehämmert wird.
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Wird ein Grenzwert beim Hämmern mit der Rammeinrichtung überschritten, findet ein Wechsel vom Rammen des Bauelementes 11 in den Meeresboden 31 auf ein Entfernen des Bodens 31 mittels der Bohrvorrichtung 15 statt. Hierfür wird die Bohrvorrichtung 15 mittels der zuvor beschriebenen Gripper 22 im inneren 14 des Bauelements 11 gegenüber diesem verspannt.
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Das Bauelement 11 wird mittels Rammen und Bohren sukzessive in den Meeresboden 31 eingebracht. Dabei wird das Bauelement 11 mit Hilfe der an der Führungsschiene 30 vertikal verfahrbaren Manipulationseinrichtung 28 nachgeführt. Das Bauelement 11 wird zweckmäßigerweise sowohl bezüglich der horizontalen Richtung als auch bezüglich der vertikalen Richtung von der Manipulationseinrichtung 28 geführt bzw. gehalten. In der in 4 dargestellten dritten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde bereits die Endtiefe des Bauelementes 11 erreicht und die Manipulationseinrichtung 28 ist in dieser Phase noch am oberen Ende des Bauelementes 1 angeschlossen. Anschließend wird die Führungsschiene 30 mit der am unteren Ende der Führungsschiene 30 angeordneten Manipulationseinrichtung 28 nach oben verfahren und die Rammeinrichtung 13 und die Bohrvorrichtung 15 werden wieder ausgebaut. Ein iterativer Einsatz der beiden Verfahren ist möglich.
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Da durch das Rammen der Boden, insbesondere durch die Schneiden 17, in das Innere 14 des Bauelements 11 verdrängt wird und wird das Bohren beispielsweise bei Findlingen oder großen Steinen sowie in nicht rammbaren Böden maximal bis zum Außendurchmesser der Bauelements ausgeführt wird, also das Bauelement 11 maximal bis zu seinem Außendurchmesser unterschnitten aber nicht überschnitten wird, entsteht kein Überschnitt um das Bauelement 11 herum, der aufwendig verfüllt werden muss.
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Ein Einsatz der Bohrtechnik erfolgt, wenn a) nicht rammbare Bodenschichten oder Findlinge angetroffen werden, b) der Reibwiderstand am Bauelement 11 zu groß wird und die Kapazität des Hammers der Rammeinheit 13 nicht mehr ausreicht oder c) Boden 31 innerhalb des Bauelements 11 ausgebohrt werden muss, damit weiter gerammt werden kann.
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Relevant für den gemeinschaftlichen Einsatz von einer Rammeinheit 13 ohne den Ausbau der Bohrvorrichtung 15 aus dem Bauelement während des Rammens ist ein Trennen der Bohrvorrichtung von der Rammeinheit 13/vom Bauelement 11 dergestalt, dass die Schlagenergie des Rammens im Wesentlichen nicht auf die Bohrvorrichtung 15 übertragen wird. Dafür sind entweder Federelemente (nicht dargestellt) beispielsweise in Verbindung mit den Grippern 22 vorgesehen, die gewährleisten, dass die Schlagenergie durch diese abgefedert werden, so dass die Schlagenergie nicht auf die Bohrvorrichtung 15 einwirken kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Bohrvorrichtung 15 mit einem oder mehreren Auftriebskörpern (nicht dargestellt) versehen sein, die bewirken, dass die Bohrvorrichtung im Bauelement an vorgegebener Position schwebt und dabei nicht mit dem Bauelement 11 in Verbindung ist, so dass die Schlagenergie nicht auf das Bauelement 11 übertragen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2650446 A1 [0006]
- WO 2010/139380 A1 [0007]
