DE102015003909A1

DE102015003909A1 - Deckschichtbohrvorrichtung und Verfahren zum Bohren eines Kerns in eine Deckschicht

Info

Publication number: DE102015003909A1
Application number: DE102015003909.1A
Authority: DE
Inventors: Elmar Koch; Andreas Joachim Hanses; Sebastian Fischer; Martin Köper
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-09-29
Also published as: EP3073044B1; EP3073044A1; US20160281433A1; US10443311B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Deckschichtbohrvorrichtung, wobei in einer Bohrkrone ein Bohrkopf mit einem kleineren Durchmesser als der der Bohrkrone angeordnet ist und die Bohrkrone und der Bohrkopf mit unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit antreibbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Deckschichtbohrvorrichtung und ein Verfahren zum Bohren eines Kerns in eine Deckschicht.
Bei der Erstellung einer Bohrung im Erdreich, insbesondere einer Horizontalbohrung im Erdreich, wird meist eine Grube erstellt, die sich unter einem Winkel, insbesondere nahe 90°, von der Erdoberfläche in das Erdreich erstreckt. In die Grube, die auch als Baugrube oder Startgrube bezeichnet werden kann, wird die Bohrvorrichtung, insbesondere eine Horizontalbohrvorrichtung, abgesenkt. Von der Grube kann dann insbesondere eine Horizontalbohrung mittels der Bohrvorrichtung durchgeführt werden.
In bebauten Gebieten ist es notwendig, dass die Grube, in der die Bohrvorrichtung positioniert werden soll, einen relativ kleinen Durchmesser aufweist. Eine derartig kleine Grube ist im Rahmen der grabenlosen Neuverlegung und Erneuerung von Gas-, Wasser-, Strom- oder Datenleitungen für Hausanschlüsse unter dem Begriff „Keyhole-Technik” bekannt. Insbesondere in bebauten Gebieten, bei denen das Erdreich mittels einer Deckschicht, bedeckt ist, sollen die Oberflächenarbeiten auf ein Minimum reduziert werden. Bei der Keyhole-Technik kommt es zu weniger Oberflächenfolgeschäden und -folgekosten, die von der offenen Bauweise her bekannt sind. Die Erd- und Oberflächenarbeiten lassen sich sicherer, in reduziertem Umfang und produktiver ausführen. Das Erstellen einer Horizontalbohrung im Erdreich mittels der Keyhole-Technik ist beispielsweise in DE 10 2010 013 725 A1 beschrieben.
Zum Erzeugen einer kreisförmigen Grube im mit einer Deckschicht bedeckten Erdreich wird üblicherweise zunächst eine Bohrkrone in Form eines Kronenbohrers verwendet. Mit dem Kronenbohrer wird die Deckschicht kreisförmig geschnitten, wobei der Außendurchmesser des Kronenbohrers dem Außendurchmesser der zu erstellenden Grube entspricht. Nach dem Erzeugen des kreisförmigen Schnitts wird der Kronenbohrer entfernt und mit einem Kronenbohrer oder einem anderen Bohrer geringeren Durchmessers eine weitere Bohrung durchgeführt, mit Hilfe derer der Bohrkern aus der Grube entnommen werden kann. Üblicherweise sind damit drei Arbeitsgänge zur Erstellung einer Grube erforderlich:

1. Erstellung eines kreisförmigen Schnitts in die Oberfläche entsprechend dem Außendurchmesser der zu erstellenden Grube und Entfernen des Kronenbohrers,
2. Erstellen einer weiteren Bohrung innerhalb des zuvor kreisförmig erzeugten Schnitts und
3. Entfernen des Bohrkerns mittels Heraushebens des Bohrkerns über ein in die weitere Bohrung eingeführtes Gestänge.

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Deckschichtbohrvorrichtung und ein Verfahren zum Bohren eines Kerns in eine Deckschicht zu schaffen, mit der bzw. dem die Erstellung einer Grube effizienter durchgeführt werden kann, insbesondere die Anzahl der Verfahrensschritte verringert werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der nebengeordneten Patentansprüche sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Kerngedanke der Erfindung ist die Zusammenfassung der beiden bisher als getrennte Schritte durchgeführten Schritte des Erzeugens des kreisförmigen Schnitts und des nachfolgenden, getrennt von diesem durchgeführten Schritts des Erstellens einer Bohrung innerhalb des kreisförmigen Schnitts.
Die Deckschichtbohrvorrichtung ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass in einer Bohrkrone ein Bohrkopf mit einem kleineren Durchmesser als der der Bohrkrone angeordnet ist. Erfindungsgemäß kann ein Bohrkern erzeugt werden, der nach Beendigung der Arbeiten wieder auf die verfüllte Grube gesetzt werden kann. Bohrkrone und Bohrkopf sind mit unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit antreibbar, so dass für beide Querschnitte bzw. zu erstellenden Bohrungen in Form des kreisförmigen Schnitts mit der Bohrkrone und dem Bohrkopf eine optimale Schnittgeschwindigkeit gewählt werden kann. Der Begriff „Winkelgeschwindigkeit” bezieht sich auf eine Rotation bzw. Drehung der Bohrkrone bzw. des Bohrkopfs um die jeweilige Längsachse derselben. Für Bohrkopf und Bohrkrone können unterschiedliche Antriebe vorgesehen sein, die Teil der erfindungsgemäßen Deckschichtbohrvorrichtung sein können. Bohrkopf und Bohrkrone können relativ zueinander beweglich sein.
Erfindungsgemäß umfasst der Begriff „Bohrkrone” einen Kronenbohrer in Form eines hohlen Rundmeißels. Unter einer „Deckschichtbohrvorrichtung” wird insbesondere jeder erfindungsgemäß ausgestaltete Kronenbohrer zum Bohren in eine Deckschicht verstanden. Der Begriff „Deckschichtbohrvorrichtung” kann zudem jede Vorrichtung umfassen, welche einen Kronenbohrer von oberhalb der Oberfläche in eine Deckschicht bewegt, um eine Grube zur Positionierung einer Horizontalbohrvorrichtung zu erstellen. Der Begriff „Deckschicht” umfasst insbesondere die Decke im Bereich des Straßenbaus, die auch als Decke, Fahrbahndecke, Fahrbahnbelag bezeichnet wird.
Die Deckschicht kann ein Material aufweisen, das Asphalt, Gussasphalt, Asphaltbeton, Splittmastixasphalt, Asphaltbinderschicht und/oder Beton sein kann.
Die Deckschicht kann neben der eigentlichen Deckschicht auch eine zwischen der Deckschicht und einem Planum vorhandene weitere Schicht, insbesondere eine Tragschicht, umfassen.
Die erfindungsgemäße Bohrkrone bzw. das Verfahren wird zur Erzeugung einer Grube für eine darin zu positionierende Erdbohrvorrichtung zum Erstellen eines Kanals im Erdreich verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bohrkopf, der in der Bohrkrone angeordnet ist, als weitere Bohrkrone ausgestaltet, wodurch bei den üblicherweise erfindungsgemäß vorgesehenen Durchmessern des Bohrkopfs bzw. der weiteren Bohrkrone ein geringerer Aufwand beim Bohren als bei einer Vollbohrung erforderlich ist. Bevorzugt ist der Bohrkopf zur Bohrkrone zentriert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Außendurchmesser der Bohrkrone und der Außendurchmesser des Bohrkopfs ein Verhältnis im Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 15, bevorzugt im Bereich von ungefähr 4 bis ungefähr 12, insbesondere bevorzugt im Bereich von ungefähr 6 bis ungefähr 10 auf. Derartige Größenverhältnisse haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen und sind entsprechend gut handhabbar und führen zu guten Ergebnissen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Bohrkrone eine Umdrehungsgeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 70 bis ungefähr 200 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt im Bereich von ungefähr 80 bis ungefähr 180 Umdrehungen pro Minute, insbesondere bevorzugt im Bereich von ungefähr 85 bis ungefähr 170 Umdrehungen pro Minute aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Bohrkkopf eine Umdrehungsgeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 680 bis ungefähr 1350 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt im Bereich von ungefähr 700 bis ungefähr 1300 Umdrehungen pro Minute, insbesondere bevorzugt im Bereich von ungefähr 750 bis ungefähr 1280 Umdrehungen pro Minute aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Schnittgeschwindigkeiten miteinander korreliert, so dass insbesondere bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit des Bohrkopfs im Bereich von ungefähr 750 bis ungefähr 1280 Umdrehungen pro Minute eine Umdrehungsgeschwindigkeit der Bohrkrone im Bereich von ungefähr 85 bis ungefähr 170 Umdrehungen pro Minute vorliegt bzw. einstellbar ist.
Bohrkrone und Bohrkopf weisen in einer bevorzugten Ausführungsform eine Schnittgeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 6 m/s, insbesondere im Bereich von ungefähr 2,5 bis ungefähr 5,5 m/s auf.
Ganz besonders bevorzugt sind die genannten Umdrehungsgeschwindigkeiten mit der Schnittgeschwindigkeit korreliert.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Bohrkrone und Bohrkopf mit einem ein oder mehrere Getriebe aufweisenden Drehantrieb antreibbar, wodurch mit ein und demselben Drehantrieb sowohl Bohrkrone als auch Bohrkopf (relativ zueinander beweglich) angetrieben werden können und somit kein weiterer Antrieb für den zusätzlichen Bohrkopf vorgesehen sein muss. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass für den drehenden Antrieb von Bohrkrone und Bohrkopf unterschiedliche (Dreh-)Antriebe, d. h. ein Antrieb für die Bohrkrone und ein Antrieb für den Bohrkopf, vorgesehen sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Getriebe oder mindestens eines der Getriebe ein Planetengetriebe sein, welches eine einfache, kostengünstige und zudem lediglich einen geringen Bauraum benötigende Ausgestaltung ermöglicht. Das Planetengetriebe erlaubt ferner durch eine geeignete Wahl der Zähnezahl und auch durch den Austausch der Planetenräder, des Sonnenrads und/oder des Hohlrads mit anderer Zähnezahl der gewünschten Betriebssituation angepasste Drehzahl und Drehmomente für Bohrkrone und Bohrkopf zu wählen.
Das Planetengetriebe kann ein Sonnen- und ein Hohlrad sowie ein oder mehrere Planetenräder umfassen. Derartige Planetengetriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt und können einen Aufbau aufweisen, bei dem das Sonnenrad und die Planetenräder als Zahnräder mit einer Außenverzahnung und das Hohlrad als ringförmiges Zahnrad mit zumindest einer Innenverzahnung ausgebildet sind. Die Planetenräder können hierbei zwischen dem Sonnen- und dem Hohlrad angeordnet sein und kämmen mit den entsprechenden Verzahnungen dieser Räder. Die Planetenräder können über einen Käfig miteinander verbunden sein, um die Leistung eines mit dem Käfig verbundenen Drehabtriebs über alle Planetenräder zu ermöglichen.
Das Sonnenrad kann mit dem Bohrkopf und dem als Drehantrieb ausgestalteten Antrieb verbunden sein. Das Hohlrad kann in einem Gehäuse feststehen. Das oder die Planetenräder können mit dem angetriebenen Sonnenrad kämmen und mit dem feststehenden Hohlrad in Eingriff stehen, wodurch sich das Planetenrad bzw. die Planetenräder mit einem Planetenradträger in gleicher Richtung wie das Sonnenrad in einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis dreht. Mittels eines Anschlussstücks kann der Planetenradträger mit der Bohrkrone verbunden sein. Der Antrieb kann damit direkt das Sonnenrad antreiben. Das oder die Planetenräder werden mittelbar über das Sonnenrad vom Antrieb angetrieben.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Antriebe für ein oder mehrere Planetenräder vorgesehen sind, die mittels dieser angetrieben werden. Das mindestens eine Planetenrad, insbesondere der Planetenträger, kann feststehen. Insbesondere können der oder die Antrieb(e) für das Planetenrad bzw. die Planetenräder ebenfalls feststehen. Es kann zudem vorgesehen sein, dass das Hohlrad angetrieben werden kann und ein Plantenradträger, der feststeht, vorhanden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Bohrkrone und Bohrkopf mit unterschiedlichem Drehsinn antreibbar, so dass sich zumindest teilweise die von Bohrkrone und Bohrkopf erzeugten Drehmomente aufheben können. Bei der Verwendung eines Planetengetriebes kann sich durch eine immanente unterschiedliche Drehung von Bohrkrone und Bohrkopf ein entsprechender Vorteil ergeben.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Bohren eines Kerns in eine Deckschicht zum Erzeugen einer Grube, insbesondere für eine Erdbohrvorrichtung, insbesondere eine Horizontalbohrvorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst einen Schritt eines Bohrens mit einer Bohrkrone und ein Bohren mit einem weiteren Bohrkopf kleineren Durchmessers als die Bohrkrone während des Bohrens mit der Bohrkrone, wobei der Bohrkopf und die Bohrkrone mit unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit gedreht bzw. angetrieben werden. In dem Verfahren können die Winkelgeschwindigkeit von Bohrkrone und/oder Bohrkopf somit derart gewählt werden, dass eine optimale Schnittgeschwindigkeit für die Bohrkrone als auch für den Bohrkopf eingestellt werden kann. Die Winkelgeschwindigkeit kann an den Durchmesser von Bohrkopf und Bohrkrone angepasst werden.
Nach der Entnahme des Kerns kann das unter der Deckschicht befindliche Material, insbesondere Erdreich, aus der zu erstellenden Grube ausgespült werden.
Der zeitliche Begriff „während” umfasst erfindungsgemäß einen Zeitbereich, in dem sowohl die Bohrkrone als auch der Bohrkopf gleichzeitig in der Deckschicht vorgetrieben werden. Es kann ein Vorlauf des Bohrkopfs in der Deckschicht vorgesehen sein, an den sich der Zeitbereich, in dem sowohl die Bohrkrone als auch der Bohrkopf gleichzeitig vorgetrieben werden kann, anschließen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens können Bohrkrone und Bohrkopf mit unterschiedlichem Drehsinn angetrieben werden, wobei sich die durch Bohrkrone und Bohrkopf erzeugten Drehmomente zumindest teilweise aufheben können.
Erfindungsgemäß kann vereinfacht für das Erzeugen einer Grube für eine Erdbohrvorrichtung, insbesondere eine Horizontalbohrvorrichtung, ein kreisförmiger Schnitt durch eine Deckschicht erzeugt werden.
Die vorstehenden Ausführungen stellen ebenso wie die nachfolgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen keinen Verzicht auf bestimmte Ausführungsformen oder Merkmale dar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die einzige Zeichnung zeigt:
Fig. eine Deckschichtbohrvorrichtung.
Die einzige Fig. zeigt eine Deckschichtbohrvorrichtung mit einer Bohrkrone 1 und einem Bohrkopf 2. Die Bohrkrone 1 ist als Kronenbohrer in Form eines hohlen Rundmeißels ausgestaltet. Der Bohrkopf 2 ist ebenfalls als Kronenbohrer ausgestaltet und innerhalb der Bohrkrone 1 angeordnet. Der Bohrkopf 2 weist einen kleineren Durchmesser als die Bohrkrone 1 auf.
Bohrkrone 1 und Bohrkopf 2 können relativ zueinander über einen als Drehantrieb ausgestalteten Antrieb angetrieben bzw. bewegt werden. Die Translation von Bohrkrone 1 und Bohrkopf 2 in senkrechter Richtung erfolgt gleichzeitig; Bohrkrone 1 und Bohrkopf 2 werden gleichzeitig abgesenkt und Durchtrennen bzw. Bohren die in der Fig. dargestellte Deckschicht 3 gleichzeitig. Ein gewisser Vorlauf des Bohrkopfs 2 kann die Zentrierung der Bohrkrone 1 ermöglichen. Ein nicht dargestellter Vorschub und/oder die Gewichtskraft der Deckschichtbohrvorrichtung können für das gleichzeitige Absenken von Bohrkrone 1 und Bohrkopfs 2 sorgen.
Die Bohrkrone 1 ist mit einem Anschlussstück 4 verbunden. Das Anschlussstück 4 ist mit einem Planetenradträger 11 verbunden, der ein oder mehrere Planetenräder 8 aufnimmt. Der Bohrkopf 2 wird mittels eines Anschlussstücks 5 mit einem Sonnenrad 6 verbunden. Das Sonnenrad 6 wiederum wird mit einem (Dreh-)Antrieb 9 verbunden. Ein Hohlrad 7 sitzt in einem Gehäuse 12. Eine an einem nicht dargestellten Rahmen befestigte Drehmomentstütze 13 verhindert, dass sich das Gehäuse 12, und insbesondere das Hohlrad 8, mitdreht. Das Sonnenrad 6 sowie das Anschlussstück 5 sind als Hohlwelle ausgebildet, so dass der Bohrkrone 1 und dem Bohrkopf 2 über einen Anschluss 10 Kühl- bzw. Bohrmittel zugeführt werden kann. Der Antrieb 9 treibt mittel- oder unmittelbar das Sonnenrad 6 sowie den Bohrkopf 2 an. Das sich drehende Sonnenrad 6 kämmt dabei mit den Planetenrädern 8, die wiederum mit dem feststehenden Hohlrad 7 in Eingriff stehen, wodurch sich die Planetenräder 8 mit dem Planetenradträger 11 in gleicher Drehrichtung wie das Sonnenrad 6, jedoch in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis, welches in dieser Ausführungsform im Bereich von 8 liegt, dreht. Mittels des Anschlussstücks 4 dreht sich die Bohrkrone 1 gemeinsam mit den Planetenrädern 8 und dem Planetenradträger 11.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010013725 A1 [0003]

Claims

Deckschichtbohrvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Bohrkrone (1) ein Bohrkopf (2) mit einem kleineren Durchmesser als der der Bohrkrone (1) angeordnet ist und die Bohrkrone (1) und der Bohrkopf (2) mit unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit antreibbar sind.
Deckschichtbohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf (2) als weitere Bohrkrone (1) ausgestaltet ist.
Deckschichtbohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Bohrkrone (1) und der Außendurchmesser des Bohrkopfs (2) ein Verhältnis im Bereich von 2 bis 15 aufweisen.
Deckschichtbohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrkrone (1) und der Bohrkopf (2) mit einem Antrieb (9) antreibbar sind, und ein Getriebe zwischen dem Antrieb (9) und der Bohrkrone (1) und dem Bohrkopf (2) angeordnet ist.
Deckschichtbohrvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Planetengetriebe ist.
Deckschichtbohrvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe mindestens ein Planetenrad (8), welches mittels des Antriebs (9) antreibbar ist und ein feststehendes Hohlrad (7) aufweist.
Deckschichtbohrvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (6) des Planetengetriebes mit dem Bohrkopf (2) und dem Antrieb (9) verbunden ist und das Planetenrad (8) mittelbar über das Sonnenrad (6) mittels des Antriebs (9) antreibbar ist.
Deckschichtbohrvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dassdas Planetengetriebe mindestens ein feststehendes Planetenrad (8), welches mittels des Antriebs (9) antreibbar ist, und ein Hohlrad (7) aufweist.
Deckschichtbohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrkrone (1) und der Bohrkopf (2) mit unterschiedlichem Drehsinn antreibbar sind.
Deckschichtbohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Antrieb (9), insbesondere für jedes Planetenrad (8), vorhanden ist.
Verfahren zum Bohren eines Kerns in eine Deckschicht (3) zum Erzeugen einer Grube umfassend einen Schritt eines Bohrens mit einer Bohrkrone, gekennzeichnet durch Bohren mit einem weiteren Bohrkopf (2) kleineren Durchmessers als die Bohrkrone (1) während des Bohrens mit der Bohrkrone (1), wobei Bohrkopf (2) und Bohrkrone (1) mit unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit gedreht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Drehen von Bohrkrone (1) und Bohrkopf (2) mit unterschiedlichem Drehsinn.
Verwenden einer Deckschichtbohrvorrichtung zum Bohren eines Kerns in eine Deckschicht (3), wobei die Deckschichtbohrvorrichtung eine Bohrkrone (1) einen in der Bohrkrone (1) angeordneten Bohrkopf (2) kleineren Durchmessers als der der Bohrkrone (1) aufweist, und Bohrkrone (1) und Bohrkopf (2) mit unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit antreibbar sind.