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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von Düsenstrahlsäulen, die mittels eines Düsenstrahlgestänges in einen Untergrund eingebracht werden.
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Stand der Technik
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Das sogenannte Düsenstrahlverfahren hat sich in den letzten Jahrzehnten immer weiter verbreitet, und findet gerade in innerstädtischen Infrastrukturmaßnahmen, beispielsweise U-Bahnbau, vermehrt Anwendung. Schwierige geologische und bauliche Randbedingungen erfordern oftmals die Anwendung von unterirdischen Flächentragelementen, die aus einzelnen rotationssymmetrischen Säulen zusammengesetzt sind. Der besondere Vorteil von Düsenstrahlflächenelementen liegt darin, dass die hergestellten Funktionseinheiten sowohl definierte statische Festigkeiten als auch abdichtende Wirkungen übernehmen können. Derzeit gängige bauliche Anwendungsformen sind Düsenstrahlsohlen, die beispielsweise dazu genutzt werden, Baugruben gegenüber eindringendem Wasser abzudichten. Dabei können diese Sohlen sowohl hoch liegen als auch rückverankert sein, d.h. entweder statisch und hydraulisch, oder nur hydraulisch, als auch als tiefliegende Abdichtungssohlen wirken. Die Sohlen können auch gewölbemäßig ausgebildet sein, um beispielsweise an eine höher liegende Umschließungswand anzuschließen.
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Weitere Anwendungsformen von Düsenstrahlsäulen sind sogenannte Unterfangungskörper zur Verlängerung von Fundamenten oder als Gewölbeschächte, in deren Schutz Fluchttunnel zwischen zwei parallel laufenden U-Bahnröhren hergestellt werden.
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Bei der Herstellung von Düsenstrahlsäulen werden üblicherweise die Lage der Düsenstrahlsäulen und die Endtiefe ermittelt und dokumentiert. Weitere interessante Daten sind die geometrische Ausbildung der Düsenstrahlsäule sowie mechanische Eigenschaften, beispielsweise die Druckfestigkeiten.
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Für die Bestimmung des Durchmessers einer Düsenstrahlsäule war es früher notwendig, Probesäulen an Ort und Stelle auszugraben und zu vermessen. Denn die Dimensionen einer Säule werden durch die im Baugrund vorliegenden Untergrundbeschaffenheiten beeinflusst und variieren entsprechend trotz gleicher Düsparameter von Einsatzort zu Einsatzort.
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Um das Ausgraben von Probesäulen zu vermeiden und dennoch die Durchmesser der Säulen zu ermitteln gibt es derzeit verschiedene Verfahren. Die meisten dieser Verfahren finden ihre Anwendung bei frischen, noch nicht erhärteten Säulen kurz vor der Herstellung der Säule oder durch einen nachlaufenden Messlauf mit einem gesonderten Messgestänge.
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Beispielsweise ist die
DE 195 21 639 C2 bekannt, die ein Verfahren zur Überwachung eines HDI-Verfahrens (Hochdruck-Injektionsverfahrens) zeigt. Gemäß dieser Schrift sollen während des Düsvorgangs Informationen über die Reichweite des Hochdruckstrahls gewonnen werden, insbesondere Informationen durch Erfassung und Auswertung der Bodenerschütterungen in der Umgebung des Hochdruckinjektionsgestänges. Hierzu wird ein Geophon verwendet, das innerhalb eines sogenannten Pegels aufgenommen ist, der in der Umgebung des Hochdruckinjektionsgestänges in den Boden getrieben wird. Der Pegel wird dabei in der zu erwartenden Reichweite des Hochdruckstrahls angeordnet, die somit die Säulendurchmesser der Düsenstrahlsäule definiert.
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Ferner ist die
DE 196 48 547 A1 bekannt die ein Verfahren zur Qualitätssicherung beim Injektionsverfahren bzw. Düsenstrahlverfahren betrifft. Hierbei werden Messpegel verwendet, welche Radarstrahlen oder Ultraschallwellen durch die in den Messpegeln enthaltenen Sender in den Baugrund emittieren, und die vom Baugrund übertragenen Strahlen oder Wellen von den in den Messpegeln enthaltenen Empfängern aufgenommen und ausgewertet werden. Die Messpegel werden dabei in Form eines Polygons, insbesondere eines Dreiecks, in den Baugrund eingebracht. An jedem der Schnittpunkte der Netzlinien (definiertes Gitter) ist eine Bohrung für eine Düsenstrahlinjektion in den Baugrund einzubringen.
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Die beschriebenen Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass zusätzliche Bohrungen vorzusehen sind, um die Messpegel in den Untergrund einzutreiben. Die Maßnahme ist somit mit zusätzlichem Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden.
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Als weitere Möglichkeit zur Kontrolle der im Untergrund eingebrachten Düsenstrahlsäulen ist die
DE 101 05 658 A1 bekannt. Gemäß diesem Verfahren sollen Überschneidungen zweier benachbarter Injektionskörper erfasst werden. Sowohl die Länge der Überschneidung als auch der Ort des Beginns und des Endes der Überschneidung wird durch Schwingungen detektiert, die der Schneidstrahl beim Auftreffen auf die Überschneidungsfläche einer bereits erzeugten Düsenstrahlsäule über dem Auftreffen im gewachsenen Boden erzeugt.
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Für diese Maßnahme wird zunächst eine erste Düsenstrahlsäule im Untergrund eingebracht. Im noch nicht ausgehärteten Zustand der Düsenstrahlsäule wird ein PVC-Schlauch in der Düsenstrahlsäule verbaut, welcher Schlauch ein Mikrofon aufnehmen kann. Das im PVC-Schlauch befindliche Mikrofon kann entsprechend der Ziehgeschwindigkeit des Bohrgestänges bei der Herstellung einer zweiten, benachbarten Säule mitgezogen werden. Da sowohl die Lage des Mikrofons in der ersten Säule als auch die Lage der Düse der zweiten Säule sowie die Umdrehungsgeschwindigkeit bekannt sind, kann über die Schallmessung die Strecke der geänderten Schwingung grafisch als Trennung bzw. Auftrefffläche zwischen der ersten und zweiten Säule festgestellt werden. Genauer gesagt kann der Winkel zwischen den jeweiligen Anfangs- und Endpunkten der charakteristischen Schwingung festgestellt werden. Üblicherweise findet das Verfahren statt, wenn die erste Säule noch nicht ausgehärtet ist. Sollten Messungen von Injektionskörpern vorgenommen werden, die zum Zeitpunkt der Messung bereits ausgehärtet sein werden, ist unmittelbar nach Herstellung dieses Körpers im noch weichen Zustand der PVC-Schlauch einzubauen und in der Säule zu belassen, sodass jederzeit ein Mikrofon zur Schwingungsmessung eingebaut werden kann.
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Bei dem in der
DE 101 05 658 A1 beschriebenen Verfahren sind somit ebenfalls zusätzliche Maßnahmen an einer noch nicht ausgehärteten Säule zu ergreifen, welche die ausgehärteten Düsenstrahlensäulen darüber hinaus strukturell verändern.
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Gegenstand der Erfindung
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Qualitätssicherung von Düsenstrahlsäulen bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik radikal vereinfacht ist und mit geringerem Aufwand umgesetzt werden kann.
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Der Gegenstand des Anspruchs 1 stellt ein derartiges Verfahren bereit. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
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Dabei liegt der vorliegenden Erfindung der Gedanke zugrunde, dass bei Kenntnis der Position einer bereits erstellten Düsenstrahlsäule sowie der Position einer zweiten Düsenstrahlsäule und dem Ermitteln von Überschneidungspunkten der Düsenstrahlsäulen der Durchmesser der bereits erstellen Düsenstrahlsäule ermittelt werden kann. Dabei regt ein auf die bereits erstellte und ausgehärtete Düsenstrahlsäule auftreffende Düsenstrahl diese derart an, dass die bereits erstellte und ausgehärtete Säule als Übertragungsmedium des durch den Düsenstrahl eingebrachten Körperschalls dient.
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Sowohl die zementverfüllte Düsenstrahlsäule als auch der ebenfalls zementverfüllte Bohrkanal, der sich bis in einen oberflächennahen Bereich erstreckt, kann durch seine im Wesentlichen gleichen oder ähnlichen homogenen Materialeigenschaften dazu verwendet werden, die beim Erstellen der zweiten Düsenstrahlsäule eingebrachten Schwingungen an die Oberfläche zu übertragen. In einem oberflächennahen Bereich kann somit auf die Dimensionen der Düsenstrahlsäule im Untergrund geschlossen werden.
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Dabei wird beim Einbringen einer zweiten Düsenstrahlsäule (S2 ) durch eine Messaufzeichnungseinrichtung eine Änderung des Messergebnisses eines Messaufnehmers ermittelt, wobei sich der Messaufnehmer zur Erfassung von Erschütterungen an einer mit einem suspensionsverfüllten Bohrkanal (S'1 ) der Düsenstrahlsäule verbundenen Einrichtung befindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Koordinaten der Achsen der Düsenstrahlsäulen, insbesondere durch eine Bohrtiefenmesseinrichtung in Kombination mit zumindest einem im Düsenstrahlgestänge (1) angebrachten Inklinometer, erfasst.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2a ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten und zweiten Düsenstrahlsäule.
- 2b zeigt die geometrischen Beziehungen zwischen einer ersten und zweiten Düsenstrahlsäule.
- 3 ist eine schematische Querschnittsansicht mehrerer nebeneinander angeordneter Düsenstrahlsäulen im Regelraster.
- 4 veranschaulicht Messdaten, die im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Figuren eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert. Weitere in diesem Zusammenhang genannte Modifikationen einzelner Merkmale bzw. Verfahrensschritte können jeweils miteinander kombiniert werden, um neue Ausführungsformen auszubilden.
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In 1 wird schematisch dargestellt, wie Düsenstrahlsäulen in den Untergrund eingebracht werden und eine nachfolgend im Detail erläuterte Qualitätsüberwachung stattfindet.
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Das Düsenstrahlgestänge 1 befindet sich an einer beweglichen Einheit 2 und wird im vorliegenden Fall zunächst zum Abbohren verwendet. Sobald der Bohrkopf des Düsenstrahlgestänges 1 seine Endtiefe erreicht hat, wird das Düsenstrahlgestänge 1 um seine eigene Achse gedreht, und gleichzeitig ein Hochdruckstrahl in den Untergrund eingebracht, der diesen gewissermaßen aufschneidet.
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Während sich das Düsenstrahlgestänge um seine eigene Achse dreht, wird dieses in vertikaler Richtung bewegt. Die durch das Düsenstrahlgestänge 1 in den erodierten Untergrund eingebrachte Suspension führt zu einem Verfestigungskörper, der auch als Düsenstrahlsäule bezeichnet wird. Die derart erstellte Düsenstrahlsäule umfasst dabei die eingebrachte Suspension (Düsenstrahlkörper) sowie die damit vermischte Bodenmasse. Die erzielbare Druckfestigkeit ist von der Art und Menge des Zementanteils in der Suspension sowie der vermischten Bodenanteile abhängig. Die Abdichtungswirkung gegenüber Wassereintritt wird durch geeignete Suspensionsrezepturen erreicht, ggf. unter Einsatz von Bentonit.
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In 1 ist schematisch eine erste Düsenstrahlsäule S1 dargestellt, die im bereits ausgehärteten Zustand vorliegt. Da nach Herstellung der Düsenstrahlsäule S1 das Düsenstrahlgestänge 1 aus dem Untergrund entfernt wird, und beim Herausziehen des Gestänges aus dem Bohrloch weiter die für das Erstellen der Düsenstrahlsäule S1 erforderliche Suspension nachgefördert wird, ergibt sich ein zementverfüllter Bohrkanal S'1 , der wie die Düsenstrahlsäule S1 ebenfalls aushärtet.
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Der zementverfüllte Bohrkanal S'1 erstreckt sich im Wesentlichen bis zur Oberfläche. Ggf. ergibt sich nach der Aushärtung gegenüber der Oberfläche ein letzter, nicht mit durch Zementmaterial abgebundener Bereich des ehemaligen Bohrlochs, der u.a. durch Setzungsvorgänge bedingt ist (sogenannte Sedimentationslücke).
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Da eine Sedimentationslücke nicht ausgeschlossen werden kann, ist es möglich, nach Entnahme des Düsenstrahlgestänges 1 aus dem Untergrund ein Überbrückungselement 20, beispielsweise eine Stahlstange, in den noch mit flüssigem Zementmaterial verfüllten Bohrkanal einzuführen, und somit eine sichere „Verbindung“ zur Oberfläche herzustellen. Dieser Arbeitsschritt kann manuell oder durch eine geeignete Vorrichtung am Düsenstrahlgestänge 1 durchgeführt werden.
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Im ausgehärteten Zustand der Düsenstrahlsäule S1 sowie des zementverfüllten Bohrkanals S'1 wird eine Trägerkonstruktion 21 an der Stahlstange 20 angebracht, beispielsweise eine Platte an die Stahlstange angeschweißt. An dieser Trägerkonstruktion 21 kann ein Beschleunigungsaufnehmer 30 bzw. zur Verifikation der Messergebnisse mehrere Beschleunigungsaufnehmer 30, angebracht werden. Alternativ kann ein Beschleunigungsaufnehmer beispielsweise mittels Magneten an der Stahlstange angebracht sein, oder der Beschleunigungsaufnehmer wird auf den Endbereich des zementverfüllten Bohrkanals aufgesetzt.
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In einer nicht erfindungsgemäßen Alternative zur Durchführung der nachfolgenden Qualitätsüberwachung kann anstelle der Stahlstange 20, des Trägergerüsts 21 sowie der Beschleunigungsaufnehmer 30 ein oder mehrere Geophone 40 im oberflächennahen Bereich in naher Umgebung zum zementverfüllten Bohrkanal S'1 eingebracht.
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Nachdem die erste Düsenstrahlsäule S1 im Untergrund erstellt wurde, wird die mobile Einheit 2 in eine Position verfahren, in der eine weitere Düsenstrahlsäule S2 erzeugt werden soll. Sowohl die Position der ersten als auch der zweiten Düsenstrahlsäule wird dokumentiert.
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Am Düsenstrahlgestänge 1 ist eine Distanzmesseinrichtung 3 angebracht, mit dem die Tiefe der Bohrung ermittelt wird. Ferner ist im Düsenstrahlgestänge 1 ein oder mehrere Inklinometer vorgesehen, um über den Neigungswinkel die exakte Position der Düsenstrahlsäule im Untergrund, genauer genommen der Achse der Düsenstrahlsäule, ermitteln zu können. Denn auf Grund eines üblicherweise nicht exakt vertikal verlaufenden Bohrkanals käme es zu einer Verfälschung der Daten bzgl. der Achspositionen der Düsenstrahlsäulen.
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Die Erfassung des Bohrlochverlaufs erfolgt bspw. über eine Inklinometervermessung, die mittels des Bohrgestänges durchgeführt wird, indem nach Erreichen der Endtiefe der am Düsenstrahlgestänge 1 angebrachten Sonde der tatsächliche Bohrlochverlauf durch einen Polygonzug nachvermessen wird. Die Inklinometermesssonde hat eine Regellänge von einem Meter und misst in Metereinschnitten den jeweiligen Bohrlochverlauf. Während der Messung werden die Neigungen in Meterschritten aufgenommen. Um eine Veränderung der Sonde auszuschließen, wird die Sonde an einem torsionssteifen Gestänge auf Endtiefe gebracht. Die gemessenen Datensätze werden dann der Messaufzeichnungseinrichtung 10 zugeführt. Über vorgegebene Vermessungsprogramme kann dann der Bohrlochverlauf nachvollzogen werden, indem man in die genaue Lage des Bohrbeginns die gemessenen Polygonzüge einfügt. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich die genauen Koordinaten sowohl der ausgehärteten Säule S1 als auch der Nachbarsäule S2 ermitteln, und damit sind die Achsenverläufe der Düsenstrahlsäulen S1 und S2 bekannt.
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Eine weitere Möglichkeit, die Bohrlochvermessung durchzuführen, besteht darin, wenn einer oder mehrere Neigungsaufnehmer fest in das Bohrgestänge eingebaut werden und über eine Datenleitung die Messergebnisse nach oben auf einen externen Messwertaufnehmer übertragen werden. Ist in dem Spülkopf eine Richtungsorientierung und Drehwinkelgeber vorhanden, so kann die Richtung der gemessenen Neigung in den Bohrlochverlauf eingehängt und über den eingebauten Sensor ebenfalls der Bohrlochverlauf erfasst werden.
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Nachfolgend wird eine zweite Düsenstrahlsäule S2 in definierter Position benachbart zur ersten Düsenstrahlsäule S1 erzeugt. Hierzu wird wie zuvor erläutert verfahren. Neben der Position der zweiten Düsenstrahlsäule S2 , genaugenommen deren Achse, die mittels GPS-Daten sowie dem am Düsenstrahlgestänge 1 angebrachten Inklinometer ermittelt werden kann, wird die Drehgeschwindigkeit des Düsenstrahlgestänges 1 beim Düsvorgang an die Messaufzeichnungseinrichtung 10 übermittelt.
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Alternativ wird die Drehgeschwindigkeit aus dem Messergebnis (Erschütterungen) berechnet, da sich die Art der Erschütterungen an bestimmten Drehwinkelpositionen wiederholen.
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In den 2a, 2b und 3 wird schematisch erläutert, wie die ermittelten Daten zur Bestimmung des Durchmessers der Düsenstrahlsäule S1 genutzt und somit für eine Qualitätssicherung für das Düsenstrahlverfahren verwendet werden können. Um die Geometrie der ausgehärteten Säule S1 während der Herstellung der zweiten Düsenstrahlsäule S2 aufzunehmen, eröffnet eine Geometriebestimmung der ausgehärteten Säule Möglichkeiten, die ohne zusätzlichen Zeitaufwand durchgeführt werden können. Hierzu wird neben der Position der Düsenstrahlsäulen S1 und S2 der Überschneidungswinkel βü wie zuvor erläutert ermittelt.
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Bei der Positionierung der einzelnen Düsenstrahlsäulen werden gemäß einer möglichen Vorgehensweise mehrere erste Düsenstrahlsäulen „auf Lücke“ erstellt, und anschließend diese Lücken durch mehrere zweite Düsenstrahlsäulen geschlossen (siehe 3).
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Allerdings können auch zur Qualitätssicherung Sekundärreihen verwendet werden, oder in den Schlusssäulen eine Ermittlung durchgeführt werden, die einen Flächenbereich abschließen. Somit können die Messergebnisse für die Bestimmung von Durchmessern an ausgehärteten Säulen nicht nur zur Regelrasterherstellung, sondern auch für Einzelsäulen herangezogen werden.
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Die Erfassung des Überschneidungswinkels βÜ setzt voraus, dass die hergestellte Düsenstrahlsäule S1 ausgehärtet ist und in der Lage ist, die hydraulische Beaufschlagung durch den Hochdruckstrahl, d.h. die Erschütterungen, die durch den Hochdruckstrahl aufgenommen werden, in der Säule nach oben zu übertragen.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform (Beschleunigungssensor 30) wird erfasst, wenn der Schneidstrahl des Düsenstrahlgestänges 1 die bereits erhärtete Düsenstrahlsäule S1 berührt. Ein derartiges Berühren liegt vor, wenn die durch den Beschleunigungsaufnehmer 30 erfasste Vibration der aus dem verfüllten Bohrkanal S'1 übertragenen Schwingung der Düsenstrahlsäule S1 eine charakteristische Änderung erfährt (siehe hierzu 4).
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In der nicht erfindungsgemäßen Modifikation der Ausführungsform (Geophon 40) wird ebenfalls eine Vibration erfasst, die durch den zementverfüllten Bohrkanal S'1 in einen oberflächennahen Bereich übertragen wird. Allerdings wird an dieser Stelle nicht direkt der Körperschall gemessen, sondern die wiederum durch den zementverfüllten Bohrkanal S'1 in den oberflächennahen Untergrund übertragene Erschütterungen.
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In der Regel werden durch den Beschleunigungsaufnehmer 30 alle Freiheitsgrade erfasst, also die X-, Y- und Z-Richtung. Die gemessenen Erschütterungen in der ausgehärteten Düsenstrahlsäule S1 sind gering, wenn der Hochdruckstrahl bei Erstellung der Düsenstrahlsäule S2 in den Baugrund entladen wird, also wenn kein hydraulischer Impuls in die ausgehärtete Säule eingetragen wird. Dies ist der Fall, wenn der Hochdruckstrahl in die Weiten des Baugrundes trifft, die noch unbehandelt sind. Allerdings werden Schwingungen gemessen, wenn der Hochdruckstrahl auf die ausgehärtete Düsenstrahlsäule S2 trifft (siehe 4).
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Linien mit nahezu nicht ausweisbaren Schwingungsgeschwindigkeiten bedeuten, dass der Hochdruckstrahl seine Energie in den Baugrund ableitet. Bereiche, die signifikante Ausschläge zeigen (siehe 4) erlauben den Schluss, dass der Hochdruckstrahl die ausgehärtete Säule überstreicht.
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Da das Düsenstrahlgestänge 1 mit einer fest vorgegebenen Umdrehungszahl eingestellt ist (oder die Umdrehungszahl alternativ erfasst wird), beispielsweise sechs Umdrehungen pro Minute, wird sich die Grafik periodisch oder annähernd periodisch wiederholen, die für die Herstellung der Düsenstrahlsäule aufgezeichnet wird. Es wird also die Nachbarsäule S2 mehrere Male überstrichen. Aus der Grafik kann die Zeitdauer, während der der Hochdruckstrahl die ausgehärtete Düsenstrahlsäule S1 überstreicht, gemessen werden.
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Das Düsenstrahlgestänge 1 ist mit vorab eingestellten Düsparametern belegt. Dabei werden der aufgebaute Druck im Hochdruckkanal, das Verfüllvolumen, der Luftdruck, die Umdrehungszahl und die Ziehgeschwindigkeit des Gestänges vorgegeben. Durch spezielle hydraulische Systeme am Bohrgerät werden diese Ausführungsparameter fest eingestellt. Ein typischer Vorgabewert für die Umdrehungen des Gestänges ist, wie bereits erwähnt, beispielsweise sechs Umdrehungen pro Minute, was einer gleichwertigen Umdrehungsgeschwindigkeit von 18° pro Sekunde entspricht.
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Werden beispielsweise Erschütterungen aus der Impulseinleitung über den Zeitraum von vier Sekunden gemessen, so beträgt der Überschneidungswinkel 4·18=72 Grad. Alternativ kann der Überschneidungswinkel auch direkt am oberen Spülkopf des Düsenstrahlgestänges 1 erfasst werden. Dies setzt voraus, dass der Spülkopf einen Drehwinkelgeber aufweist und eine Richtungsvorgabe möglich ist, die sich aus einer Referenzlinie ableitet.
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Durch die zeitliche Kopplung über die Messaufzeichnungseinrichtung 10 zwischen den gemessenen Ausschlägen an den Messaufnehmern 30 (bzw. 40) und zurückgelegten Winkeln im gleichen Zeitraum ist die Erfassung des Überschneidungswinkels βü möglich.
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Da der Überschneidungswinkel βü und der Abstand der Achsen der Düsenstrahlsäulen S1 und S2 bekannt sind, kann durch geometrische Funktionen der Durchmesser der Düsenstrahlsäule S1 ermittelt werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen bilden die an den Überschneidungspunkten der Düsenstrahlsäulen S1 , S2 anliegenden Tangenten, die dazwischen den Überschneidungswinkel βü definieren, zum Radius des Düsenstrahlsäule S1 einen 90°-Winkel aus (siehe 2b).
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Somit kann durch die genannte geometrische Beziehung und die mit relativ geringem Aufwand ermittelten Daten sicher auf die Dimension der Düsenstrahlsäule S1 geschlossen werden.
