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Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Bohrkopf für einen Bohrstrang zum Erdbohren, eine Erdbohrvorrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern eines Bohrkopfs an einem Bohrstrang zum Erdbohren.
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Grundsätzlich besteht beim Erdbohren das Bedürfnis, den im Erdbereich befindlichen Bohrstrang an ein bestimmtes Ziel zu leiten bzw. entlang einer gewünschten Bahn zu bewegen. Insbesondere beim Horizontalbohren spielt die Zielgenauigkeit des Bohrstrangs, der teilweise in dicht überbauten Gebieten mit umfangreicher Infrastruktur besonders im Untergrund eingesetzt wird, eine große Rolle. Es muss mit dem Bohrstrang eine häufig eng umgrenzte Zielgrube treffsicher erreicht werden können, um einen Erdkanal, eine Leitung oder ein Kabel in eine gewünschte Lage zu bringen oder den Bohrstrang an einem bestimmten Punkt aus der Oberfläche austreten lassen zu können.
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Für Erdbohrvorrichtungen, bei denen der Bohrstrang schiebend in das Erdreich eingebracht wird, ist es bekannt, einen permanent asymmetrischen, beispielsweise abgeschrägten Vortriebskopf zu einer ständigen Lenkbewegung beim Vortrieb zu verwenden. Für einen Geradeauslauf wird der komplette Bohrstrang oder der Vortriebskopf in Rotation versetzt, was zu einer taumelnden, aber im Wesentlichen geradeaus verlaufenden Bohrbewegung der Erdbohrvorrichtung führt. Um die laufende Rotation des Vortriebskopfes oder des Bohrstranges beizubehalten, wird meist eine maschinelle Einrichtung vorgesehen, die außerhalb des Bohrlochs angeordnet ist und die dauerhafte Rotation bewirkt. Der permanent asymmetrische Vortriebskopf und die dauerhafte Rotation desselben erlaubt zwar eine Steuerung des Bohrstrangs, erfordert aber einen erheblichen konstruktiven und maschinellen Aufwand, da neben dem Antrieb für den Vortrieb des Bohrstrangs in Schubrichtung ein Antrieb für die Rotation sowie entsprechende die Rotationskraft übertragende Elemente zur Verfügung stehen müssen.
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Ausgehend vom Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für ein gestängebasiertes Bohren im Erdreich einen steuerbaren Bohrkopf, eine Erdbohrvorrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern eines Bohrkopfs an einem Bohrstrang zum Erdbohren zu schaffen, welcher bzw. welches kostengünstig, einfach aufgebaut, simpel handhabbar und/oder eine einfache Konstruktion ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen steuerbaren Bohrkopf eine Bohrkopfspitze zu verwenden, welche keine ständige Bewegung derselben für einen Geradeauslauf durchführen muss. Stattdessen wird neben dem Entfallen einer ständigen Bewegung der Bohrkopfspitze eine einfache Konstruktion vorgesehen, bei der die Bohrkopfspitze eine zur Längsachse abgewinkelte Bohrung aufweist, die zur Aufnahme eines Aufnahmebolzens ausgestaltet ist. Die Bohrkopfspitze sitzt auf dem Aufnahmebolzen, der ebenfalls eine Abwinkelung hinsichtlich seiner Längsachse aufweist. Bohrkopfspitze und Aufnahmebolzen sind relativ zueinander drehbar. Es ist dabei vorgesehen, dass sich die abgewinkelten Bauteile in einer ersten Winkellage zueinander derart ausgleichen können, dass ein Geradeauslauf der Bohrkopfspitze möglich ist. In einer zweiten Winkellage von Bohrkopfspitze und Aufnahmebolzen zueinander können sich die Abwinkelungen, insbesondere vollständig, addieren, sodass die Bohrkopfspitze eine abgewinkelte Position zur Längsachse des Bohrstrangs einnehmen kann, die insbesondere der Addition der Abwinkelungen entsprechen kann. Hierdurch ist eine Kurskorrektur mittels der zum Aufnahmebolzen drehbaren Bohrkopfspitze möglich. Es entfällt ein ständiges Drehen einer nach außen asymmetrischen Bohrkopfspitze; eine Asymmetrie in Form einer Abwinkelung einer Bohrung bzw. einer schräg zur Längsachse verlaufenden Bohrung wird in das Innere der Bohrkopfspitze „verlagert“. Indem insbesondere (nur) zwei Winkellagen der Bohrkopfspitze zum Aufnahmebolzen vorgesehen sein können, kann die erste Winkellage für ein Geradeausbohren und die zweite Winkellage für eine Kurskorrektur verwendet werden. Da der Aufnahmebolzen nicht ständig für ein Geradeauslaufen bewegt werden muss, kann die Drehung des Aufnahmebolzens für die Kurskorrektur, insbesondere händisch, nur über einen kurzen Zeitraum erfolgen. Insbesondere kann am Bohrgestänge und/oder Antrieb außen eine Markierung umfangsseitig vorgesehen sein, die die Winkellage des Gestänges und damit die relative Lage der Bohrkopfspitze zum Aufnahmebolzen, anzeigt. Ein aufwendiger, hohe Antriebsleistungen fordernder Drehantrieb kann entfallen. Es kann sich ein Mehrnutzen für den Anwender ergeben, dass auch bei einer einfach ausgestalteten und/oder kleinen Erdbohrvorrichtung eine effiziente Steuerung möglich sein kann.
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Die Erfindung schafft einen steuerbaren Bohrkopf für einen Bohrstrang zum Erdbohren mit einer Bohrkopfspitze und einem Aufnahmebolzen, der die Bohrkopfspitze trägt. Die Bohrkopfspitze weist eine schräg zur Längsachse verlaufende Bohrung auf. Der Aufnahmebolzen besitzt eine Abwinkelung zur Längsachse. Die Bohrkopfspitze lässt sich auf dem Aufnahmebolzen drehen, sodass die Bohrkopfspitze und der Aufnahmebolzen drehbar zueinander ausgestaltet sind. Für ein Geradeausbohren können die Bohrkopfspitze und der Aufnahmebolzen in einer ersten Winkellage zueinander angeordnet werden. Für ein von dem Geradeausbohren abweichendes Bohren können die Bohrkopfspitze und der Aufnahmebolzen in einer zweiten Winkellage zueinander angeordnet sein.
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Der Begriff „Bohrstrang“ umfasst im Sinne der Beschreibung einen einen Bohrkopf und ein Gestänge aufweisenden Strang, der zum Einbringen einer Erdbohrung durch das Erdreich mittels einer Erdbohrvorrichtung bzw. einer Antriebsvorrichtung bewegt werden kann.
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Der Begriff „Gestänge“ umfasst im Sinne der Beschreibung nicht nur ausschließlich starre, einzelne miteinander unmittelbar oder mittelbar verbundene Gestängeschüsse aufweisende Gestänge, die bei einer Erdbohrvorrichtung eingesetzt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gestängeschüsse starr ausgestaltet. Zur Verbindung der Gestängeschüsse untereinander und zur Ausbildung des Bohrstrangs ist eine Steckverbindung der einzelnen Bohrstrangglieder bevorzugt vorgesehen. Dabei wird eine drehfeste Verbindung der Gestängeschüsse bzw. Bohrstrangglieder bevorzugt.
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Der Begriff „Gestängeschuss“ im Sinne der Beschreibung umfasst ein sich entlang einer Längsachse erstreckendes Element, welches Teil des Gestänges bzw. des Bohrstrangs zum Erdbohren ist. Der Gestängeschuss kann als vorderseitig im Bohrstrang angeordnetes Element mit zugeordneter Funktion (Sendergehäuse o. ä.) ausgebildet sein oder als ein (lediglich mechanisch) den Bohrstrang als Gestängeschuss verlängerndes Element ausgebildet sein. Der Gestängeschuss kann mechanische Kanäle, beispielsweise für Bohrfluid, elektrische Leitungen, elektrische Elemente und/oder elektronische Elemente umfassen.
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Ein Gestängeschuss im Sinne der Beschreibung kann einen Außendurchmesser von 25 mm bis 65 mm aufweisen, bevorzugt 30 mm bis 60 mm, bevorzugt 35 mm bis 55 mm, bevorzugt 40 mm bis 50 mm. Ein Gestängeschuss im Sinne der Beschreibung kann eine Gesamtlänge von 450 mm bis 650 mm aufweisen, bevorzugt 500 mm bis 600 mm, bevorzugt 520 mm bis 580 mm. Ein Gestängeschuss im Sinne der Beschreibung kann eine Nutzlänge aufweisen, die insbesondere der Länge der, insbesondere endseitig vorgesehenen, Verbindungselemente, beispielsweise bei einer Steckverbindung eine Länge der Verbindungsbuchse und/oder des Verbindungssteckers, Rechnung trägt. Die Nutzlänge kann sich aus der Gesamtlänge verringert um die Länge des bzw. der Verbindungselemente ergeben und 400 mm bis 600 mm, bevorzugt 450 mm bis 550 mm, bevorzugt 475 mm bis 525 mm, betragen. Ein Gestängeschuss im Sinne der Beschreibung kann eine Nut zum Eingreifen eines Eingriffselements zum Bewegen des Bohrstrangs, beispielsweise eine (Sperr-)Klinke, aufweisen, die einen Außendurchmesser von 15 mm bis 55 mm haben kann, bevorzugt 20 mm bis 50 mm, bevorzugt 25 mm bis 45 mm, bevorzugt 30 mm bis 40 mm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Gesamtlänge des Gestängeschusses 550 mm und der Außendurchmesser des Gestängeschusses 45 mm betragen. Die Nutzlänge eines Gestängeschusses kann 500 mm betragen. Der Außendurchmesser einer Nut zum Eingreifen eines Eingriffselements zum Bewegen des Bohrstrangs kann einen Außendurchmesser von 35 mm aufweisen. Bei den genannten Werten für den Außendurchmesser des Gestängeschusses, der (Gesamtlänge des Gestängeschusses, der Nutzlänge des Gestängeschusses und des Außendurchmessers einer Nut am Gestängeschuss handelt es sich um keine die Abmessungen einschränkenden Werte; es ist hervorzuheben, dass eine Anpassung an die äußeren Gegebenheiten, insbesondere Größe der Baugrube bzw. des Schachts für die Anordnung der Erdbohrvorrichtung und/oder die Beschaffenheit des Erdreichs, erfolgen kann, um eine Erdbohrung effizient durchzuführen.
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Insbesondere kann ein Gestängeschuss und/oder der Bohrkopf im Sinne der Beschreibung endseitig zur Ausbildung mindestens einer Steckverbindung ausgestaltet sein. An einem Ende kann der Gestängeschuss und/oder der Bohrkopf (a) einen Verbindungsstecker mit Außenkontur oder (b) eine Verbindungsbuchse mit Innenkontur aufweisen. Die Außenkontur bzw. die Innenkontur können im Querschnitt eine von einem Kreis abweichende Form aufweisen.
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Sofern beschrieben ist, dass an einem Ende des Gestängeschusses ein Verbindungsstecker oder eine Verbindungsbuchse vorgesehen ist, so kann vorgesehen sein, dass an ein und demselben Gestängeschuss an einem Ende ein Verbindungsstecker und am anderen Ende eine Verbindungsbuchse vorliegt. Eine Ausbildung einer Steckverbindung an beiden Enden ein und desselben Gestängeschusses ist möglich, wobei die Außenkontur bzw. die Innenkontur im Querschnitt eine von einem Kreis abweichende Form aufweist. Es ist aber auch möglich, dass ein erfindungsgemäßer Gestängeschuss nur an einem Ende einen vorgenannt beschriebenen Verbindungsstecker mit Außenkontur oder eine vorbeschriebene Verbindungsbuchse mit Außenkontur aufweist, wobei das andere Ende beliebig ausgestaltet sein kann. Eine Ausgestaltung eines Gestängeschusses, bei dem nur ein Ende einen Verbindungsstecker oder eine Verbindungsbuchse mit einer Kontur wie beschrieben aufweist, ermöglicht die Ausgestaltung, dass auf ein anderes Verbindungssystem gewechselt werden kann.
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Der Begriff „Querschnitt“ umfasst im Sinne der Beschreibung einen Schnitt quer zur Längsachse des jeweiligen betrachteten Elements im Bereich der Steckverbindung, d.h. für den Gestängeschuss oder das Antriebselement im endseitigen Bereich des Gestängeschusses bzw. des Antriebselements, welcher für die Verbindung mit dem zu verbindenden Element vorgesehen ist. Bevorzugt wird der Querschnitt im Winkel von 90° zur Längsachse betrachtet. Geringfügige Abweichungen um den rechten Winkel zur Längsachse sind möglich.
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Ein Gestängeschuss im Sinne der Beschreibung kann an einem Ende einen Verbindungsstecker und am anderen Ende eine Verbindungsbuchse aufweisen. Hierdurch kann, wenn die Gestängeschüsse in einer bestimmten Ausrichtung vorliegen, eine einfache Verbindung hergestellt werden. Die Innenkontur und die Außenkontur der Verbindungsbuchse bzw. des Verbindungssteckers können in einer vorbestimmten Winkellage zueinander ausgerichtet sein, sodass die jeweiligen Konturen an den beiden Enden des Gestängeschusses zueinander fluchten bzw. so ausgerichtet sind, dass diese ineinander gesteckt werden können. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Gestängeschuss endseitig Steckelemente gleicher Form aufweist, sodass der Gestängeschuss beispielsweise an beiden Enden einen Verbindungsstecker oder an beiden Enden eine Verbindungsbuchse, die die jeweilige beschriebene Kontur besitzen können, aufweist.
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Im Sinne der Beschreibung ist eine „von einem Kreis abweichende Form“ jedwede geometrische Form, die keine Kreisform besitzt. Die Form, die eine von einem Kreis abweichende Form ist, beinhaltet damit nicht nur Punkte einer Ebene (dem Querschnitt, der betrachtet wird), die einen konstanten Abstand zu einem vorgegebenen Punkt dieser Ebene (Mittelpunkt) haben. Es besteht die Möglichkeit, dass die von einem Kreis abweichende Form zumindest abschnittsweise gerade Linien aufweist. Die Form kann zusätzlich oder alternativ gekrümmte bzw. geschwungene Linien aufweisen. Wie nachfolgend beschrieben, kann die von einem Kreis abweichende Form auch eine bekannte, einfach benennbare Ausgestaltung haben.
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Die von einem Kreis abweichende Form kann eine ovale Form sein, insbesondere eine rundliche konvexe Figur, wobei die Figur eine Ellipse als Spezialfall sein kann. Die von einem Kreis abweichende Form kann eine Ellipsenform sein. Im Sinne der Beschreibung wird unter einer Ellipse eine geschlossene ovale Kurve verstanden, die als Kegelschnitt dargestellt werden kann. Üblicher Weise handelt es sich bei einer Ellipse um eine Form mit Punkten, bei der die Summe der Abstände eines Punktes von zwei vorgegebenen Punkten, den sogenannten Brennpunkten, für alle Punkte gleich ist. Üblicherweise wird bei einer Ellipse die Gerade durch die Brennpunkte der Ellipse als Hauptachse bezeichnet und die dazu orthogonale Gerade durch den Mittelpunkt der Ellipse als Nebenachse.
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Es kann vorgesehen sein, dass die, insbesondere ovale, Form, die insbesondere als Ellipse ausgebildet ist, derart ausgestaltet ist, dass die Form keine Symmetrie aufweist, wodurch erreicht werden kann, dass Verbindungsstecker und Verbindungsbuchse nur in einer Winkellage zueinander zusammengesteckt werden können.
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Der Begriff „Erdbohrvorrichtung“ umfasst im Sinne der Beschreibung jedwede Vorrichtung, die insbesondere einen Gestängeschüsse aufweisenden Bohrstrang in einem bestehenden oder zu erstellenden Kanal im Erdreich bewegen kann, um eine Bohrung, insbesondere ein Horizontalbohrung, zu erstellen oder aufzuweiten, oder um Leitungen oder andere lange Körper in das Erdreich einzuziehen. Die Erdbohrvorrichtung kann in einer Baugrube oder einem Schacht, insbesondere einem Kanalschacht, angeordnet werden. Insbesondere kann die Erdbohrvorrichtung für eine schiebende bzw. drückende Einbringung des Bohrstrangs in das Erdreich ausgestaltet sein. Eine zusätzliche ziehende Arbeitsweise, bei der der Bohrstrang und/oder eine Leitung in das Erdreich nach der schiebenden Einbringung, insbesondere bis zu einer Zielbaugrube, eingezogen werden kann, kann vorgesehen sein.
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Der Begriff „Horizontalbohrung“ (horizontal drilling) im Sinne der Beschreibung umfasst insbesondere jede Art von bestehenden oder zu erstellenden, vorzugsweise horizontalen, Kanälen in einem Körper, insbesondere Erdkanäle einschließlich Erdbohrungen, Felsbohrungen oder Erdleitungen sowie unterirdische oder oberirdische Rohrleitungen und Wasserkanäle, die sich durch Einsatz einer entsprechenden Erdbohrvorrichtung herstellen, aufweiten oder einziehen lassen.
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Der Begriff „Aufnahmebolzen“ umfasst einen zumindest abschnittsweise bolzenförmig ausgestalteten Körper, der insbesondere endseitig an dem Körper vorliegt, und auf den ein anderer Körper, insbesondere die Bohrkopfspitze, aufgesteckt werden kann. Der Aufnahmebolzen kann im Wesentlichen mittig bezogen auf den Querschnitt angeordnet sein. Die Abwinkelung des Aufnahmebolzens kann sich von der mittigen Anordnung unter einem vorgegebenen Winkel der Abwinkelung erstrecken.
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Der Begriff „Bohrkopfspitze“ umfasst im Sinne der Beschreibung einen Körper, der das vorderseitige Ende des Bohrstrangs ist. Die Bohrkopfspitze kann als erstes Element des Bohrstrangs erachtet werden. Die Bohrkopfspitze kann exponiert sein und als erstes Bohrstrangglied bei einem schiebenden Einbringen der Erdbohrung das Erdreich als erstes kontaktieren. Die Bohrkopfspitze kann eine Außenkontur aufweisen, die vollständig symmetrisch sein kann. Der Außenumfang und die Form der Bohrkopfspitze kann hinsichtlich einer Mittellinie nicht nur spiegelsymmetrisch hinsichtlich eines Schnitts sein, sondern insbesondere punktsymmetrisch. Hierdurch kann der Grundgedanke der Erfindung einfach umgesetzt werden. Eine nach außen hin vorliegende Symmetrie, die ein ständiges Drehen erfordert, liegt vorzugsweise nicht vor.
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Sofern beschrieben ist, dass die Bohrkopfspitze sich zum Aufnahmebolzen drehen lässt, so kann ein unmittelbares Aufstecken der Bohrkopfspitze auf den Aufnahmebolzen bevorzugt sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass zwischen dem Aufnahmebolzen und der Bohrkopfspitze ein Zwischenelement für eine mittelbare Verbindung vorgesehen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform schließt die Achse eines Abschnitts der Bohrung in der Bohrkopfspitze, in die insbesondere der Aufnahmebolzen eingeführt werden kann, einen Winkel mit der Längsachse der Bohrkopfspitze von 1° bis 20°, bevorzugt 2° bis 15°, bevorzugt 3° bis 13°, bevorzugt 3° bis 10°, bevorzugt 4° bis 10°, bevorzugt 4° bis 8°, ein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt ein Winkel eines Abschnitts der Bohrung mit der Längsachse der Bohrkopfspitze vor, der 5° beträgt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich die Bohrung von einer mittig ausgestalteten Öffnung in der Bohrkopfspitze unter dem vorgenannten Winkel in die Bohrkopfspitze erstreckt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform schließt die Abwinkelung des Aufnahmebolzens einen Winkel von 1 ° bis 20° mit der Längsachse des Aufnahmebolzens ein. Bevorzugt kann die Abwinkelung des Aufnahmebolzens einen Winkel von 2° bis 15°, weiter bevorzugt 3° bis 13°, weiter bevorzugt 3° bis 10°, weiter bevorzugt 4° bis 10°, weiter bevorzugt 4° bis 8°, mit der Längsachse des Aufnahmebolzens einschließen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schließt die Abwinkelung des Aufnahmebolzens einen Winkel von 5° mit der Längsachse des Aufnahmebolzens ein. Durch die Einstellung eines Winkels kann konkret auf das Ausmaß der „Kurskorrektur“ Bezug genommen werden und ein Winkel gewählt werden, der für eine Bohrung angepasst sein kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bohrkopfspitze einen Durchmesser von kleiner als 70 mm, bevorzugt kleiner als 65 mm, bevorzugt kleiner als 60 mm, auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Bohrkopfspitze einen Außendurchmesser von 55 mm auf. Es können für kleinere Einsätze, d.h. zum Einbringen kürzerer oder dünnerer Erdbohrungen entsprechend geeignete Durchmesser gewählt werden. Die Bohrkopfspitze kann alternativ oder zusätzlich an die Größe der Erdbohrvorrichtung und/oder die Beschaffenheit des Erdreichs, in das die Erdbohrung eingebracht werden soll, angepasst werden. Neben einer Anpassung eines Außendurchmessers kann die Bohrkopfspitze hinsichtlich ihrer Geometrie an die Beschaffenheit des Erdreichs bzw. des die Bohrung umgebenden Materials angepasst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aufnahmebolzen zumindest teilweise von einer Verschleißhülse umgeben, sodass eine Aufnahme für den Aufnahmebolzen, insbesondere endseitig, im Bereich der Längsachse, die mit dem Bohrstrang deckungsgleich ist, wenn der Bohrkopf Teil des Bohrstrangs ist, liegt. Es bedarf lediglich eines Austausches der Verschleißhülse, wenn der Bohrstrang viele Einsätze erfahren hat. Die aufwendigere Herstellung des Aufnahmebolzens kann durch das Vorsehen der Verschleißhülse hinausgeschoben werden. Die Verschleißhülse kann Teil eines Adapters zum Einbinden des steuerbaren Bohrkopfs vorderseitig an einem Bohrstrang sein. Der Adapter kann an seinem dem Aufnahmebolzen beabstandeten Ende einen Verbindungsabschnitt aufweisen, mit dem der Adapter an einen Gestängeschuss eines Bohrstrangs angesetzt werden kann. Der Aufnahmebolzen kann in dem Adapter in der Verschleißhülse mittels eines Querbolzens dreh-, zug- und schubfest fixiert sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Außenumfang des Aufnahmebolzens, der mit der Innenkontur der Bohrung der Bohrkopfspitze in Kontakt kommen kann, oder die Innenkontur der Bohrung der Bohrkopfspitze, die mit der Außenkontur des Aufnahmebolzens in Kontakt kommen kann, von zwei Anschlagflächen begrenzt bzw. weist diese auf. Die zwei Anschlagflächen sind in Längsrichtung der Bohrkopfspitze bzw. des Aufnahmebolzens zueinander beabstandet. In den beiden Winkellagen kann je eine der Anschlagflächen der Bohrkopfspitze an einer Anschlagfläche des Aufnahmebolzens anliegen. Die Anschlagflächen können Endpositionen einer relativen Drehbewegung des Aufnahmebolzens in der Bohrung bilden. Hierdurch können zwei konkrete Winkellagen der Bohrkopfspitze zum Aufnahmebolzen eingestellt werden. Die Winkellagen können genau angefahren werden und die Auslenkung der Bohrkopfspitze zum Bohrstrang genau verwendet werden, um den Bohrkopf zu steuern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei Anschlagflächen derart zueinander ausgestaltet, dass ein Drehwinkel von größer als 45° zwischen Bohrkopfspitze und Aufnahmebolzen zu einer Überführung von der ersten Winkellage in die zweite Winkellage führen kann. Hierdurch kann erzielt werden, dass die beiden Winkellagen bewusst voneinander eingestellt werden können und eine notwendige Drehbewegung zwischen den beiden Winkellagen ausreichend groß ist, um bewusst eine der beiden Winkellagen ansteuern zu können. Bevorzugt kann der Winkel, der zwischen den beiden Anschlagflächen eingeschlossen wird >50°, weiter bevorzugt >60°, weiter bevorzugt >70°, weiter bevorzugt >80°, weiter bevorzugt >90, weiter bevorzugt >100°, weiter bevorzugt >110°, weiter bevorzugt >120°, weiter bevorzugt >130°, weiter bevorzugt >140°, weiter bevorzugt >150°, weiter bevorzugt >160°, weiter bevorzugt >170°, insbesondere 180°, sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Anschlagflächen parallel zueinander.
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Die Erfindung schafft auch eine Erdbohrvorrichtung mit einem beschriebenen steuerbaren Bohrkopf und einem in einer Baugrube anordbaren Antrieb, mittels dessen ein Bohrstrang mit dem Bohrkopf schiebend oder ziehend, insbesondere schiebend, angetrieben werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist endseitig an einem Gestängeschuss des Bohrstrangs ein Eingriff für ein Werkzeug zum Drehen des Gestängeschusses um seine Längsrichtung vorgesehen. Hierdurch kann eine einfache Ausgestaltung erreicht werden, bei der der Bohrstrang um seine Längsachse gedreht werden kann, um den Aufnahmebolzen zu drehen. Der Aufnahmebolzen kann relativ zur Bohrkopfspitze verdreht werden und eine entsprechende Winkellage kann eingestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Bereich des Antriebs eine Skala ausgebildet, mittels derer ein Ausmaß einer Rotation der Anschlagflächen um die Längsachse des Aufnahmebolzens bzw. der Bohrung angezeigt werden kann. Die Skala kann sich auf eine Markierung an den Gestängeschüssen beziehen.
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Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Steuern eines Bohrkopfs an einem Bohrstrang zum Erdbohren. Der Bohrkopf weist eine Bohrkopfspitze und einen Aufnahmebolzen, der die Bohrkopfspitze trägt, auf. Die Bohrkopfspitze weist eine schräg zur Längsachse verlaufende Bohrung auf und der Aufnahmebolzen besitzt eine Abwinkelung zur Längsachse. Die Bohrkopfspitze und der Aufnahmebolzen sind drehbar zueinander ausgestaltet. Für ein Geradeausbohren können die Bohrkopfspitze und der Aufnahmebolzen in eine erste Winkellage zueinander gebracht werden. Für ein von dem Geradeausbohren abweichendes Bohren können die Bohrkopfspitze und der Aufnahmebolzen in eine zweite Winkellage zueinander gebracht werden.
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Die Ausführungen zu den einzelnen Aspekten der Erfindung, wie sie insbesondere für den steuerbaren Bohrkopf und das Verfahren beschrieben werden, sind als einander ergänzende Ausführungen zu verstehen. Ausführungen zu einem Aspekt gelten auch für die Ausführungen für einen der anderen Aspekte.
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Zahlenangaben im Sinne der Beschreibung sind Angaben, die mit einer Toleranz von +/-10% behaftet sein können, sodass die Zahlenangabe nicht nur den einen Wert, sondern einen Wertebereich beschreibt, um insbesondere Toleranzbereiche, die herstellungsbedingt sein können, Rechnung zu tragen.
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Die vorstehenden Ausführungen stellen ebenso wie die nachfolgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen keinen Verzicht auf bestimmte Ausführungsformen oder Merkmale dar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine Erdbohrvorrichtung mit Teilen eines Bohrstrangs in isometrischen Darstellung;
- 2 einen Schnitt durch einen vorderseitigen Bereich eines Bohrstrangs mit einem Bohrkopf in einer ersten Winkellage;
- 3 den vorderseitigen Bereich des Bohrstrangs mit dem Bohrkopf von 2 in einer zweiten Winkellage; und
- 4 eine vergrößerte Darstellung der 1 im Bereich des Antriebs der Erdbohrvorrichtung.
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1 zeigt eine Erdbohrvorrichtung 1, die mittels am Rahmen angeordneter Abstützungen 2 in einer nicht dargestellten Baugrube verspannt werden kann.
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Unter Verwendung eines als Sperrklinke 4 ausgestalteten Eingriffselements, welches an einem Schlitten 50 befestigt ist, der sich gegenüber dem Rahmen relativ hin und her bewegen werden kann, kann ein Bohrstrang in das Erdbereich eingeschoben bzw. gezogen werden. Dabei greift die Sperrklinke 4 in eine der Nuten 5 eines Gestängeschusses 6 ein. Der Hydraulikzylinder 3 wird beaufschlagt und entsprechend die Sperrklinke 4 bewegt, sodass der Bohrstrang in das Erdbereich eingeschoben werden kann. Während des Rückhubs der Hydraulikzylinder 3 schwenkt die Sperrklinke 4 aus einer Nut 5 heraus, um beim Erreichen der nächsten Nut 5 in diese hereinzufallen. Es kann dann ein weiterer Vorschubzyklus gestartet werden.
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Die Beaufschlagung des Hydraulikzylinders 3 kann von einem Bedienpult 28 gesteuert werden. Das Bedienpult 28 weist eine Druckanzeige 27 auf, um Informationen hinsichtlich des Druckes und der Einstellung mittels eines Hydraulikventils 26 zu geben bzw. diese vorzunehmen.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Bohrkopf 7, mittels dessen eine Richtungssteuerung des Bohrstrangs vorgenommen werden kann. Dabei ist der Bohrkopf 7 in einem Zustand gezeigt, in dem ein gerades Einbringen des Bohrstrangs erfolgen kann. Eine vorderseitig an dem Bohrkopf 7 angeordnete Bohrkopfspitze 9 bildet hinsichtlich ihrer Außenkontur eine Verlängerung des Bohrstrangs. Es liegt kein Winkel der Bohrkopfspitze 9 des Bohrkopfs 7 gegenüber der Längsachse des Bohrstrangs vor.
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Die Bohrkopfspitze 9 des Bohrkopfs 7 weist eine um 5° gegen die Längsachse X-X abgewinkelte Bohrung 10 auf, die in einem Teilbereich ihrer Länge nicht über den ganzen Umfang rund ausgestaltet ist. Mittels der Bohrung 10 kann die Bohrkopfspitze 9 auf einen Aufnahmebolzen 13 aufgesteckt werden und ist drehbar gegenüber dem Aufnahmebolzen 13 auf diesem gelagert. Der Aufnahmebolzen 13 kann gegenüber der Bohrkopfspitze 9 relativ gedreht werden. Mittels nicht dargestellter Sicherungsbolzen, die in eine Ausdrehung 12 greifen können, ist die Bohrkopfspitze am Aufnahmebolzen 13 in längsaxialer Richtung gesichert. Der Aufnahmebolzen 13 weist in der dargestellten Ausführungsform ebenfalls eine Abwinkelung von 5° gegenüber der Längsachse X-X auf, so dass der Aufnahmebolzen 13 vorderseitig eine Abwinkelung zum Bereich 17 des Aufnahmebolzens 13 bildet, der mit der Längsachse des Bohrstrangs fluchtet.
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In der in 2 dargestellten Position befinden sich die Abwinkelungen der Bohrung 10 der Bohrkopfspitze 9 und des Aufnahmebolzens 13 in deckungsgleicher Winkellage, sodass sich die Winkelabweichungen von jeweils 5° ausgleichen. Die Bohrkopfspitze 9 befindet sich damit in einer Winkellage bzw. Position, die für einen geraden Bohrungsverlauf geeignet ist.
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Der Aufnahmebolzen 13 wird an seinem hinteren Ende in einem Adapter 14 geführt und ist mit diesem über einen Querbolzen 15 dreh-, zug- und schubfest verbunden. Der Querbolzen 15 ist durch eine Verschleißhülse 16 gesichert, die wiederum in einem vorderen Bereich formschlüssig mit dem Aufnahmebolzen 13 verdrehfest verbunden ist. Die Verschleißhülse 16 dient als austauschbarer Verschleißschutz.
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Der Adapter 14 weist am hinteren Ende eine ellipsenförmige Bohrung 18 auf, um an ein erstes, ebenfalls ellipsenförmig ausgestaltetes Bohrgestänge angekoppelt zu werden. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Steckverbindung, die mittels eines Bolzens gesichert wird, zur Verbindung mit dem Gestängeschuss vorgesehen.
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In den Adapter 14 ist zur oberirdischen Tiefenmessung und Positionsbestimmung ein Sender 19 montiert, der elektromagnetische Wellen an eine Empfangsvorrichtung sendet, um so die aktuelle Tiefe und/oder die Position des Bohrkopfs 7 bestimmen zu können. An dem Adapter 14 sind im Bereich des Senders 19 Senderschlitze 20 ausgebildet, durch die die elektromagnetischen Wellen austreten können.
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In der 2, die die erste Winkellage zum Geradeausbohren darstellt, ist gezeigt, dass die Bohrung 10 eine Anschlagfläche bzw. Anschlagkante 11 besitzt, an der eine Anschlagfläche bzw. Anschlagkante 24 des Aufnahmebolzens 13 anliegt.
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3 zeigt den mit 2 näher beschriebenen Bohrkopf 7 in einer Position bzw. (zweiten) Winkellage, die geeignet ist, dem Bohrungsverlauf eine Kurvenbahn aufzuprägen, um beispielsweise Korrekturen des Bohrungsverlaufs vorzunehmen und so ein vordefiniertes Ziel zu erreichen. Der Aufnahmebolzen 13, der in einem Teilbereich 23 seiner Länge zu der ersten Anschlagfläche bzw. Anschlagkante 24 eine zweite Anschlagkante 24 aufweist, wird gegenüber der Bohrkopfspitze 9 gedreht, wobei das Erdreich die Bohrkopfspitze 9 in Position hält. Hierdurch gelangt der Aufnahmebolzen 13 mit seiner zweiten Anschlagkante 24 gegen die Anschlagkante 11 der Bohrung 10 der Bohrkopfspitze 9. Über die Anschlagkanten 11, 24 kann der gesamte Bohrstrang inklusive der Bohrkopfspitze 9 in die beabsichtigte Richtung zur Kurskorrektur gedreht werden. Die Abwinkelungen von je 5° addieren sich zu einer Abwinkelung der Bohrkopfspitze 9 auf insgesamt 10°, was in 3 dargestellt ist. Die Abwinkelungen der Bohrung 10 der Bohrkopfspitze 9 und des Aufnahmebolzens 13 sind gegenüber der in 2 dargestellten Stellung in gegenüberliegende Winkellagen gebracht worden.
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Das Drehen des Aufnahmebolzens 13 wird dadurch erreicht, dass am hinteren, noch einzuschiebenden Gestängeschuss 6, ein in 4 vergrößert dargestellter Drehadapter 21 mit einer Aufsatzknarre 22 angesetzt wird. Mittels einer in dem Ausführungsbeispiel vorgesehenen Rechtsdrehung um 180° des gesamten Bohrstrangs sowie der damit drehfest verbundenen Bauteile, wie sie vorstehend mit dem Adapter 14, dem Aufnahmebolzen 13 und der Verschleißhülse 16 beschrieben sind, wird der gesamte Bohrstrang gedreht, wobei die Bohrkopfspitze 9 vom umgebenden Erdreich am Mitdrehen gehindert wird.
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Um dem Bediener den Steuervorgang bzw. das Auslenken des Aufnahmebolzens 13 zu erleichtern, ist auf dem Drehadapter 21 eine Skala 25 in Form der Uhrzeit bzw. eines Rollwinkels angebracht. Nach erfolgreich beendetem Steuervorgang, d.h. einer erfolgten Kurskorrektur mit einem entsprechenden Lauf des Bohrstrangs durch ein Einschieben in das Erdreich, kann die Bohrkopfspitze 9 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Linksdrehen um 180° des gesamten Bohrstrangs wieder in einen Geradeauslauf - wie er in 2 dargestellt ist - versetzt werden, wobei der Aufnahmebolzen 13 gedreht wird und die Bohrkopfspitze 9 wiederum durch das Erdreich am Mitdrehen gehindert wird.
