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Die Erfindung betrifft eine Aufweitungsbohrvorrichtung zum Aufweiten einer von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt im Boden entlang einer vorgegebenen Bohrlinie erstellten Pilotbohrung, bevorzugt oberflächennah, durch Bewegen der Aufweitungsbohrvorrichtung entlang der vorgegebenen Bohrlinie zum Erstellen einer Bohrung im Boden oder in einem Gestein zum Einbringen einer Rohrleitung oder eines Ausbaus in die aufgeweitete Bohrung:
- mit einem Gehäuse;
- mit einer Bohrseite und mit einer der Bohrseite gegenüberliegenden Rückseite;
- mit einem Bohrkopf, der ein Schneidrad aufweist, das um eine Drehachse und gegenüber dem Gehäuse drehbar gelagert und angetrieben an der Bohrseite der Aufweitungsbohrvorrichtung angeordnet ist, an dem wenigstens ein Bohrwerkzeug zum Lösen des Bodens oder des Gesteins angeordnet ist;
- mit einem bohrseitigen Anschluss zum Herstellen einer Verbindung mit einem in der Pilotbohrung befindlichen Rohrstrang, bevorzugt einem Pilotbohrstrang, an der Bohrseite;
- mit einem rückseitigem Anschluss für die einzubringende Rohrleitung an der Rückseite des Bohrkopfes, wobei die Bohrseite zentrisch wenigstens einen Aufnahmeraum für den gelösten Boden oder das gelöste Gestein vorgesehen ist, der über wenigstens einer Abförderöffnung mit einer Materialfördereinrichtung der Aufweitungsbohrvorrichtung für den gelösten Boden oder das gelöste Gestein verbunden ist, wobei die Bohrseite zentrisch wenigstens einen Aufnahmeraum für den gelösten Boden oder das gelöste Gestein vorgesehen ist, der über wenigstens einer Abförderöffnung mit einer Materialfördereinrichtung der Aufweitungsbohrvorrichtung für den gelösten Boden oder das gelöste Gestein verbunden ist,
- wobei die Bohrseite wenigstens einem Bohrraum aufweist, in dem das Schneidrad angeordnet ist, der um den Aufnahmeraum herum angeordnet ist,
- wobei das Schneidrad ringförmig ausgeführt ist und um den zentrischen Aufnahmeraum herum drehbar angeordnet ist, und
- wobei der Aufnahmeraum über wenigstens eine Förderöffnung mit dem Bohrraum verbunden ist, so dass der gelöste Boden oder das gelöste Gestein durch die Öffnung in den Aufnahmeraum förderbar ist.
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Bei einer oberflächennahen Verlegung von Erdkabeln kommt die offene Grabenbauweise zum Einsatz. Dies führt zum Teil zu erheblichen Umwelteingriffen entlang der Trasse und ist mit einem nicht zu unterschätzenden Aufwand beim Grabenaushub und bei der Grabenwiederverfüllung verbunden.
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Um weiterhin die Eingriffe in die Natur während der Bauphase und die Errichtungskosten gering zu halten, ist es notwendig große Haltungslängen bei der grabenlosen Verlegung zu erreichen. Hierbei sind Haltungslängen von bis zu 1500 m anzustreben. Problematisch bei der oberflächennahen Verlegung ist die geringe Überdeckung der Leitung (beispielsweise lediglich 2 bis 6 m).
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Dieses ist insbesondere problematisch, wenn aufgrund beispielsweise der Begebenheiten vor Ort ein Bohren der Bohrung mit einem direkten anschließenden Einbringen einer Rohrleitung in die Bohrung konstruktionsbedingt nicht möglich ist. Hier ist eine Aufweitung der Bohrung ggf. notwendig.
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Der zuvor beschriebene Bohrkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung ist aus der
DE2701066A1 bekannt. Ähnliche Bohrköpfe zum Aufweiten einer Pilotbohrung sind im Wesentlichen aus der
DE102012004762A1 und
DE202009018579U1 bekannt.
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Mit dem Horizontal Directional Drilling (HDD)-Verfahren wäre eine derartige Verlegung bezüglich der Anforderungen für den Durchmesser und die Streckenlänge denkbar. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Pilotbohrung unter Verwendung eines rotierenden Bohrkopfes und Bohrgestänges vom Startpunkt in Richtung Zielpunkt erstellt. Die Lagegenauigkeit wird dabei durch ein Vermessungssystem sichergestellt, welches hinter dem Bohrkopf angebracht ist. Das abgebaute Material wird mit einer Bentonitsuspension zu Tage gefördert. Die Bentonitsuspension wird durch das Bohrgestänge direkt zu den am Bohrkopf angebrachten Düsen gepumpt. Die Suspension vermischt sich mit dem gelösten Boden und fließt durch den Ringraum zwischen Bohrgestänge und Boden zum Startpunkt zurück. Nach Beendigung der Pilotbohrung wird der Bohrkopf gegen eine Aufweitungsbohrkopf, auch Reamer genannt, getauscht, der dann die Pilotbohrung aufweitet, während die Rohrleitung mit eingezogen wird. Ein solches Verfahren ist aus
EP0360321A1 bekannt.
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DE 10 2013 000 771 A1 offenbart ein Werkzeug zum Abfördern von von einem Bohrkopf gelösten Bohrklein im HDD-Verfahren, das hinter dem Bohrkopf angeordnet ist und abgesetztes Bohrklein von der Sohle der Bohrung aufnimmt und abfördert.
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Für einen sauberen Austrag des gelösten Bodens sind allerdings hohe Spülungsdrücke erforderlich. Um einen unerwünschten Spülungsaustritt an der Oberfläche zu verhindern, sind beim HDD-Verfahren aber in diesem Fall möglichst große Verlegetiefen und damit Überdeckungen beispielsweise von mehr als 30m erforderlich. Verlegetiefen im Bereich kleiner 10 m kann bei bestimmten Bodenbeschaffenheiten zu unerwünschten Spülungsaustritten beim herkömmlichen HDD-Verfahren führen.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Aufweitungsbohrvorrichtung bereitzustellen, mit der ein oberflächennahe Aufweiten einer Pilotbohrung möglich ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass im Bohrraum wenigstens ein Brecher vorgesehen ist, und dass der Brecher Brecherleisten am drehbaren Schneidrad aufweist, die sich zusammen mit dem Schneidrad bewegen und Brecherleisten an einer dem Bohrraum zugewandten Seite des Aufnahmeraums aufweist, die starr zusammen mit dem Aufnahmeraum starr angeordnet sind, und dass die Brecherleisten so zueinander angeordnet sind, dass zwischen den Brecherleisten ein Brechspalt besteht.
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Vorteilhaft ist dabei, dass die Aufweitungsbohrvorrichtung oberflächennah einsetzbar ist und eine oberflächennahe Pilotbohrung aufweiten kann und gleichzeitig in das aufgeweitete Bohrloch eine Rohrleitung, beispielsweise eine Rohrleitung zum Erstellen einer Pipeline oder einer Fernwärmeleitung oder aber auch eines Schutzrohres zum Verlegen von Stromtrassen oder dergleichen, einzubringen. Der zentrische Aufnahmeraum ermöglicht dabei eine einfache Abförderung durch den in der Pilotbohrung befindlichen Rohrstrang hindurch, so dass die Gefahr von Ausbläsern wie beim HDD-Verfahren minimiert ist. Durch das Vorsehen des Brechers wird sichergestellt, dass der gelöste Boden bzw. das gelöste Gestein in abförderbaren Korngrößen vorliegt. Weiterhin hat sich dieser einfache Aufbau des Brechers als überraschend effektiv erwiesen hat.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Aufnahmeraum ein Hohlzylinder ist, dessen Stirnseite geschlossen ist. Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Aufnahmeraum ein Saugkasten ist. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die wenigstens eine Abförderöffnung des Aufnahmeraums an einer Stirnseite des Hohlzylinders angeordnet ist. Bevorzugt ist an der Abförderöffnung ein Saugstutzen vorgesehen. Hierdurch kann auf einfache Weise ein sicherer Abtransport des gelösten Bodens/Gesteins erreicht werden. Weiterhin hat sich überraschender Weise gezeigt, dass durch das Vorsehen des Aufnahmeraums als zentrischer Hohlzylinder der Aufnahmeraum besonders klein und stabil ausgeführt werden kann. Weiterhin ist die Absaugung aus dem Hohlzylinder effizient möglich.
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Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass die wenigstens eine Förderöffnung an der Mantelaußenseite des Hohlzylinders, bevorzugt oben, angeordnet ist. Hierdurch kann der gelöste Boden bzw. das gelöste Gestein auf besonders einfache und effiziente Weise in den Aufnahmeraum eingebracht werden. En Ansaugen in den Aufnahmeraum durch die Aufnahmeöffnung ist zur Unterstützung möglich. Vorteilhaft ist, dass am Schneidrad Mitnehmer vorgesehen sind, die den gelösten Boden bzw. das gelöste Gestein hin zur Förderöffnung bewegen.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Aufnahmeraum starr mit dem Gehäuse verbunden ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Übertragung der notwendigen Kräfte zum Aufweiten und Einziehen übertragen werden.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der bohrseitige Anschluss mit dem Gehäuse oder mit dem Aufnahmeraum starr verbunden ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Übertragung der notwendigen Kräfte zum Aufweiten und Einziehen übertragen werden
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Förderöffnung ein Klassierelement ist oder dass in der wenigstens einen Förderöffnung ein Klassierelement angeordnet ist. Hierdurch wird auf einfache Weise gewährleistet, dass der gelöste Boden bzw. das gelöste Gestein nur in abförderbaren Korngrößen in den Aufnahmeraum gelangt.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Materialfördereinrichtung der Aufweitungsbohrvorrichtung wenigstens eine Förderpumpe aufweist, deren Saugseite mit der Abförderöffnung verbunden ist. Hierdurch kann der gelöste Boden bzw. das gelöste Gestein auf einfache Weise durch den Pilotbohrstrang abgefördert werden. Dabei ist vorteilhaft, dass die wenigstens eine Förderpumpe eine Strahlpumpe ist. Eine Strahlpumpe ermöglicht auf einfache Weise eine effiziente Absaugung aus dem Abförderaum heraus. Weiterhin ist durch die Strahlpumpe eine Abförderung des gelösten Bodens/Gesteins über Längen von 2000m und mehr bei kleinen Bohrlochdurchmessern ohne zusätzliche Pumpen im Rohrstrang möglich.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der rückseitige Anschluss für die eine in die aufgeweitete Bohrung einzubringende Rohrleitung starr mit dem Gehäuse oder mit dem Aufnahmeraum verbunden ist.
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Dabei ist vorteilhaft, dass der rückseitige Anschluss einen drehbaren Abschnitt aufweist, der eine relative Drehung zwischen dem Gehäuse der Aufweitungsbohrvorrichtung und der einzubringenden Rohrleitung ermöglicht, bevorzugt ein Hydraulikzylinder.
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Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass der rückseitige Anschluss ein Messelement zum Messen der auf die einzubringende Rohrleitung wirkende Einziehkraft aufweist, bevorzugt ein Hydraulikzylinder
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse wenigstens einen ersten Abschnitt, der einen ersten Durchmesser aufweist, der kleiner einem Innendurchmesser des ringförmigen Schneidrades ist und bevorzugt im Wesentlichen dem Außendurchmesser des im Pilotbohrloch befindlichen Rohrstrangs entspricht, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der im Wesentlichen etwas kleiner als der Innendurchmesser des aufgeweiteten Bohrlochs ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Trennung der Anordnung der notwendigen Technik für die Abförderung und der notwendigen Technik für das Bohren erreicht werden.
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Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass an der Rückseite wenigstens eine Abgabeöffnung zur Abgabe einer Bentonitsuspension in den Ringraum der aufgeweiteten Bohrung vorgesehen ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
- 3 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Aufweitungsbohrkopfs,
- 4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines erfindungsgemäßen Aufweitungsbohrkopfs zu 3,
- 5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines erfindungsgemäßen Schneidrades zu 3, und
- 6 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines erfindungsgemäßen Aufnahmeraumes zu 3.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aufweitungsbohrvorrichtung 10. Diese weist ein Gehäuse 11 auf, das in einen vorderen Abschnitt 12 und einen hinteren Abschnitt 13 aufgeteilt ist. Der vordere Abschnitt 12 weist dabei einen ersten Durchmesser auf, der identisch zum Durchmesser der Rohrleitungen im Pilotbohrloch (nicht dargestellt) ist.
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Der hintere Abschnitt 13 weist einen zweiten Durchmesser auf, der etwas kleiner ist als der Durchmesser eines an einer Bohrseite 21 des Gehäuses 11 angeordneten Bohrkopfs 14.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aufweitungsbohrvorrichtung 10. Diese weist ein Gehäuse 11 auf, das nur den hinteren Abschnitt 13 aufweist. Der vordere Abschnitt 12 weist dabei einen ersten Durchmesser auf, der identisch zum Durchmesser der Rohrleitungen im Pilotbohrloch (nicht dargestellt) ist. Der hintere Abschnitt 13 weist hier einen Durchmesser auf, der etwas kleiner ist als der Durchmesser eines an einer Bohrseite 21 des Gehäuses 11 angeordneten Bohrkopfs 14.
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Der Bohrkopf 14 weist ein Schneidrad auf, das wie in den 3 bis 6 dargestellt ist, bevorzugt als Schneidring 15 ausgeführt ist. An dem Schneidring 15 sind Bohrwerkzeuge 16, beispielsweise Diskenmeißel, Schälmesser, Bohrbits oder dergleichen.
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Der Schneidring 15 wird mit Hydraulikmotoren 17 angetrieben. Zum Antrieb der Hydraulikmotoren 17 ist eine Hydraulikpumpe 18 vorgesehen, die beispielsweise von einem Elektromotor 19 angetrieben wird. Weiterhin vorgesehen ist ein Tank 20 für die Hydraulikflüssigkeit, mit der die Hydraulikpumpe 18 die Hydraulikmotore 17 antreibt.
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Der Bohrkopf 14 ist in der Bohrseite 21 angeordnet. Das Gehäuse 11 weist weiterhin eine Rückseite 22 auf, an der ein hinterer Anschlag 23 zum Verbinden mit einer in das Bohrloch einzubringen Rohrleitung (nicht dargestellt) angeordnet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Swivel mit Zugkraftmessung handeln, der bevorzugt als Hydraulikzylinder ausgeführt ist.
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Der Schneidring 15 ist mit einem Aufnahmeraum zur Aufnahme des gelösten Bodens bzw. des gelösten Gesteins verbunden, der hier bevorzugt als Saugkasten 24 ausgeführt ist. Zur Abförderung des gelösten Bodens bzw. des gelösten Gesteins ist eine Förderpumpe vorgesehen, die hier bevorzugt als Strahlpumpe 25 ausgeführt ist.
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Die Strahlpumpe 25 kann dabei, wie in 1 gezeigt, im vorderen Abschnitt 12 des Gehäuses 11 angeordnet sein. Alternativ, wie dieses auch in 2 gezeigt ist, kann die Förderpumpe auch im hinteren Abschnitt 13 des Gehäuses 11 vorgesehen sein. Die Strahlpumpe 25 weist dabei eine Treibleitung 26 auf, die von einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe beaufschlagt wird. Weiterhin weist die Strahlpumpe 25 eine Abförderleitung 27 auf, über die mit der Treibleitung 26 zugeführte Flüssigkeit, die mit dem über eine Saugleitung 28 aus dem Saugkasten 24 abgesaugten Gemisch aus Flüssigkeit und gelösten Boden/Gestein zusammen abgefördert wird. Die Saugleitung 28 ist mit einem Saugstutzen 29 verbunden, der mit wenigstens einer Abförderöffnung 30 des Saugkastens 24 verbunden ist.
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Weiterhin wird durch den vorderen Abschnitt 12 eine Speiseleitung 31 geführt, die den Bohrkopf 14 mit Flüssigkeit zur Stützung der Ortsbrust und zum Abtransport des gelösten Bodens/Gesteins im Bereich des Schneidrades/Schneidrings 15 versorgt.
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Weiterhin ist eine Schmierflüssigkeitsleitung 32 vorgesehen, die zur Rückseite 22 des Gehäuses 11 geführt ist. Dort wird über eine Öffnung 33 ein Schmiermittel in den Ringraum (nicht dargestellt) abgegeben, der zur Stützung des Bohrlochs und zum Reduzieren der Reibung zwischen der Außenseite der einzubringen Rohrleitung (nicht dargestellt) und der Bohrlochwand (nicht dargestellt).
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Ein vorderer Anschlag 34 ist, wie in 1 und 2 dargestellt ist, mit dem Saugkasten 24 verbunden. Dieser weist bevorzugt eine Verbindungsmöglichkeit mit dem vorderen Abschnitt 12 auf. Besonders bevorzugt ist die Verbindung zwischen Anschlag 34 und vorderen Abschnitt 12 so ausgeführt, dass eine Winkelbeweglichkeit gegeben ist, damit die Aufweitungsbohrvorrichtung 10 besser der Richtung des Pilotbohrlochs folgen kann.
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In 2 dient der Anschlag 34 zum Verbinden mit der Rohrleitung im Pilotbohrloch. Auch diese Verbindungsmöglichkeit ist bevorzugt so ausgeführt, dass hier eine Winkelbeweglichkeit gegeben ist, damit die Aufweitungsbohrvorrichtung 10 besser der Richtung des Pilotbohrlochs folgen kann.
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In 1 ist am vorderen Ende 35 des vorderen Abschnitt 12 des Gehäuses 11 ein Verbindungselement 36 mit dem im Bohrloch befindlichen Pilotbohrstrang vorgesehen.
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Bevorzugt ist das Verbindungselement 36 identisch mit dem Verbindungselement des Anschlags 34.
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Bei den Verbindungselementen 36 handelt es sich bevorzugt um männliche oder weibliche Verbindungselemente einer zugfesten Steckmuffenverbindung. Diese weist umlaufende Nuten in den Kontaktflächen der männlichen und weiblichen Verbindungselemente auf, die einen spiralförmigen Kanal bilden, der wenigstens eine Verbindungsöffnung nach außen zum Einführen eines Scherelements, beispielsweise eine Kette, zum Herstellen einer Längskraftschlüssigkeit aufweist.
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Nach dem Verbinden der Aufweitungsbohrvorrichtung 10 mit dem im Pilotbohrloch befindlichen Rohrstrang und dem Verbinden der Leitungen 26, 27, 31, 32 wird ein Ventil 37 in der Saugleitung 28 geschlossen und die Strahlpumpe 25 wird angefahren. Anschließend wird die Aufweitungsbohrvorrichtung 10 durch Zurückziehen des Pilotbohrstrangs beispielsweise mit einem Pressenrahmen (nicht dargestellt) in den Boden/in das Gestein gezogen, um die Pilotbohrung aufzuweiten. Dabei rotiert der Schneidring 15 des Bohrkopfs 14. Die Bohrwerkzeuge 16 lösen den Boden/das Gestein und weiten so auf diese Weise das Pilotbohrloch bevorzugt auf die finale Größe auf. Mehrere Aufweitungsdurchgänge sind ebenfalls möglich, bevor die finale Rohrleitung eingezogen wird.
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Sobald Boden/Gestein gelöst wird, wird das Ventil 37 geöffnet und es erfolgt ein Ansaugen des Flüssigkeits-Boden/Gestein-Gemisches aus dem Saugkasten 24 durch die Abförderöffnung 30, den Saugstutzen 29 und die Saugleitung 28 hindurch.
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Der Schneidring 15 ist in einem Bohrraum 38 (siehe 3 bis 6) angeordnet. Der Schneidring 15 weist wenigstens einen Sattel 39 auf, an dem Bohrwerkzeuge 16 angeordnet sind. An den Satteln sind beispielsweise Schälmesser oder Bohrbits 40 angeordnet.
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Die Sattel 39 sind hier bevorzugt gleichmäßig umlaufend verteilt auf dem Schneidring 15 vorgesehen.
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Die Sattel 39 sind bevorzugt so ausgeführt, dass sie gelösten Boden/gelöstes Gestein mitnehmen können. Dafür sind beispielsweise Mitnehmer 42 an den Satteln 39 vorgesehen
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Die Sattel 39/die Mitnehmer 42 transportieren gelösten Boden/gelöstes Gestein zu Förderöffnungen 41. Durch diese kann der gelöste Boden/das gelöste Gestein in den Aufnahmeraum/den Saugkasten 24 gelangen bzw. hineingesaugt werden.
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Die Förderöffnungen 41 sind oder beinhalten Klassierelemente, durch die sichergestellt wird, dass nur förderfähige Korngrößen in den Saugkasten 24 gelangen.
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Weiterhin weist der Schneidring 15 bevorzugt Düsen 43 auf, über die Speiseflüssigkeit, bevorzugt Bentonitsuspension, in den Bohrraum 38 abgegeben wird. Dieses dient zum Füllen des Bohrraums 387 mit Flüssigkeit zur Stützung des Ortsbrust und zum Ermöglichen des Materialtransports des gelösten Bodens/Gesteins im Bohrraum 38.
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Der Aufnahmeraum 24 ist hier bevorzugt als Hohlzylinder ausgeführt. Der Hohlzylinder weist eine Außenwand 44 auf, in der die Förderöffnungen 41, bevorzugt im oberen Abschnitt, vorgesehen sind. Weiterhin sind die Stirnseiten 45 des Hohlzylinders geschlossen, um den Saugkasten 24 bereitzustellen.
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Zusätzlich ist im Bohrraum 38 ein Brecher 46 vorgesehen. Dafür sind an der starren Außenwand 44 des Aufnahmeraum 24 Brecherleisten 47 vorgesehen. Diese Brecherleisten sind starr im Bohrraum 38 angeordnet. Die Sattel 39 weisen eine zu den starren Brecherleisten 47 hin gewandte Aufnahmefläche 48 auf, auf der Brecherleisten 49 vorgesehen sind. Zwischen den starren Brecherleisten 47 und den mit dem Schneidring 15 beispielsweise in Pfeilrichtung A rotierenden Brecherleisten 49 besteht, wenn sich diese radial übereinander befinden, ein Brecherspalt 50, der die Korngröße des abzufordern Materials vorgibt.
