DE10309144A1 - Bohrkopf und Verfahren für das steuerbare Horizontalbohren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf für das steuerbare Horizontalbohren, mit welchem der Vorfeldbereich des Bohrkopfs im Erdreich erkundet werden kann. Erfindungsgemäß weist dazu der Bohrkopf einen Wellensender und einen Wellenempfänger auf. Dies hat den Vorteil, daß die Erfassung des Vorfeldbereichs direkt aus dem Erdreich heraus erfolgt und die Erkundung der Umngebung vor dem Bohrkopf mit einer hohen Auflösung möglich ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf und ein Verfahren für das steuerbare Horizontalbohren.
• Beim Bohren im Untergrund, insbesondere bei der verlaufsgesteuerten Horizontalbohrtechnik und beim grabenlosen Leitungsverlegen, besteht das Problem, daß der Untergrundbereich unbekannt ist. In Unkenntnis der im Untergrund vorhandenen natürlichen und künstlichen Barrieren, wie beispielsweise Kabel, Rohrleitungen, Felsen, Mauerwerk, Schuttauffüllungen und anderen Hindernissen, kommt es immer wieder zu Beschädigungen der vorhandenen unterirdischen Strukturen oder der Bohrköpfe. Dies führt dazu, daß die Arbeit abgebrochen werden muß und offene Aufgrabungen oder Neubohrungen erforderlich werden. Ferner müssen die Beschädigungen an beispielsweise Rohrleitungen, Kanälen und Kabeln ersetzt werden. Dies hat zur Folge, daß Bauarbeiten verzögert werden können und kostenintensiver werden und Sachstände beschädigt bzw. zerstört werden.
• Um dieses Problem zu umgehen, besteht die Möglichkeit, z. B. eine Georadarmessung von der Erdoberfläche aus durchzuführen. Dieses Verfahren wird in der Baupraxis jedoch, wenn überhaupt, nur äußerst selten eingesetzt. Diese Technik hat ferner den Nachteil, daß nur eine grobe Hindernisortung im Untergrund möglich ist. Querende Strukturen im Untergrund sind nur zweidimensional erkennbar. Ferner haben die Georadarmessungen den Nachteil, daß ihre Funktionalität stark von der jeweiligen Erdbodenbeschaffenheit abhängt. So sind sinnvolle Messungen nur in Meßgebieten ohne oberflächennahe, gut leitende Schichten (Silte, Tone u. ä.) möglich. Dies führt zu einer Auflösungsbeeinträchtigung bis hin zu einer erheblichen Einschränkung der Anwendbarkeit dieses Verfahrens.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit bereit zu stellen, die Umgebung eines Bohrkopfes für das steuerbare Horizontalbohren möglichst genau zu erfassen.
• Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Bohrkopf für das steuerbare Horizontalbohren, welcher einen Impulssender bzw. Wellensender und einen Wellenempfänger aufweist. Die Anordnung des Wellensenders und Wellenempfängers am Bohrkopf hat den Vorteil, daß die Erfassung direkt aus dem Erdreich heraus erfolgt und somit die Erkundung der Umgebung vor dem Bohrkopf um ein vielfaches genauer ist als von der Erdoberfläche aus.
• Vorzugsweise wird erfindungsgemäß ein Radarsender bzw. -empfänger eingesetzt, besonders bevorzugt wird Impulsradar eingesetzt. Nachfolgend soll die Erfindung für den Einsatz von Radar beschrieben werden, ohne darauf begrenzt zu sein. Der Radareinsatz aus dem Erdreich heraus aus dem im Vortrieb befindlichen Bohrkopf ermöglicht insbesondere den Einsatz von höheren Frequenzen als bei Untersuchungen von der Erdoberfläche aus. Diese höheren Frequenzen besitzen zwar eine geringere Eindringtiefe, erreichen dafür aber eine höhere Auflösung des Bodens. Die großen Eindringtiefen von mehreren Metern sind bei einem direkten Einbau im Bohrkopf nicht unbedingt erforderlich, da es nicht notwendig ist, daß Erdreich über dem Bohrtrassenverlauf zu durchdringen, sondern nur der vor dem Bohrkopf liegende Bereich erkundet werden kann. Weiterhin ist auch der Einsatz in gut leitenden Schichten möglich, da die zu durchdringende Schichtdicke geringer ist, als bei dem Einsatz von der Oberfläche aus.
• Somit erreicht man eine sehr hohe Auflösung der Umgebung vor dem Bohrkopf und damit eine wesentlich genauere Erkennung des Untergrundes, als dies von der Erdoberfläche aus möglich ist.
• Erfindungsgemäß wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Radarimpulssender und -empfänger am Bohrkopf einer Horizontalbohranlage angeordnet, beispielsweise in diesen eingebaut. Als Quelle für die ausgesendeten Radarimpulse kann ein elektromagnetischer Pulser in der oder den Sendeantennen dienen. Die ausgesandten Radarsignale breiten sich im Untergrund wellenartig aus und werden von Strukturen oder Hindernissen im Erdreich reflektiert. Die Empfangsantenne mißt die Laufzeiten und Amplituden der elektrischen Feldstärke. Vorzugsweise werden Sender und Empfänger im vorderen Bereich des Bohrkopfes angeordnet, so daß insbesondere die Abstrahlung der Impulse in Vortriebsrichtung der Bohrung erfolgt. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, daß der vor dem Bohrkopf befindliche Erdbereich (Vorfeldbereich) genau erkundet und gezielt erfaßt wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine viel höhere Auflösung und damit Erkennungsgenauigkeit des Erdreichs vor dem Bohrkopf ermöglicht.
• Gemäß einer vorteilhafteren Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der Sender und Empfänger in einem Bauteil zusammengefaßt sein. Dies bietet Vorteile hinsichtlich des Einbaus der Einheit in den Bohrkopf.
• Die Eindringtiefe des Radars hängt von der Frequenz der jeweils verwendeten Antenne, der physikalischen Parameter des Untergrundes sowie weiteren Bedingungen ab. Bei einer Ausführungsform mit Antennen verschiedener Frequenzen lassen sich daher in vorteilhafter Weise unterschiedlich tiefe Auflösungen erreichen. Je nach Wahl der Frequenz lassen sich somit entweder größere Eindringtiefen oder genauere Auflösungen erzielen. Vorzugsweise sollte die Eindringtiefe mehr als einen Meter betragen, besonders bevorzugt ein bis mehrere Meter, um frühzeitig etwaige Hindernisse umsteuern zu können. Erfindungsgemäß bevorzugt einzusetzende Frequenzbereiche liegen bei ca. 300 bis 1200 MHz, besonders bevorzugt bei ca. 700 bis 1000 MHz.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist dem erfindungsgemäßen Bohrkopf ein Antennensatz mit Antennen verschiedener Frequenzen zugeordnet. Dadurch kann in vorteilhafter Weise gewählt werden, welche Antenne für welchen Boden am besten geeignet ist. Es ist daher vorteilhaft, die Radarimpulssende- und Empfangseinheit leicht zugänglich am Bohrkopf anzuordnen, um einen schnellen und mühelosen Austausch der Antennen zu gewährleisten. Besonders bevorzugt ist die Antenne in einem Verlängerungssporn, vorzugsweise eines an der Bohrkopffront oder Bohrkopfnase angeordneten Verlängerungssporn, vorgesehen.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Übertragung der empfangenen Daten mittels einer im Bohrgestänge geführten Kabelleitung zu einem Speicher- und Auswertungsgerät. Die Kabelverlegung im Bohrgestänge bietet den Vorteil, daß diese vor mechanischen Beschädigungen geschützt geführt wird. Das Speicher- und Auswertegerät ist vorzugsweise ein Rechner, welcher die empfangenen Daten speichert und gegebenenfalls prozessiert. Die gewonnen Daten können graphisch in Form eines Radargrammes dargestellt werden. Dazu kann das Speicher und Auswertgerät an einen Monitor angeschlossen sein, wodurch die generierten Daten einfach kontrolliert werden können.
• Ebenfalls erfindungsgemäß möglich ist eine drahtlose Datenübertragung durch das Erdreich. Die notwendige elektrische Leistung kann dann durch eine Batterie oder einen durch die Spülung angetriebenen Generator zur Verfügung gestellt werden.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Datenauswertung sukzessive mit dem Bohrfortschritt, so daß eine direkte Rückkopplung zum Steuerstand der Bohranlage geschieht. Somit kann steuerungstechnisch umgehend auf aktuelle Untergrundgegebenheiten reagiert werden. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Erfassung eines räumlichen Bildes des Erdreichs sowie der gegebenenfalls im Erdreich verlaufenden Strukturen, die sich im Umfeld des vorgesehenen Bohrtrassenverlaufs befinden. Notwendige Sicherheitsabstände zu Hindernissen wie Kabeln, Rohrleitungen, Mauerstrukturen o. ä. oder bevorstehende Erschwernisse im Untergrund können rechtzeitig erkannt werden und mit den notwendigen Vortriebsparametern an- bzw. umgegangen werden.
• Dadurch wird ein gezieltes Steuern, Lenken und Gegenreagieren auf Untergrundbegebenheit erstmalig möglich und Sachschäden, offene Grabungen o. ä. können in vorteilhafter Weise vermieden werden. Daher ist die Erfindung in der Grabentechnik, insbesondere in der verlaufsgesteuerten Horizontalbohrtechnik und dem grabenlosen Leitungsverlegen von besonderem Vorteil.
• Als zusätzliche Variante ist es erfindungsgemäß möglich, die Auswertung der Daten direkt im Bohrkopf stattfinden zu lassen. An den Bedienerstand werden nur dann Daten übermittelt, wenn ein vermeidliches Hindernis im Vorfeld auftritt. Somit wird die zu übertragene Datenmenge gering gehalten. Dadurch ist ein schnelles und effizientes Arbeiten möglich und der Bediener wird nicht durch unnötige Dateninformationen belastet.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden an der Erdoberfläche Marken ausgelegt, welche die vom Bohrkopf ausgesendeten Wellen reflektieren. So werden bei Aussendung eines Radarimpulses bevorzugt Marker aus dielektrischen Materialien an der Erdoberfläche ausgelegt. Diese sind vorzugsweise matten- oder planenartig ausgestaltet, so daß diese auch beispielsweise platzsparend aufgerollt und transportiert und erst an der Bohrstelle ausgerollt werden können. Dies bietet den Vorteil, daß eine besonders gute radarreflektorische Zuordnung des Erfassungsraumes nach oben hin möglich ist. Dadurch besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, den zu erfassenden Raum zu begrenzen.
• Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Verfügung gestellt, bei welchem ein erfindungsgemäßer Bohrkopf eingesetzt wird, um die Umgebung des Bohrkopfes, insbesondere des Bereichs direkt vor dem Bohrkopf, mit einer hohen Auflösung zu bestimmen.
• Durch den Einsatz der Marker an der Geländeoberfläche ist ebenfalls eine räumliche Orientierung des Bohrkopfes möglich. Ist die Position der Marker genau bekannt, so kann durch die Laufzeit der Wellen bis hin zum Marker und zurück die genaue Position des Bohrkopfes im Untergrund berechnet werden. Somit kann der Einbau einer Radarsende- und Empfangseinheit auch als Ortungssystem für den Bohrkopf dienen.
• Die vorliegende Erfindung soll anhand einer Figur näher erläutert werden.
• Fig. 1 zeigt dabei in schematischer Darstellung die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Bohrkopfs.
• In Fig. 1 gezeigt ist eine Horizontalbohranlage mit einer Lafette 1, welche sich auf der Erdoberfläche 2 befindet. Diese weist einen mit einem Dreh- und Schubantrieb ausgerüsteten Schlitten auf. Über eine Startgrube 3 wurde der Bohrkopf 4 in das Erdreich 5 bereits eingeführt. Der Bohrkopf ist ein lenkbarer Schrägflächenbohrkopf. Selbstverständlich können erfindungsgemäß auch andere Bohrkopfarten verwendet werden. Im vorderen Bereich 6 des Bohrkopfes 4 ist eine Radarsende- und Empfangseinheit 7 angeordnet, welche Radarimpulse 8 in der mit einem Pfeil 9 gekennzeichneten Vortriebsrichtung des Bohrkopfes aussendet. Die ausgesendeten Radarsignale 8 breiten sich wellenartig aus und werden an Hindernissen 10 reflektiert und von der in der Sende- und Empfangseinrichtung 7 angeordneten Empfängereinheit aufgefangen. Die Übertragung der Daten erfolgt mittels einem Kabel 11, welches im Bohrgestänge 12 verläuft. Dadurch ist das Kabel 11 vor Beschädigungen in vorteilhafter Weise geschützt. Die Daten werden zu einem Speicher- und Auswertgerät 13 übertragen. Die Auswertung der aufgenommenen Daten erfolgt sukzessive mit dem Bohrfortschritt, so daß eine direkte Rückkopplung zum Steuerstand der Bohranlage erfolgen kann.
• Durch die Aussendung der Radarimpulse 8 kann ein räumliches Bild des Erdreichs vor dem Bohrkopf 4 erstellt werden, wobei gleichzeitig Elemente und Strukturen, wie beispielsweise das dargestellte Hindernis 10, im Untergrund erfaßt werden können. Durch die gezielte Radarerfassung läßt sich das Umfeld des vorgesehenen Bohrtrassenverlaufs genau bestimmen, und gegebenenfalls lassen sich notwendige Sicherheitsabstände zu etwaigen Hindernissen oder bevorstehende Erschwernisse im Untergrund gezielt umsteuern oder die Bohrparameter gezielt an die Untergrundverhältnisse anpassen. Auf der Endoberfläche 2 können erfindungsgemäß platten- oder mattenartige Marker aus dielektrischen Materialien ausgelegt werden. Dadurch wird eine besonders gute radarreflektorische Zuordnung des Erfassungsraums nach oben hin durch die durch die Marker gegebene Begrenzung ermöglicht.

Claims (17)

1. Bohrkopf für das steuerbare Horizontalbohren, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Wellensender (7) und einen Wellenempfänger (7) aufweist.

2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sender (7) und einen Empfänger (7) für elektromagnetische Wellen aufweist.

3. Bohrkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sender (7) aufweist, der Radarimpulse (8) aussendet.

4. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellensender (7) und der Wellenempfänger (7) im vorderen Bereich (6) des Bohrkopfgehäuses angeordnet sind.

5. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellensender (7) derart am Bohrkopf angeordnet ist, daß die Wellen in Vortriebsrichtung des Bohrkopfes ausgesendet werden.

6. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sender (7) mit einer Frequenz zwischen 300 bis 1200 MHz, vorzugsweise 700 bis 1000 MHz, aufweist.

7. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Wellensender (7) und einen Wellenempfänger (7) aufweist, die zu einem Bauteil zusammengefaßt sind.

8. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf eine Auswerteinheit für die durch den Wellenempfänger empfangenen Daten aufweist.

9. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Radarimpulsantenne in einem Verlängerungssporn positioniert ist.

10. Bohrkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Radarimpuls- und -empfangsantenne in einem Verlängerungssporn der Bohrkopffront oder Bohrkopfnase positioniert ist.

11. Bohranlage für das steuerbare Horizontalbohren, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.

12. Verwendung eines Bohrkopfes für das steuerbare Horizontalbohren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 zur Erkundung des Erdreichs.

13. Verfahren zum steuerbaren Horizontalbohren mit einem Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Erdoberfläche reflektorische Marker positioniert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Marker verwendet werden, die wenigstens teilweise aus dielektrischen Materialien bestehen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Bohrkopfs im Erdreich mittels der Marker bestimmt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Bohrkopf an die Erdoberfläche übermittelten Daten in einem Speicher- und Auswertgerät verarbeitet werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Radargramm erstellt wird.