DE19725052A1 - Bohrgerät - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein Verfah
ren beispielsweise zum Herstellen oder Aufweiten von
Erdbohrungen und zum grabenlosen Verlegen von Erdleitun
gen oder zum Eintreiben von Rohren ins Erdreich.
Derartige Geräte, beispielsweise Rammbohrgeräte, besit
zen üblicherweise einen im Innern ihres Gehäuses mit
Hilfe eines Fluids, beispielsweise Druckluft, axial hin-
und herbewegten selbststeuernden Schlagkolben, der seine
Bewegungsenergie entweder unmittelbar oder mittelbar
über eine im Gehäuse axial bewegliche Schlagspitze voll
ständig an das Gehäuse und eventuell auch an das Erd
reich abgibt. Auf diese Weise leistet das Gerät sowohl
Zertrümmerungs- als auch Verdrängungs- und Vortriebsar
beit.
Des weiteren sind Bohrgeräte bekannt, die das Erdreich
nicht nur verdrängen, sondern auch abbauen und bei
spielsweise entgegen der Vortriebsrichtung abfördern.
Schließlich gibt es Bohrgeräte, die nicht nur ein Gera
deaus-, sondern auch ein Kurvenbohren erlauben. Derar
tige Geräte besitzen beispielsweise einen mit einer
Lenk- bzw. Schrägfläche versehenen Bohrkopf, der während
des Geradeausbohrens im wesentlichen ständig um die
Gerätelängsachse rotiert, beim Kurvenbohren hingegen
zumindest kurzfristig drehfest ist. Um das zu ermögli
chen kann das Gerät mit einem Bohrgestänge versehen
sein, das mit einem Dreh- und Vorschubantrieb verbunden
ist.
Um den Gerätevortrieb und/oder das Abfördern des Erd
reichs zu erleichtern, ist es auch bekannt, das Gerät im
Bereich des Bohrkopfes mit Düsen zu versehen, die über
ein Bohrgestänge mit einer Spülflüssigkeit, üblicher
weise einer Bentonit-Suspension versorgt werden. Die
Düsen können jedoch, wie bei dem Bohrgerät nach der
europäischen Offenlegungsschrift 0 195 559 auch mit
einer Flüssigkeit so hohen Drucks versorgt werden, so
daß sich ein Schneidstrahl zum Abbauen des im Bereich
des Bohrkopfs befindlichen Erdreichs ergibt.
Die das Erdreich hydraulisch abbauenden und/oder abför
dernden und die mit einem Lenkstrahl arbeitenden Geräte
sind über eine Schlauchleitung oder ein Bohrgestänge mit
einer externen Pumpe verbunden, die den im Einzelfall
erforderlichen Druck erzeugt. Die erforderlichen Drücke
sind sehr unterschiedlich; sie reichen von wenigen bar
beim Bohren mit einer Spülflüssigkeit bis zu über 100
bar beim Schneidstrahlbohren. Insbesondere bei harten
Bodenverhältnissen sind Drücke über 100 bar erforder
lich. Dementsprechend teuer sind die pumpen, die zudem
einem starken Verschleiß unterliegen, wenn es sich bei
der Flüssigkeit um eine Bentonit-Suspension handelt.
Hiervon ausgehend besteht das der Erfindung zugrundelie
gende Problem darin, den technischen und wirtschaftli
chen Aufwand für die Erzeugung des Flüssigkeitsdrucks
bei mit Düsen ausgestatteten Bohrgeräten, insbesondere
Rammbohrgeräten zu verringern und trotzdem eine Möglich
keit zu schaffen, um mit hohen Drücken zu arbeiten.
Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung vor,
bei einem Gerät mit einem im Gehäuse hin- und herbeweg
ten Kolben im Gehäuse eine mit Düsen für die Spül-,
Schmier-, Schneid- und/oder Lenkflüssigkeit in Verbin
dung stehende Druckkammer anzuordnen. Weil der Druckauf
bau im Gerät selbst stattfindet, braucht die Druckkammer
lediglich mit Flüssigkeit geringen Drucks versorgt zu
werden. Dazu genügt eine reine Schwerkraftförderung oder
eine übliche Förderpumpe, die ein Fördern der Flüssig
keit auch über größere Strecken ermöglicht, während der
Betriebsdruck der Flüssigkeit vor Ort, d. h. im Gerätein
nern erzeugt wird. Das Gerät braucht daher nicht über
eine Hochdruckleitung mit der Förderpumpe verbunden zu
sein. Daraus ergibt sich im Hinblick auf die in der Pra
xis vorkommenden Bohrstrecken von bis zu über 200 m eine
erhebliche Kostenersparnis. Dies gilt auch für den Fall,
daß die Flüssigkeit nicht über eine Schlauchleitung,
sondern durch ein angetriebenes Bohrgestänge zum Bohr-
oder Verdrängungskopf geleitet wird.
Die Druckerzeugung vor Ort geschieht vorzugsweise mit
Hilfe eines in der Kammer angeordneten axial beweglichen
Druckkolbens, der beispielsweise mit Hilfe einer
Rückstellfeder stets wieder in seine Ausgangsstellung
gebracht wird. Der Kolben kann als selbststeuernder Kol
ben ausgebildet sein.
Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn
der Druckkolben mit einem im Gerätege
häuse - vorzugsweise pneumatisch - hin- und herbewegten
Schlagkolben in Wirkverbindung steht, wie ihn beispiels
weise herkömmliche Rammbohrgeräte besitzen. Ein solcher
vorzugsweise selbststeuernder Schlagkolben kann dann
sowohl Vortriebsenergie für das Gerät als auch Abbau
energie sowie Antriebsenergie für den Druckkolben lie
fern. Dies geschieht insbesondere in der Weise, daß der
Schlagkolben seine kinetische Energie mindestens teil
weise auf den Druckkolben überträgt. Um das zu ermögli
chen, kann der Druckkolben mit einem rückwärtigen, einen
Innenkragen des Gehäuses durchgreifenden Zapfen versehen
sein. Dieser Zapfen wirkt als Amboß für den Schlagkol
ben. Wenn die Vorkragenlänge des Zapfens geringer ist
als der maximale Hubweg des Druckkolbens, gibt der
Schlagkolben seine restliche kinetische Energie an den
Innenkragen ab, wenn sich der Druckkolbenzapfen in der
Kolbenkammer nach vorne bewegt.
Die von dem Schlagkolben zu leistende Arbeit besteht in
diesem Falle aus zwei Phasen: Einer Verdichtungsphase,
während derer der Schlagkolben und der Druckkolben über
den Zapfen zusammenwirken, und einer Vortriebsphase, in
welcher der Schlagkolben seine restliche kinetische
Energie über den Innenkragen an das Gerätegehäuse abgibt
und auf diese Weise dessen Vortrieb bewirkt. Danach keh
ren der Druckkolben unter dem Einfluß einer Druckflüs
sigkeit und/oder einer Rückstellfeder und der Schlagkol
ben in ihre Ausgangsstellungen zurück und beginnt ein
neuer Arbeitszyklus.
Die Druckkammer kann über eine gehäusefeste Leitung mit
Flüssigkeit versorgt werden, in der sich ein Ventil,
beispielsweise ein Rückschlagventil befindet. Des weite
ren kann die Druckkammer als axialer Druckkanal ausge
bildet sein, der zu mindestens einer Düse führt und in
den auch die Flüssigkeitsleitung mündet.
Das erfindungsgemäße Gerät kann auch am Anfang oder am
Ende eines vorzugsweise angetriebenen Gestänges angeord
net sein oder in ein Vortriebsrohr eingreifen. In allen
Fällen ergibt sich ein pulsierender Druckflüssigkeits
strahl, der sich zum Abbauen des Erdreichs, zum Lenken
eines im Erdreich befindlichen Bohr- oder Aufweitgerätes
oder auch zum Abfördern des gelösten Erdreichs verwenden
läßt. Dabei kann die Druckerzeugung im Erdreich oder
auch außerhalb geschehen. Besonders vorteilhaft ist
jedoch die Druckerzeugung vor Ort im Erdreich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in Gestalt
eines Rammbohrgeräts erläutert, dessen allgemeine Kon
struktion sich beispielsweise aus der deutschen Patent
schrift 2 157 259 ergibt. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 den vorderen Teil des Rammbohrgeräts und
Fig. 2 ein Gerät der in Fig. 1 dargestellten Art am
Ende eines angetriebenen Gestänges.
Das Rammbohrgerät besteht aus einem Gehäuse 1, das an
seinem vorderen Ende mit einem Gewinde 2 versehen ist,
in das eine Gerätespitze in Gestalt eines Stufenkopfs 3
mit einer Dichtung 4 eingeschraubt ist. In dem Gehäuse
befindet sich ein Arbeitsraum 5, in dem sich ein pneuma
tisch angetriebener selbststeuernder Schlagkolben 6 hin-
und herbewegt. Weitere Einzelheiten hierzu ergeben sich
aus der vorerwähnten Patentschrift.
Der Arbeitsraum 5 ist durch einen Innenkragen 7 von
einer in Vortriebsrichtung davor befindlichen Kolbenkam
mer 8 mit einem Druckkolben 9 getrennt. Der Druckkolben
9 besitzt einen durch eine Bohrung 10 im Innenkragen 7
geführten rückwärtigen Zapfen 11, der in Wirkverbindung
mit dem Schlagkolben 6 steht.
Des weiteren ist der Druckkolben 9 mit einem an der Wan
dung der Kolbenkammer 8 anliegenden Dichtungsring 12
versehen und besitzt einen Bund 13, mit dessen Hilfe er
sich über eine Rückstellfeder 14 an einer Schulter 15
der Schlagspitze 3 abstützt. Von der Kolbenkammer 8
führt ein Druckkanal 16 zu einer Düse 17 am vorderen
Ende der Schlagspitze 3. In diesen Druckkanal ragt ein
vorderer Zapfen 18 des Druckkolbens 9 und dichtet den
Druckkanal mit Hilfe einer O-Ring-Dichtung 19 gegenüber
der Kolbenkammer 8 ab. In den Druckkanal 16 mündet ein
mit einer nicht dargestellten Förderpumpe versehener
gehäusefester Kanal 20 für Niederdruckflüssigkeit, der
mit einem Rückschlagventil 21 versehen ist, das peri
odisch Flüssigkeit in den Druckkanal einspeist.
Der Druckkolben 9 befindet sich unter dem Einfluß der
Rückstellfeder 14 in seiner rückwärtigen Endstellung. In
dieser Stellung überragt der Zapfen 11 den Innenkragen 7
um die Vorkraglänge 22, die geringer ist als der Abstand
23 zwischen der vorderen Stirnfläche des Druckkolbens 9
und der Schulter 15. Daraus ergibt sich, daß der Schlag
kolben 6 seine kinetische Energie auf der Strecke 22
zunächst an den Druckkolben 9 und beim Erreichen des
Innenkragens 7 seine restliche kinetische Energie an das
Gerätegehäuse 1 abgibt, während das Ende des Zapfens 11
in die Kragenbohrung 10 eintaucht, bis der Druckkolben 9
seine vordere Endstellung an der Schulter 15 erreicht
hat und unter dem Einfluß der Rückstellfeder 14 in seine
dargestellte Ausgangslage zurückkehrt.
Während seiner Vorwärtsbewegung erhöht der Druckkolben 9
den Druck der im Druckkanal 16 befindlichen Flüssigkeit,
die mit der Frequenz der Schlagkolbenbewegung je nach
dem Druck im Einzelfall und der Beschaffenheit der Düse
17 sowie deren Ausrichtung als Schmier- oder Spülflüs
sigkeit, das Erdreich abbauender Schneidstrahl und/oder
als Lenkstrahl aus der Düse 17 austritt.
An die Stelle der externen Förderpumpe kann auch ein
externer Flüssigkeitsbehälter treten, der mit dem für
den Betrieb des Rammbohrgeräts bzw. die Bewegung des
Schlagkolbens 6 zumeist erforderlichen Kompressor ver
bunden ist und die Flüssigkeit, beispielsweise Wasser
oder eine Wasser/Bentonit-Suspension, über den Gehäuse
kanal 20 zum Druckraum bzw. Druckkanal 16 fördert.
Zwar verbraucht die Druckerhöhung mit Hilfe des Druck
kolbens 9 einen Teil der Energie des Schlagkolbens 6.
Diese Energie geht jedoch nicht völlig verloren, weil
die über die Düse 17 austretende Flüssigkeit das Erd
reich im Bereich der Gerätespitze 2 aufweicht oder auch
abbaut und darüber hinaus den Reibungswiderstand zwi
schen dem Erdreich und dem Rammbohrgerät verringert.
Das Gerät kann auch mit mehreren, insbesondere voneinan
der unabhängigen Düsen versehen sein, die unterschiedli
che Aufgaben erfüllen. So kann eine Düse einen Schneid
strahl erzeugen, während andere, beispielsweise schräg
in bezug auf die Geräteachse angeordnete Düsen Lenk
strahlen erzeugen und weitere Düsen Spülflüssigkeit lie
fern, die den Verdrängungs- und den Reibungswiderstand
am Gerät verringert und/oder ein Abfördern von gelöstem
Erdreich ermöglicht.
Ist mindestens eine Düse so angeordnet, daß sich ein
einseitiger Abbau des Erdreichs ergibt, dann bewegt sich
das Gerät auf einer Kurvenbahn, deren Mittelpunkt auf
der Seite des einseitigen Erdreichabbaus liegt. Läßt
sich die Raumlage einer solchen Düse verändern, bei
spielsweise wenn das Gerät am Ende eines auf einer
Lafette 24 mit einem Dreh- und Linearantrieb 25 versehe
nen drehbaren Bohrgestänge 26 angeordnet ist, dann
besteht die Möglichkeit, die Richtung der Kurvenbahn
durch Drehen des Gestänges bzw. des Gerätes zu verän
dern. Unabhängig davon läßt sich aber auch der Krüm
mungsradius der Gerätebahn dadurch ändern, daß der Druck
des das Erdreich abbauenden Schneidstrahls verringert
oder erhöht wird.
Das Gerät schafft, unabhängig von seiner Konstruktion im
einzelnen eine Möglichkeit, mit Hilfe eines pulsierenden
Flüssigkeitsstrahls Erdreich abzubauen, die Bohr- bzw.
Vortriebsrichtung zu beeinflussen und/oder abgebautes
Erdreich abzufördern.
Claims (14)
1. Gerät, insbesondere zum Herstellen oder Aufweiten
von Erdbohrungen oder zum Einbringen von Leitungen
ins Erdreich mit
- - einem Gehäuse (1),
- - einem in dem Gehäuse hin- und herbewegten Kol ben (6, 9),
- - mindestens einer Düse (17) für eine Schneid-, Schmier-, Spül- und/oder Lenkflüssigkeit und
- - einer im Gehäuse angeordneten, mit der Düse in Verbindung stehenden Druckkammer (16).
2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Kolbenkammer (8) mit einem axial beweglichen Druck
kolben (9).
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
an dem Druckkolben (9) eine Rückstellfeder (14)
angreift.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druckkolben (9) und ein
Schlagkolben (6) in Wirkverbindung miteinander ste
hen.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Druckkolben (9) mit einem rückwärtigen, einen
Innenkragen (7) des Gehäuses (2) durchgreifenden
Zapfen (11) versehen ist.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorkraglänge (22) des Zapfens (11) geringer ist
als der maximale Hubweg (23) des Druckkolbens (9).
7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Druckkammer (16) mit einer
Flüssigkeitsleitung (20) verbunden ist.
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Flüssigkeitsleitung (20) ein Ventil (21)
angeordnet ist.
9. Gerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Flüssigkeitsleitung (20) in den Druck
kanal (16) mündet.
10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Düsen
(17) über steuerbare Ventile mit Druckflüssigkeit
versorgt wird.
11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekenn
zeichnet durch ein mit einem Dreh- und/oder Vor
schubantrieb versehenes Bohrgestänge.
12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gerätespitze (3) mit einem
Gestänge oder einem Vortriebsrohr verbunden ist.
13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) mit einer
angetriebenen Lafette verbunden ist.
14. Verfahren zum Herstellen oder Aufweiten von
Erdbohrungen unter Verwendung einer pulsierenden
Spül-, Schneid-, Schmier- und/oder Lenkflüssigkeit.
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