DE19732532C2 - Verfahren und Vvorrichtung zum horizontalen Richtungsbohren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum horizontalen Richtungs­ bohren mit Hilfe einer Bohrvorrichtung, die es erlaubt, wahlweise geradeaus oder längs einer Kurvenbahn zu bohren.

Derartige Bohrvorrichtungen bestehen aus einem angetriebenen Bohrge­ stänge mit einem Bohrkopf sehr unterschiedlicher Gestaltung. Das Bohrge­ stänge ist üblicherweise auf einem schienengeführten, mit einem Linearan­ trieb verbundenen Schlitten gelagert und besitzt einen Dreh- und/oder Vor­ schubantrieb, mit dem sich das Gestänge in Rotation versetzen und in das Erdreich vorpressen läßt.

Um ein Richtungsbohren zu ermöglichen, besitzen solche Vorrichtungen einen Bohrkopf mit einer Exzentrizität, d. h. der Bohrkopf ist so beschaffen, daß seitliche Lenkkräfte auftreten, die eine Kurvenfahrt bewirken, sich beim Geradeausbohren aber überwinden lassen. Dies geschieht in der Weise, daß der die Exzentrizität aufweisende Bohrkopf während des Geradeaus­ bohrens mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit um die Gestänge­ längsachse rotiert, wobei die Wirkung der Exzentrizität verlorengeht. Beim Übergang zum Kurvenbohren wird das die Exzentrizität aufweisende Teil bzw. der Bohrkopf in einer bestimmten Winkelstellung für eine gewisse Zeit stillgesetzt und verbleibt in dieser Winkelstellung solange, bis die Kurven­ bahn vollendet ist oder so lange, wie die vorgegebene Kurvenbahn einge­ halten wird. Verläßt der Bohrkopf die vorgesehene Bahnkurve, ist eine Korrektur der Winkelstellung erforderlich, bis die vorgesehene Bahnkurve wieder erreicht ist.

Die Art des Bohrgestänges, der Exzentrizität und des Bohrkopfs ist im Einzelfall sehr unterschiedlich. So beschreibt die europäische Offenlegungsschrift EP 0 247 ­ 767 A2 einen mit einem Dreh/Schub-Gestänge verbundenen Bohrkopf mit einer Schrägfläche, die ein Geradeausboh­ ren erlaubt, solange der Bohrkopf gleichmäßig rotiert, und - ohne Rotation - ein Kurvenbohren durch seitliches Verdrängen des vor dem Bohrkopf befindlichen Erdreichs.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Rich­ tungsbohren basieren sämtlich auf dem Prinzip, daß das. Bohrgestänge während des Geradeausbohrens rotiert und demgemäß der Bohrkopf einen Hüllkreis mit einem Durch­ messer beschreibt, der größer, zumeist wesentlich grö­ ßer ist als der Gestänge- bzw. Bohrkopfdurchmesser, während sich das Gestänge während der Kurvenfahrt nicht dreht und der Bohrvortrieb allein durch Schub und/oder Schlag geschieht.

Problematisch ist beim Kurvenbohren jedoch der Vortrieb in das Erdreich, weil der Bohrkopf dann keine Abbau-, sondern lediglich Verdrängungsarbeit leistet. Bei wei­ chen Böden ist dies kein Problem; bei härteren oder auch steinigen Böden ist hingegen eine ganz erhebliche Verdrängungsarbeit erforderlich. Wegen des stillgesetz­ ten Werkzeugs sind daher im allgemeinen entweder hohe Vorschubkräfte oder besondere Abbaumaßnahmen erforder­ lich. Höhe Vorschubkräfte erfordern ein dem gewachse­ nes, insbesondere hinreichend knickfestes Gestänge mit entsprechend hohem Gewicht und lassen sich nur mit einem entsprechend großen maschinellen Aufwand erzeu­ gen. Dies gilt auch für den Fall, daß der Vorschub beim Kurvenbohren mit Hilfe eines Schlaggerätes bewerkstel­ ligt wird. Außerdem erfordern hohe Vorschubkräfte eine entsprechend starke Verankerung, die bei oberirdisch plazierten, schräg ansetzenden Bohrgeräten besonders schwierig ist.

Andererseits darf das Gestänge jedoch auch nicht zu starr sein, weil ein Kurvenbohren nur dann möglich ist, wenn das Gestänge elastisch genug ist, um sich der Kur­ venkrümmung entsprechend durchzubiegen.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 195 559 B1 ist auch eine Bohrvorrichtung bekannt, deren am Ende eines dreh­ baren Gestänges angeordneter abgewinkelter Bohrkopf mit einer konzentrischen Düse versehen ist, aus der ein Hochdruckstrahl zum Lösen und Abbauen des vor dem Bohr­ kopf befindlichen Erdreichs austritt. Diese Vorrichtung vermeidet zwar hohe Antriebs- bzw. Vorschubleistungen beim Kurvenbohren, erfordert dafür aber eine sehr hohe Pumpenleistung zum Erzeugen des das Erdreich abbauenden Flüssigkeitsstrahls. Hinzu kommt, daß sich der Erdreichabbau mit Hilfe des Flüssigkeitsstrahls nicht genau kontrollieren läßt, so daß es durch ein ungewoll­ tes Freispülen zu einer Hohlraumbildung über das für den Vortrieb erforderliche Maß hinauskommen kann. Der­ artige Hohlräume führen sehr leicht zu einer uner­ wünschten Richtungsabweichung. Unabhängig davon leidet die Richtungsstabilität beim Kurvenbohren aber auch da­ durch, daß das den Bohrkopf umgebende Erdreich durch die Abbau- bzw. Spülflüssigkeit stark aufgeweicht wird.

Schließlich führen die erforderlichen hohen Flüssigkeitsdrücke dazu, daß entsprechend hohe Flüssigkeitsmengen in das Erdreich gelangen, was sowohl aus Gründen des Umweltschutzes als auch der Wirtschaftlichkeit un­ erwünscht ist. Die Druckflüssigkeit besteht nämlich im allgemeinen aus einer Bentonit/Wasser-Suspension, die teilweise im Erdreich verbleibt, zum größe­ ren Teil jedoch entlang dem Bohrgestänge in Richtung Startgrube zurück­ fließt. Dort muß die Suspension aufgefangen und entsorgt werden.

Hinzu kommt, daß der Bentonit-Anteil in der Suspension sowohl in der Zuführleitung zum Bohrkopf als auch in der Düse und beim Zurückströmen entlang dem Bohrgestänge einen erheblichen Reibungsverschleiß bewirkt.

Des weiteren sind aus den US-Patentschriften 4 848 486 und 5 540 295 sowie aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 352 979 A2 Bohrgeräte bekannt, die ein Richtungsbohren jedoch nicht erlauben. Dazu fehlt es dem Bohrgerät nach der US-Patentschrift 4 848 486 an einem Drehantrieb. Die­ ses Gerät ist jedoch mit einem Vibrator ausgestattet, der das Bohrgestänge in Schwingungen versetzt und so dessen Vortrieb bewirkt. Dem Bohrgerät nach der US-Patentschrift 5 540 295 fehlt hingegen ein exzentrisch zur Bohrachse angeordnetes Werkzeug, mit dessen Hilfe bei nicht rotierenden Gestänge eine Kurvenfahrt möglich sein könnte. Ein Gerät zum Vibrations­ bohren beschreibt auch die europäische Offenlegungsschrift EP 0 352 979 A2; es besitzt weder einen Dreh- noch einen Vorschubantrieb und dient dazu, Kernbohrungen vorzunehmen.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Bohrverfahren und eine Bohrvorrichtung zu schaffen, die bei verhältnismäßig geringem maschinellem Aufwand ein verschleißarmes Kurvenbohren mit hoher Richtungsstabilität erlauben.

Die Lösung dieses Problems besteht in einem Verfahren, das sich einer Bohrvorrichtung mit einem angetriebenen Gestänge und einem um die Gestängelängsachse rotierenden Abbauwerkzeug bedient, das beim Gera­ deausbohren mit im wesentlichen konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert. Beim Kurvenbohren wird die Werkzeugrotation hingegen unterbrochen und das Werkzeug in Vibration ver­ setzt, um dessen Eindringen in das Erdreich zu erleich­ tern und die von dem Werkzeug beim Verdrängen des Erd­ reichs zu leistende Vorschubarbeit zu verringern. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß in­ folge der Vibration sowohl am Gestänge als auch am Bohrkopf nur eine verhältnismäßig geringe Haftreibung durch das Erdreich auftritt.

Das Werkzeug kann aus einer Schneid- und Abbaukante an einem Schrägflächen-Bohrkopf bestehen, wie er in der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 247 767 A2 beschrieben ist. Die Schrägfläche dient bei nicht rotierendem Bohr­ kopf als Lenkfläche und führt dazu, daß der Bohrkopf in der der Schrägfläche gegenüberliegenden Richtung abge­ lenkt wird. Darüber hinaus wirkt der Bohrkopf wie ein Keil und verdrängt das vor dem Bohrkopf befindliche Erdreich während der Kurvenfahrt zur Seite hin. Dies erfordert bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinen aufwendigen Vorschubantrieb, weil die Verdrängungs­ arbeit zu einem wesentlichen Teil von einem Vibrator aufgebracht wird. Ein solcher Vibrator kann sich im Bohrkopf befinden, außerhalb des Erdreichs, beispiels­ weise in der Startgrube seitlich am Bohrgestänge ange­ ordnet oder auch in das Antriebsaggregat für die Ge­ stängerotation und den Gestängevortrieb integriert sein.

Besondere Vorteile bietet ein in der Startgrube seit­ lich an das Bohrgestänge lösbar angeflanschter Vibra­ tor, mit dessen Hilfe, es möglich ist, jede herkömm­ liche, ein Bohrgestänge aufweisende Bohrvorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben. Dies erfordert lediglich ein Umsetzen des Vibrators, wenn der jeweils letzte Gestängeschuß hinreichend weit in das Erdreich gelangt ist und ein neuer Gestängeschuß angesetzt wird.

Ein am Gestänge lösbar angeordneter Vibrator kann mit zwei über ein Scharnier miteinander verbundenen, das Rohr in situ umgreifenden Halbschalen mit einer lösba­ ren Verriegelung bestehen. Als Verriegelung eignet sich beispielsweise ein an einer der Halbschalen schwenkbar gelagerter Spannbolzen mit einem Gewinde und einer Kon­ termutter, die im verriegelten Zustand an zwei Nasen oder beiderseits eines Schlitzes der anderen Halbschale anliegt.

Der Vibrator kann auf einem Schlitten angeordnet sein, der es ermöglicht, den Vibrator von der Seite her an das Bohrgestänge heranzuführen und mit dem Bohrgestänge in Vortriebsrichtung zu bewegen.

Der Vibrator kann auch mit einer Spannzange zum Erfas­ sen des Bohrgestänges mittels zweier Spannbacken ver­ bunden sein.

Der Vibrator kann so beschaffen sein, daß mindestens ein Teil der Oszillationsbewegung in Längsrichtung in das Bohrgestänge eingeleitet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine für die Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens geeignete Bohrvorrichtung in Aktion,

Fig. 2 eine Vibrator-Konsole zum seitlichen Anflan­ schen an ein Bohrgestänge,

Fig. 3 die Konsole der Fig. 2 mit einem Vibrator seitlich an einem Bohrgestänge und

Fig. 4 einen Vibrator mit einer Spannzange zum Befe­ stigen am Bohrgestänge.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Bohrung 1 im Erdreich 2 mittels eines aus Einzelrohren beste­ henden elastischen Bohrgestänges 3 hergestellt. Am Ende des Bohrgestänges 3 befindet sich ein Bohrkopf 4 mit einer Lenkfläche bzw. Schräge 5, der mit dem Bohrge­ stänge 3 drehfest verbunden ist. Die vordere Querkante der Schräge wirkt als Abbauwerkzeug und beschreibt beim Drehen des Gestänges einen Hüllkreis um die Gestänge­ längsachse. Im Bohrkopf 4 ist ein Sender 6 angeordnet, der drahtlos Daten an einen Empfänger 7 überträgt, die sich auf die Tiefe des Bohrkopfes 4 unter der Erdober­ fläche, den Ort des Bohrkopfes 4 im Erdreich, seine Neigung, die Winkellage der Lenkfläche 5 bezüglich der Längsachse des Bohrkopfes 4 und gegebenenfalls die Temperatur am Bohrkopf 4 beziehen. Eine Funkverbindung zwischen dem Sender 6 und einem Empfänger 7 ist durch die gestrichelte Linie 8 angedeutet.

Eine weitere Funkverbindung 9 übermittelt die vorer­ wähnten Daten vom Empfänger 7 auf eine Anzeigevorrich­ tung 10 in der Nähe einer am Start 11 angeordneten La­ fette 12. Diese Lafette 12 weist einen Drehantrieb 13 für das Bohrgestänge 3, einen das Bohrgestänge 3 beauf­ schlagenden Vibrator 14 und einen Vorschubantrieb 15 auf. Das Bohrgestänge 3 ist mit dem Dreh- und Vorschub­ antrieb über einen Bohrgestängeanschluß 16 gekuppelt.

Von der Anzeigevorrichtung 10 führt eine Kabelverbin­ dung 17 zu einem Schaltkasten 18 mit Bedienungspult, mittels dessen es über je eine Kabelverbindung 19 mög­ lich ist, den Drehantrieb 13, den Vibrator 14 und den Vorschubantrieb 15 anzusteuern.

An die Stelle des Vibrators 14 kann auch ein in den Bohrkopf 4 integrierter Vibrator 20 treten, der dann über eine durch das Bohrgestänge 3 verlaufende, nicht dargestellte Leitung angesteuert wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung läßt sich auf zwei verschiedene Weisen betreiben. Wird das Bohrge­ stänge 3 drehend und schiebend durch das Erdreich 2 ge­ trieben, entsteht eine gerade Bohrung. Dabei wird die aufgrund der Lenkfläche 5 am Bohrkopf mögliche Ablen­ kung des außermittig wirkenden Bohrkopfes 4 durch das gleichmäßige Drehen des Bohrgestänges 3 neutralisiert.

Das Kurvenbohren wird bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung dadurch eingeleitet, daß die Drehbewegung des Bohrkopfes 4 beispielsweise in der dargestellten. Steuerstellung bzw. Winkellage der Schrägfläche 5 un­ terbrochen wird, während der Vorschubantrieb 15 weiter arbeitet und der Vibrator 14 oder der Vibrator 20 im Bohrkopf 4 eingeschaltet wird.

Eine dritte Variante für die Anordnung des Vibrators ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt; sie besteht aus einer Konsole 21 mit einem Tragbügel 22 sowie einem auf der Konsole angeordneten Vibrator 23 mit einer Zulei­ tung 24 für die Energieversorgung des Vibrators. Die Konsole 21 ist fest verbunden mit einer Halbschale 25, an der über ein Scharnier 26 eine Gegenschale 27 senk­ bar befestigt ist. An der Gegenschale 27 ist ein Spann­ bolzen 28 mit einer Distanzbüchse 29 und einer Konter­ mutter 30 verschwenkbar gelagert.

Im geschlossenen Zustand umschließen die beiden Schalen 25, 27 das Gestänge 3 und stützt sich der Fuß der Distanzhülse 29 bei angezogener Kontermutter 30 beider­ seits eines Schlitzes 31 an der Konsole 21 ab, so daß der Vibrator 23 über die beiden Halbschalen 25, 27 fest mit dem Gestänge 3 verbunden ist.

Der Vibrator bewegt sich mit dem Gestänge 3 in Vor­ schubrichtung, bis an das im Erdreich befindliche Ge­ stänge 3 ein neuer Gestängeschuß angesetzt und mit dem Bohrgestängeanschluß 16 verbunden werden muß. Alsdann wird die Kontermutter 30 gelöst und die beiden Halb­ schalen 25, 27 aufgeklappt, um den Vibrator 23 an den neuen Gestängeschuß umzusetzen.

Der in Fig. 4 dargestellte Vibrator 23 ist mit einer Spannzange verbunden. Dazu ist der Vibrator auf einem Bügel 33 gelagert, an dessen Enden je ein hydrau­ lischer Antrieb 34, 35 für je eine Spannbacke 36, 37 an­ geordnet ist. Der Bügel 33 ist über Streben 38, 39 mit einer Aufhängung 40 verbunden.

Claims (10)

1. Verfahren zum horizontalen Richtungsbohren mit Hilfe einer Bohrvor­ richtung mit

• 1. einem drehend und schiebend angetriebenen Gestänge (3) und
• 2. einem Abbauwerkzeug (4), bei dem sich
• 3. das Werkzeug beim Geradeausbohren auf einer Kreisbahn bewegt und
• 4. beim Kurvenbohren stillgesetzt sowie in Vibration versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (4) während des Geradeausbohrens in Vibration versetzt wird.

3. Vorrichtung zum horizontalen Richtungsbohren, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, die ein mit einem Dreh- und einem Vorschubantrieb (13, 15) verbundenes Bohr­ gestänge (3) sowie einen Vibrator (14, 20, 24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrgestänge mindestens ein zur Bohrachse exzentrisch angeordnetes Werkzeug (4) aufweist und daß der Vibrator bei stillgesetztem Drehantrieb eingeschaltet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vibrator (14) mit dem Drehantrieb (13) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vibrator (20) in einem am vorderen Ende des Bohrgestänges (3) befindlichen Bohrkopf (4) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vibrator (23) am Bohrgestänge (3) an­ geordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vibrator (23) auf einer Konsole (21) gelagert und über zwei das Bohrgestänge (3) umgrei­ fende Halbschalen (25, 27) mit dem Gestänge ver­ spannt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vibrator mit einer Spannzange (32) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spannzange (32) zwei einander gegen­ überliegende Spannbacken (36, 37) besitzt, von denen mindestens eine beweglich gelagert und angetrieben ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Vibrationskräfte in Längsrichtung in das Gestänge eingeleitet wird.