DE2600834C2

DE2600834C2 - Verfahren zum Zermahlen, Bohren o.dgl. von Erdboden, Fels usw. mit einem von Luftstrahlen umfaßten Flüssigkeitsstrahl

Info

Publication number: DE2600834C2
Application number: DE19762600834
Authority: DE
Inventors: Teruo Yahiro; Hiroshi Yoshida
Original assignee: Kajima Corp; CHEMICAL GROUT CO Ltd
Current assignee: Kajima Corp; CHEMICAL GROUT CO Ltd
Priority date: 1976-01-12
Filing date: 1976-01-12
Publication date: 1978-03-23
Also published as: DE2600834B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Zermahlen, Bohren od. dgl. von Erdboden, Fels usw., bei dem feste Bestandteile mit einem Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahl durchbohrt und zermahlen bzw. zerkleinert werden. Verfahren zum Erzeugen von Sandschichten und verfestigten Körpern, wie z. B. wasserdichten Mauern, durch Zermahlen od. dgl- Durchbohren und Injizieren mittels Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen, wie z. B. Wasserstrahlen, die aus Düsen ausgestoßen werden, sind bekannt. Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen werden bei verschiedenen Bauverfahrer, angewendet und sind als Düsenschlämmen, Sandschleudern, Düsenbohren usw. bekannt. Diese Verfahren werden wirksam in Anwendung gebracht, da sie eine sehr gute Durchstoßleistung zur Verfügung stellen, hohe Energiedichtewerte mit sich bringen und lediglich eine verhältnismäßig kleine und einfache Vorrichtung für die Zurverfügungstellung des Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahles erforderlich machen. Im allgemeinen werden diese Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen in Bereichen, wie bei unterirdischem Wasser oder am Meeresgrund, verwendet, um Material zu durchbohren und zu zerkleinern bzw. zu zemahlen. Das an diesen Arbeitsorten vorhandene Wasser verlangsamt die Geschwindigkeit der gestrahlten Flüssigkeit rapide und vermindert somit die Arbeitsleistung eines Strahles. Insbesondere beträgt die Strecke, die ein Flüssigkeitsstrahl im Wasser zurücklegen kann, nur ungefähr '/io bis Vi 5 der Strecke, die ein Strahl in der Luft überbrücken kann. Es kann also der Vorteil des Hochgeschwindigkeits-FKissigkeitsstrahles gar nicht voll zur Geltung kommen, wenn die Flüssigkeit durch Wasser hindurchgeschossen wird.

Um die Strecke, die ein Hochgeschwindigkeitsstrahl im Wasser zurücklegt, zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, einen Luftstrahl zu erzeugen, indem Luft aus einer ringförmigen Düse, welche die Flüssigkeitsstrahldüse umgibt, ausgestoßen wird, so daß der Luftstrahl den Strom des Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahles umhüllt. Vorrichtungen zur Ausübung dieses Vorschlages haben sich bei der Erhöhung der durch den Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahl im Wasser durchtnessenen Strecke als zweckmäßig gezeigt, und es wurde darüber hinaus festgestellt, daß der Luftstrahl die Beseitigung von gelockertem oder zerkleinertem Schlick erleichtert, und zwar aufgrund der Luft-Hubwirkung.

Ein von einem Luftstrahl umgebener Hochgeschwindigkeits-Hüssigkeitsstrahl hat jedoch, wie die Erfinder feststellten, den Nachteil, daß die vom Strahl zurückgelegte Strecke bzw. der wirksame Strahlabstand variiert, was sich auf das Einführen von Teilen in wasserdichte Mauerkonstruktionen bzw. bei Verfestigungsarbeiten ungünstig auswirkt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur

Verfugung zu stellen, durch welches der von einem Luftstrahl umgebene Hoehgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahl in die Lage versetzt wird, eine konstante und möglichst große Strecke zu durchmessen.

Erfindungsgemäß wird der durch die ringförmige

Düse erzeugte Luftstrahl zur Umhüllung des Flüssigkeitsslrahles bei einer Geschwindigkeit ausgestoßen, die wenigstens gleich der Hälfte der Schallgeschwindigkeit ist.

Um die Erfindung leichter verständlich /u machen, werden die Grundlagen beim Graben unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahles nachfolgend beschrieben.

Es ist bekannt, daß beim Bohren in oder beim

Zermahlen bzw. Zerkleinern von Erdboden und Fels mit einem Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahl dieTiefe des gebohrten Loches oder das durch Zermahlen gegrabene Loch durch die Gleichung

S=K · d- (V₁JC?'²

bestimmt ist, wobei »5<< die Tiefe des Loches ist. »/C« eine Konstante, wobei ein bestimmter Wert für jede zu durchbohrende Materialart gewählt wird; »d« ist der Durchmesser der Düsenöffnung, »C« die Geschwindigkeit der elastischen Welle (in Längsrichtung) des zu durchbohrenden Materials und » V_t« die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahles.

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß je größer der

Durchmesser »d« der Düsenöffnur.g oder je größer die Geschwindigkeit »V<«, desto tiefer das Loch ist, d. h.

desto größer ist der Wert von »S«. Bekanntermaßen ist die Geschwindigkeit » V_t« proportional zum Druck.

Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiele nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Druckabfall der ausgestoßenen Flüssigkeit, sobald sie ausgestoßen wird, und ihrer zurückgelegten Strecke, wobei die Flüssigkeit in Luft und Wasser abgeführt wird,

F i g. 2 eine Vorrichtung unter schematischer Darstellung des Strahl-Injektionsverfahrens,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Kompressors und einer Pumpe,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch den Düsenkopf,

Fig. 5 eine Beziehung zwischen der durch den Flüssigkeitsstrahl und dem diesen umgebenden Luftstrahl zurückgelegten Strecke,

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Ergebnisses durchgeführter Versuche,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Wirkung der erfindungsgemäßen Anweisung.

Die Proportionalität zwischen dem Druck ρ der ausgestoßenen Flüssigkeit bzw. des Strahldrucks und der von der ausgestoßenen Flüssigkeit zurückgelegten Strecke s ist graphisch dargestellt in Fi g. 1, wobei der Druck ρ in kg/cm² auf der senkrechten Achse angegeben ist und die Strecke s in Metern auf der waagerechten Achse. Die durch eine ausgezogene Linie dargestellte Kurve »λ"« betrifft einen Flüssigkeitsstrahl in Luft und die gestrichelte Kurve »V« einen Flüssigkeitsstrahl in Wasser. Wie aus dieser graphischen Darstellung ersichtlich, vermindert sich der Sirahldruck in Wasser schneller als in Luft, so daß der Flüssigkeitsstrahl im Wasser nicht in der Lage ist, sich weit zu

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bewegen.

Um dieser Einschränkung zu begegnen, wurde das Verfahren der Umhüllung des Flüssigkeitsstrahls durch einen Luftstrahl entwickelt. Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahiens und die erfindungsgemäße Verbesserung, wie in den Fig. 2, 3 und 4 veranschaulicht, ist von bekannter Art, also an sich nicht neu.

Fig. 2 veranschaulicht das »Strahl-Injektionsverfahren«; hierbei wird mit 1 eine Bohrmaschine bezeichnet, mit 3 eine Rohrstange, die sich von der Bohrvorrichtung in ein Loch 2 erstreckt; und 4 ist eine Düse am freien Ende der Rohrstange 3.

Fig. 3 zeigt ein B'ockdiagramm und veranschaulicht einen Kompressor C, eine Pumpe P, wobei beide in der Bohrvorrichtung I enthalten sind. Ein L.uftrohr 5, welches sich vom Kompressor C aus erstreckt, und ein Flüssigkeitsrohr 6, das sich von der Pumpe P aus erstreckt, sind entlang der Rohrstange 3 angeordnet und enden im Düsenkopf 4.

Fig. 4 zeigt einen solchen Düsenkopf 4 im Längsschnitt, wobei der Mittelteil der Düse den Strahlflüssigkeitsdurchlaß 7 bildet, zu welchem das Flüssigkeitsrohr 6 die Strahlflüssigkeit fördert. Der Mitteldurchlaß 7 ist von einem Luftstrahldurchlaß 8 umgeben, der ringförmigen Querschnitt aufweist und zu welchem das Luftrohr 5 die Luft fördert.

Die vom Kompressor C zugeführte Luft s ömt aus dem Luftstrahldurchlaß 8 aus, während die Strahlflüssigkeit vom Strahlflüssigkeitsdurchiaß 7 ausgestoßen wird, so daß der Strom der Strahlflüssigkeit durch den ringförmigen Luftstrom eingehüllt wird, wenn sowohl Luft als auch Flüssigkeit ausgestoßen werden.

Wenn nun der Luftstrom, der auf diese Weise den Strahlflüssigkeits-Strom umhüllt, aus dem in Wasser eingetauchten Düsenkopf ausgestoßen wird, wird der Flüssigkeitsstrahl von dem umgebenden Wasser isoliert und dringt vorwärts, als würde die Düse in der Luflatmosphäre benutzt werden; diese Art und Weise der Abführung der Düse ermöglicht, daß der Hochgesehwindigkeiis-Flüssigkeitsstrahl eine größere Strecke durchmessen kann, als er es sonst könnte.

Die Erfinder führten ausgedehnte experimentelle Forschungsarbeiten durch, durch welche sie feststellten, daß eine Beziehung zwischen der durch den Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahl zurückgelegten Strekke und der Geschwindigkeit des umgebenden Luftstrahls besteht, der durch den Luftstrahldurchlaß 8 des Düsenkopfes erzeugt wird. Die Gründe für diese Beziehung werden unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert.

Der Strahlstrom /, der aus der Düse N ausdringt, vergrößert seine Querschnittsfläche mit dem Ausdringen der Flüssigkeit aus dem Düsenkopf.

Wir betrachten nun eine Position Xi des Stromes in einiger Entfernung vom Düsenkopf und stellen dessen Querschnitt durch A und die Stromgeschwindigkeit durch ty dar. Nehmen wir nun eine weitere Position X2 an, die durch einen unendlich kleinen Botrag von der Position Xi entfernt ist, und bezeichnen wir die Zunahme der Querschnittsfläche mit dA und mit dUd\e Geschwindigkeitsverminderung, wobei sich beides durch den kleinen Trennungsilbstand zwischen den beiden Positionen ergibt, dann ist für einen derartigen Strahl die folgende Gleichung gültig: <>$

dlHU=(dAIA)l(\ - ΛΓ-)
wobei »M« die Machzahl bedeutet.

Theoretisch wird der Nenner ;m rechten Teil obiger Gleichung gleich Null, wenn die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Luft gleich der Machzahl 1 ist; und da dU/U endlich ist, muß auch dA Null werden. Anders ausgedrückt heißt dies, daß, wenn M= 1 ist, dann ist dA=Q, was bedeutet, daß keine Zunahme der Querschni'tsfläche des Strahlstromes stattfindet.

Wenn man nun diese Beziehung auf den Luftstrahl überträgt, der durch das Ausstoßen von Luft aus dem konzentrischen Luftstrahldurchlaß 8 des Düsenkopfes 4 erzeugt wird, kann man erkennen, daß, wenn die Luft bei einer Geschwindigkeit ausgestoßen wird, die gleich der Machzahl ist, der sich ergebende Luftstrahl den Flüssigkeitsstrahl nn Mittelbereich einhüllt und mit dem Mittelstrahl vorwärts schießt. Folglich nimmt auch der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahles nicht zu und kann auf diese Weise eine größere Strecke überbrücken.

Die graphische Darstellung der Fig. 6 erläutert die Ergebnisse der Experimente, bei welchen die Geschwindigkeit des Luftstromes verändert wurde. Die Luftgeschwindigkeit in cm/sec ist auf der waagerechten Achse, die Strecke s in cm vom Düsenkopf ist auf der senkrechten Achse angegeben; und das Druckverminderungsverhältnis, Druck in axialer Richtung (P_m)/ Druck am Düsenauslaß (P₁J, das sich durch und entlang des Flüssigkeitsstrahles ergibt, ist als Parameter genommen. Die Kurven V, IV, X, Y'und Zsind für P_nJP,, jeweils in dieser Reihenfolge Teile von Vioo, "Λο, Viu, 'Λ und '/2. Die vertikalen strichpunktierten Linien R\ bis Ri einschließlich stellen das Verhältnis der Luftgeschwindigkeit L/in der maximalen LuFtgeschwindigkeit L/_mdar (welche später noch erwähnt wird) und sind durch die Punkte gezogen, wo das Verhältnis ^s/io für R], Vio für R2, "/10 für R₁, Vio für R₄, ⁴/io für /?₅, Vio für R_b und -'/10 für R₁ ist. Die Schallgeschwindigkeit im Hinblick auf Luftveränderungen durch die Temperatur liegt jedoch normalerweise zwischen 330 und 345 m/sec.

Im vorliegenden Experiment wurde £/,„.„ = 329 m/sec verwendet. Fast senkrecht verlaufende punktierte Linien P] bis P5 stellen das Verhältnis der Strecke X, die bis zur maximalen Strecke X_max zurückgelegt wird, dar, wobei für P, das Verhältnis 0,9 ist, für P₂ 0.8, für P₃ 0,7, P, 0,6 und für P₅ 0.5.

Aus Fig. 6 ist deutlich ersichtlich, daß die durch diesen Strahl zurückgelegte Strecke um so größer ist, je höher die Geschwindigkeit des Luftstromes ist. Die Kurven Vbis einschließlich Zflachen ab bzw verflachen sich im Bereich einer höheren Luftstrahlgeschwindigkeit U. Um eine zurückgelegte Strecke zu sichern, die angenommen 90% der maximalen Strecke λ,,,,,, beträgt, muß der Luftstrahl seinen Geschwindigkeitswert rechts der Linie P] wählen. Dies bedeutet, daß die Luftgeschwindigkeit wenigstens die Hälfte der Schallgeschwindigkeit betragen muß.

F i g. 7 bezieht sich auf den Ausstoß der Strahlflüssigkeit und vergleicht graphisch in Form von Kurven, die aufgrund der erhaltenen Daten aufgezeichnet wurden, den Ausstoß in Luft mit dem Ausstoß im Wasser gemäß vorliegender Erfindung. Die horizontale Achse wird durch das Verhältnis des Anfangsbereiches I₀ (wird im folgenden noch erläutert) zu der überbrückten Strecke X bemessen, und die vertikale Achse wird durch das Druckverminderungsverhältnis PJP₁* das sich durch und entlang des Flüssigkeitsstrahles ergibt, bemessen. Der Anfangsbereich /„ bezieht sich auf die Länge des ebenen Abschnitts der Kurve nach Fig. 1, d.h. die Strecke, bei welcher der Druck P_n, konstant bleibt.

Die Kurve M stellt den Ausstoß in Luft dar und die

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Kurve N den Ausstoß in Wasser gemäß vorliegender Erfindung. Wie aus dieser Figur ersichtlich, ist der Anfangsbereich /„ nach der Erfindung in seiner Eigenschaft im wesentlichen ähnlich dem für den Ausstoß in die Luft. Für die Strecke über das Ende von /,, hinaus ist der Strahl im Wasser gemäß der Erfindung kürzer als der in der Luft gebildete Strahl; es ist deutlich erkennbar, daß dies eine Verbesserung gegenüber der Kurve VderFig. 1 darstellt.

Aus der vorangegangenen Beschreibung geht deutlich hervor, daß erfindungsgemäß die Wirksamkeit des Zcrklcinerns bzw. Zcrmahlens mittels eines Flüssigkeitsstrahles oder die Tiefe des Bohrens mittels eines Flüssigkeitssirahles gesteigert wird, und zwar in einem Ausmaß, das mit einem Sprung vergleichbar ist und, wie aus den I i g. 6 und 7 hervorgeht, es kann die durch den Flüssigkeitsstrahl zurückgelegte Strecke konstant gehalten werden. Durch diese bedeutsamen Vorteile ist das Verfahren zum Zermahlen oder Durchbohren unter Anwendung eines Hochgcsehwindigkeiis-Flüssigkeit·>Strahles gemäß der Erfindung außerordentlich nützlich und wirksam bei verschiedenen Arten von Bauarbeiten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentanspruch:

Verfahren zum Zermahlen, Bohren od. dgl. von Erdboden und Fels usw. mit einem bei hoher Geschwindigkeit aus einem Düsenkopf ausgestoßenen Flüssigkeitsstrahl, der von Hochgeschwindigkeits-Luftstrahlen umfaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Luflstrahlen wenigstens gleich der Hälfte der Schallgeschwindigkeit bemessen wird.