DE2624393B2 - Verfahren und Vorrichtung zur orientierten Entnahme von Bohrkernen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur orientierten Entnahme von Bohrkernen aus Bohrlöchern, bei dem in die zu untersuchende Formation axial zum nachfolgend hergestellten Bohrkern ein Pilotbohrloch vorgetrieben wird, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens in rammkernfähigen und felsigen Böden.

Beim Bau von Brücken oder Talsperren beispielsweise ist es wichtig, für die Fundamente die Bodenverhältnisse genau zu erforschen. Dabei interessiert nicht nur die Zusammensetzung des Untergrunds, also welche Bodenschichten überhaupt vorkommen, sondern auch die Frage, in welcher Himmelsrichtung diese Schichten geneigt sind. Insbesondere ist der Verlauf von Klüften in felsigem Boden für die Standfestigkeit von Bauwerken und damit für die Art und Anordnung der Fundamente von Bedeutung.

Um die Bodenverhältnisse unter diesen Gesichtspunkten zu erforschen, werden Kernbohrungen vorgenommen, bei denen die Drehlage des Bohrkerns im Bohrloch gekennzeichnet wird. Bei einer bekannten Bohrvorrichtung wird mit Hilfe eines Ritzstiftes aus Diamant oder Hartmetall an der sich nicht drehenden Innenseite des Kernrohres der Bohrkern geritzt, wenn das Kernrohr den Boden durchdringt und den Kern aufnimmt. Die Drehlage des Ritzstiftes im Kernrohr wird dabei durch eine Markierung am Bohrgestänge über Tage angezeigt.

Ein derartiges Vorgehen bereitet beim Rammbohren Schwierigkeiten, weil rammkernfähige Böden so weich und brüchig sind, daß der Ritzstift auf dem Bohrkern kaum oder nur schlecht erkennbare Spuren hinterläßt. Wird nun aber der Ritzstift im Hinblick darauf länger ausgebildet, besteht die Gefahr, daß er abbricht.

Bei Kernentnahmen aus felsigem Boden hinterläßt zwar der Ritzstift auf dem Fels eine Einkerbung, doch treten hier andere Schwierigkeiten auf. Für Bohrungen in Fels besteht das Kernrohr mindestens aus einem Außenrohr und einem Innenrohr. Das Außenrohr mit der Bohrkrone wird für den Bohrvorgang in Drehung versetzt, während das den Bohrkern aufnehmende Innenrohr mit Hilfe eines Gestänges über Tage festgehalten wird. Aufgrund von sich zwischen Bohrkrone und Innentohr beim Bohren festsetzendem Gestein wird die Drehkraft von der Bohrkrone auf das Innenrohr übertragen, wodurch dieses entsprechend der Verwindungssteife ihres Gestänges ebenfalls seine Drehlage ändert. Die von außen erfolgende Arretierung des den Bohrkern aufnehmenden Innenrohrs wird dabei um so schlechter, je tiefer das Bohrloch ist. Daher gibt die über Tage befindliche Markierung für die Anzeige der Drehlage des Ritzstiftes im Innenrohr nicht die wahre Drehlage des Ritzstiftes wieder. In Extremfällen kann die Differenz zwischen Markierung und Ritzstift 180° und mehr betragen. Bei einem Auseinanderbrechen des Bohrkerns in mehrere Längsabschnitte, wie es aufgrund der Klüfte im Gestein durchaus möglich ist, kann dann nach der Entnahme des Bohrkerns nicht mehr gesagt werden, auf welche Himmelsrichtung die durch den Ritzstift verursachte Einkerbung hinweist.

Aus der US-PS 22 92 838 ist ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Orientierung von Bohrproben bekanntgeworden. Danach wird in ein Vorbohrloch ein Material eingefüllt, das magnetisierbare Partikel enthält. Diese Partikel richten sich unter dem Einfluß des Erdmagnetfeldes aus. Wenn sich nach einer gewissen Zeit das eingefüllte Material verfestigt hat, wird es in einem Kern größeren Durchmessers aufgebohrt. Die so gewonnene Bohrprobe weist dann ein Magnetfeld auf, dessen Richtung Aufschluß über die Lage der Bohrprobe in der Formation gibt.

Ferner ist es nach der DT-PS 8 82 687, der US-PS 29 74 739 und der US-PS 20 03 345 bekannt, in den Boden eines vorbereiteten Bohrlochs exzentrisch zum Bohrloch ein Geschoß einzuschießen, dessen Lage

beispielsweise (DT-PS 8 82 687) mit Hilfe einer fotografischen Aufnahme, auf der gleichzeitig ein ebenfalls in das Bohrloch abgesenkter Kompaß abgebildet ist, lestgehalten wird. Danach wird dann der das Geschoß aufweisende Kern erbohrt.

Aus den US-PS 18 97 872, 17 11 797 und 15 66 499 ist schließlich ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, wonach in einem vorhandenen Bohrloch eine Pilotbohrung niedergebracht wird, in die anschließend ein Orientierungsgerät eingesetzt wird. Dieses Orientierungsgerät wird dann zusammen mit dem Kern dem Erdreich entnommen. Da die Pilotbohrung mittig zum Bohrloch liegt, kann aber aus der Lage der Pilotbohrung selbst kein Rückschluß auf die Orientierung des Kerns im Erdreich gezogen werden. Darüber gibt nur das spezielle Orientierungsgerät Auskunft.

Abgesehen von dem eingangs genannten Verfahren, das zwar verhältnismäßig einfach ist, jedoch wenig zuverlässig, sind die übrigen Verfahren sehr aufwendig und damit teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur orientierten Entnahme von Bohrkernen aus Bohrlöchern anzugeben, das sich sowohl einfach durchführen läßt als auch eine sichere und eindeutige Feststellung der Orientierung des Bohrkerns erlaubt, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens in rammkernfähigen und felsigen Böden.

Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe durch die Erfindung dadurch gelöst, daß das Pilotbohrloch als Orientierungsbohrung entlang des Umfangs des nachfolgend hergestellten Bohrkerns ausgeführt wird.

Die Orientierungsbohrung gemäß der Erfindung hinterläßt in weichen Böden und brüchigem Gestein derartig tiefe Spuren, daß diese auch nach der Entnahme des Kernes aus dem Kernrohr zu sehen sind, und hat außerdem den Vorteil, daß die Herausarbeitung des Bohrkerns, insbesondere bei Drehbohrungen, sich nicht negativ auf die Kennzeichnung der Lage des Bohrkerns auswirken kann, da erfindungsgemäß die Kennzeichnung vor der Kernbohrung erfolgt.

Eine Vorrichtung zur orientierten Kernentnahme in rammkernfähigen Böden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 2 angegeben. Mit einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser Vorrichtung gemäß Anspruch 3 wird verhindert, daß die Markierung des Kernes verwischt wird, wenn der Kern beim Rammvorgang gestaucht wird.

Für Fels eignet sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 5 angegeben ist. Die Orientierungsbohrung in Fels kann dabei mit einer Vollbohrkrone oder einer Ringkrone durchgeführt werden. Die Ringkrone ist aufgrund des geringen Durchmessers der Orientierungsbohrung der Vollbohrkrone vorzuziehen.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen und der Figuren näher erläutert. Es stellen dar:

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Bohrloch, in dem sich eine Rammvorrichtung zur orientierten Kernentnahme gemäß der Erfindung befindet,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Führung für die Rammvorrichtung in F i g. 1,

Fig.3 eine Ausführungsform eines Doppelrammkernrohres gemäß der Erfindung,

Fig.4 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gekennzeichneter Bohrkern im Längsschnitt, F i g. 5 den Bohrkern in F i g. 4 im Querschnitt und

F i g. 6 einen Längsschnitt durch ein Bohrloch, in dem sich eine andere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine nach der Erfindung durchgeführte orientierte Kernentnahme in rammkernfähigen Böden beschrieben. Es sei angenommen, daß der Boden zunächst eine Kies- und Sandschichl aufweist, unter der Schichten aus Tonen, Schluffen, sandigen Tonen oder Schluffen liegen, wie in F i g. 1 dargestellt ist. Die Kernentnahme soll im Bereich der Tonen, Schluffen, sandigen Tonen oder Schluffen

ίο erfolgen.

Zunächst wird im Bereich der Kies- und Sandschichten bis zu der darunterliegenden Tonschicht abgeteuft und das dadurch entstandene Bohrloch 10 unter Zuhilfenahme von Mantelrohren 12 verrohrt. Das Abteufen kann in beliebiger Weise erfolgen.

Für die Entnahme einer Bodenprobe aus dem Bereich der Ton-, Sandschichten usw. ist ein Rammhammer 14 im Bohrloch 10 vorgesehen, der mit einem darunterliegenden Doppelrammrohr 16 verbunden ist. Der Rammhammer 14 ist über Luftschläuche 16a an eine nicht gezeigte hydraulische Einrichtung angeschlossen.

Das Doppelrammkernrohr 16 ist in Fig. 3 näher dargestellt. Es weist ein einteiliges Außenrohr 20 und ein zweiteiliges Innenrohr 22 auf, dessen Trennungsebene axial verläuft. In dem Außenrohr 20 befindet sich auf der Innenseite eine axiale Führungsnut 23, in die auf der Außenseite des Innenrohres 22 befindliche Nasen 21 greifen und das Innenrohr 22 drehfest mit dem Außenrohr 20 verbinden. Ferner ist an einem Ende des Doppelrammkernrohres 16 ein Rohrkopf 18 mit einem koaxial zum Rammkernrohr 16 nach außen vorstehenden Zapfen 24 zum Anschluß an den Rammhammer 14 vorgesehen. Der Zapfen 24 weist einen Längsschlitz 26 auf, so daß das Rammkernrohr zwar in axialer Richtung verschiebbar mit dem Rammhammer 14 verbunden werden kann, die Drehlage des Rammkernrohres gegenüber dem Rammhammer jedoch dabei fest bleibt. Der Rohrkopf 18 ist unmittelbar nur mit dem Außenrohr 20 des Rammkernrohres 16 mit Hilfe einer Nut-Feder-Verbindung drehsicher verbunden.

Am anderen Ende des Rammkernrohres 16 befindet sich ein ringförmiger Rohrschuh 30, der mit dem Außenrohr 20 ebenfalls über eine Nut-Feder-Verbindung drehsicher verbunden ist und dessen Innendurchmesser mit dem Innendurchmesser des Innenrohres übereinstimmt. Damit sind der Rohrkopf 18, das Außenrohr 20, das Innenrohr 22 und der Rohrschuh 30 drehfest miteinander verbunden.

Wie in F i g. 3 dargestellt ist, weist der Rohrschuh 30 eine Orientierungsspitze 32 auf. Die Orientierungsspitze 32 verläuft axial zum Rammkernrohr 16 über die gesamte Länge des Rohrschuhs 30 und steht über den Rohrschuh 30 vor, so daß beim Bohrvorgang die Orientierungsspitze 32 vor dem Rohrschuh 30 in den Boden dringt. Nach diesem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des vorstehenden Teiles der Orientierungsspitze 32 größer als die Wanddicke des ringförmigen Rohrschuhs, so daß im Querschnitt gesehen die Orientierungsspitze mit der Außenseite der Wand des Rohrschuhs 30 abschließt, während sie über die Innenseite der Wand des Rohrschuhs 30 vorsteht, wie aus F i g. 3 hervorgeht.

Auf der Innenseite des Innenrohres 22 ist vorzugsweise ein Orientierungsstab 34 angebracht, der sich über die gesamte Länge des Innenrohres 22 erstreckt und mit der Orientierungsspitze fluchtet. Im Querschnitt gesehen decken sich dabei im Innern des Kernrohres die Orientierungsspitze 32 und der Orientierungsstab 34.

Mit dem oben beschriebenen Doppelrammkernrohr 16 wird die Kernstrecke im Bereich der Tonen, Schluffen, sandigen Tonen oder Schluffen abgebohrt, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Um die Drehlage des Rammkernrohres 16 im Bohrloch 10 zu fixieren und über Tage anzuzeigen, ist eine Orientierungsführung 36 für den Rammhammer 14 und damit für das Rammkernrohr 16 vorgesehen. Die Orientierungsführung 36 weist über Tage einen mit dem Boden fest verbundenen Ständer 38 mit einem U-förmigen Ausleger 40 auf. In diesem U-förmigen Ausleger läuft eine U-Schiene 42, die drehfest mit dem im Bohrloch 10 befindlichen Rammhammer 14 verbunden ist. Durch den Ausleger 40 wird die zum Rammhammer 14 axial verlaufende U-Schiene in Drehrichtung arretiert (siehe auch F i g. 2). In vertikaler Richtung jedoch kann die U-Schicne 42 im Ausleger 40 gleiten. Das zum Heben und Senken des Rammhammers 14 und des Rammkernrohres 16 im Bohrloch erforderliche Seil 44 verläuft innerhalb der U-Schiene 42.

Beim Abbohren der Kernstreckc mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung dringt zuerst die Orientierungsspitze 32 vor und schafft eine Orientierungsbohrung, deren Drehlage in bezug zur Mitte des Bohrloches 10 aufgrund der drehfesten Verbindungen zwischen dem Rammkernrohr 16 und dem Rammhammer 14 und zwischen dem Rammhammer 14 und der U-Schiene 42 sowie zwischen der U-Schiene 42 und dem Ständer 38 bekannt ist. Die Orientierungsbohrung erzeugt im Bohrkern eine Längsnut 46, wie in den F i g. 4 und 5 dargestellt ist. Ein Verwischen der durch die Orientierungsspitze 32 erzeugten Längsnut 46 beim Herausarbeiten des Bohrkernes verhindert der Orientierungsstab 34. Nachdem der Bohrkern herausgearbeitet und über Tage gebracht worden ist, wird er aus dem Rammkernrohr nach bekannten Methoden entnommen.

Im folgenden wird nun eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle von feKigen Böden anhand der F i g. 6 näher erläutert. F i g. 6 zeigt im Bereich der Kies- und Sandschichten ein verrohrtes Bohrloch 48. In dem verrohrten Bohrloch 48 befindet sich erfindungsgemäß eine Pilotverrohrung 50. Die Pilotverrohrung kann aus mehreren (nicht dargestellten) Einzelrohren bestehen, deren Wandung an einem Rohrende einen axialen Zapfen und am anderen Rohrende axial fluchtend eine Ausnehmung aufweisen. Beim Zusammensetzen der Rohre kommen die Zapfen in den Ausnehmungen zu liegen, so daß an dem über Tage liegenden Ende der

Ki Pilotverrohrung der Zapfen die Drehlage der Pilotverrohrung, insbesondere des unteren Endes, angibt. Die Einzelrohre sind dabei in bekannter Weise mit Hilfe von Überwurfmuttern verbunden.

Das untere Ende der Pilotverrohrung 50 ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, trichterförmig ausgebildet. Die öffnung 52 des Trichters lieg! jedoch nicht koaxial zur Verrohrung, sondern am Umfang der Pilotverrohrung 50. Fails die Pilotverrohrung aus Einzelrohren aufgebaut ist, wie zuvor beschrieben, zeigt der Zapfen über Tage — bzw. bei umgekehrter Konstruktion die Ausnehmung — die Lage der öffnung 52 der Pilotverrohrung 50 an.

Wie in F i g. 6 weiter dargestellt ist, dient die öffnung 52 der Pilotverrohrung zur Führung des Bohrgestänges 54 für eine Orientierungsbohrung. An dem Bohrgestänge 54 ist unten eine Vollbohrkrone 56 angeordnet. Statt einer Vollbohrkrone kann auch mit einem Kernrohr zur Durchführung der Orientierungsbohrung gearbeitet werden, was aufgrund des geringen Durchmessers der Orientierungsbohrung vorteilhafter ist.

jo Nachdem unter Zuhilfenahme der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Orientierungsbohrung über die interessierende Kernstrecke im Fels gebohrt worden ist, werden das Bohrgestänge 54 einschließlich der Bohrkrone 56 und die Pilotverrohrung

j-, 50 aus dem Bohrloch entfernt. Danach kann in bekannter Weise in der vormarkierten Strecke, d. h. über die Länge der Orientierungsbohrung, mit Hilfe eines nicht gezeigten Kernrohres abgeteuft werden. Die entlang der vormarkierten Strecke entnommenen

ad Bohrkerne weisen dann alle eine Längsnut 46 auf, wie in den F i g. 4 und 5 dargestellt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur orientierten Entnahme von Bohrkernen aus Bohrlöchern, bei dem in die zu untersuchende Formation axial zum nachfolgend hergestellten Bohrkern ein Pilotbohrloch vorgetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Pilotbohrloch als Orientierungsbohrung entlang des Umfangs des nachfolgend hergestellten Bohrkerns ausgeführt wird.

2. Vorrichtung zur orientierten Kernentnahme aus rammkernfähigen Böden unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Rammhammer, einem Rammkernrohr, einem pneumatischen System zur Betätigung des Hammers und einer Hebeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Rammkernrohr (16) an seinem Umfang eine Orientierungsspitze (32) aufweist, die axial zum Rammkernrohr verläuft und über das Rammkernrohr nach vorn vorsteht, daß das Rammkernrohr mit dem Hammer drehfest verbindbar ist und daß eine die Drehlage des Rammhammers (14) festlegende Orientierungsführung vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand des Rammkernrohres (16) über dessen gesamte Länge ein mit der Orientierungsspitze (32) fluchtender Orientierungsstab (34) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungsführung eine mit dem Rammhammer (14) drehfest verbindbare U-Schiene (42) aufweist sowie einen über Tage fixierbaren U-förmigen Ausleger (40) zur Führung der U-Schiene.

5. Vorrichtung zur Durchführung einer Orientierungsbohrung gemäß Anspruch 1, insbesondere in felsigen Böden, wobei die Vorrichtung Antriebsmittel für den Bohrvorgang sowie ein Bohrgestänge mit einer Bohrkrone aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pilotverrohrung (50) vorgesehen ist, die orientiert in das Bohrloch absenkbar und am unteren Ende trichterförmig ausgebildet ist, wobei die Öffnung (52) des Trichters am Umfang der Pilotverrohrung (50) liegt und die Durchmesser des Bohrgestänges (54) und der Bohrkrone (56) kleiner als die Öffnung (52) des Trichters sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrkrone eine Kernbohrkrone ist, der ein Kernrohr nachgeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotverrohrung (50) aus mehreren Einzelrohren besteht, die am einen Ende jeweils Zapfen auf ihrem Umfang und am anderen Ende jeweils eine mit den Zapfen axial fluchtende Ausnehmung zur Aufnahme des Zapfens eines benachbarten Rohres aufweisen, wobei die Einzelrohre mit Hilfe von Überwurfmuttern miteinander verbindbar sind.