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Vorrichtung zum Niederbringen von Bohrlöchern in
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gesteinsfreies oder gesteinsarmes Erdreich
Beschreibung:
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Niederbringen von Bollrlöchern
in gesteinsfreies oder gesteins armes Erdreich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1, mit einem entsprechend der fortschreitenden Bohrlochtiefe im Bohrloch vorwärts
bewegbaren Bohrkopf.
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Beim Niederbringen von Bohrlöchern ist es bekannt, das vom Bohrwerkzeug
losgelöste Material mittels Flüssigkeit aus dem Bohrloch abzuführen. Eine derartige
Vorrichtung ist in der DE-OS 2 306 462 beschrieben, bei der einander konzentrisch
umschließende Rohre zum Zu- und Abführen der Spülflüssigkeit vorgesehen sind, wobei
der Drehantrieb des in der Tiefe des Bohrlochs angreifenden Bohrwerkzeugs hier nicht
weiter interessiert. Derartige Bohrwerkzeuge, die sich bei gesteinshaltigen Böden
und auch bei Felsformationen bewährt haben, sind gleichermaßen kostspielig im Aufbau
und im Betrieb.
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Das Ziel der Erfindung besteht demgegenüber in der Schaffung einer
einfachen und kostengünstig herstellbaren Vorrichtung der genannten Art, die für
gesteinsfreies oder-gesteinsarmes Erdreich bestimmt ist. Dabei geht die Erfindung
von der Erkenntnis
aus, daß es für gesteinsfreies oder gesteinsarmes
Erdreich nicht der zum Niederbringen von Bohrlöchern in fels- oder gesteinshaltige
Böden erforderlichen Technololrie des Zertrümmern der im Bohrlochbereich anzutreffenden
Materialien bedarf, sond daß bei gesteins freien oder gesteinsarmen Böden das Diiederbringen
von Bohrlöchern ohne die Anwendung einer derartig brachialen Technologie gelingt.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Bohrkopf ein über eine Druckleitung mit unter
Druck stehendem Strömungsmitt versorgter Düsenkopf ist, der mindestens eine in Vortriebsrichtung
weisende Strahldüse und mehrere Vortriebsdüen besitzt, deren Strahlrichtungen der
Strahlrichtung der erstgenannten Strahldüse entgegengesetzt gerichtet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt es, allein unter der
Strahlwirkung eines unter Druck zugeführten Strömungsmittels ein Bohrloch niederzubringen.
Dabei bewirkt in der Tiefe des Bohrloches zunächst ein gebündelter Strömungsmittelstrahl
in Richtung der Bohrlochachse den Abtrag und der Düsenkopf rückt unter der Wirkung
der in der Gegenrichtung aus den Vortriebsdüsen austretenden, ebenfalls gebündelten
Strömungsmittelstrahlen nach, wobei die auf den Düsenkopf in dessen
Fortschrittsrichtung
wirkenden Rückimpulse ein Antriebssystem für den Düsenkopf bilden und darüber hinaus
infolge ihrer Einwirkung auf das Erdreich das Bohrloch erweitern. Auf diese Weise
ist während des gesamten Vorganges des Niederbringens eines derartigen Bohrlochs
eine weitgehend gleichmäßige Beaufschlagung des abzutragenden Materials in der Tiefe
des Bohrloches durch den gebündelten Flüssigkeitsstrahl in Vortriebsrichtung gewährleistet.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2
bis 8 angegeben.
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Nach l'atentanspruch 2 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn
die Vortriebsdüsen Düsenbohrungen sind, die auf dem Mantel eines gedachten Kegels
mit in Vortriebsrichtung weisender Kegelspitze liegen und somit entgegen der Vortriebsrichtung
divergierend zueinander verlaufen. Be einer derartigen Anordnung der Vortriebsdüsen
liegen naturgemäß die Strahlrichtunger der aus den Vortriebsdüsen austretenden Flüssigkeitsstrahlen
ebenfalls auf einem sich von der Spitze des Düsenkopfs wegöffnenden Kegelmantel
und es treten große Komponenten der Rückstoßimpulse auf, die in Vortriebsrichtung
des Düsenkopfs liegen.
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Die rechtwinklig dazu verlaufenden Rückstoßkomponenten der Vortriebsdüsen
heben
sich hingegen in dem Falle gegeneinander auf daß die Vortriebsdüsen gleichmäßig
über den Umfang des Düsenkopfs verteilt angeordnet sind.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Düsenkopf fest, jedoch austauschbar auf einem seinerseits mit einem Führungsrohr
zur Richtungsführung verbundenen Zwischenstück aufgenommen ist. Durch diese Maßnahme
kann der eigentliche Düsenkopf in Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit am jeweiligen
Einsatzort gegen einen Düsenkopf mit Düsen anderer Querschnitte ausgetauscht werden.
Die Verbindung des den Düsenkopf austauschbar aufnehmenden Zwischenstücks mit einem
der Richtungsführung dienenden Führungsrohr ermöglicht es in einfacher Weise, zu
Beginn des Niederbringens eines Bohrlochs die gewünschte Bohrlochrichtung mittel
dieses Führungsrohrs vorzugeben. Mit Vorteil kann dabei das Führungsrohr zugleich
als<ZuSührleitung für das Arbeitsmedium dienen, wobei es lediglich einer begrenzten
Führungsrohrlänge bedarf und an letzteres eine keinerlei Führungsfunktionen mehr
übeVnehmende Druckleitung zum Zuführen des Strömungsmittels angeschlossen werden
kann.
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Eine weitere wichtige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin daß
der Düsenkopf mit einer Rohrmuffe zum Anschluß eines Schutzrohrs gekuppelt ist,
und zwar in Vortricbsrichtung fest,
jedoch in der Weise, daß der
Düsenkopf in der dem Vortrieb entgegengesetzten Richtung aus seiner Kupplungslage
mit dem Schutzrohr entfernbar ist. Mit Vorteil kann ein den Düsenkopf tragendes
Zwischenstück in einer achsrechten Mittelausnehmung der dem Anschluß eines Schutzrohrs
dienenden Rohrmuffe aufgenommen sein und die Ausnehmungssänder formschlüssig hintergreifen,
so daß wahrend des Niederbringens eines Bohrlochs beim Vortrieb des Düsenkopfs mit
dem Zwischenstück die Rohrmuffe mit einem angeschlossenen Schutzrohr entsprechend
der allmhlich fortschreitenden Bohrlochtiefe mit in das Bohrloch eingeführt wird.
Die Mittelausnehmung der Rohrmuffe kann dabei von einem konischen Endstück gebildet
sein, das am vorderen, im Betriebszustand zum Düsenkopf hinweisenden Ende der Rohrmuffe
angeordnet ist.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht mithin beim Niederbringen eines Bohrlochs
sogleich das Einziehen eines Schutzrohrs, was bei nicht stehenden Böden, etwa bei
auftretenden Sandschichten, erforderlich ist. Insofern ist das im Betriebszustand
vom Düsenkopf wegweisende Ende der Rohrmuffe mit einer Kupplung zum Anschluß eines
Schutzrohrs versehen, etwa mit einem Innengewinde zum Einschrauben eines entsprechenden
Außengewindes des Schutzrohrs.
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Während bei ohne Schutzverrohrung niedergebrachten Bohrlöchern das
über den Düsenkopf zugeführte Strömungsmittel unmittelbar
durch
das Bohrloch zurückfließt, bedarf es bei dem gleichzeitigen Einziehen von Schutzrohren
in das Bohrloch besonderer Maßnahmen zum Abführen dieses Strömungsmittels. Insoweit
ist nach einem weiteren wichtigen Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung die Wandung
der Rohrmuffe zum Anschluß eines Schutzrohrs von Strömungskanälen durchbrochen,
durch die das über den Düsenkopf zugeführte Strömungsmittel in das Schutzrohr eintreten
und dann in letzterem zurückströmen kann.
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Im folgenden sollen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnungen erläutert werden.
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In schematischen Ansichten zeigen: Fig. 1 in einer Längsschnittansicht
eine für sogenannte "bindige" Böden bestimmte Vorrichtung mit einem am vorderen
Ende eines Zwischenstücks austauschbar angeordneten Düsenkopf und einem mit dem
Zwischenstück an der vom Düsenkopf entfernten Seite verbundenen Führungsrohr, Fig.
2 in einer Ansicht wie in Fig. 1 den in vergrößertem Maßstab veranschaulichten Düsenkopf
mit der in Richtung der LEngsachse an der Spitze austretenden Strahldüse und divergierend
zueinander nach rückwärts gerichteten Vortriebsdüsen für sich allein und,
Fig.
3 ebenfalls in einer Längsschnittansicht wie in Fig. 1 eine Anordnung, bei der das
den Düsenkopf tragende Zwischenstück nach rückwärts herausziehbar in einer Rohrmuffe
aufgenommen und mit dem vom Düsenkopf entfernten Ende der Rohrmuffe ein beim Niederbringewn
eines Bohrloches in letzteres einziehbares Schutzrohr verschraubt ist.
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Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung 10 ist der in der
Art einer Kegelspitze ausgebildete Düsenkopf 11 auf dem vorderen Ende eines kegelstumpfartigen
Zwischenstücks 12 aufgenommen, mit dessen hinterem Ende ein nur angedeutetes Führungsrohr
13 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist das vom Düsenkopf 11 entfernte Ende des Zwischenstücks
12 mit einem Innengewinde 14 versehen und in dieses Innengewinde ist ein Außengewinde
15 des Führungsrohrs 13 eingeschraubt. Durch das Zwischenstück 12 erstreckt sich
ein Strömungsweg 16 hina*trch und im Bereich des vom Führungsrohr 13 entfernten
Endes ist in die den Strömungsweg repräsentierende Bohrung ein Innengewinde 17 eingeschnitten,
in das ein Gewindezapfen 18 der Düsenspitze 11 mit einem Außengewinde 19 eingeschraubt
ist. Das Strömungsmittel wird im Düsenkopf 11 über den sich axial durch das Zwischenstück
12 hindurcherstreckenden Strömungsweg 16 und letzterem durch das mit dem entgegcngesetzterl
Ende des Zwischenstücks verbundene FUhrungsrohr 13 zugeführt. Koaxial zu dem Strömungsweg
16 im Zwischenstück
12 befindet sich eine Längsbohrung 20 im Düsenkopf,
die in eine Längsbohrung 21 kleineren Querschnittes und schließlich zur Spitze des
Düsenkopfs 11 hin, in die eigentliche Strahldüse 22 übergeht. Von der von der Rückseite
aus in den Düsenkopf eingebrachten Bohrung 20 erstrecken sich Vortriebsdüsen 23,
die auf dem Mantel eines gedachten Kegels gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet
und divergierend nach hinten, also von der Spitze des Düsenkopfs weg, gerichtet
sind.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich vc-n der Ausführungsform
nach Fig. 1 nur dadurch, daß dem vom Düsenkopf 11' entfernten Ende des Zwischenstücks
12' eine Rohrmuffe 25 zugeordnet und mit dieser ein beim Niederbringen eines Bohrloches
in letzteres einziehbares Schutzrohr 26 verbunden ist.
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Zu diesem Zwecke ist die Rohrmuffe mit einem Innengewinde 27 versehen
und das Schutzrohr 26 besitzt ein in dieses Innengewinde eingeschraubtes Außengewinde
28. Das vordere Ende der Rohrmuffe 25 ist ein konischer Abschnitt 30 und das Zwischenstück
12' ist mit einer Sitzfläche 31 in einer achsrechten Ausnehmung 32 dieses konischen
Rohrstutzenabschnittes aufgenommen, und zwar in der Weise, daß ein sich an die Sitzfläche
31 anschließender Abschnitt des Zwischenstücks die Ränder der Ausnehmung 32 im konischen
Teil 30 des Rohrstutzens 25 hintergreift. Dabei ist die Anordnung so getroffen,
daß da Zwischenstück
12' mit dem aufgesetzten Düsenkopf 11' nach
der vom Düsenkopf entfernten Seite in einfacher Weise aus dem Rohrstutzen 25 herausziehbar
ist.
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Wenn über das Führungsrohr 13, 13' und die Strömungswege im Zwl .chenstück
12, 12' und im Düsenkopf 11, 11' Strijmungsmittel unter Druck zu den Düsen zugeführt
wird, tritt aus der nach vorn gerichteten und in der Vorrichtungsachse liegenden
Strahldüse 22, 22' des Düsenkopfs ein gebündelter Strömungsmittelstrahl aus, der
beim Niederbringen eines Bohrlochs das abzutragende Material beaufschlagt und dabei
vom übrigen Boden ablöst. über die schräg nach rückwärts, also der Strahlrichtung
der erstgenannten Strahldüse entgegengesetzt, gerichteten Vortriebsdüsen 23, 23'
treten ebenfalls gebündelte Flüssigkeitsstrahlen aus, die so bemessen sein sollen,
daß die Rückimpulse der aus diesen Vortriebsdiisen austretenden Flüssigkeitsstrahlen
gegenüber dem entsprechenden Rückimpuí des aus der Strahldüse in Richtung der Bohrlochachse
austretenden Flüssigkeitsstrahls überwiegt. Durch diese Maßnahme wird eine in Vortriebsrichtung
wirkende Antriebskraft auf die Vorrichtung aufgebracht.
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Soweit in sogenannten "bindigen" Böden Bohrlöcher niedergebracht werden,
genügt die in Fig. 1 veranschaulichte Vorrichtung 10. Das über die nach vorn gerichtete
Strahldüse 22
und die nach schräg rückwärts gerichteten Vortriebsdüsen
23 austretende Strömungsmittel strömt in dem beim Niederbringen des Bohrlochs freigespülten
Ringraum zwischen dem Zwischenstück 12 und dem sich daran anschließenden Führungsrohr
13 bzw. einem mit letzterem verbundenen Druckschlauch ab. Soweit die Gefahr besteht,
daß im Bereich des Bohrlochs Bodenpartien nachrutschen, muß in das Bohrloch ein
Schutzrohr eingezogen werden. Diesem Zwecke dient die in Fig. 3 veranschaulichte
Vorrichtung 10' in Verbindung mit der mit Anschlußmitteln für ein derartiges Schutzrohr
26 versehenen Rohrmuffe 25, in die das Zwischenstück 12' mit aufgesetztem. Düsenkopf
11' hineingesteckt wird. Diese Rohrmuffe ist im Übergangsbereich zwischen dem konischen
Abschnitt 30, welcher dem Anschluß an das Zwischenstück dient, und einem zylindrischen
Muffenteil mit dem Schraubgewinde für den Anschluß der Schutzrohre mit Durchströmöffnungen
33 ausgerüstet, durch die das aus den Düsen unter Druck austretende Strömungsmittel
in den Ringraum 34 zwischen dem in das Bohrloch eingezogenen Schutzrohr und dem
Führungsrohr bzw. einem sich daran anschließenden Druckschlauch abströmt.