DE3026644C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bodengefrieren in Teilstrecken mittels eines gekühlten Fluids über ein in ein Bohrloch eingebrachtes Gefrier­ rohrs sowie einer Abschottung des Gefrierrohres zur Begrenzung des Umlaufes des über ein Fluidzuführrohr in den Bereich der Abschottung herangeführten Fluids, wobei das Gefrierrohr aus mehreren Gefrierrohrabschnitten besteht.

Beim Einsatz einer Vorrichtung bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-PS 1 74 562) werden in dem zu frieren­ den Boden Bohrlöcher mit Abstand zueinander hergestellt, in die wasserdichte und an ihrem im Boden be­ findlichen Ende geschlossene Gefrierrohre eingebracht werden. In die Gefrierrohre wird von Übertage ein gekühltes Fluid, z. B. eine Sole oder ein verflüssigtes, tief siedendes Gas wie Stickstoff eingeleitet. Dieses kühlt das Bodenwasser im Umkreis um das Gefrier­ rohr fortschreitend ab und bringt es zum Gefrieren. Um die aneinander gereihten Gefrierrohre entstehen Frostkörper zy­ lindrischer Form, die sich im Laufe der Zeit überschneiden und eine tragfähige und wasserdichte Umschließung des von den Gefrierrohren eingeschlossenen Bereichs bilden.

Gilt es einen Frostkörper entlang einer großen Strecke herzu­ stellen, gibt es folgende Alternativen: Im einen Fall werden die Bohrungen so weit wie bohrtechnisch möglich vorgetrieben und entsprechend lange Gefrierrohre eingeführt. Der Frostkör­ per wird daher auf der gesamten erbohrten Strecke gebildet, obwohl die nachfolgenden Arbeiten, z. B. Aushub, nur langsam voran schreiten und hierfür zunächst ein wesentlich kürzerer Frostkörper ausreichen würde. Für die Ausbildung und Aufrecht­ erhaltung eines langen Frostkörpers ist - insbesondere bei der Verwendung verflüssigter, tiefsiedender Gase als Fluid - ein erheblicher Energieaufwand erforderlich, der zu hohen Kosten führt. Im anderen Fall werden im Vergleich zur bohr­ technisch möglichen Strecke kürzere Bohrungen vorgetrieben und entsprechend kurze Gefrierrohre gesetzt. Hierbei bildet sich zwar ein kurzer Frostkörper, so daß Energiekosten einge­ spart werden, jedoch ist der Aufwand für den abschnittsweisen Vortrieb der Bohrungen sehr hoch.

Aus der DE-PS 1 74 562 ist ein Verfahren zum Bodengefrieren bekannt, bei dem in ein Bohrloch ein Gefrierrohr eingebracht wird und mittels eines gekühlten Fluids, das in das Gefrierrohr eingeleitet und wieder abgezogen wird, das umgebende Gebirge gefroren wird. Bei diesem Verfahren wird durch weitere Maßnahmen, wie z. B. teilweise Abschottung des Gefrierrohres, erreicht, daß der Umlauf des gekühlten Fluids begrenzt und zunächst nur ein Abschnitt der insgesamt zu gefrierenden Strecke gefroren wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum abschnitt­ weisen Gefrieren der Umgebung eines Bohrloches der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit der ein Frost­ körper mit möglichst geringem Aufwand sowie technisch rationell hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Anstelle eines einzigen Gefrierrohres werden mehrere Ge­ frierrohrabschnitte mit der Länge der gewünschten Teilstrecken verwendet. Dabei sind die Rohrenden jedes Gefrierrohres als Rohrabsatz mit Außengewinde ausgebildet und zwei aufein­ ander folgende Rohre über eine auf die Rohrenden aufschraub­ bare Muffe verbunden, wobei zwischen den beiden Gefrierrohren eine diese voneinander abschließende Durchflußsperreinrichtung ange­ ordnet ist. Bei dieser Vorrichtung sind die als Abschottung dienenden Sperreinrichtungen leicht zu installieren.

In einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist ein besonders dichter Abschluß einer Teilstrecke zu erzielen, wenn an jeweils einem Rohrende eines Gefrierrohres an den Rohrab­ satz mit Außengewinde ein buchsenförmiger Rohrabsatz an­ schließt und die Durchflußsperreinrichtung eine auf diesen buchsenför­ migen Rohrabsatz aufschiebbare und mit diesem dicht schließen­ de Abschlußkappe ist.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Ab­ schlußkappe aus einem in der Kälte zähen Material besteht, das einen größeren Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das Rohrmaterial. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Dicht­ wirkung erzielt.

In einer weiteren Ausgestaltung sind daher die Gefrierrohre aus Stahl und die Abschlußkappen beispielsweise aus Teflon, Aluminium oder Kupfer gefertigt. Eine aus Teflon bestehende Sperrvorrichtung ist auch besonders einfach, z. B. durch Schneiden zu beseitigen. Als Schneidwerkzeug kann z. B. ein erhitztes Rohr dienen, dessen eines Ende als Schneidmesser ausgebildet ist und das mit einer Stange in das Gefrierrohr eingeführt und gedreht werden kann.

Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Aus­ führungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung er­ läutert wer­ den:

In der Skizze sind die Endbereiche zweier Gefrierrohre 1 und 2, deren Längen den gewünschten Teilstrecken entsprechen, dargestellt. Das Gefrierrohr 1 besitzt in seinem Endbereich zwei Rohrabsätze 3 und 4, von denen der eine Rohrabsatz 3 als Gewinde und der an diesem Rohrabsatz 3 anschließende an­ dere Rohrabsatz 4 buchsenförmig ausgebildet ist. Auf das Gefrierrohr 1 aus Stahl ist eine aus Teflon gefertigte Ab­ schlußkappe 6 im Bereich des buchsenförmigen Rohrabschnittes 4 aufgeschoben. Der Außendurchmesser des Rohrabsatzes 4 und der Innendurchmesser der Abschlußkappe 6 sind so gewählt, daß die Abschlußkappe gerade auf das Rohrende aufgeschoben werden kann. Auf das Außengewinde des Gefrierrohres 1 ist eine Muffe 7 über ein Innengewinde 8 aufgeschraubt. Das Gefrierrohr 2 schließt an das Gefrierrohr 1 bzw. an die Abschlußkappe 6 an. Durch Gefrierrohr 2, das in seinem Endbereich 5 ein Außenge­ winde besitzt und in ein entsprechendes Innengewinde 9 der Muffe 7 eingeschraubt ist, wird die Abschlußkappe 6 auf das Gefrierrohr 1 gedrückt.

Erfindungsgemäß werden mehrere Gefrierrohre in der beschrie­ benen Weise miteinander verbunden, so daß sich insgesamt ein Gefrierrohr der gleichen Länge wie die des in einem voraus ge­ gangenen Arbeitsgang erbohrten Bohrloches ergibt. Ist das Ge­ frierrohr in das Bohrloch eingeschoben werden, kann die Abküh­ lung und Frostkörperbildung im Bereich der ersten Teilstrec­ ke, d. h. im Bereich des Gefrierrohres 1 beginnen. Dazu wird ein Rohr 10 bis in unmittelbare Nähe der Abschlußkappe 6 in das Gefrierrohr 1 eingeschoben und ein Fluid - im Ausführungs­ beispiel verflüssigter Stickstoff - über das Rohr 10 in das Gefrierrohr 1 eingeleitet. Der flüssige Stickstoff wird durch die Abschlußkappe 6 umgelenkt und strömt im Bereich zwischen dem Rohr 10 und dem Gefrierrohr 1 zurück. Im Wärmekontakt mit dem flüssigen Stickstoff verkürzt sich der Außendurchmesser des buchsenförmigen Rohrabsatzes 4 und der Innendurchmesser der Abschlußkappe 6, wobei sich der letztere stärker verkürzt als der zuerst genannte. Hierdurch wird ein dichter Abschluß für das Gefrierrohr 1 bewirkt. Im indirekten Wärmekontakt mit dem Boden verdampft der flüssige Stickstoff wenigstens teilweise und entzieht hierbei dem Boden Wärme. Ist ein ausreichender Frostkörper im Bereich des Gefrierrohres 1 gebildet worden und sind die der Frostkörperbildung folgenden Arbeiten ausreichend weit vorangeschritten, kann die nächste Teilstrecke, d. h. der Bereich des Gefrierrohres 2 vereist werden. Zu diesem Zweck wird die Zufuhr flüssigen Stickstoffs kurzfristig unterbro­ chen und Rohr 10 aus dem Gefrierrohr entnommen. Mit einem elektrisch beheizten Rohr, dessen Außendurchmesser etwas ge­ ringer ist als der Innendurchmesser des Gefrierrohres 1 im Bereich des buchsenförmigen Rohrabsatzes 4 und dessen Ende als Schneidmesser ausgebildet ist, wird die Abschlußkappe 6 durch Drehen des beheizten Rohres durchtrennt. Anschließend wird die Schneidvorrichtung aus dem Gefrierrohr 1 entfernt und Rohr 10 in die nun freigegebene Teilstrecke des Gefrierrohres 2 bis zu dessen Ende, das ebenfalls mit einer Abschlußkappe verschlossen sein kann, eingeführt. Nun kann der unterbroche­ ne Kühlvorgang fortgesetzt werden. Der flüssige Stickstoff strömt nun aber zunächst in den Bereichen des Gefrierrohres 2 und strömt erst anschließend, nach dem Wärmetausch mit dem das Gefrierrohr 2 umgebenden Boden in den Bereich des Ge­ frierrohres 1. Die Temperatur des gegebenenfalls verdampften Stickstoffs ist immer noch ausreichend tief, um den Frost­ körper im Bereich des Gefrierrohres 1 aufrechterhalten oder weiterbilden zu können.

In einem Beispiel soll eine Tunnelfirstvereisung über eine Endausbaulänge von 30 m laufen. Nach der herkömmlichen Metho­ de sind die einzelnen Abschläge 10 m lang, da der Vortrieb für diese Strecke ca. 14 Tage dauert und die Aufrechterhal­ tung von weiteren 20 m unnötige Energieverschwendung bedeu­ ten würde. Es werden also Löcher von 10 m Länge gebohrt, Ge­ frierrohre eingeführt, gefroren und ausgehoben. Dieser Pro­ zeß wiederholt sich dreimal. Andererseits sind Bohrlängen von ca. 30 m möglich, so daß nach herkömmlicher Verfahrens­ weise ein hoher Mehraufwand bei der Montage getrieben wer­ den muß, da hier die Rohre nur jeweils 10 m gesetzt werden können. Erfindungsgemäß wird ein 30 m langes Rohr gesetzt, welches durch zwei der beschriebenen Abschottungen in Teil­ strecken getrennt wird. Bei Bedarf werden diese Abschottungen durchtrennt und ein weiterer Teilbereich für die Eineisung freigegeben.

Erfindungsgemäß ist somit eine vortriebsgemäße Teilfrostung möglich, die nur einen Bruchteil der herkömmlichen Montage­ zeit für das Setzen der Gefrierrohre erfordert und die die Einsparung großer Energiemengen bewirkt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Bodengefrieren in Teilstrecken mittels eines gekühlten Fluids über ein in ein Bohrloch eingebrachtes Gefrierrohr sowie einer Abschottung des Gefrierrohres zur Begrenzung des Umlaufes des über ein Fluidzuführrohr in den Bereich der Abschottung herangeführten Fluids, wobei das Gefrierrohr aus mehreren Gefrierrohrabschnitten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden jedes Gefrierrohrabschnittes (1, 2) als Rohrabsatz (3, 5) mit Außengewinde ausgebildet und zwei aufeinanderfolgende Gefrierrohrabschnitte (1, 2) über eine auf die Rohrenden aufschraubbare Muffe (7) verbunden sind, wobei zwischen den beiden Gefrierrohrabschnitten eine Durchflußsperr­ einrichtung (6) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeweils einem Rohrende eines Gefrierrohres (1) an den Rohrabsatz (3) mit Außengewinde ein buchsenförmiger Rohrabsatz (4) anschließt und die Durchflußsperreinrichtung (6) eine auf diesen buchsenförmigen Rohrabsatz (4) aufschiebbare und mit diesem dicht schließende Abschlußkappe ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußkappe (6) aus einem in der Kälte zähen Material besteht, das einen größeren Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das Rohrmaterial.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierrohr (1, 2) aus Stahl und die Abschlußkappe (6) aus Teflon, Aluminium oder Kupfer besteht.