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Verfahren zum Verfestigen von
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Bodenabschnitten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen
von Bodenabschnitten, insbesondere durch von zueinander beabstandeten Bohrungen
ausgehenden, mittels Injektion von Zementsuspensionen gebildeten Streifen verfestigten
Zustandes.
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In der auf die Anmelderin zurückgehenden Werbedruckschrift M 690 -
J2 - 483 - 5 - idw (Seite 3) vom April 1983 wurde bereits ein Verfahren zum Herstellen
von Bodentragwerken mittels Zementinjektionen unter Druck beschrieben. Bei diesem
Verfahren bestimmen die Düsenführung, der Injektionsdruck sowie die Menge der injizierten
Suspension die Form und die Festigkeit der im Boden hergestellten Boden-Zementkörper.
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Die in dieser Druckschrift beschriebenen, ggf. auch horizontal hergestellten
und auf bestimmte Länge durchgehenden Boden-Zementkörper haben sich in der Praxis
bewährt.
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Die Verfestigung ist jedoch immer nur auf bestimmte Abschnitte dieser
Boden-Zementkörper beschränkt. Wenn aber der Verfestigungsbereich vergrößert werden
soll, so sind stets mehrere, z.B. hinter- und/oder nebeneinanderliegende Boden-Zementkörper
herzustellen. Die bei dieser Verfahrensweise einzusetzenden Suspensionsmengen und
damit im Gefolge ein entsprechend hoher Bedarf an Zement sind im Verhältnis zum
Gewinn an Tragfähigkeit überproportional groß.
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Von diesen Erkenntnissen ausgehend, soll mit der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe gelöst werden, das bekannte Verfahren derart weiter auszugestalten und
fortzubilden, daß ein Zugewinn an Tragfähigkeit bei zugleich wesentlich geringerem
Materialeinsatz, insbesondere an Zement, erzielt zu werden vermag.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, -daß zunächst eine
Bohrung bestimmter Länge in den Boden eingebracht wird, -daß anschließend, ausgehend
von der Bohrung, radial gerichtet eine Zementsuspension streifenförmig über eine
vorbestimmte Länge und Breite unter Aufrechterhaltung eines bestimmten Drucks injiziert
wird, - daß danach in die gleichzeitig ausgefüllte Bohrung vor dem Aushärten des
durch das Injizieren in den Bohrungsbereich gelangten, mit Zementsuspensiondurchmischten
Bodenanteils ein Rohr, welches an seinem Einschubende geschlossen ist, eingeführt
wird,
- daß nach dem Verfestigen des mit Zementsuspension versehenen
Bereiches, ausgehend vom Inneren des eingebrachten Rohres, welches als Sollbruchstellen
oder als Ventile ausgebildete, durch Druck öffenbare Durchlässe aufweist, in einen
bestimmten Teil außer halb des streifenförmigen Bodentragwerkes eine Zeme-ntsuspension
unter einem zur Öffnung der Ventile oder der Sollbruchstellen sowie Aufsprengung
des aus genügend yerfestigter Zementsuspension gebildeten Zentralbereiches bzw.
Knotenpunktes der zunächst eingebrachten Bohrung genügenden Druck eingespritzt wird.
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Mit diesem Lösungsvorschlag geht der Vorteil einher, daß eine relativ
große Bodenfläche durch die Zusatzinjektion nach Bildung der Streifen gezielt verfestigt
werden kann, wobei jedoch der Aufwand an Material und Arbeit relativ gering ist.
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Hierdurch verbilligt sich zugleich ein Bauvorhaben nicht unwesentlich.
Vorteilhaft wirkt sich zudem aus, daß es das vorgeschlagene Verfahren auch ohne
weiteres zuläßt, Bereiche zwischen dem durch Injektion einer Zement-Suspension hergestellten
Bodentragwerk zu verfestigen, nachdem die für die Zusatz-Injektion notwendigen Öffnungen
durch Druckeinwirkung von innen aufgebrochen wurden. Hierbei wird das im Hinblick
auf die jeweiligen Bodenverhältnisse bezüglich Aushärtezeit ausgewählte Injektionsmittel
unter einem nach der Injektionsreichweite bestimmten Druck in den zu stabilisierenden
Bodenbereich eingepreßt. Ferner wird die Aushärtezeit für den das Rohr aufnehmenden
Zentralbereich so bemessen, daß für das Aufbrechen bzw. Aufsprengen desselben ein
genügend großer Druck aufgebaut werden kann und eine Umläufigkeit verhindert wird.
Andererseits ist es jedoch auch möglich, eine separate Spülbohrung vorzusehen oder
die zunächst eingebrachte Bohrung durch ein Rohr zu stützen, welches beim Einbringen
der
Zementsuspension zum Bilden der Streifen zurückgezogen werden
muß. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch wesentlich aufwendiger als das gleichzeitige
Einbringen des thixotrophen Spülmittels.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bohrung unter gleichzeitigem
Einleiten eines Spülmittels thixotrophen Verhaltens zum Ausspülen des Bohrgutes
und Stützen der Bohrung eingebracht wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung dieses die vorgeschlagene Erfindung
tragenden Merkmals ist zudem vorgesehen, daß zum Herstellen der streifenförmig verlaufenden
Verfestigungsbereiche vor Einleitung der Zementsuspension mit Hilfe eines gerichteten
Hochdruck-Wasserstrahls ein entsprechender Hohlraum im Boden ausgeräumt wird. Das
Ausräumen des Hohlraumes erfolgt dabei einem anderen wesentlichen Erfindungsmerkmal
zufolge gleichzeitig, jedoch abstandsversetzt mit einem Hochdruck-Wasserstrahl und
mit der Injektion der Zementsuspension. Mit dieser Verfahrensweise geht der Vorteil
einer guten Vorbereitung der Streifen einher, weil in kurzer Zeitabfolge zuerst
der Boden durch Anwendung von Hochdruck-Wasser ausgeräumt und sodann, daran anschließend,
das Ausfüllen durch die Suspension erfolgt. Die losen bzw. löslichen Bestandteile
werden dabei unter gleichzeitigem Ausspülen des thixotrophen Spülmittels aus der
Bohrung nach rückwärts entfernt, wobei ein bestimmter Druck über das zusätzliche
Dichtrohr und einen Preventer aufrechterhalten wird.
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Wesentlich zum Erfolg des Verfahrensablaufes trägt nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung bei, daß mit einer thixotrophen, Bentonit und Zement aufweisenden
Spülmittel-Suspension gearbeitet wird. Hierdurch läßt sich in vorteilhafter Weise
erreichen, die in den Boden niedergebrachte Bohrung für weitere, den Verfahrensablauf
bestimmende Maßnahmen offen bzw. ausspülbar zu halten.
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Ein weiteres wesentliches Erfindungsmerkmal besteht darin, daß der
Wasserstrahl von einem Druckluftstrahl umschlossen ist. Hieraus ergibt sich der
Vorteil, daß der Wasserstrahl eine gerichtete und abgegrenzte Führung erhält.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist einem weiteren wesentlichen Merkmal
zufolge vorgesehen, daß die in den Boden niederzubringende Bohrung unter Zuhilfenahme
einer Bohreinrichtung hergestellt wird, deren Bohrkopf mit Öffnungen zum Austritt
des Spülmittels versehen ist, wobei die Einrichtung im Bereich des Bohrkopfes eine
oder mehrere radial gerichtete Düsenöffnungen für die Zementsuspension aufweist,
aus welchen nach dem Herstellen der Bohrung während des Zurückziehens des Bohrgestänges
samt Bohrkopf die Zementsuspension in den Boden zur streifenförmigen Verfestigung
injiziert wird. Mit einer derart ausgebildeten Bohreinrichtung geht der Vorteil
einher, daß diese sowohl das Herstellen des Bohrloches selbst im Vorwärtsgang als
auch das Herstellen der der Verfestigung dienenden Streifen im Rückwärtshub gewährleistet.
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Ein anderes wesentliches Erfindungsmerkmal besteht darin, daß in das
Innere des Rohres ein über eine bestimmte Rohrlänge sich erstreckender und an eine
Zuleitung angeschlossener Injektionspacker eingeführt wird und nach dem steuerbaren
Abdichten gegenüber der Rohrinnenwandung in seinem zu einer oder mehreren Öffnungen
des Rohres ausgerichteten Abschnitt mit der Zuleitung der Zementsuspension verbunden
ist. Der Vorteil, der sich aus diesem Merkmal ergibt, besteht im wesentlichen aus
der Anwendung eines bereits vielfach in der Praxis bewährten Injektionspackers,
der ein gleichermaßen abschnittsweises und gezieltes Injizieren der Suspension wie
auch ein Arbeiten bei nur relativ geringem Druck
gewährleistet.
In entsprechender Ausgestaltung dieses Merkmals schlägt die vorliegende Erfindung
vor, daß die Zement-Suspension mit einem Druck von etwa 20.. .50 bar eingeleitet
wird.
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Der Wasserstrahl, der dem Ausräumen dient, hat eine Geschwindigkeit
von etwa 150...250 m/sec; die dem Bilden der Streifen dienende Suspension wird einem
weiteren Lösungsvorschlag zufolge mit einem Druck von etwa 50...100 bar injiziert.
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Der Injektionspacker wird nach einem weiteren wesentlichen Erfindungsmerkmal
in Intervallen fortschreitend vom Rohrende zum Rohranfang hin fortbewegt.
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Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht darin, daß die streifenförmigen
Verfestigungsbereiche zweier benachbarter Bohrungen unter einem Winkel zur Horizontalen
verlaufen, wobei sie sich ggf. schneiden. Der sich hieraus ergebende Vorteil besteht
im Aufbau eines falt- oder gitterartigen Netzwerkes. Darüber hinaus wird zusätzlich
zu dem schon vorhandenen Bodentragwerk mittels Injektionen der ober-, unter-und/oder
innerhalb des Tragwerks befindliche Boden in seinen Trageigenschaften nachhaltig
verbessert, so daß hierdurch ein regelrechtes Boden-Verbundtragwerk großer Homogenität
sowie auch mit guten Trag- und Dichtungsverhalten entsteht. Natürlich ist die Erfindung
nicht nur auf ein falt- oder gitterartiges Netzwerk begrenzt. Ebenso ist es möglich,
eine wand-oder kastenartige Struktur zu wählen.
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Im Sinne überaus rationeller Arbeitsweise zeigt sich auch das weitere
erfindungswesentliche Merkmal, daß die Zementsuspension, ausgehend von der niedergebrachten
Bohrung, in jeweils mindestens zwei diametral entgegengesetzt gerichtete Streifen
injiziert wird.
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Abgerundet und vervollkommnet wird die vorgeschlagene Erfindung schließlich
noch dadurch, daß das Rohr im Abstand zueinander und auf einer bestimmten Umfangsstellung
angeordnete Bohrungen aufweist, die mittels einer flexiblen Manschette, insbesondere
Gummimanschette, abgedeckt sind und so ein Ventil bilden. Mit diesem Lösungsvorschlag
geht der Vorteil einer besonders einfachen und gezielten Einleitung der nachträglich
injizierten Suspension einher.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Boden-Verbund-Tragwerk,
das dem Abfangen von Lasten aus der Oberfläche sowie auch zum Schutze etwaiger unterirdischer
Hohlräume dient, Fig. 2 schematisch das Herstellen eines Boden-Zementkörpers in
waagerechter Richtung aus einem senkrecht zur Herstellrichtung verlaufenden Stollen,
Schacht od. dgl., Fig. 3 ein zusammenhängendes, etwa streifen- oder gitterartig
hergestelltes Tragewerk, Fig. 4 eine Teillängschnitt durch ein einseitig abgeschlossenes,
in den mit Zement-Suspension durchmischten Bodenanteil einschiebbares Rohr, das
durch Druck öffenbare Durchlässe aufweist und in das ein Injektionspacker einführbar
ist, Fig. 5 einen Querschnitt durch ein in thixotrophem Zustand befindliches streifenartiges
Tragwerk im Augenblick seines Aufsprengens mittels eines durch Druck seine Durchlässe
öffnenden Rohres, und
Fig. 6 einen Querschnittt durch ein in thixotrophem
Zustand befindliches gitterartiges Tragwerk im Augenblick seines Aufsprengens mittels
zweier zueinander etwa paralleler, durch Druck ihre Durchlässe öffenender Rohre.
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In Fig. 1 ist schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
am Beispiel eines - nicht weiter dargestellten -Gebäudes als Oberflächenlast 1-gezeigt.
Diese Last wird dabei gegen schädliche Setzungen aus einem untertägigen Streckenvortrieb,
dargestellt durch den Hohlraum 2, abgeschirmt. Das Herstellen des schematisch angedeuteten,
beispielsweise gitterartig ausgebildeten Boden-Verbundtragwerks 3 erfolgt in noch
näher zu beschreibender Weise über die Schächte 4.
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Entsprechend Fig. 2 erfolgt das Herstellen eines Boden - Zementkörpers
8 in waagerechter Richtung aus einem senkecht zur Herstellrichtung verlaufenden
Schacht, Stollen od. dgl. 4.
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Über eine Leitbohrung 5, die je nach Bodenart und spezifischer Aufgabenstellung
einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 50...100 mm aufweist und deren Länge
der Längserstreckung des herzustellenden Boden-Zementkörpers 8 entsprechen kann,
wird vom Bohrlochtiefsten bzw. vom äußersten Ende des Bohrlochs der Bohrkopf mit
dem (den) austretenden Düsenstrahl(en) 7 nach rückwärts zurückgezogen. "Rückwärts"
bedeutet demgemäß von der entferntesten Stellung der Leitbohrung 5 aus bis hin zum
Ausgangspunkt, also etwa bis zum Herstellschacht, Stollen od. dgl. 4. Dabei kann
die Wirkung des Düsenstrahls auf bestimmte Abschnitte begrenzt werden.
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Der Überschuß an in den Boden eingebrachten, der Streifenbildung dienenden
Wasser bzw. Zementsuspension fließt innerhalb des Ringraumes zwischen der Leitbohrung
5 bzw. einem Dichtrohr und dem Bohrgestänge in Richtung des Schachtes 4 in nicht
weiter dargestellter Weise zurück. Er wird dort vor einem Preventer gesammelt. Nach
Erreichen einer Wasser-bzw. Zementsuspensionssäule bestimmter Größe wird selbsttätig
ein Überdruckventil geöffnet, um die gesammelte Suspension abzuführen und ggf. einer
Neuverwendung zuzuführen.
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Je nach Anordnung der - nicht weiter dargestellten - Düsen zum Austritt
der thixotrophen, im wesentlichen aus einem Bentonit und Zement bestehenden Suspension,
d.h. nach der Stellung des Düsenwinkels zur Achse des Bohrlochs bzw. zur Achse des
Düsenträgers, und bei einem Abstand der einzelnen, aufeinander folgenden Bohr- bzw.
Suspensions-Füllstrecken, überschneiden sich die Einwirkbereiche der Düsenstrahlen
(Düsvorgänge) derart, daß ein zusammenhängender, bevorzugt streifen-oder faltwerkähnlicher,
sich horizontal erstreckender Boden-Zementkörper entsteht. Unter "streifenförmig"
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist zu verstehen, daß es sich um ein ebenes
Gebilde von endlicher Länge und Stärke handelt.
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Als thixotrope werden solche Stoffe bezeichnet, die durch Rühr-, Schüttel-
od. dgl. Bewegungen von einem flüssigen in einen halbfesten, etwa gallertartigen
Zustand übergehen; der Zementanteil in der im vorliegenden Falle aus Wasser, Bentonit
und Zement bestehenden Suspension gewährleistet schließlich deren Erstarrung.
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Der vorstehend beschriebene Verfahrensablauf nach der Erfindung ist
über die Anordnung und Stellung der Düsen so wählbar, daß möglichst große Flächeneinheiten
aus einer
Bohrung hergestellt werden können bzw. daß zum Bilden
derartiger räumlich-körperlicher Tragwerke oder Dichtungselemente ein sicherer Verbund
gewährleistet ist. Fig. 3 zeigt eines solches zusammenhängendes Tragwerk 8. Dieses
ist dabei vergleichbar mit einem unmittelbar zusammenhängenden Rohrschirm in den
Berührungsflächen. Diese lassen sich mittels zweier, sich gegenüberstehender und
gleichgroßer Austrittsdüsen erzielen, die bei einem zweiten Düsvorgang in derselben
Leitbohrung um 900 verschwenkt werden. In Fig. 3 ist das Innere eines derart hergestellten
Körpers mit 9, dessen Oberhaut mit 10 und dessen Unterhaut mit 11 bezeichnet.
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Nach beendetem Herstellen der Boden-Zementkörper 8 wird in die thixotrophe,
also noch nicht abgebundene Suspension der Leitbohrung 5 (Fig. 2) ein oder mehrere
Ventilrohre 12 (Fig.
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3) eingeführt. Das Einführen der Rohre 12 erfolgt so, daß die Ventile
entsprechend Fig. 4 derart ausgerichtet sind, daß die Ventilöffnungen 13 in Richtung
der zu stabilisierenden und zu injizierenden Bodenbereiche mit möglichst geringer
Wandstärke des umschließenden Boden-Zementkörpers 8 liegen. Die Ventilrohre 12 weisen
radial, z.B. gruppenweise angeordnete Ventilöffnungen oder Bohrungen 13 auf, die
durch über diese Ventilöffnungen geschobene Manschetten 14 aus Gummi- od. dgl. Werkstoff
verschlossen sind. Rohr 12, Öffnung 13 und Manschette 14 bilden jeweils ein Ventil.
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Wenn der (die) Boden-Zementkörper 8 abgebunden haben bzw.
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erhärtet sind, wird sodann über an sich bekannte Injektionspacker
die jeweils vorgegebene Stelle am Ventilrohr 12 mit einer zweiten Injektionssuspension
beaufschlagt. Durch die Wahl eines entsprechenden Injektionsdruckes, etwa 20...50
bar, wird mittels der auf dem Rohr 12 angeordneten Ventile
13 ein
Aufsprengen der noch in thixotrophem Zustand befindlichen Boden-Zementkörper 8 bewirkt.
Hierbei wird das Injektionsmittel in der je Stufe vorgegebenen Menge in den zu stabilisierenden
Bodenbereich eingepreßt.
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Der (die) Injektionspacker werden bei diesem Vorgang in Intervallen
fortschreitend vom Ende eines Rohres 12 zu dessen Anfang hin fortbewegt. In Fig.
5 ist das Aufsprengen bzw.
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Aufbrechen und Verfüllen des Umgebungsbereiches eines Boden-Zementkörpers
8 mittels eines Ventilrohres 12 und in Fig. 6 mittels zweier solcher Ventilrohre
gezeigt. Im letzteren Falle erfolgt das Verfüllen gleichzeitig in diametral entgegengesetzten
Richtungen.
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Infolge des Beaufschlagens der an den Boden-Zementkörper angrenzenden
Bereiche mit Zementsuspension zwischen oder am äußeren Umfang der Körperflächen
wird eine Stabilisierung derart vorgenommen, daß ein Boden-Verbundtragwerk entsteht.
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Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine ganz wesentliche
Verbesserung und damit zugleich auch ein größerer Anwendungsbereich derartiger,
sich horizontal erstreckender Boden-Zementkörper 8 durch die Möglichkeit erreicht,
auch die tangierenden oder eingeschlossenen Bodenbereiche gezielt zu stabilisieren
und zu verfestigen.
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Mittels gezielter, einseitiger Injektionen, etwa zwischen einem Tragwerk
und einer darunterliegenden, höher tragfähigen Schicht, kann ein gezielter, flächenhafter
Druck zur Oberfläche hin bewirkt werden, wobei der Druck durch die Injektionsmenge,
d.h. Volumenvergrößerung, so gesteigert werden kann, daß gezielte Hebungen als gleichmäßig
große Flächenbewegungen entstehen. Gleichermaßen kann ein Absacken einer unterhalb
eines
solchen Tragwerks liegenden Bodenformation durch Nachinjektion in die Zwischenschicht
derart ausgeglichen werden, daß oberhalb des Tragwerks keine Setzungs- oder Sackungseinflüsse
entstehen.
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Zusätzlich läßt sich der Einfluß auf den Oberflächenbereich flächenhaft
oder partiell durch eine zweite, ausschließlich in den oberhalb liegenden Bodenbereich
gerichtete Injektion verstärken.
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Bei Verwendung eines entsprechenden Ventilrohr-Materials und einer
entsprechenden Ventilrohr-Konstruktion können derartige Stabilisierungs- und Injektionsvorgänge
in zeitlichen Abständen wiederholt werden. Normalerweise jedoch erfolgt nur eine
einmalige Verfestigung. Das Ventilrohr 12 verbleibt im Boden-Zementkörper 8.
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Bei gleichzeitiger oder ausschließlicher Aufgabe der flächenhaften
Boden-Zementkörper 8 als Abdichtungsfläche gegen Wasser bietet eine Anordnung nach
Fig. 3 den Vorteil doppelten Sicherheit. Die eingeschlossenen Bodenbereiche zeigen
bei gezielter Entwässerung den Grad der erreichten Abdichtung, wobei durch gezielte
Nachinjektionen in solchen umschlossenen, entwässerten Bereichen eine zusätzliche
Nachabdichtung erfolgen kann.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet seine Grenze
keineswegs allein in einer waagerechten Anordnung.
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Ebensogut läßt sich das Verfahren nach der Erfindung auch in senkrechter
oder schräger Anordnung anwenden.
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