DE3728270C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Betonpfählen im Boden nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Herstellung von Betonpfählen, beispielsweise als Gebäudefundamente, sind Hochdruckinjektionsverfahren bekannt, bei denen in einem Bohrloch von relativ ge­ ringem Durchmesser aus einem Injektionskopf Beton unter hohem Druck von 300 bis 600 bar seitlich aus­ gespritzt wird. Die flüssige Betonsuspension schneidet in den Boden ein und durchdringt diesen seitlich. Durch drehendes Zurückziehen des Injektionskopfes entsteht auf diese Weise ein Betonpfahl, dessen Durchmesser er­ heblich größer ist als derjenige des ursprünglichen Bohrlochs. Es ist ferner bekannt, bei derartigen In­ jektionsverfahren vor der Betoninjektion den Boden auf­ zuweichen. Dabei wird der zu behandelnde Bodenbereich zunächst mit einem Wasser- bzw. Wasser-Luft-Strahl unter 400 bis 600 bar aufgeschnitten und ausgespült und erst anschließend mit dem Injektionsgut verfüllt. In jedem Fall entsteht kein einigermaßen scharf begrenzter Betonpfahl, sondern die seitlichen Abmessungen des Pfahles richten sich nach der Bodenbeschaffenheit und sie schwanken erheblich. Es entsteht also ein Pfahl von unregelmäßiger Gestalt und von undefiniertem Durch­ messer. Die Pfähle haben in vielen Fällen ungleich­ mäßige Dichte und sie können Bodenbestandteile ent­ halten, so daß die Festigkeit der Pfähle unbestimmt ist. Durch den hohen Injektionsdruck können Bodenan­ hebungen durch Hochspülen entstehen. Es ist bereits vorgekommen, daß zu unterfangende oder benachbarte Ge­ bäude teilweise angehoben wurden. Bei plastischen (tonigen) Böden wird häufig ein Gemisch aus Zement und Ton hochgespült. Mit Zement vermischter Ton wird als Sondermüll betrachtet, dessen Lagerung einen hohen Auf­ wand erfordert. Schließlich erfordern die bekannten Strahlinjektionsverfahren wegen der hohen Injektions­ drücke einen sehr hohen Energieverbrauch.

Die US-PS 38 86 754 beschreibt eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Bei dieser Bohrvorrichtung werden der äußere Bohrstrang und der innere Bohrstrang gleichzeitig niedergebracht. Nur dann, wenn die Bohrung auf Fels stößt, wird mit einem Felsbohrer am vorderen Ende des inneren Bohrstranges ausschließlich mit dem inneren Bohrstrang weitergearbeitet, während der äußere Bohrstrang stillsteht. Danach wird durch Zurückziehen des inneren Bohrstrangs zunächst das reduzierte Bohrloch mit Beton verfüllt.

Anschließend wird durch gleichzeitiges Zurückziehen beider Bohrstränge auch das erweiterte Bohrloch verfüllt. Die bekannte Vorrichtung arbeitet in weichen Böden grundsätzlich in derselben Weise wie ein einziger Bohrstrang. Lediglich bei größerem Bohrwiderstand wird ausschließlich der Felsbohrer vorgetrieben, weil damit eine größere Durchschlagwirkung erzielbar ist. Das erweiterte Bohrloch beginnt in jedem Fall an der Erdoberfläche. Das Betonieren erfolgt von der Bohrlochsohle aus, erst nachdem das gesamte Bohrloch zuvor ausgebohrt worden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, daß Betonpfähle von definierten Abmessungen schneller hergestellt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, zunächst ein Pilotbohrloch niederzubringen, das anschließend von unten her mechanisch aufgebohrt und erweitert wird, wobei gleichzeitig mit diesem Aufbohren das Auspressen von flüssigem Beton aus einem Injektionskopf am Innenbohrstrang erfolgen kann. Die schnelle Arbeitsweise dieser Vorrichtung ergibt sich daraus, daß nicht erst ein Loch von großem Durchmesser gebohrt werden muß, das anschließend von unten her aufgefüllt wird, sondern daß nur ein Pilotbohrloch gebohrt wird, das anschließend von unten her erweitert wird, wobei zugleich mit der Bohrlocherweiterung das Ausbetonieren des erweiterten Bohrlochs durchführbar ist.

In dieses Bohrloch wird unmittelbar nach seiner Herstellung flüssiger Beton ausgepreßt, wobei der Auspreßdruck so gewählt ist, daß der Beton nicht wesentlich über die Bohrlochwand hinaus in den Boden eindringt. Hierzu reichen relativ niedrige Drücke im Bereich von 5 bis 10 bar. Infolge der niedrigen Drücke kann die aus dem Injektionskopf ausgepreßte Flüssigkeit außer Zement auch Zuschlagstoffe wie Sand o. dgl. enthalten, so daß ein Beton von definierter Festigkeit und definierter Geometrie erzeugt wird. Es besteht daher nicht die Gefahr des Hochdrückens von Boden in benachbarten Bereichen. Infolge des geringen Auspreßdrucks ist der Energiebedarf bei der Durchführung des Verfahrens gering.

Das erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise eingesetzt werden, um Gebäude, die durch Bodensetzung gefährdet sind, zu unterfangen, um pfahlartige Tief­ gründungen für neue Gebäude auszuführen, um den Boden an vorgesehenen Stellen zu verfestigen oder um Dich­ tungswände durch eng nebeneinandergesetzte Pfähle zu erzeugen. Die Pfähle müssen nicht notwendigerweise senkrecht ins Erdreich verlaufen, sondern sie können auch schrägen oder horizontalen Verlauf haben.

Das Bohren des engen Bohrlochs erfolgt bei eingezogenem Schneidkörper, der nicht über die Kontur des Außenbohrstrangs hinausragt. Am vorderen (der Bohrlochsohle zugewandten) Ende des Innenbohrgestänges befindet sich eine Bohrkrone zur Durchführung des mechanischen Bohrvorgangs. Wenn die vorgesehene Bohrlochtiefe erreicht ist, wird der Außenbohrstrang relativ zu dem Innenbohrgestänge in Längsrichtung verschoben oder gedreht, wodurch der Schneidkörper seitlich ausgestellt wird. Nun werden Außenbohrstrang und Innenbohrstrang gemeinsam und mit gleicher Geschwindigkeit zurückgezogen, wobei mindestens der Außenbohrstrang gedreht wird, um die Bohrlocherweiterung mit dem mitrotierenden Schneidkörper vorzunehmen. Gleichzeitig wird durch den Innenbohrstrang flüssiger Beton in die Injektionszone gepreßt.

Vorzugsweise ist ein Hilfsrohrstrang vorgesehen, der koaxial zwischen Außen bohrstrang und Innenbohrstrang verläuft und relativ zu dem Außenbohrstrang bewegt werden kann. Der Hilfsrohrstrang weist ein Widerlager auf, an dem der am Außenbohrstrang befestigte Schneidkörper abgestützt ist. Durch Drehen oder Längsverschieben des Hilfsrohrstranges erfolgt die Verstellung des Schneidkörpers von der Einzugsstellung zur Arbeitsstellung. Hierzu kann der Schneidkörper mit einem Scherenmechanismus, einem Exzentermechanismus oder einer anderen Verstellein­ richtung versehen sein. Der Hilfsrohrstrang trägt auch den Trennschirm, der am vorderen Ende des Hilfsrohr­ stranges aufgespannt werden kann. Ferner kann am Hilfs­ rohrstrang eine Ringbohrkrone vorgesehen sein, in die hinein die Bohrkrone des Innenbohrstranges eingezogen werden kann, damit beide Bohrkronen gemeinsam zur Er­ zeugung des engen Bohrlochs die Bohrlochsohle bear­ beiten können. Die Verwendung von drei ineinander­ liegenden Rohren, bietet außerdem die Möglichkeit der Zufuhr und Abfuhr von Spülmedium und der Zufuhr von Beton in getrennten Kanälen innerhalb des Bohrge­ stänges.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein enges Bohrloch mit der darin befindlichen Bohrvorrichtung während des Bohrens,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Bohrloch wäh­ rend dessen Aufweitung und während des Ein­ pressens von Beton,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch das Bohrgestänge,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Bohrvorrichtung aus Richtung des Pfeiles IV in Fig. 2, und

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V von Fig. 1.

Zur Herstellung eines Betonpfahls im Boden wird zu­ nächst ein enges Bohrloch 10 mit einem Durchmesser von etwa 24 cm vorgebohrt. Die hierzu benutzte Bohrvor­ richtung weist einen Außenbohrstrang 11 und einen ko­ axial darin angeordneten Innenbohrstrang 12 auf. Der Innenbohrstrang 12 ist von dem Hilfsrohrstrang 13 ko­ axial umgeben. Der Hilfsrohrstrang 13 ist noch von einem dünnwandigen Schutzrohr 14 umgeben, das innerhalb des Ausbohrstranges 11 verläuft.

Am vorderen Ende des Außenbohrstranges 11 befindet sich ein langgestrecktes Kopfstück 15 von vergrößertem Durch­ messer, das den gesamten Querschnitt des Bohrlochs 10 ausfüllt. Am vorderen Ende des Kopfstücks 15 sind zwei Schneidkörper 16 angebracht, die relativ zu dem Kopf­ stück 15 um eine gemeinsame Achse 17 herum schwenkbar sind. Die Schneidkörper 16 bestehen aus Armen, die nach vorne geklappt werden können, um in Längsrichtung des Bohrlochs zu verlaufen, und die um die Achse 17 herum radial ausgeklappt werden können, um den Bohrlochdurch­ messer zu erweitern. Jeder der Schneidkörper 16 trägt an seiner Außenseite Schneidorgane 18. An den äußeren Enden der Schneidkörper 16 greifen Lenker 19 an, die gelenkig mit einem Widerlager 20 am Hilfsrohrstrang 13 verbunden sind. Wenn der Außenbohrstrang 11 gegenüber dem Hilfsrohrstrang 13 vorgeschoben wird, spreizen die Lenker 19 die beiden Schneidkörper 16 nach außen. Wenn der Außenbohrstrang 11 dagegen zurückgezogen wird, richten sich die Lenker 19 etwa in Verlängerung der Schneidkörper 16 aus, so daß die Schneidkörper voll innerhalb der Kontur des Bohrlochs liegen. Am vorderen Ende des Kopfstücks 15 sind Rastausnehmungen 21 vorge­ sehen, die Anschläge zur Begrenzung der Ausstellbe­ wegung der Schneidkörper 16 bilden. Die Schneidkörper 16 verlaufen im ausgestellten Zustand, der durch die An­ schläge 21 begrenzt wird, etwa unter 45° zu der ge­ meinsamen Achse der verschiedenen Rohrstränge.

Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, hat das Hilfsrohr 13, durch dessen Bohrung der Innenbohrstrang 12 hindurch­ geht im Bereich der Schneidkörper 16 rechteckigen Quer­ schnitt und die Schneidkörper 16 haben jeweils U-förmi­ gen Querschnitt, wobei die Weiten der beiden Schneid­ körper 16 so bemessen sind, daß diese Schneidkörper ineinandergreifen und sich eng um das Hilfsrohr 13 her­ umlegen können.

Das vordere Ende des Hilfsrohrstranges 13 bildet ein zylindrischer Spülkopf 22, der radiale Austritts­ öffnungen 23 aufweist. Der Spülkopf 22 dienten zum Rückführen von Bohrgut und Spülmedium. In ihm befindet sich ein mit dem Innenbohrstrang 12 fest verbundener Kolben 24, der in der Rückzugstellung des Innenbohr­ stranges 12 (Fig. 1) noch mindestens die rückwärtige Öff­ nung 23 des Spülkopfs 22 freiläßt, so daß diese Öffnung mit dem Innenraum des Hilfsrohrstrangs 13 verbunden bleibt. Am vorderen Ende des Kolbens 24 ist der Trennschirm 25 befestigt. Dieser Trennschirm besteht beispielsweise aus zahlreichen Borsten, die mit ihren einen Enden am Kolben 24 axial fixiert sind, und die eine solche Vorspannung haben, daß sie radial nach außen federn und dabei einen Kegel bilden. Wenn der Innenbohrstrang 12 sich in Bezug auf den Hilfsrohr­ strang 13 in seiner Rückzugsstellung befindet (Fig. 1), ist der Trennschirm 25 in den Spülkopf 22 eingezogen, wobei durch die Wand des Spülkopfes 22 die Borsten radial zusammengeschnürt werden und voll im Spülkopf 22 enthalten sind. Wird dagegen der Innenbohrstrang 12 in Richtung auf die Bohrlochsohle vorgeschoben, dann gelangt der Trennschirm 25 aus dem Spülkopf 22 heraus und seine Borsten können sich ungehindert radial abspreizen.

Am vorderen Ende des Innenbohrstrangs 12 befindet sich die Bohrkrone 26, die Schneidelemente 27 trägt. Die Bohrkrone 26 bildet zugleich den Injektionskopf 28 zum Auspressen des flüssigen Betons und ist zu diesem Zweck mit Öffnungen 29 versehen, aus denen der Beton aus­ treten kann.

Am vorderen Ende des Spülkopfs 22 befindet sich die Ringbohrkrone 30, die eine Öffnung 31 zur Aufnahme der Bohrkrone 26 in der Rückzugsstellung aufweist.

Der Außenbohrstrang 11 und der Hilfsrohrstrang 13 sind drehfest miteinander verbunden, jedoch kann der Außen­ bohrstrang 11 in Längsrichtung verschoben werden. Auch der Innenbohrstrang 12 kann drehfest - aber längs ver­ schiebbar - mit dem Außenbohrstrang 11 und dem Hilfs­ rohrstrang 13 verbunden sein.

Das Drehen und Längsverschieben der verschiedenen Rohr­ stränge erfolgt durch einen außerhalb des Bohrlochs vorgesehenen Bohrantrieb, der verschiedene Vorschub­ schlitten aufweist, welche jeweils auf einen Strang einwirken und unabhängig voneinander verschoben werden können. Andererseits können auch alle drei Schlitten gemeinsam verschoben werden.

Zur Herstellung eines Betonpfahls wird zunächst das schmale Bohrloch 10 in der in Fig. 1 dargestellten Weise gebohrt, wobei die Bohrkrone 26 in die Ring­ bohrkrone 30 eingezogen ist, so daß beide Bohrkronen 26 und 30 gewissermaßen eine gemeinsame einzige Bohrkrone bilden. Der Innenbohrstrang 12 befindet sich - bezogen auf den Hilfsrohrstrang 13 - in der äußersten Rückzugs­ stellung. Auch der Außenbohrstrang 11 befindet sich - bezogen auf den Hilfsrohrstrang 13 - in der äußer­ sten Rückzugsstellung, wobei die Schneidkörper 16 ra­ dial eingezogen sind. In diesem Zustand werden alle drei Stränge 11, 12, 13 in gleichem Drehsinn gedreht; es besteht auch die Möglichkeit die Stränge 11 und 13 in Gegenrichtung zum inneren Bohrstrang 12 zu drehen. Das Bohrloch, das von den beiden Bohrkronen 26 und 30 ge­ meinsam erzeugt wird, hat einen Durchmesser der größer ist als der Außendurchmesser des Spülkopfes 22. In dieses Bohrloch paßt auch das Kopfstück 15 hinein.

Während das Bohrloch 10 vorgetrieben wird, wird in den Innenraum 12 a des Innenbohrgestänges 12 Spülmedium (Luft oder Wasser) hineingepreßt. Dieses Spülmedium tritt aus den Löchern der Bohrkrone 26 aus. Am rück­ wärtigen Ende des ringförmigen Innenraums 13 a des Hilfsrohrstranges 13 wird eine Absaugung durchgeführt. Diese Absaugung wirkt auf die rückwärtigen Löcher 23 im Spülkopf 22, so daß das von den Bohrkronen gelockerte Bohrgut zusammen mit dem Spülmedium in die Löcher 23 eintritt und im Hilfsrohrstrang 13 zurückgespült wird. In den Ringraum 11 a des Außenbohrstranges 11 wird Druck­ luft eingeblasen, die aus der vorderen Stirnseite des Kopfstücks 15 austritt. Diese Luft streicht an der Bohrlochwand entlang und verhindert ein Zusetzen des Ringraums 11 a.

Wenn die vorgesehene Bohrlochtiefe erreicht ist, wird der Hilfsrohrstrang 13 nicht weiter vorgeschoben; der Innenbohrstrang 12 wird unter Fortsetzung der Drehung weiter vorgeschoben, so daß er aus dem Spülkopf 22 her­ austritt; der Außenbohrstrang 12 wird in Richtung auf den Spülkopf 22 unter Drehung vorgeschoben, so daß die Schneidkörper 16 sich abspreizen und eine kegelförmige Erweiterung des Bohrlochs erzeugen.

Wenn der in Fig. 2 dargestellte Zustand erreicht ist, wird in den Innenraum 12 a des Innenbohrstrangs 12 flüssi­ ger Beton hineingedrückt, der aus den Öffnungen 29 des Injektionskopfes 28 austritt. Alle drei Stränge 11, 12 und 13 werden gemeinsam unter Drehung zurückgezogen. Dabei erzeugen die seitlichen ausgestellten Schneid­ körper 16 ein vergrößertes Bohrloch 10 a, das von der Bohrlochsohle kontinuierlich bis zum Bohrlochanfang, also in Gegenrichtung zum Bohrloch 10, aufgebohrt wird. Dieses Bohrloch 10 a wird mit dem aus dem Injektionskopf 28 austretenden Beton 33 verfüllt. Der Bereich, in dem der frische Beton 33 in das Bohrloch 10 a eingefüllt wird, bildet die Injektionszone INZ, die durch den Trennschirm 25 begrenzt wird. Hinter dem Trennschirm 25 liegt die Spülzone SPZ, aus der das von den Schneid­ körpern 16 losgebohrte Bohrgut durch die Öffnungen 23 hindurch in den Hilfsrohrstrang 13 rückgespült wird. Hinter der Spülzone SPZ liegt die Aufbohrzone ABZ, in der die Schneidkörper 16 wirksam sind. Da die Injek­ tionszone INZ von der Spülzone SPZ durch den Trenn­ schirm 25 getrennt ist, gelangen Spülmedium und beim Aufbohren gelockertes Bohrgut nicht in Vermischung mit dem Beton 33. Es entsteht somit Beton von definierter Qualität, weil die Zuschlagstoffe von außen her mit­ zugeführt werden.

Während des Aufbohrens des Bohrlochs wird Spülmedium in den Ringraum 11 a des Außenbohrstrangs 11 hineinge­ drückt. Das Spülmedium tritt am rückwärtigen Ende der Aufbohrzone ABZ aus dem Kopfstück 15 aus und gelangt dabei unmittelbar an die Schneidkörper 16. Durch das Spülmedium wird von den Schneidkörpern 16 bearbeitete Abbauschulter aufgelockert. Das in der Spülzone SPZ enthaltene Bohrgut und Spülmedium wird durch die Öff­ nungen 23 und den Hilfsrohrstrang 13 rückgespült.

Wenn im Zuge der Bohrlocherweiterung ein Hindernis auf­ tritt, beispielsweise ein Fels 34, tritt außerhalb des Bohrlochs eine Überlastsicherung in Funktion, die be­ wirkt, daß die zuvor eingehaltene relative Längsposi­ tion zwischen Hilfsrohrstrang 13 und Außenbohrstrang 11 aufgegeben wird. Der Außenbohrstrang 11 wird vorüber­ gehend ein Stück zurückgezogen, während die Stränge weitergedreht werden. Nach dem Passieren des Hinder­ nisses 34 nimmt der Außenbohrstrang 11 seine ursprüng­ liche Position in Bezug auf den Hilfsbohrstrang 13 wieder ein, so daß das Hindernis ohne Beschädigung der Bohrvorrichtung passiert werden kann.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Betonpfählen im Boden, mit
einem Außenbohrstrang (11) und einem durch diesen hindurchgehenden Innenbohrstrang (12), wobei Außenbohrstrang und Innenbohrstrang relativ zueinander axial verschiebbar sind, und
einem am Ende des Innenbohrstranges (12) befestigten Injektionskopf (28) zum Injizieren von Beton während des Zurückziehens der Vorrichtung in das erweiterte Bohrloch, dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenbohrstrang (11) zur Bohrlocherweiterung beim Zurückziehen des rotierenden Außenbohrstranges (11) mindestens einen radial ausstellbaren Schneidkörper (16) trägt, der an seiner der Bohrlochsohle abgewandten Rückseite Schneidorgane (18) aufweist, und
daß der Innenbohrstrang (12) beim Zurückziehen der Vorrichtung gegenüber dem Außenbohrstrang (11) in gegen die Bohrlochsohle vorgeschobener Stellung ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Außenbohrstrang (11) und Innenbohrstrang (12) ein Hilfsrohrstrang (13) verläuft, aus dem der Innenbohrstrang (12) zur Bohrlochsohle hin ausfahrbar ist, der eine Ausstellvorrichtung für den Schneidkörper (16) und ein Widerlager (20) zum Abstützen des Schneidkörpers (16) in der Schneidposition aufweist und der relativ zum Außenbohrstrang (11) in axialer Richtung bewegbar ist, und daß das seitliche Ausstellen des Schneidkörpers (16) durch die Relativbewegung des Außenbohrstranges (11) zum Hilfsrohrstrang (13) über die Ausstellvorrichtung erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trennschirm (25) an dem Innenbohrstrang (12) befestigt ist, der durch Vorschieben des Innenbohrstranges (12) im Hilfsrohrstrang (13) radial aufgeweitet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsrohrstrang (13) einen Spülkopf (22) zum Abführen von Bohrgut aus einer zwischen dem Schneidkörper (16) und dem Trennschirm (25) liegenden Spülzone (SPZ) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskopf (28) als Bohrkrone (26) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderen Ende des Hilfsrohrstranges (13) eine Ringbohrkrone (30) befestigt ist, deren Außendurchmesser im wesentlichen dem maximalen Außendurchmesser des Außenbohrstranges (11) entspricht und größer ist als die radiale Weite aller Schneidkörper (16) im radial eingefahrenen Zustand.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (11 a) zwischen Außenbohrstrang (11) und Hilfsrohrstrang (13) an eine Spülmittelquelle angeschlossen ist und an dem Schneidkörper (16) ins Bohrloch mündet, daß der Raum (13 a) zwischen Hilfsrohrstrang (13) und Innenbohrstrang (12) die Rückspülleitung bildet und daß der Innenbohrstrang (12) als Zuleitung für Beton zum Injektionskopf (28) ausgebildet ist.