DE3906227C1 - Device for taking samples from boreholes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von Grundwasser-, Suspensions- oder Bodenproben aus Bohr­ löchern. Derartige Proben werden bei Gründungsmaßnahmen routinemäßig vor Beginn und nach Durchführung entsprechender Injektionsschritte gezogen, um die Voraussetzungen für die anzuwendenden Verfahren und deren Ergebnis sicher beurteilen zu können. Es ist daher wünschenswert, hierfür Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, die die übrigen Arbeitsabläufe möglichst wenig beeinträchtigen und die mit guter Sicherheit im Hinblick auf die Entnahmetiefe der Proben durchgeführt werden können.

Aus der EP 1 48 696 B 1 ist eine Vorrichtung zur Entnahme derartiger Proben bekannt, die an einem Kabel in ein Bohrloch abgelassen wird und elektrisch gesteuert die Proben aus dem Bohrloch in einer bestimmten Tiefe entnimmt. Eine derartige Vorrichtung hat verschiedene wesentliche Nachteile. Es müssen hierbei obererdig zusätzliche Steuerungsvorrichtungen vorgesehen werden, die bei der Durchführung von üblichen Bohrmaßnahmen nicht vorhanden sind. Das Einbringen der Vorrichtung in das Bohrloch kann sehr langwierig sein, wenn im Bohrloch eine Stützflüssigkeit steht, die das Absinken in Folge des Auftriebs der Vorrichtung stark verlangsamt.

Ist das Bohrloch nach Durchführung eines jet-grouting- Verfahrens, das heißt nach Hochdruckinjektion von Zementsuspension mit einer Mischung aus Erdreich, Wasser und Zement gefüllt, kann ein Absenken der Vorrichtung in das Bohrloch vollständig unmöglich werden.

Eine Vorrichtung der genannten Art ist nur in offenen Bohrlöchern einsetzbar und somit zur Entnahme von Bodenproben, d.h. von Erdreich gänzlich ungeeignet. Das erforderliche Kabel, an dem die Vorrichtung abgelassen wird, ist Beschädigungen in starkem Maße ausgesetzt. Die Vorrichtung selber erscheint aufgrund ihres komplizierten Aufbaus als aufwendig, teuer und störanfällig.

Sollen in einen Arbeitsgang zwei Bodenproben zum Beispiel in unterschiedlichen Tiefen entnommen werden, sind hierzu zwei vollständige gleichartige Vorrichtungen einzusetzen, das heißt, es verdoppelt sich der Aufwand.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der sich Proben jeglicher Art, d.h. Grundwasser-, Suspensions- oder Bodenproben entnehmen lassen, bei deren Einsatz die Durchführung der Bohrung selber nur wenig beeinträchtigt wird und die robust aufgebaut und mit einfachen vorhandenen Mitteln steuerbar ist. Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung wird bestimmungsgemäß unmittelbar hinter der Bohrkrone in ein Bohrgestänge integriert und ist somit ohne Behinderung des Bohrvorganges problemlos und ohne zeitlichen Verzug in das Bohrloch einzubringen.

Bei einfachen Verhältnissen im Bohrloch, das heißt, wenn zum Beispiel das Bohrloch bereits erstellt ist und nur Grundwasser oder Stützflüssigkeit ansteht, kann auf das Aufsehen einer Bohrkrone verzichtet werden und der Bohrkronenträger mit einer einfachen Schutzkappe und/oder Verschlußkappe abgedeckt werden. Die beim Probenentnahme­ vorgang erreichte Tiefe läßt sich an der Länge des eingebrachten Bohrgestänges exakt ermitteln. Die Kombination mit dem Bohrgestänge läßt einen Entnahmevorgang während des Bohrens zu, so daß auch Bodenproben entnommen werden können, ohne daß diese bereits durch Stützflüssigkeit verunreinigt sind. Das Bohrgestänge kann dabei zur Unterstützung des Entnahme­ vorgangs in Rotation gehalten und/oder einer Auf- und Abbewegung ausgesetzt werden.

Zur Betätigung der Vorrichtung kann insbesondere eine Druckluftführung herangezogen werden, die in bestimmten Bohrgestängen, die bei der Verwendung von sogenannten Imlochhammern oder bei der Anwendungen des jet-grouting- Verfahrens benutzt werden, bereits vorhanden sind. Es kann also auf vorhandene Bauteile zurückgegriffen werden und bedarf hinsichtlich des Bohrgestänges keiner Sonderkons­ truktion.

Die Wirkungsweise ergibt sich ohne weiteres aus der vorstehend genannten Merkmalskombination. Die Vorrichtung wird ohne Druckluftaufgabe beim Bohren mit dem Bohrgestänge abgesenkt. Der Innenzylinder ist dabei bei weitestmöglich entspannter Feder in einer Position, in der die Öffnungen im Mantelzylinder von der Wandung des Innenzylinders verschlossen sind, die Öffnungen im Innenzylinder also in anderer Höhenposition liegen. In dem Moment, in dem die Probe entnommen werden soll, wird Druckluft auf eine der Bodenflächen des Innenzylinders aufgegeben, sodaß dieser gegen die Kraft der Feder soweit insbesondere bis gegen einen Anschlag verschoben wird, daß die Öffnungen im Mantelzylinder und im Innenzylinder zumindest teilweise in Überdeckung liegen. Soweit Grundwasser ansteht oder eine fließfähige Aufschwemmung im Bohrloch vorhanden ist, strömt diese durch die Öffnungen in den Innenzylinder ein. Zur Entnahme von Bodenproben kann das Bohrgestänge gleichzeitig in Drehung und/oder in Auf- und Abbewegung versetzt werden. Nach dem Füllen des Innenzylinders wird die Druckluftaufgabe zurückgenommen und das Bohrgestänge in üblicher Weise gezogen. Ein Zugang zum Innenzylinder wird dadurch hergestellt, daß der Mantelzylinder entweder vom Anschlußstück zum Bohrgestänge oder der Bohrkronenträger vom Mantelzylinder abgeschraubt wird.

Sofern der Innenzylinder beispielsweise nach unten offen ist, kann zunächst der Mantelzylinder mit dem Bohrkronen­ träger vom Anschlußteil abgeschraubt werden, die beiden Teile dann um 180° umgedreht und der nun obenliegende Bohrkronenträger abgeschraubt werden.

In einer günstigen Ausgestaltung sind im Mantelzylinder und im Innenzylinder jeweils mehrere umfangsverteilte Öffnungen vorgesehen, die so zueinander liegen, daß in jeder beliebigen Winkelstellung des Innenzylinders zum Mantelzylinder zumindest ein Teil der Öffnungen sich zumindest teilweise in Überdeckung befindet. Dies hat den Vorteil, daß der Innenzylinder frei drehbar in den Mantelzylinder eingesetzt werden kann, ohne daß besondere Führungsmittel vorgesehen sein müssen, die gegen Verschmutzen geschützt werden müßten.

Nach einer anderen Ausführung sind solche Führungsmittel zur Sicherung einer verdrehfesten Lage des Innenzylinders im Mantelzylinder vorgesehen, beispielsweise in Längsnuten im Mantelzylinder eingreifende Stifte am Innenzylinder, die eine Winkelstellung des Innenzylinders zum Mantel­ zylinder sichern, in der sich die Öffnungen im Umfangssinn weitestmöglich in Überdeckung befinden. Hiermit läßt sich der größtmögliche Eintrittsquerschnitt sicherstellen, sodaß die Entnahme einer hinreichend großen Probe auch bei Bodenproben möglich ist.

In günstiger Ausgestaltung hat der Innenzylinder einen oberen entfernbaren Deckel und einen unteren festen Deckel, so daß eine schnelle Entnahme und ein Austausch des Innenzylinders in der Lage erfolgen kann, in der das Gestänge gezogen worden ist, ohne daß die Probe, insbe­ sondere aus flüssigem Material, verloren gehen kann.

Soweit der Innenzylinder mit einem unteren Deckel versehen ist, wird die Feder bevorzugt als Druckfeder unterhalb des Innenzylinders anzuordnen sein, die sich unmittelbar am eingeschraubten Bohrkronenträger abstützt. Soweit jedoch nach einer abweichenden Ausgestaltung der Innenzylinder unten offen ist, ist die Feder oberhalb des Innenzylinders anzuordnen und als Druckfeder auszulegen, die ihr Widerlager am Anschlußteil für das Bohrgestänge hat und auf die eine in das Anschlußteil greifende Verlängerung des Innenzylinders einwirkt.

Wie bereits im einzelnen dargelegt, ist eine mit Druckluft beaufschlagbare Druckluftzuführung im Anschlußteil zum Bohrgestänge notwendiger Bestandteil der Erfindung, der den Einsatz eines entsprechenden Bohrgestänges erfordert. Nach einer günstigen Weiterbildung sind im Anschlußteil für das Bohrgestänge und im Bohrkronenträger Kanäle für Bohrspülungsmittel vorgesehen, die miteinander in Verbindung stehen. Dies setzt eine weitere Leitungsführung für Bohrspülungsmittel im Bohrgestänge voraus. Die Zuführung eines solchen Bohrspülungsmittels zur Bohrkrone ist eine übliche Maßnahme.

In einer ersten günstigen Ausführung des vorstehend genannten Prinzips ist der Mantelzylinder doppelschalig ausgebildet und der darin gebildete Ringraum als Verbindungsleitung der entsprechenden Bohrspülungskanäle im Anschlußteil und im Bohrkronenträger vorgesehen. Nach einer anderen Ausführung kann ein zentrales Innenrohr, das durch den Innenzylinder hindurchgeführt ist, vorgesehen sein, um die Verbindung zwischen den Bohrspülungskanälen im Anschlußteil und im Bohrkronenträger darzustellen. Eine dritte einfache Möglichkeit besteht darin, eine Verbindung über eine außerhalb des Mantelzylinders liegende Leitung herzustellen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einfachen Mitteln so abgewandelt werden, daß während eines einzigen- Bohrvorganges verschiedene Proben aus unterschiedlichen Tiefen entnommen werden können. Hierzu sind in sinnvoller Ausgestaltung innerhalb des Mantelzylinders mehrere durch Federn gegeneinander abgestützte Innenzylinder mit oberen und unteren Deckelflächen vorgesehen und in der Mantelfläche des Mantelzylinders in verschiedenen Höhen zumindest jeweils eine Öffnung angeordnet, die gegenüber Öffnungen in den Innenzylindern bei entspannten Federn in unterschiedlichen Höhen liegen und bei zunehmender Vorspannung der Federn nacheinander mit den zugeordneten Öffnungen in jeweils einem anderen der Innenzylinder in Überdeckung kommen. Mit zunehmendem Druck werden hierbei nacheinander jeweils einzelne Innenzylinder in ihre Position zur Probenentnahme gebracht, während gleichzeitig bereits mit Proben gefüllte Innenzylinder wieder ver­ schlossen werden. Zu Zwecken einer besseren Differenz­ ierung können die Federn unterschiedliche Kennung aufweisen.

Wie bereits oben erwähnt, besteht ein besonders günstiges Verfahren darin, daß zur Entnahme von Proben die Vorrichtung bei offenstehenden Öffnungen des Innenzylinders gedreht und/oder auf- und abbewegt wird.

Drei Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung darge­ stellt und dienen dem besseren Verständnis der Erfindung. Übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern belegt und jeweils nur einmal genannt.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit beidseitig geschlossenem Innenzylinder und untenliegender Druckfeder,

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung nach Fig. 1 mit äußerer Bohrspülungsmittelführung,

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung mit unterem offenen Innenzylinder und obenliegender Druckfeder.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung mit einem Anschlußteil für ein Bohrgestänge 1, einem darauf aufgeschraubten Mantelzylinder 2 und einem in diesen eingeschraubten Bohrkronenträger 3 gezeigt. Im Mantelzylinder 2 ist ein Innenzylinder 4 geführt. Dieser stützt sich mittels einer Druckfeder 5 am Bohrkronenträger 3 ab. Der Innenzylinder ist mit einem eingeschraubten oberen Deckel 8 versehen, an den ein Vierkant 7 zum Aufschrauben angesetzt ist, und mit einem unteren einstückigen Deckel 8 abgeschlossen, an den sich unten ein Zapfen 9 anschließt, der mittels einer Gleithülse 10 in einer Innenbohrung 11 des Bohrkronen­ trägers geführt ist. Der Bohrkronenträger 3 hat ein Außengewinde 12 zum Einschrauben in die Bohrkrone. Das Anschlußteil 1 hat ein Innengewinde 13 zum Einschrauben eines Bohrgestängeabschnittes und Druckmittelkanäle 14, 15, die in einen Zylinderraum 16 münden, der zum Deckelteil 6 des Innenzylinders 4 offen ist. Der Innenzylinder ist in der Position bei weitestgehend entspannter Feder 5 ohne Druckmittelaufgabe dargestellt, hierbei befinden sich Öffnungen 17, 18 im Innenzylinder 4 oberhalb von Öffnungen 19, 20 im Außenzylinder, so daß letztere durch die Mantelfläche des Innenzylinders 4 verschlossen werden. Bei Druckmittelaufgabe wird die Feder 5 zusammengedrückt, und an die Öffnungen 17, 18 im Innenzylinder 4 kommen zur Überdeckung mit den Öffnungen 19, 20 im Mantelzylinder 2.

In Fig. 2 ist abweichend von Fig. 1 der Mantelzylinder 2 zweischalig aus einem Innenrohr 21 und einem Außenrohr 22 ausgeführt, wobei beide an ihren Enden und um die Öffnung 19 im Mantelzylinder herum gegeneinander abgedichtet sind, so daß ein geschlossener Ringkanal entsteht. Dieser steht mit einem zentral eintretenden Bohrspülungsmittelkanal 23 im Anschlußteil 1 und mit einem zentral austretenden Bohrspülungsmittelkanal 24 im Bohrkronenträger 3 in Verbindung. Im Anschlußteil 1 ist nur einer der Druckmittelkanäle 14 dargestellt. Weiterhin ist jeweils nur eine Öffnung 19 im Mantelzylinder 2 und eine entsprechende Öffnung 17 im Innenzylinder 4 vorgesehen, sodaß bevorzugt eine nicht dargestellte Verdrehsicherung des Innenzylinders 4 gegenüber dem Mantelzylinder 2 vorzusehen ist.

In Fig. 3 ist abweichend von den Fig. 1 und 2 ein das Anschlußteil 1 im Bohrkronenträger 3 und den Innenzylinder 4 durchsetzendes Zentralrohr 25 in das Anschlußteil fest eingeschweißt und in den Bohrkronenträger 3 eingesteckt, wobei eine Dichtung 26 im Einsteckbereich vorgesehen ist. Das Innenrohr steht mit dem Bohrspülungsmittelkanal 23 im Anschlußteil 1 um mit dem zentral austretenden Bohrspülungsmittelkanal 24 im Bohrkronenträger 3 in Verbindung. Der Innenzylinder 4 hat einen einstückig angesetzten oberen Deckel 6, der mittels Dichtungen 27 gegenüber dem Mantelzylinder 2 und Dichtungen 28 gegenüber dem Zentralrohr 25 abgedichtet ist. Ein unterer Deckel ist nicht vorgesehen. Am Deckel 6 ist ein nach oben führendes Rohr 29 mit einem aufgeschraubten Widerlager 30 angesetzt, das in eine Zylinderbohrung 31 im Anschlußteil 1 eingreift. Das Widerlager 30 liegt auf einer Druckfeder 5 auf, die sich an einem in die Bohrung 31 unten einge­ schraubten Widerlager 32 abstützt. Im Anschlußteil 1 ist nur ein einziger Druckmittelkanal 15 dargestellt. Wie in Fig. 1 weist der Innenzylinder zwei Öffnungen 17, 18 und der Außenzylinder zwei Öffnungen 19, 20 auf, die in der dargestellten Stellung bei entspannter Druckfeder jeweils außerhalb einer Überdeckung in verschiedenen Höhen liegen.

Bezugszeichenliste

 1 Anschlußteil
 2 Mantelzylinder
 3 Bohrkronenträger
 4 Innenzylinder
 5 Feder
 6 Deckel
 7 Vierkant
 8 Deckel
 9 Zapfen
10 Hülse
11 Zylinderbohrung
12 Gewinde (Bohrkronenträger)
13 Gewinde (Anschlußteil)
14 Druckluftkanal
15 Druckluftkanal
16 Zylinderbohrung
17 Öffnung (Innenzylinder)
18 Öffnung (Innenzylinder)
19 Öffnung (Mantelzylinder)
20 Öffnung (Mantelzylinder)
21 Innenrohr (Mantelzylinder)
22 Außenrohr (Mantelzylinder)
23 Bohrspülungskanal (Anschlußteil)
24 Bohrspülungskanal (Bohrkronenträger)
25 Innenrohr
26 Dichtung
27 Dichtung
28 Dichtung
29 Rohransatz
30 Widerlager
31 Zylinderbohrung
32 Widerlager

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Entnahme von Grundwasser-, Suspensions- oder Bodenproben aus Bohrlöchern, gekennzeichnet durch ein Anschlußteil (1) für ein Bohrgestänge am oberen Ende, einen Bohrkronenträger (3) am unteren Ende und einen Mantelzylinder (2), der mit dem Anschlußteil und dem Bohrkronenträger verschraubt ist, mit einem innerhalb des Mantelzylinders (2) mittels einer Feder (5) abgestützten axial verschiebbaren Innenzylinder (4) mit zumindest einer Deckelfläche, mit zumindest einem zum Mantelzylinder (2) führenden Druckmittelkanal (14, 15) im Anschlußteil (1), durch den der Innenzylinder (4) zur Verschiebung gegen die Kraft der Feder (5) mit einem Druckmittel beaufschlagbar ist sowie mit zumindest jeweils einer Öffnung in den Mantelflächen des Mantelzylinders (2) und des Innenzylinders (4), die bei weitestmöglich entspannter Feder (5) in unterschiedlichen Höhen liegen und die bei gespannter Feder (5) zumindest teilweise deckungsgleich zueinander liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere umfangsverteilte Öffnungen (17, 18; 19, 20) im Innenzylinder (4) und im Mantelzylinder (2) vorgesehen sind, die so zueinander angeordnet sind, daß in jeder Winkelstellung des Innenzylinders (4) zum Mantelzylinder (2) zumindest ein Teil der Öffnungen sich im Umfangssinn in Überdeckung befinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Führungsmittel zur Sicherung einer verdrehfesten Lage des Innenzylinders (4) im Mantelzylinder (2) vorgesehen sind, die eine Winkelstellung des Innenzylinders (4) zum Mantelzylinder (2) sichern, in der sich die Öffnungen (17, 18; 19, 20) im Umfangssinn weitestmöglich in Überdeckung befinden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere am oberen und unteren Ende des Innenzylinders (4) außenliegende Dichtungsringe (27) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenzylinder (4) mit einem oberen, insbesondere entfernbaren Deckel (6) versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenzylinder (4) mit einem unteren, insbesondere unlösbaren Deckel (8) versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkronenträger (3) das Abstützmittel für eine unter dem Innenzylinder (4) liegende Druckfeder ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußteil (1) das Abstützmittel für eine über dem Innenzylinder (4) liegende Druckfeder (5) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußteil (1) für das Bohrgestänge und im Bohrkronenträger (3) Kanäle (23, 24) für Bohrspülungs­ mittel vorgesehen sind, die miteinander in Verbindung stehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelzylinder (2) doppelschalig ausgebildet ist und der darin gebildete Ringraum die Verbindung zwischen dem Bohrspülungskanal (23) im Anschlußteil (1) und dem Bohrspülungskanal (24) im Bohrkronenträger (3) darstellt (Fig. 2).

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Innenzylinder (4) durchsetzendes, in das Anschlußteil (1) und den Bohrkronenträger (3) eingestecktes zentrales Durchgangsrohr (25) die Verbindung zwischen dem Bohrspülungskanal (23) im Anschlußteil (1) und dem Bohrspülungskanal (24) im Bohrkronenträger (3) darstellt (Fig. 3).

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine außerhalb des Mantelzylinders (2) verlaufende Leitung die Verbindung zwischen dem Bohrspülungskanal (23) im Anschlußteil (1) und dem Bohrspülungskanal (24) im Bohrkronenträger (3) darstellt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Mantelzylinders (2) mehrere durch Federn gegeneinander abgestützte Innenzylinder (4) mit jeweils oberen und unteren Deckelflächen (6, 8) vorgesehen sind, daß in der Mantelfläche des Mantelzylinders (2) in verschiedenen Höhen jeweils zumindest eine Öffnung vorgesehen ist, die gegenüber zumindest jeweils einer Öffnung in den Innenzylindern bei entspannten Federn in unterschiedlichen Höhen liegen und bei unterschiedlicher Spannung der Federn mit den zugeordneten Öffnungen in jeweils einem der Innenzylinder in Überdeckung kommen.