DE4107834A1 - Verdraengerbohrer sowie antriebseinrichtung fuer einen solchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdrängerbohrer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Antriebseinrichtung für einen solchen.

Ein derartiger bekannter Verdrängerbohrer ist in der EP-OS 02 28 138 beschrieben. Zum Antreiben ist ein großes Dreh­ moment notwendig, um die hohe Reibung zwischen Bohrerober­ fläche und Erdreich zu überwinden. Die Abstützeinrichtung für die Bohrer-Antriebseinrichtung muß eine entsprechend hohe Drehmoment-Abfangfähigkeit haben.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Verdränger­ bohrer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weiterge­ bildet werden, daß die Abstützeinrichtung für die auf ihn arbeitende Antriebseinrichtung nur ein geringeres Drehmoment abzufangen braucht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Ver­ drängerbohrer gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verdrängerbohrer hat man aus zwei Gründen eine Verminderung des hinter der Antriebseinrich­ tung abzufangenden Drehmomentes: Zum einen kann durch die unabhängig drehbare Bohrerspitze Material besonders effektiv verdrängt werden (falls es sich um eine Verdränger­ spitze handelt) oder gut zerkleinert werden (falls die Bohrerspitze mit Zerkleinerungswerkzeugen oder Zerkleine­ rungskanten versehen ist). Ferner kann man die Bohrerspitze in entgegengesetztem Sinne antreiben wie das hohle Bohrrohr, so daß sich die entsprechenden Drehmomente bei der Antriebs­ einrichtung insgesamt zumindest teilweise kompensieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß auch sehr lange Verdrängerbohrer unter Ver­ wendung kurzer ansetzbarer Segmente realisiert werden können, wobei die getriebenen Enden von Bohrrohr und Antriebswelle nach jedem Ansetzen von Segmenten im wesentlichen die gleiche Relativlage zueinander haben. Dies gestattet es, Teilantriebe der Antriebseinrichtung, die auf das Bohrrohr bzw. die Antriebswelle arbeiten, nahe beieinander anzuordnen, so daß die Antriebseinrichtung insgesamt kompakt baut.

Gemäß Anspruch 3 wird ein Ausflexen der Antriebswelle von der Wellenachse auch bei sehr großer Wellenlänge ver­ hindert.

Bei einem Verdrängerbohrer gemäß Anspruch 4 wird ein Teil der axialen Vorschubkraft durch eine beim unteren Ende des Bohrrohres vorgesehene Wendelrippe erzeugt, wenn sich letztere in das Erdreich schneidet.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist im Hinblick auf die Verminderung der Reibung zwischen Bohrer und Erdreich von Vorteil.

Gemäß Anspruch 6 erhält man mit einfache Grundgeometrie aufweisenden Wandabschnitten die sich verjüngenden Ver­ drängerabschnitte.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 wird erreicht, daß das Verdrängen des Erdreiches beim Vorschieben und Drehen des Hinterschneidungen aufweisenden Verdränger­ kopfes progressiv und unter verminderter Reibung erfolgt.

Bei einem Verdrängerbohrer gemäß Anspruch 8 wird Erdreich, das beim Herausziehen des Bohrers aus dem Bohrloch mög­ licherweise von der Bohrlochwand gelöst wird, zwangsweise nach unten gefördert und durch den Verdrängerkopf gegen die Bohrlochwand gedrückt wird.

Bei einem Verdrängerbohrer gemäß Anspruch 9 kann man die Bohrerspitze unabhängig vom Bohrrohr um einen Betrag axial zusätzlich zustellen, der in etwa der Länge des Führungs­ abschnittes entspricht. Man kann so das Bohren des Kernloches phasenweise schneller durchführen als das Verdrängen des Erdreiches, wenn dies die lokalen Bodenverhältnisse gestatten. Trifft dagegen die das Kernloch erzeugende Bohrerspitze auf eine besonders harte Bodenschicht, kann man das Bohrrohr bei voreilender Bohrerspitze zunächst noch schneller vor­ schieben, bis es die Bohrerspitze wieder erreicht hat. Auf diese Weise wird die Bohrleistung insgesamt erhöht.

Bei einem Verdrängerbohrer gemäß Anspruch 10 erzeugt die außenliegende Wendelrippe des Führungsabschnittes eine zusätzliche axiale Vorschubkraft für die Bohrerspitze, wenn der Führungsabschnitt aus dem Bohrrohr ausgefahren ist.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 12 läßt sich das insgesamt auf die Antriebseinrichtung vom Bohrrohr und der Antriebswelle her ausgeübte Gesamtdreh­ moment weitgehend auf Null einstellen. Die Drehzahlregelung kann im einzelnen unter Berücksichtigung des Druckes und der Fördermenge des den beiden Teilantrieben jeweils zugeführten Druckmittels oder unter Verwendung von Drehmomentgebern erfolgen, welche in die Kraftübertragungsstrecke zum Bohrrohr bzw. der Antriebswelle geschaltet sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen axialen Halbschnitt durch das untere Ende eines Verdrängerbohrers mit unabhängig angetrie­ bener Bohrerspitze;

Fig. 2 und 3 ähnliche Halbschnitte wie Fig. 1, in welchen jedoch abgewandelte Verdrängerbohrer wiedergegeben sind;

Fig. 4 einen axialen Abschnitt durch den sich an den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten unteren Teil des Verdrängerbohrers anschließenden Bohrerab­ schnitt;

Fig. 5 einen schematischen axialen Schnitt durch einen weiter abgewandelten Verdrängerbohrer mit zugeord­ neter Antriebseinrichtung;

Fig. 6 und 7 seitliche, teilweise axial geschnittene Ansichten der unteren Enden weiter abgewandelter Verdrängerbohrer; und

Fig. 8 eine Aufsicht auf die Unterseite eines nochmals abgewandelten Verdrängerbohrers, wobei im linken Teil der Figur eine Bohrerspitze weggelassen ist und einige Teile im Schnitt wiedergegeben sind.

In Fig. 1 ist mit 12 insgesamt ein Bohrrohr bezeichnet, dessen Länge in der Praxis einige Meter, z. B. 3 bis 8 m betragen kann. Das obere Ende des Bohrrohres 12 wird in später noch genauer zu beschreibender Weise in Drehung versetzt und zugleich in axialer Richtung verschoben.

Das Bohrrohr 12 dient sowohl als Antriebsrohr für einen Verdrängerkopf 10 als auch als Speiserohr für Ortsbeton.

Der Verdrängerkopf 10 hat größeren Durchmesser als das Bohrrohr 12 und weist einen unteren, kegeligen Verdrängerab­ schnitt 10a, einen mittleren, zylindrischen Verdrängerab­ schnitt 10b und einen oberen, kegeligen Verdrängerabschnitt 10c (vgl. Fig. 4) auf. Der mittlere, zylindrische Verdrän­ gerabschnitt 10c ist über eine Mehrzahl unter axialem Abstand aufeinanderfolgender Distanzringe 14 mit dem Bohrrohr 10 verschweißt. Der untere kegelförmige Verdrängerabschnitt 10a führt zu einem unteren Endabschnitt 18 des Bohrrohres 12.

Der Endabschnitt 18 trägt eine Wendelrippe 20, deren oberer Abschnitt sich unter entsprechender Verminderung der Rippen­ breite in den Verdrängerabschnitt 10a hinein erstreckt. In Fig. 1 ist der besseren Übersichtlichkeit halber nur eine einzige Wendelrippe 20 wiedergegeben, während man in der Praxis eine doppelgängige Rippenanordnung verwenden kann.

Durch das Bohrrohr 12 erstreckt sich eine Antriebswelle 22, deren unteres Vierkantende formschlüssig in ein kegelförmiges Betonteil 24 einsitzt. In letzteres sind Fräsleisten 25 eingegossen. Die so erhaltene Bohrerspitze ist insgesamt mit 26 bezeichnet. Sie ist beispielsweise über einen leicht zerstörbaren Scherstift 28 mit dem Ende der Antriebswelle 22 verbunden.

Ein in das Innere des Endabschnittes 18 eingreifender Führungsabschnitt 30 der Bohrerspitze 26 trägt auf seiner Mantelfläche einen Gleitring 32, der mit der Innenfläche des Endabschnittes 18 zusammenarbeitet.

Im Betrieb wird die Antriebswelle 22 in Richtung eines Pfeiles 34 angetrieben, während das Bohrrohr 12 in entgegen­ gesetztem Sinne (Pfeil 36) gedreht wird. Gleichzeitig wird auf den Bohrer eine axiale Vorschubkraft ausgeübt. Durch das Drehen des Bohrers erbringt die Wendelrippe 20 mit dem Erdreich zusammenarbeitend einen Teil der axialen Vorschubkraft. Die Bohrerspitze 26 erzeugt durch Fräsen und seitliches Verdrängen ein Kernloch im Erdreich, dessen Durchmesser etwa demjenigen des Endabschnittes 18 entspricht. Durch den Verdrängerabschnitt 10a wird dieses Kernloch auf den Außendurchmesser des Verdrängerkopfes 10 aufgeweitet.

Die Geometrie der Bohrerspitze 26, des Verdrängerkopfes 10 und des Bohrrohres 12 sind so gewählt, daß bei in etwa gleichen Drehzahlen von Bohrrohr 12 und Antriebswelle 22 die zu ihrem Drehen erforderlichen Drehmomente betragsmäßig etwa gleich groß sind. Diese geometrische Anpassung wird für die am häufigsten zu bearbeitenden Bodenverhältnisse vorgenommen; im Einzelfalle durch besonders hohe Bodenreibung oder besonders hohe Härte des Bodens erhaltene Abweichungen lassen sich durch Ändern des Drehzahlverhältnisses zwischen Bohrrohr 12 und Antriebswelle 22 vermindern.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Verdrängerbohrer ist der Führungsabschnitt 30 axial vergrößert und über mehrere Gleitringe 32 im Endabschnitt 18 geführt. Dies ermöglicht es, die Bohrerspitze 26 nach unten aus dem Endabschnitt 18 auszufahren, wenn die Bodenbeschaffenheit momentan ein rascheres Erzeugen des Kernloches ermöglicht. Es ver­ steht sich, daß in diesem Falle die Bohrerantriebseinrich­ tung zwei unterschiedliche Vorschubzylinder für das Bohrrohr 12 und die Antriebswelle 22 enthält.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 entspricht weitgehend dem nach Fig. 2, nur hat man anstelle des mittleren Gleit­ ringes eine Wendelrippe 38, die ebenso wie die axial außen­ liegenden Gleitringe 32 an das Betonteil 24 angegossen sind. Die Wendelrippe 38 hat entgegengesetzte Steigung wie die Wendelrippe 20 und erzeugt zusammen mit zurückfederndem Erdreich des Kernloches eine axiale Vorschubkraft für die Bohrerspitze 26, wenn die Bohrerspitze 26 ausgefahren ist. Bei eingefahrener Bohrerspitze hat sie Lagerfunktion.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, liegt über dem oberen kegel­ förmigen Verdrängerabschnitt 10c eine obere Wendelrippe 46, deren Geometrie zur Geometrie der Wendelrippe 20 spie­ gelbildlich ist, also gleiche Steigung aber entgegengesetzten Drehsinn aufweist.

Die Bohrerteile 10c und 46 dienen dazu, beim Herausziehen des Verdrängerbohres, wobei das Bohrrohr entgegen dem Pfeil 36 gedreht wird, aus dem Bohrloch etwa losgelöstes Erdreich zwangsweise nach unten zu fördern und dieses sowie radial nach innen zurückgefedertes Erdreich wieder nach außen zu drücken. Hierdurch wird die zum Herausziehen des Verdränger­ bohrers notwendige Kraft kleingehalten.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, besteht das Bohrrohr 12 aus einem untersten Grundsegment 12-0 der Länge L₀, sowie weiteren Verlängerungssegementen 12-1, 12-2 usw., die jeweils die Länge L haben.

Die Antriebswelle 22 besteht aus einem unteren Grundsegment 22-0 und Verlängerungssegmenten 22-1, 22-2 usw., die wie die Verlängerungssegmente 12-i jeweils die Länge L haben.

Da die Länge L₀ des Grundsegmentes 12-0 des Bohrrohres 12 kein ganzzahliges Vielfaches der Standard-Segmentlänge L ist, steht das obere Ende der Antriebswelle 22 um eine vorgegebene Strecke D über das obere Ende des Bohrrohres 12 über, die dem vertikalen Abstand zweier unbhängiger Antriebe entspricht, die noch genauer beschrieben werden. Diese Verhältnisse bleiben nach Ansetzen eines Verlängerungs­ segmentes 12-i und eines Verlängerungssegmentes 22-i erhalten.

Wie aus Fig. 5 ferner ersichtlich, sind zwischen die eigentlichen Verlängerungssegmente 22-i Lagerscheiben 48 zwischengeschraubt, die unter geringem radialem Spiel im Inneren des Bohrrohres 12 laufen. "Gering" bedeutet in diesem Zusammenhang einen Abstand, der gerade groß genug ist, um ein Verklemmen von Bohrklein, welches ins Innere des Bohrrohres 12 eindringt, zu verhindern.

Das obere Ende des Bohrrohres 12 ist über durch nicht gezeigte Klemmzylinder verschwenkbare Klemmbacken 50 mit einem Antriebsring 52 verbunden, der über Axial/Radiallager 54 zwischen Rahmenplatten 56, 58 eines insgesamt mit 60 bezeichneten Antriebskopfes gelagert ist. Der Antriebsring 52 wird durch einen Hydromotor 62 in Drehung versetzt, der nur schematisch angedeutet ist.

Analog ist das obere Ende der Antriebswelle 22 über durch nicht gezeigte Klemmzylinder verschwenkbare Klemmbacken 64 lösbar mit einem Antriebsring 66 verbunden, der über Axial/ Radiallager 68 zwischen der Rahmenplatte 58 und einer darüber liegenden Rahmenplatte 70 des Antriebskopfes 60 gelagert ist. Der Antriebsring 66 wird durch einen zweiten Hydromotor 72 unabhängig vom Antriebsring 52 in Drehung versetzt.

Zum axialen Vorschieben des gesamten Antriebskopfes 60 ist ein Arbeitszylinder 74 vorgesehen, der an einem nur schematisch angedeuteten Mäkler 76 abgestützt ist, auf welchem auch ein Schlittenabschnitt 78 des Antriebskopfes 60 läuft.

Im übrigen unterscheidet sich der in Fig. 5 gezeigte Verdrängerbohrer noch in folgenden Einzelheiten von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen:

Zur Erzeugung eines Teiles der axialen Vorschubkraft ist nur eine einzige Wendelrippe 20 im Bereich des zylindrischen Verdrängerabschnittes 10b vorgesehen. Die Bohrspitze 26 hat so kleinen Druchmesser, daß sie durch das Bohrrohr 12 nach oben bewegbar ist. Eine Wendelrippe 80 kann im Bohr­ rohr 12 stehenden Ortsbeton zwangsweise nach unten drücken, wenn die Antriebswelle 22 entgegen dem Pfeil 34 gedreht wird (wird diese Förderfunktion gewünscht wird die Bohrspitze 26 vorher abgenommen oder abgeschert).

Der Verdrängerkopf 10 gemäß Fig. 6 entspricht einerseits dem nach den Fig. 1 und 4, denn er hat zwei gegenläufige Wendelrippen 20 und 46; andererseit sind seine kegelförmigen Verdrängerabschnitte 10a und 10c ausgedehnt, bzw. ist der zylindrische Verdrängerabschnitt 10b kurz wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 5. Darüber hinaus erstreckt sich das untere Ende des Bohrrohres 12 nicht durch den Verdränger­ kopf 10. Dieser ist kann mit seinem oberen Ende direkt an den Bohrrohrstrang angeschraubt werden wie eine normales Bohrohrsegment.

Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Bohrerspitze 26 die Form einer Pyramide mit sehr vielen Eck­ punkten. Auch der Verdrängerkopf 10 hat polygonalen, nämlich achteckigen Querschnitt. Die sich verjüngenden Verdränger­ abschnitte 10a und 10c sind jeweils aus trapezförmigen Wandplatten 82 zusammengesetzt und bilden entsprechende Stümpfe einer achteckigen Pyramide. Der in axialer Richtung gleichbleibenden Querschnitt aufweisende mittlere Verdränger­ abschnitt 10b besteht aus rechteckigen verschweißten Wand­ platten 84, die zusammen ein achteckiges Prisma vorgeben.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 sind die Wandplatten 82 kegelförmig, die Wandplatten 84 zylindrisch. Die Achsen der Wandplatten 82 und 84 sind jedoch zur Achse des Ver­ drängerkopfes 10 versetzt, so daß die verschiedenen Außen­ flächen des Verdrängerkopfes 10 spiralenähnlich bezüglich der Verdrängerkopfachse verlaufen.

Ännlich ist auch die Bohrerspitze 26 so geformt, daß sie exzentrische kegelige Stirnflächenabschnitte 86 aufweist. Dabei ist der Drehsinn der Quasi-Spiralen bei der Bohrer­ spitze 26 entgegengesetzt gewählt wie beim Verdrängerkopf 10: Letzterer drückt beim Drehen in Uhrzeigerrichtung Material progressiv radial nach außen, die Bohrerspitze 26 beim Drehen entgegen dem Uhrzeigersinne.

Claims (12)

1. Verdrängerbohrer mit einem hohlen Bohrrohr (12) und mit einer dessen unteres Ende verschließenden Bohrerspitze (26), dadurch gekennzeichnet, daß durch das Bohrrohr (12) eine Antriebswelle (22) geführt ist, deren Ende die Bohrer­ spitze (26) trägt.

2. Verdrängerbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verlängerungssegemente (12-i; 22-i) von Bohrrohr (12) und Antriebswelle (22) gleiche Länge (L) haben, während Grundsegmente (12-0; 22-0) von Bohrrohr (12) und Antriebs­ welle (22) unterschiedliche Länge (L₀, L) aufweisen.

3. Verdrängerbohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Segmente (22-i) der Antriebswelle (22) Lagerscheiben (48) eingesetzt sind, welche im Inneren des Bohrrohres (12) unter kleinem radialem Spiel als Aus­ knicksicherung laufen.

4. Verdrängerbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterer Abschnitt (10c; 18) mindestens eine Wendelrippe (20) trägt.

5. Verdrängerbohrer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein oberes Ende der Wendelrippe (20) in einen sich nach unten verjüngenden unteren Verdrängerabschnitt (10a) eines vom Bohrrohr (12) getragenen Verdrängerkopfes (10) hineinerstreckt, an welchen sich nach oben ein axial gleichbleibenden Querschnitt aufweisender mittlerer Verdrän­ gerabschnitt (10b) und ein sich nach oben verjüngender obe­ rer Verdrängerabschnitt (10c) anschließen.

6. Verdrängerbohrer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich verjüngenden Verdrängerabschnitte (10a, 10c) durch Pyramiden- oder Kegel- Wandabschnitte (82, 84) gebildet sind.

7. Verdrängerbohrer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Pyramiden- oder Kegel-Wandabschnitte (82, 84) parallel unter Abstand von der Bohrerachse verlaufen.

8. Verdrängerbohrer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des oberen Ver­ drängerabschnittes (10c) oder in diesem eine obere Wendel­ rippe (46) vorgesehen ist, deren Steigung derjenigen der unteren Wendelrippe (20) entspricht, während ihr Drehsinn entgegengesetzt ist.

9. Verdrängerbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrerspitze (26) einen in das untere Ende des Bohrrohres (12) axial verschieb­ bar eingreifenden Führungsabschnitt (30) aufweist.

10. Verdrängerbohrer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsabschnitt (30) mit einer außenliegenden Wendelrippe (38) versehen ist.

11. Antriebseinrichtung zur Verwendung mit einem Verdränger­ bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen ersten Drehantrieb (62), der über eine erste Kupplung (50) mit dem Bohrrohr (12) verbindbar ist, und durch einen zweiten Drehantrieb (72), der über eine zweite Kupplung (64) mit der Antriebswelle (22) verbindbar ist und in entgegengesetzter Richtung läuft wie der erste Drehantrieb (62).

12. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehzahl des zweiten Drehantriebes (72) unabhängig von der Drehzahl des ersten Drehantriebes (62) einstellbar ist.