DE4311917C2 - Verfahren zum Herstellen von Verfestigungsbereichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von im we­ sentlichen in einer Ebene liegenden Verfestigungsbereichen un­ terhalb einer Geländeoberfläche, insbesondere von in ihrer Tragfähigkeit verbesserten Bodenbereichen zum Abtragen von Lasten oder zum Spannungsabbau, bei dem ein Raster von Bohrlöchern etwa gleicher Tiefe erstellt wird, in zumindest einer gemeinsamen, senkrecht zu den Bohrungen verlaufenden Ebene kreisscheibenförmige oder kreissektorförmige Erosionsbereiche mittels eines Düsenstrahlverfahrens geschaffen werden, an­ schließend die Bohrlöcher zumindest oberhalb der Erosionsberei­ che abgepackert werden und dann Verpressungsbereiche, die zu­ mindest die Erosionsbereiche umfassen, unter Druck mit Binde­ mittelsuspension verfüllt werden.

Mit der immer dichter werdenden Bebauung und der damit verbunde­ nen intensiven Nutzung des Baugrundes ist es in vielen Fällen erforderlich, bisher als schwer oder nicht bebaubar bezeichnetes Gelände für eine Bebauung vorzubereiten. Bei dieser Nutzung des Baugrundes stellt sich vielfach aus Sicht des Wasserhaushalts­ gesetzes und der ggfs. vorliegenden Verunreinigungen im Unter­ grund das Problem einer Einschließung des zu nutzenden Geländes. Eine Einschließung des Geländes kann hierbei sowohl vertikale als auch horizontale Abdichtungen und/oder Baugrundverbesserun­ gen einschließen.

Zur Herstellung von Baugrundabdichtungen und/oder Baugrundver­ besserungen stehen nach dem Stand der Technik verschiedene Ver­ fahren zur Verfügung.

Ein erstes bekanntes Verfahren besteht in der Injektion von Bindemittel in den Baugrund zum Zwecke der Penetration des Po­ rensystems des anstehenden Baugrundes mit dem Injektionsmittel. Um dieses Verfahren zur Abdichtung, zur Verfestigung oder zur Herstellung einer Schwächezone anwenden zu können, ist es erfor­ derlich, daß der anstehende Boden eine Penetration mit dem je­ weiligen Injektionsmittel zuläßt. Bei Bodenzusammensetzungen mit höheren Anteilen an feinkörnigem Material (Schluff und Ton) ist dies nicht gegeben, so daß das Injektionsverfahren nicht mehr einsetzbar ist. Soweit das Injektionsverfahren vom Boden her anwendbar ist, hat es den Nachteil, daß Bohrungen zum Einbringen der Injektionssonden in einem sehr engen Raster niedergebracht werden müssen, um die gewünschte Abdichtung oder Baugrundverbes­ serung oder die gewünschte Erzeugung einer Schwächezone garan­ tieren zu können.

Ein anderes bekanntes Verfahren ist das Düsenstrahlverfahren (Bezeichnung der Anmelderin: Soilcrete), bei dem der Boden säu­ lenartig durch einen Hochdruckerosionsstrahl erodiert und mit Bindemittel durchmischt wird. Dieses Verfahren ist bezüglich der Bodenqualität nicht eingeschränkt und kann selbst bei Tonböden Anwendung finden. Auch bei diesem Verfahren ist es erforderlich, den Baugrund in einem dichten Raster mit Bohrungen für die In­ jektionssonden zu versehen, da der herstellbare Säulendurchmes­ ser gering ist. Verfahrensbedingt kommt es bei diesem Verfahren zu einem Austritt von Überschußmaterial, das von der Baustelle zu entfernen und zu entsorgen ist. Dies stellt im Hinblick auf die zunehmende Knappheit an Deponiemöglichkeiten einen entschei­ denden Verfahrensnachteil dar.

Ein weiteres Verfahren zum Verfestigen des Baugrundes, das je­ doch für ebene Abdichtungen nicht geeignet ist, besteht darin, aus Bohrungen heraus mittels Sonden unterhalb von Packern oder zwischen zwei Packern verfestigendes Injektionsmittel unkontrol­ liert in den Boden zu verpressen (Bezeichnung der Anmelderin: Soilfrac). Die dabei im Boden entstehenden Lamellen sind nicht kontrollierbar und von der Struktur des Bodens, insbesondere vorgegebenen Spalten und Spannungsverläufen abhängig.

Ein Verfahren der eingangs definierten Art ist in "Proceedings: "1980 National Conference on Control of Hazardons Materials Spills" 13.-15. Mai 1980, Louisville, Kentucky, USA, S. 421-426" beschrieben durch P. J. Huck, M. J. Waller und S. C. Shimondle, "Innovative Geotechical Approaches to the Remedial In-Situ Tre­ atment of Hazardons Materials Disposal Sites". Hiernach werden beim Verpressen solche Mengen von Bindemittelsuspension einge­ setzt, daß eine geschlossene Abdichtschicht aus den sich lücken­ los durchdringenden Verpressungsbereichen entsteht, wie es im Zusammenhang mit der Einrichtung eines Areals zur Deponierung von umweltschädlichen Stoffen erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Zwecke der Baugrundverbesserung oder zur Herstellung gezielter Schwächezonen im Untergrund im wesentlichen in einer Ebene lie­ gende verfestigte Bereiche auszubilden. Die Lösung hierfür ist im Anspruch 1 enthalten.

Mit Abpackern ist das allgemein bekannte Abdichten einer einge­ brachten Sonde gegenüber dem Bohrloch durch durchmesserveränder­ liche Dichtmittel gemeint. Wird nur oberhalb der Erosionsberei­ che abgepackert, so kann ein sogenannter Einfachpacker verwendet werden, der einen einzigen durchmesserveränderlichen Abdicht­ bereich aufweist. Unterhalb dieses Bereiches liegt ein Austritt für Verpressungsmaterial. Sofern vorgesehen ist, oberhalb und unterhalb der Erosionsbereiche abzupackern, sind Doppelpacker zu verwenden, die zwei derartige durchmesserveränderliche Abdicht­ bereiche mit axialem Abstand voneinander haben. Zwischen diesen Bereichen liegt ein Austritt für Verpressungsmaterial.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der Weise zur Ausführung kommen, daß bei Einsatz nur eines Gerätes die vor dem Raster erstellten Bohrlöcher zeitlich nacheinander behandelt werden. Zur Beschleunigung des Verfahrens und um das Aufreißen des nicht erodierten Bodens in größeren Flächenbereichen zu fördern, in die dann Verpressungsmaterial eintreten kann, werden bevorzugt mehrere benachbarte Bohrlöcher gleichzeitig erfindungsgemäß behandelt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann unabhängig von der Bodenart, d. h. insbesondere auch bei bindigen Böden eine Bau­ grundverbesserung in einer vorgegebenen Tiefe und in einer vor­ gegebenen Lage in flächenhafter Ausgestaltung hergestellt werden bzw. eine etwa eben verlaufende Schwächezone, die vorhandene Bodenspannungen, insbesondere Vertikalspannungen infolge des im Verlaufe des Verfahrens erfolgenden Erodierens abbauen kann. Die eingangs zu erstellenden Bohrlöcher können je nach Lage der Bodenoberfläche in allen Raumrichtungen von der Vertikalen bis zur Horizontalen hergestellt werden, wobei sich die Lage der sich ausbildenden Schwächezone in der im Boden entsprechend Horizontalen oder Vertikalen oder in einer Zwischenlage ergibt, die durch die Richtung der zuvor eingebrachten Bohrungen vor­ gegeben werden kann.

Die Erosionsbereiche können beispielsweise durch Rotieren eines mit einer radialen Düse versehenen Düsengestänges erzeugt wer­ den. Abweichend hiervon kann ein Düsengestänge mit einer Viel­ zahl in einer Höhe umfangsverteilter Düsen versehen werden, z. B. mit acht radialen Düsen. Hiermit kann das Verfahren ggfs. in der Weise vereinfacht werden, daß auf das Rotieren des Düsenge­ stänges verzichtet werden kann und alleine durch die umfangsver­ teilten Düsen ein etwa kreisförmiger Erosionsbereich entsteht. Je nach Anwendungsfall kann es jedoch auch ausreichend sein, nur kreissektorförmige Erosionsbereiche herzustellen, die dann Aus­ gangspunkt für geschlossen kreisförmige Verpressungsbereiche bilden.

Das Verfahren schließt auch eine Abwandlung ein, nach der in mehreren mit Abstand voneinander und parallel zueinander liegen­ den Ebenen Verpressungsbereiche gebildet werden, indem die Ver­ fahrensschritte des Erodierens, Abpackerns und Verpressens in mehreren einander entsprechenden Höhen in den Bohrlöchern ausge­ führt werden. Die Reihenfolge der Behandlung des Bodens in meh­ reren Ebenen erfolgt dabei zwangsläufig aufsteigend in den Boh­ rungen. Die gewünschten Wirkungen können hierdurch bei größerem Material- und Zeitaufwand gesteigert werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den nachfolgenden Zeichnun­ gen dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Bohrloch bei der Durchführung eines ersten Verfahrensschrittes;

Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Bohrloch bei der Durchführung eines zweiten Verfahrensschrittes;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch zwei benachbarte Bohr­ löcher nach der Durchführung eines zweiten Verfahrens­ schrittes;

Fig. 4 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein unteres Ende eines Bohrloches bei der Durchführung eines zweiten Verfahrensschrittes;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein geeignetes Bohrge­ stänge.

In den Fig. 1 und 2 sind einander entsprechende Einzelheiten mit gleichen Ziffern belegt.

In Fig. 1 ist eine Bodenoberfläche 1 erkennbar, auf der ein Raupenmäkler 2 aufsteht, an dem ein Bohr- und Injiziergestänge 3 befestigt ist. Das Bohr- und Injiziergestänge ist in seiner tiefsten Position dargestellt, nachdem ein Bohrloch 5 fertigge­ stellt ist, das zwei unterschiedliche Bodenschichten 6, 7 durch­ dringt. Das Bohr- und Injiziergestänge 3 hat am unteren Ende einen Bohrkopf 8 und mit einigem Abstand davon einen Packer 9. Aus oberhalb der Packeranordnung 9 angeordneten, nicht näher erkennbaren Schneiddüsen tritt zumindest ein radialer Schneid­ strahl 10 aus, durch den unter Drehen des Bohr- und Injizierge­ stänges ein etwa ringscheibenförmiger Erosionsbereich 11 er­ stellt wird, wie durch einen Drehpfeil angedeutet. Bei ausrei­ chend großer Anzahl umfangsverteilter Düsen kann dies auch ohne Drehen der Bohr- und Injizieranordnung geschehen.

In Fig. 2, die in wesentlichen Teilen mit der Fig. 1 überein­ stimmt, ist das Bohr- und Injiziergestänge 3 des Raupenmäklers 2 um einen bestimmten Betrag nach oben gezogen, wie durch einen aufwärts gerichteten Pfeil angedeutet. Der zuvor unterhalb des Erosionsbereiches 11 liegende Packer 9 liegt nunmehr oberhalb desselben im Bohrloch 5 und ist durch Beaufschlagen mit Druck­ mittel radial vergrößert, so daß er das Bohrloch nach oben ab­ dichtet. Aus unterhalb des Packers 9 liegenden, nicht im einzel­ nen erkennbaren Verpreßdüsen wird in dieser Position Suspension eingepreßt, die den Erosionsbereich verfüllt und einen etwa horizontalen Verpressungsbereich 12 mit Rißstrukturen erzeugt.

In Fig. 3 ist das Ergebnis der Durchführung der ersten beiden Verfahrensschritte für zwei nebeneinanderliegende Bohrlöcher dargestellt. Es ist hierbei vereinfacht das Bohr- und Injizier­ gestänge 3, das Bohrloch 5, der Erosionsbereich 11 und die Bo­ denrisse des Verpressungsbereiches 12 für jedes der beiden Bohr­ löcher gezeigt, wobei sich die Rißstruktur zu einer Schwächezone 13 verbindet.

In Fig. 4 ist das untere Ende des Bohr- und Injiziergestänges 3 mit der Bohrkrone 8, der Packervorrichtung 9, den oberhalb der Packervorrichtung liegenden Schneiddüsen 14 und den unterhalb der Packervorrichtung liegenden Verpreßdüsen 15 gezeigt. Ein Erosionsbereich 11 ist in einer zuvor eingenommenen tiefer anzu­ nehmenden Stellung des Gestänges hergestellt worden. Danach wurde das Bohr- und Injiziergestänge 3 um einen bestimmten Be­ trag angehoben, so daß die Packervorrichtung 9 nunmehr oberhalb des Erosionsbereiches 11 liegt. Hier ist der Packer gegenüber dem Bohrloch 5 durch radiales Erweitern abgedichtet. Durch die unterhalb des Packers 9 liegenden Verpreßdüsen 15 wird nunmehr der darunterliegende Bereich des Bohrlochs 5 und insbesondere der Erosionsbereich 11 so mit Suspension verfüllt und die Sus­ pension unter Druck gesetzt, daß Rißstrukturen eines Verpreßbe­ reiches 12 entstehen, die eine horizontale Schwächezone ausbil­ den, wenn dieser Vorgang aus mehreren nebeneinanderliegenden Bohrlöchern wiederholt wird. Zur Materialersparnis kann auch unterhalb der Verpreßdüsen 15 noch eine zweite Packeranordnung oberhalb der Bohrkrone 8 vorgesehen werden.

In Fig. 5 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein zu verwendendes Bohrgestänge in prinzipieller Darstellung gezeigt. Ein innerer Kanal 16 dient dem Zuführen von Bohrspülung und wird nach dem Niederbringen des Bohrloches verschlossen. Danach wird über einen mittleren Kanal 17 über umfangsverteilte Schneiddüsen 14 ggfs. unter Rotieren des Bohrgestänges Hochdruckschneidstrah­ len ausgebracht, um den Erosionsbereich herzustellen. Abschließend wird nach einem beschränkten Ziehen des Bohrgestänges aus einem äußeren Ringkanal 18 über die Verpreßdüsen 15 erhärtende Suspension in den Erosionsbereich eingepreßt.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen von im wesentlichen in einer Ebene liegenden Verfestigungsbereichen unterhalb einer Gelände­ oberfläche (1), insbesondere von in ihrer Tragfähigkeit verbesserten Bodenbereichen zum Abtra­ gen von Lasten oder zum Spannungsabbau, bei dem ein Raster von Bohrlöchern (5) etwa gleicher Tiefe erstellt wird, in zumindest einer gemeinsamen, senkrecht zu den Bohrungen verlaufenden Ebene kreisscheibenförmige oder kreissektor­ förmige Erosionsbereiche (11) mittels eines Düsen­ strahlverfahren geschaffen werden, die Bohrlöcher (5) an­ schließend jeweils zumindest oberhalb der Erosionsbereiche (11) abgepackert werden und dann Verpressungsbereiche (12), die zumindest die Erosionsbereiche (11) umfassen, unter Druck mit Bindemittelsuspension verfüllt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Bodenbereichen zum Spannungsabbau die Verpressungsbereiche (12) sich nur teilweise durchdrin­ gen und/oder mit radialem Abstand zueinander liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlöcher (5) in Spülbohrtechnik erstellt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß kreisscheibenförmige Erosionsbereiche (11) durch Rotie­ ren eines mit zumindest einer radialen Düse (14) versehenen Düsengestänges (3) erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verpressen eine mit Zuschlagstoffen versehene Bin­ demittelsuspension, insbesondere Zementsuspension verwendet wird.