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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Kopf zum Einspritzen unter Druck
einer Flüssigkeit,
um eine Vertiefung in den Boden zu bohren, und insbesondere ein
Einspritzkopf (Injektionskopf) für den
Einsatz der unter dem angelsächsischen
Begriff „Jet
Grouting" bekannten
Technik.
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Die
sogenannte Jet Grouting-Technik beruht darauf, den Boden mit Hilfe
eines in einer Bohrung eingesetzten Flüssigkeitsstrahls mit sehr hoher
kinetischer Energie zu lockern, wobei der Flüssigkeitsstrahl die Abtragung
des Bodens bewirkt, in dem eine Vertiefung hergestellt werden soll.
Zur Bildung des Strahls wird eine Düse verwendet, die am Ende der Bohrstangen
befestigt ist, wobei diese Stangen gleichzeitig das Befördern der
Flüssigkeit
unter Hochdruck zu der oder den Düsen sowie die fortschreitende
Verschiebung der Düse
in dem Boden ermöglichen.
Genauer gesagt ist die Düse
bzw. sind die Düsen
an einem meist als Monitor oder Einspritzkopf (Injektionskopf) bezeichneten
Organ angebracht, das am unteren Ende des Bohrgestänges befestigt
ist, wobei dieser Monitor selbst an seinem unteren Ende mit einem
mechanischen Bohrwerkzeug versehen sein kann. Wie man weiß, ist die
meist verwendete Flüssigkeit
ein Brei auf der Basis von Zement, der ermöglicht, nach dem Bohren ein
Bodenelement aus geformtem Zement in dem Boden vor Ort herzustellen.
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Die
Flüssigkeit,
welche über
die Stangen befördert
wird, wird von der Oberfläche
aus über
eine Pumpe unter Drücken
von einem bis mehreren Zehn MPa eingeleitet. Der Innendurchmesser
der die Flüssigkeit
befördernden
Stangen muss groß genug
sein, um die Druckverluste in den Stangen zu begrenzen. Dieser Durchmesser
kann typischerweise in der Größenordnung
von 20 bis 50 mm liegen. Der Ausgangsdurchmesser der Düse dagegen
muss klein genug sein, um dem Flüssigkeitsstrahl
bei dessen Ausstritt eine ausreichende Geschwindigkeit zu verleihen,
um den Boden aus der Entfernung abzutragen. Der Ausgangsdurchmesser
der Düse
liegt typischerweise meist zwischen 2 und 5 mm, und die Geschwindigkeit der
Flüssigkeit
am Düsenausgang
beträgt
zwischen etwa hundert und mehreren Hundert Metern pro Sekunde.
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Um
eine beachtliche Qualität
des Strahls zu erzielen, ist es wünschenswert, dass die Innenform der
Düse optimiert
ist, damit der Flüssigkeitsstrahl – in dem
Maße wie
der Strahl sich von der Düse
zum Boden hin entfernt – eine
möglichst
hohe Geschwindigkeit beibehält,
damit er den Boden unter Einsatz eines Minimums an kinetischer Energie
so weit wie möglich
abtragen kann. Es werden gewöhnlich
optimierte Düsenformen
verwendet, die diesem Muss gerecht werden.
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Selbst
mit derartigen Düsen
stellt man jedoch fest, dass die Effizienz des Strahls, um das Abtragen
des Bodens zu bewirken, schnell verloren geht, so dass es beträchtlicher
kinetischer Energien bedarf, damit – wenn die Stangen verschoben
und eventuell gedreht werden – der
Boden in großer
Entfernung von der Düse,
beispielsweise in mehreren Dezimetern abgetragen wird. Der Leistungsbereich des
Druckflüssigkeitsstrahls
zum Ausbilden einer Säule,
eines Säulenabschnitts
oder eines planen Elements bleibt im Allgemeinen – je nach
Einsatzverfahren, der Art des Bodens und der eingesetzten Energie – mittelmäßig von
einigen Dezimetern bis 1 oder 2 Metern.
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Um
die Wirkung des Strahls zu erhöhen, wurden
insbesondere in dem amerikanischen Patent 5 228 809 sowie in dem
japanischen Patent 10195862 Ausführungsformen
des Einspritzkopfes oder Monitors vorgeschlagen, der ermöglicht,
die Qualität
dieses Strahls zu verbessern.
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Der
Einspritzkopf des japanischen Patents besteht aus einer Flüssigkeitszufuhrleitung,
die über einen
Stutzen mit im Wesentlichen konstanten Querschnitt, dessen mittlere
Leitung der Krümmung
die regelmäßige Form
eines Viertelkreises aufweist, mit einer Düse verbunden ist. Die Achse
der Düse
verläuft
senkrecht zur Achse des Einspritzkopfes, so dass die Hauptrichtung
des Flüssigkeitsstrahls
eine Ablenkung um 90 Grad zwischen dem Eingang des Stutzens und
dem Ausgang der Düse
erfährt.
Da diese Ablenkung über
eine sehr kurze Distanz erfolgt, kommt es dadurch zu Druckverlusten
in dem Stutzen.
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Andererseits
ist in der beigefügten 1 der Einspritzkopf
dargestellt, welcher in dem amerikanischen Patent 5 228 809 beschrieben
ist. Der Einspritzkopf 10 weist einen Körper 12 mit einer
einen inneren Hohlraum definierenden Seitenwand 14 auf. Eine
Düse zum
Einspritzen von Flüssigkeit
unter Druck 16 ist in der Außenwand 14 des Monitors
angebracht. Diese Figur zeigt auch Elemente 18 zum Anschließen an das
Bohrgestänge
sowie Elemente 20 und 22 zum Anschließen an die Druckflüssigkeitsleitung
und an eine Ringleitung für
zirkulierende Luft in den Stangen, um gleichzeitig die Flüssigkeitsdüse und eine
ringförmige
Luftdüse 16 zu
speisen. Laut diesem Patent wird die Düse 16 ausgehend von
der Leitung 22 zum Befördern
der Flüssigkeit
unter Druck, über
einen in dem Körper
des Monitors 10 ausgebildeten Durchgang 24 und über einen
das Ende dieses Durchgangs mit dem Eingang der Düse 16 verbindenden
Stutzen 26 gespeist. Der Stutzen 26, der einen
konstanten Querschnitt aufweist, hat eine regelmäßige Krümmung, um die Störungen der Druckflüssigkeit
zwischen der Bohrstange und der Düse 16 selbst zu begrenzen.
Wie erläutert
hat die Einspritzdüse
jedoch gegenüber
dem Durchmesser der Leitung zum Transportieren der Druckflüssigkeit durch
die Stangen einen sehr kleinen Durchmesser. Die in den oben genannten
amerikanischen und japanischen Patenten beschriebenen Lösungen sind demnach
nicht vollkommen zufriedenstellend.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Einspritzkopf (Injektionskopf)
insbesondere für
den Einsatz des Jet Grouting zu liefern, der ermöglicht, die Qualität des über die
Düse(n)
des am unteren Ende des Bohrgestänges
angebrachten Einspritzkopfes gelieferten Strahls wesentlicher zu
verbessern.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, besteht die Aufgabe der Erfindung in einem
Kopf zum Einspritzen unter Druck einer Flüssigkeit zum Abtragen des Bodens,
wobei der Kopf am Ende eines Bohrgestänges oder Rohrsatzes angebracht
ist, wobei das Gestänge Mittel
für die
Flüssigkeitszufuhr
unter Druck enthält, wobei
der Kopf einen Körper
aufweist, der ein oberes Ende zum Anschluss an das untere Ende des
Bohrgestänges
oder Rohrsatzes sowie eine Außenwand hat,
wobei in dem Körper
wenigstens eine Einspritzdüse,
deren Eingangsdurchmesser gleich d ist und die eine Achse x,x' aufweist, sowie
eine Leitungsröhre
bildende Mittel zum Anschließen
der Flüssigkeitszufuhr
an den Eingang der Düse
angeordnet sind, wobei die eine Leitungsröhre bildenden Mittel eine mittlere
Leitung aufweisen, deren erstes Ende an die Achse der Flüssigkeitszufuhrleitung
an ihrem unteren Ende angeschlossen ist und deren zweites Ende tangential
an die Achse x,x' der
Düse angeschlossen
ist, wobei die genannte mittlere Leitung durch wenigstens einen
kontinuierlichen und kontinuierlich ableitbaren Kurventeil definiert
ist, Einspritzkopf nach dem der Querschnitt der eine Leitungsröhre bildenden Mittel über wenigstens
die Hälfte
ihrer Länge
von ihrem ersten Ende bis zu ihrem mit der Düse verbundenen zweiten Ende
regelmäßig abnimmt.
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Man
versteht, dass die Qualität
und die Richtung des durch die Düse
erzeugten Strahls aufgrund der progressiven und regelmäßigen Verminderung des
Querschnittes der eine Leitungsröhre,
beispielsweise einen Stutzen bildenden Mittel, über wenigstens die Hälfte ihrer
Länge von
ihrem Ende zum Anschließen
an die Leitung zum Befördern
der Flüssigkeit
unter Druck bis zu ihrem Anschluss an die Eingangsöffnung der
Einspritzdüse
wesentlich verbessert werden. Dieses Merkmal kombiniert mit der
Tatsache, dass die mittlere Leitung der eine Leitungsröhre bildenden
Mittel einen Krümmungsradius
aufweist, der sich regelmäßig ändert, ermöglicht,
die Störungen
der Flüssigkeitsströmung in
diesem Stutzen maximal zu begrenzen und folglich einen Strahl zu
erhalten, dessen Energie maximal und dessen Abtragleistung in einer
maximalen Entfernung von der Düse
in dem Boden aufrechterhalten wird.
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Nach
einer ersten Ausführungsform,
fällt die Achse
der Zufuhrleitung im Wesentlichen mit der Achse des Körpers des
Einspritzkopfes zusammen.
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Vorzugweise
weist die mittlere Leitung der eine Leitungsröhre bildenden Mittel einen
ersten Kurventeil auf, der sich zwischen dem ersten Ende und einem
Zwischenpunkt erstreckt und eine regelmäßige Krümmung aufweist, deren Konkavität ein erstes Vorzeichen
hat, sowie einen zweiten Kurventeil zwischen dem Zwischenpunkt und
dem zweiten Ende, der eine regelmäßige Krümmung aufweist, deren Konkavität ein entgegengesetztes
Vorzeichen hat.
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Man
versteht, dass es dank der besonderen Gestaltung der eine Leitungsröhre, beispielsweise den
Stutzen bildenden Mittel mit ihren beiden Kurventeilen bei einem
vorgegebenen Außendurchmesser
des Einspritzkopfes möglich
ist, die Länge
des Stutzens zu erhöhen
und die Länge
des direkt an die Düse
angeschlossenen, einen großen
Krümmungsradius
aufweisenden Teils des Stutzens zu erhöhen.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform
verlängert
sich die Druckflüssigkeitsleitung
in den Einspritzkopf und ist das erste Ende der eine Leitungsröhre bildenden
Mittel eine Seitenrohrabzweigung an der Leitung, die im Wesentlichen
tangential zu der Leitung ist.
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Weitere
Merkmale sowie Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nun
folgenden Beschreibung mehrerer als nicht einschränkende Beispiele
gegebener Ausführungsformen
der Erfindung besser hervorgehen. Die Beschreibung nimmt Bezug auf
die beiliegenden Figuren, in denen:
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1,
welche bereits beschrieben ist, eine Ansicht im Vertikalschnitt
eines bekannten Einspritzkopfes zeigt;
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2 eine
Ansicht im Vertikalschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzkopfes
oder Monitors zeigt;
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3 eine
Ansicht im Vertikalschnitt einer zweiten Ausführungsform des Einspritzkopfes
zeigt; und die 4 und 5 Teilansichten
im Horizontalschnitt sind, die zwei mögliche Anordnungen der Flüssigkeitseinspritzdüsen zeigen.
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Der
in 2 dargestellte Einspritzkopf (Injektionskopf) 30 weist
einen Körper 32 auf,
welcher von einer zylindrischen Seitenwand 34, einem unteren
Ende 36 mit Mitteln, beispielsweise einem Gewinde 38,
zum Befestigen eines mechanischen Bohrwerkzeuges, und einem oberen
Ende 40 gebildet ist. Dieses obere Ende 40 weist
einerseits ein Gewinde 42 zum Anschließen an das untere Ende einer
Bohrstange 44 und andererseits eine Innenmuffe 46 zum Anschließen an die
Leitung 48 auf, welche in der Bohrstange 44 für das Befördern der
Druckflüssigkeit angeordnet
ist, die meist, wie bereits angegeben, ein Brei ist. Bei der beschriebenen
besonderen Ausführungsform,
dient der ringförmige
Raum 50 zwischen der Bohrstange 44 und der Leitung 48 zur
Beförderung
von Druckluft. Es versteht sich von selbst, dass bei einigen Ausführungsformen
dieser ringförmige Raum
nicht zu finden sein würde.
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Oberhalb
ihres unteren Endes 36 ist die Seitenwand 34 des
Einspritzkopfes mit einer Einspritzdüse 50 mit der Achse
x,x' versehen. Bei
der beschriebenen Ausführungsform
ist die Achse x,x' der Düse 50 im
Wesentlichen senkrecht zur vertikalen Achse z,z' des Einspritzkopfes, jedoch könnte die Achse
bei anderen Ausführungsformen
mit der Horizontalen einen Winkel bilden, der beispielsweise zwischen
+15 Grad und –15
Grad beträgt.
Außerdem kann – wie die 4 und 5 zeigen – die Düse in horizontaler
Ansicht senkrecht zur Außenwand
des Monitors (Düse 50' der 4) oder
im Wesentlichen tangential zu dieser Wand (Düse 50'' der 5)
verlaufen, oder aber deren Achse x,x' kann jedwede Zwischenrichtung einnehmen.
Innerhalb des Hohlraums 52 des Körpers des Einspritzkopfes ist
ein Stutzen 54 angebracht, der dazu dient, die Druckflüssigkeitszufuhr 46 an
den Eingang 50a der Düse 50 anzuschließen. S1 bezeichnet den Querschnitt der Leitung 46 zum
Zuführen
von Druckflüssigkeit
und s1 den Querschnitt des Eingangs der
Düse 50.
Der Stutzen 54, dessen mittlere Leitung mit L bezeichnet wird,
weist ein erstes Ende 56 zum Anschließen an die Rohrleitung 46 sowie
ein zweites Ende 58 zum Anschließen an die Düse auf.
Das erste Ende 56 des Stutzens 54 weist einen
Querschnitt S'1 auf, der gleich dem Querschnitt S1 ist, und sein zweites Ende weist einen
Querschnitt s'1 auf, welcher gleich dem Querschnitt s1 der Düse
ist. Außerdem
nimmt der Querschnitt des Stutzens 54, dass heißt der Querschnitt
dieses Stutzens durch zu der Leitung L orthogonale Ebenen, von dem
Wert S'1 zu
dem Wert s'1 regelmäßig ab.
In einigen Fällen
kann der Stutzen 54 Zylinderstutzenabschnitte mit sehr
begrenzter Länge aufweisen.
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Der
Querschnitt des Stutzens kann kreisförmig sein, er kann jedoch auch
eine ovale Form, eine Ellipsenform etc. aufweisen. Die Endabschnitte 56 und 58 sind
im Allgemeinen kreisförmig,
sie können aber
auch elliptisch sein. Die mittlere Leitung L des Stutzens 54 weist
eine nicht konstante Krümmung auf,
die sich jedoch regelmäßig ändert. Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform weist die mittlere
Leitung L des Stutzens 54 einen ersten Teil L1 auf,
der sich von dem Ende 56 bis zu einem Zwischenpunkt A erstreckt,
sowie einen zweiten Teil L2, der sich von
dem Zwischenpunkt A bis zu dem zweiten Ende 58 erstreckt.
Der Teil L1 hat einen Krümmungsradius, der dasselbe
Vorzeichen beibehält, gleiches
gilt für
den Teil L2, jedoch ist das Vorzeichen dieses
letzten Krümmungsradius
das Gegenteil zu demjenigen des Teils L1.
Mit anderen Worten ausgedrückt,
am Punkt A sind die Teile L1 und L2 tangential verbunden, jedoch weist die
mittlere Leitung L an dem Punkt A einen Wendepunkt auf.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
insbesondere aufgrund des Teils L2 der mittleren
Leitung und folglich des entsprechenden Stutzenteils, die Länge des
Teils des Stutzens, das einen großen Krümmungsradius in seinem Anschlussbereich
an die Düse
aufweist, zu erhöhen.
Diese Anordnung ermöglicht,
die Strömung
der Druckflüssigkeit
in dem Stutzen 54 in der Nähe der Düse 50 noch besser
zu stabilisieren.
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Es
versteht sich von selbst, dass der Stutzen 54 andere Formen
haben könnte,
da ja seine mittlere Leitung regelmäßige Krümmungsänderungen aufweist und sein
Querschnitt von seinem ersten Ende 56 bis zu seinem zweiten
Ende 58 zum Anschließen an
die Düse
im Wesentlichen regelmäßig abnimmt. Der
Stutzen könnte
nur einen einzigen Krümmungsradius
aufweisen und könnte
auch nicht eine in einer Ebene angeordnete mittlere Leitung haben,
sondern von einer Wendel- oder Spiralform gebildet sein, dass heißt eine
dreidimensionale Kurve sein.
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Es
versteht sich ebenfalls von selbst, dass man die Erfindung nicht
verlassen würde,
wenn der Einspritzkopf mehrere Düsen
aufwiese und dieser selbe Einspritzkopf folglich mehrere dem Stutzen 54 ähnlich Stutzen
aufwiese, die jeweils mit einer Leitung zum Zuführen von in den Bohrstangen
enthaltener Druckflüssigkeit
verbunden sind.
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Es
ist auch zu beachten, dass es aufgrund der Form des in 2 gezeigten
Stutzens 54 möglich ist,
die Gesamtlänge
der mittleren Leitung L dieses Stutzens zu erhöhen und gleichzeitig die Außenabmessungen
des Nutzteils des Einspritzkopfes auf geringeren Werten zu halten,
die dem Durchmesser D1 und der Höhe H1 entsprechen. Die Vergrößerung der Länge des
Stutzens 54 ermöglicht,
die Progressivität der
Querschnittsverminderung bei an den beiden Enden des Stutzens vorgegebenen
Querschnitten zu verbessern. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist
der Durchmesser D1 kleiner als 15 cm, und
die Nutzhöhe
des Einspritzkopfes H1 ist geringer als
50 cm.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Monitors.
Dieser Monitor unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch, dass die
Leitung 48 zum Zuführen
von Druckflüssigkeit sich über eine
Leitung 70 zum Speisen eines mechanischen Werkzeugs, das
in der Gewindemuffe 38 befestigt werden kann, in den Monitor
verlängert.
Wenn es angebracht ist, wird das Werkzeug über die Leitung 70 über ein
steuerbares Klappenventil 72 gespeist. In diesem Fall ist
das erste Ende 56' des
Stutzens 54' eine
Seitenrohrabzweigung an der Leitung 70. Vorzugsweise ist
diese Rohrabzweigung im Wesentlichen tangential zur Wand der Leitung 70.
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Man
versteht, dass die mittlere Leitung L' des Stutzens 54' bei der oben beschriebenen Ausführungsform
eine dreidimensionale Kurve ist. Der Stutzen 54' „wickelt
sich" um die Leitung 70,
um von der Rohrabzweigung 56' zum
Eingang der Düse 50 zu verlaufen.
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In
der vorhergehenden Beschreibung ist der Stutzen 54 ein
separates Leitungselement, das in dem Körper des Einspritzkopfes angebracht
ist. Die Erfindung würde
jedoch nicht verlassen, wenn der Körper des Einspritzkopfes durch
Formen hergestellt und wenn der Stutzen 54 während dieses
Formens mit Hilfe einer geeigneten Technik hergestellt würde. In
diesem Fall wäre
der Körper
des Einspritzkopfes ein massives Teil, in dem der Stutzen 54 von
einer Aussparung gebildet wäre.