DE9312874U1

DE9312874U1 - Düsengestänge für Injektionen im Baugrund

Info

Publication number: DE9312874U1
Application number: DE9312874U
Authority: DE
Original assignee: Bilfinger und Berger Bau AG
Current assignee: Bilfinger SE
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2003-08-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Düsengestänge für Injektionen im Baugrund zur Verfestigung oder Abdichtung unter Anwendung des Hochdruckinjektionsverfahrens, auch HDI-Verfahren genannt, wobei das Düsengestänge eine Bohrkrone, mindestens einen axial gerichteten Suspensionsaustritt für die Bohrspülung, mindestens eine radial gerichtete Schneidstrahldüse und mindestens eine radial gerichtete Suspensionsdüse, sowie mindestens einen Hochdruckkanal als Zuführung für die Schneidstrahldüsen und mindestens einen Suspensionskanal als Zuführung für Suspensionsaustritte und Suspensionsdüsen aufweist.

Das HDI-Verfahren wird zur Bodenvermörtelung, insbesondere für Unterfangungen und Gründungsmaßnahmen angewandt: Mit Hilfe eines Schneidstrahls, beispielsweise aus Wasser oder Zementsuspensionen, dem auch Preßluft hinzugefügt werden kann, wird der im Bereich eines Bohrlochs anstehende Boden aufgeschnitten und ausgefräst. Der ausgefräste Boden wird umgelagert und teilweise auch durch den Bohrlochringraum zum Bohrlochmund gespült. Nachfolgend wird der umgelagerte Boden mit Zementsuspension vermischt. So können verschieden geformte Gründungselemente erstellt werden.

Die Durchführung des HDI-Verfahrens mit einem Düsengestänge nach dem Stand der Technik soll im folgenden zur Vereinfachung anhand eines Düsengestänges skizziert werden, welches nur jeweils einen Suspensionsaustritt, Suspensionskanal und Hochdruckkanal, sowie jeweils eine Schneidstrahldüse und Suspensionsdüse aufweist: Sie geht in der Regel so vor sich, daß mit dem Düsengestänge und seiner Bohrkrone zunächst eine Bohrung auf die gewünschte Tiefe abgeteuft wird. Dabei wird zur Bohrspülung ein Spülmedium durch den Suspensionskanal geleitet, welches durch den axialen Suspensionsaustritt an der Spitze der Bohrkrone in den Bohrkronenbereich gelangt und eine

bohrvortriebsunterstützende Wirkung entfalten kann. Hochdruckkanal, Schneidstrahldüse und Suspensionsdüse sollen in dieser Phase noch inaktiv bleiben. Nach Erreichen der Endtiefe wird eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, unter hohem Druck, üblicherweise 300 - 400 bar, in den Hochdruckkanal eingeleitet, der mit der Schneidstrahldüse verbunden ist. Gleichzeitig wird eine Suspension, vorzugsweise eine Zementsuspension, ebenfalls unter Druck in den Suspensionskanal geleitet, welcher neben dem Suspensionsaustritt auch mit der Suspensionsdüse verbunden ist. Das Bohrgestänge mit dem daran angebrachten Düsengestänge wird daraufhin langsam zurückgezogen, wobei gleichzeitig mit dem Schneidstrahl, der aus der Schneidstrahldüse austritt, der Baugrund gelöst und umgelagert, und das Injektionsgut durch die Suspensionsdüse unter Druck in den umgelagerten Boden eingepreßt wird.

Das Problem bei einem Düsengestänge nach dem Stand der Technik ist, daß der Suspensionskanal sowohl mit dem Suspensionsaustritt als auch mit der Suspensionsdüse verbunden ist; denn der Suspensionsfluß hat zwei Aufgaben: Beim Abbohren des Bohrstranges bis auf die Endtiefe ermöglicht er die axiale Spülung, beim anschließenden Injektionsvorgang gewährleistet er die Vermörtelung des durch den Schneidstrahl gelösten Bodens mittels radialem Einbringen der Suspension in den Boden. Die jeweilige Aufgabe kann aber nur mit der dazu bestgeeignetsten Fließrichtung optimal bewältigt werden.

Bisher versuchte man dieses Problem durch den Kompromiß von verschiedenen Querschnitten der axialen Suspensionsaustrittsöffnung und der radialen Suspensionsdüsöffnung zu lösen. Damit wurde jedoch ein

erhöhter Suspensionsverbrauch beim Abbohren und die nicht höchstmögliche Suspensionsgeschwindigkeit beim Injektionsvorgang in Kauf genommen.

Aus dem Stand der Technik, der im Fachbuch "Injektionen im Baugrund" von Christian Kutzner, Euke-Verlag, 1991, auf Seite 304 beschrieben ist, ergibt sich eine demgegenüber verbesserte Version, bei der der Weg der Bohrspülung, d.h. die Verbindung von Suspensionskanal und Suspensionsaustritt, nach Beendigung des Bohrens durch Einwurf einer Kugel versperrt wird, welche den Suspensionsaustritt verschließt. Die in den Suspensionskanal unter Druck geleitete Suspension kann dann nur noch durch die Suspensionsdüsen in der gewünschten Weise radial austreten. Aber auch diese Vorgehensweise nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, daß während des Bohrvorgangs ein Teil des Spülmediums durch die Suspensionsdüsen austritt, ohne eine vorteilhafte Wirkung zu entfalten. Außerdem funktioniert das Einwerfen einer Kugel in den Suspensionskanal nur bei entsprechender Formung des Düsengestänges und nur bei einem völlig freien Querschnitt des Suspensionskanals; zudem besteht die Gefahr, daß die Kugel den Suspensionsaustritt nicht vollständig abdichtet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt also der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Düsengestänge für die Anwendung des HDI-Verfahrens zu schaffen, welches beim Bohrvorgang einen Suspensionsfluß durch den Suspensionskanal in den Suspensionsaustritt bei gleichzeitigem Verschluß der Suspensionsdüse gewährleistet, und beim Injektionsvorgang den Suspensionsfluß so umlenkt, daß die Suspension durch den Suspensionskanal in die

Suspensionsdüse gelangt, wobei dann der Suspensionsaustritt verschlossen ist; diese Umlenkung soll selbsttätig erfolgen und zuverlässig sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Steuerschieber im Düsengestänge verschiebbar geführt ist, wobei mindestens ein Federelement den Steuerschieber in einer Ruhestellung hält, wobei der Steuerschieber, bzw. ein oder mehrere an diesen angebrachte Kolben zumindest in der Ruhestellung des Steuerschiebers in den oder die Hochdruckkanäle hineinragt, wobei dieser oder diese dichtend an der oder den Innenwandungen des oder der Hochdruckkanäle anliegt, und wobei der oder die Suspensionskanäle in der Ruhestellung des Steuerschiebers ausschließlich mit dem oder den Suspensionsaustritten verbunden und in der aktivierten Stellung des Steuerschiebers ausschließlich mit der oder den Suspensionsdüsen verbunden sind.

Bei der weiteren Erläuterung der Erfindung wird zur sprachlichen Vereinfachung im folgenden von nur jeweils einem Suspensionsaustritt, Hochdruckkanal, Suspensionskanal und Kolben, sowie von jeweils einer Schneidstrahldüse und Suspensionsdüse gesprochen:

Der Steuerschieber im erfindungsgemäßen Düsengestänge gewährleistet also die Umlenkung des Suspensionsflusses zwischen Bohrvorgang und Injektionsvorgang: Während des Bohrvorgangs, bei dem im Hochdruckkanal kein hoher Druck herrscht, wird der Steuerschieber mittels des Federelementes in Ruhestellung gehalten - der Suspensionsfluß erfolgt also über den Suspensionskanal durch den Suspensionsaustritt; die Suspensionsdüse ist

verschlossen. Ist die Endtiefe der Bohrung erreicht und soll die Injektion erfolgen, wird das Medium, das aus der Schneidstrahldüse austreten soll, unter Hochdruck in den Hochdruckkanal eingeleitet. Da nun der Steuerschieber, bzw. ein an diesem angebrachter Kolben in den Hochdruckkanal hineinragt, wobei er dichtend an der Innenwandung des Hochdruckkanals anliegt, wird der Steuerschieber entgegen der Federkraft des Federelements aus seiner Ruhestellung herausbewegt, bis er bei Erreichen des für den Schneidstrahl nötigen Drucks in einer aktivierten Stellung verbleibt. In dieser aktivierten Stellung verbindet der Steuerschieber jedoch den Suspensionskanal mit der Suspensionsdüse und verschließt gleichzeitig den Suspensionsaustritt, sodaß der Suspensionsfluß, wie für die Injektion erwünscht, vom Suspensionskanal in die radiale Suspensionsdüse erfolgt.

Vorteilhafterweise ist also sowohl gewährleistet, daß der Suspensionsfluß immer ausschließlich in die gewünschte Richtung erfolgt, als auch eine selbsttätige Umlenkung des Suspensionsflusses beim Beginn des Injektionsvorgangs erreicht. Somit ist die Wirkung des erfindungsgemäßen Düsengestänges gegenüber dem Stand der Technik zuverlässiger und besser, insbesondere ist die Ausströmgeschwindigkeit der Suspension durch die Suspensionsdüse vorteilhaft hoch, wobei gleichzeitig beim Bohrvorgang und beim Injektionsvorgang Suspensionsmaterial eingespart wird; außerdem kann es durch die selbstätige Umschaltung nicht vorkommen, daß beispielsweise vergessen wird, eine Kugel in den Suspensionskanal einzuwerfen.

Zweckmäßigerweise liegt der Steuerschieber in seiner aktivierten Stellung an einer Anschlagfläche an. Dadurch

wird erreicht, daß eine definierte Endstellung des Steuerschiebers beim Injektionsvorgang gewährleistet ist, ohne auf die Dimensionierung des Federelementes gesondert achten zu müssen. Das Federelment muß lediglich in der Lage sein, den Steuerschieber beim Bohrvorgang in Ruhestellung zu halten - es ist sogar vorteilhaft, wenn das Federelement schon bei einem Druck im Hochdruckkanal nachgibt, der einem Bruchteil des Höchstdrucks entspricht, denn die Anschlagfläche stellt auch in diesem Fall sicher, daß der Steuerschieber eine definierte aktivierte Stellung einnimmt.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Anschlagfläche eine Dichtfläche ist, welche den Suspensionskanal in aktivierter Stellung des Steuerschiebers vom Suspensionsaustritt trennt. So ist es möglich, den Steuerschieber so auszugestalten, daß er in aktivierter Stellung die Suspensionsdüse einfach freigibt, ohne einen gesonderten Verbindungskanal zwischen Suspensionskanal und Suspensionsdüse besitzen zu müssen.

Das Federelement ist vorzugsweise eine Schraubenfeder. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Steuerschieber eine Kolbenstange mit einem daran angebrachten Kolben aufweist, welcher in den Hochdruckkanal hineinragt: Die Schraubenfeder kann konzentrisch um die Kolbenstange angeordnet sein, wobei sie einerseits am Kolben, andererseits an einem Anschlagteller des Düsengestänges anliegt. Die Schraubenfeder ist dadurch praktisch in einer Federkammer untergebracht, und somit vor dem Eindringen von größeren Festkörpern oder erhärtendem Suspensionsmaterial geschützt, wodurch die Federwirkung beeinträchtigt werden könnte.

Eine bevorzugte Ausbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Anschlagteller gleichzeitig als Gleitführung für die Kolbenstange dient. Das kann besonders dann vorteilhaft sein, wenn der Steuerschieber besondere Verbindungkanäle aufweist, welche in den verschiedenen Stellungen des Steuerschiebers mit dem Suspensionskanal einerseits und mit der Suspensionsöffnung bzw. der Suspensionsdüse andererseits mit hoher Genauigkeit fluchten müssen.

Je nach Bodenbeschaffenheit kann es vorteilhaft sein, daß das Düsengestänge zusätzlich zur Bohrkrone einen oder mehrere Erweiterungsmeißel aufweist. Dadurch wird der Rückflußquerschnitt für die Bohrspülung vergrößert, die Fördermenge beim Bohren kann erhöht werden.

Der Steuerschieber kann separate Verbindungskanäle zur Herstellung der Verbindungen zwischen Suspensionskanal und Suspensionsaustritt in Ruhestellung, bzw. zwischen Suspensionskanal und Suspensionsdüse in aktivierter Stellung aufweisen. Dadurch werden die Anforderungen an eine abdichtende Wirkung der Steuerschieberaußenfläche verringert.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn im erfindungsgemäßen Düsengestänge zusätzlich ein Druckgaskanal vorhanden ist, der in mindestens eine Gasdüse mündet, welche in der Nähe der Schneidstrahldüse angeordnet ist, denn die Eindringtiefe des Düsenstrahles wird durch Gasunterstützung verbessert.

Sind die Gasdüsen jeweils kreisförmig um die Schneidstrahldüse angeordnet, entsteht vorteilhafterweise ein konzentrierter, luftummantelter Schneidstrahl, wodurch sich die Eindringtiefe des Schneidstrahls nochmals vergrößert.

Konstruktiv vereinfacht erhält man diese Wirkung, wenn diese Gasdüsen aus einer Ringdüse bestehen, die zur Schneidstrahldüse koaxial angeordnet ist.

Es sei noch erwähnt, daß auch hier lediglich aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung nur von einem Druckgaskanal und einer Gasdüse gesprochen wurde.

Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden näher beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Figur 1 ein Düsengestänge beim Bohrvorgang,

Figur 2 ein Düsengestänge beim Injektionsvorgang,

Figur 3 eine andere Ausführungsform eines Düsengestänges beim Bohrvorgang,

Figur 4 eine andere Ausführungsform des Düsengestänges beim Injektionsvorgang.

Die schematische Schnittzeichnung in Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Düsengestänges 1 mit je einem Druckgaskanal 8, Hochdruckkanal 9 und Suspensionskanal 10. Der Druckgaskanal 8 mündet in eine

Gasdüse 4, der Hochdruckkanal 9 mündet in die Schneidstrahldüse 5. Der Steuerschieber 11 wird von der Schraubenfeder 13, welche zwischen dem Kolben 12 und dem Anschlagteller 16 konzentrisch um die Kolbenstange 15 angeordnet ist, in Ruhestellung gehalten. In dieser Ruhestellung verbindet der Steuerschieber 11 den Suspensionskanal 10 mit dem Suspensionsaustritt 7 mittels einem Verbindungskanal 18, wobei er gleichzeitig den Suspensionskanal 10 von der Suspensionsdüse 6 trennt.

Figur 2 zeigt dieselbe Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Düsengestänges 1, jedoch während des Injektionsvorgangs; der Steuerschieber 11 befindet sich in seiner aktivierten Stellung. Die Schraubenfeder 13 wurde durch die Kraft, die vom in den Hochdruckkanal 9 eingeleiteten Druckmedium auf den Kolben 12 wirkt, zusammengedrückt, sodaß der Steuerschieber 11 nach unten geschoben wurde, bis seine Unterseite auf der Anschlagfläche 14 auflag. Die Dichtfläche 19 gewährleistet dabei, daß der Suspensionskanal 10 auch bei höheren Suspensionsdrücken vom Suspensionsaustritt 7 getrennt wird. Über den Verbindungskanal 18 ist der Suspensionskanal 10 nunmehr mit der Suspensionsdüse 6 verbunden: Die Suspension kann unter Druck radial in den umgebenden Boden gepreßt werden.

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Düsengestänges ist in der Figur 3 im Schnitt dargestellt: Die Innen- bzw. Ringräume zwischen drei im oberen Teil der Figur 3 dargestellten Rohren bilden den Druckgaskanal 8, den Hochdruckkanal 9 und den Suspensionskanal 10.

Figur 3 zeigt das Düsengestänge 1 beim Bohrvorgang, also mit einem Steuerschieber 11 in Ruhestellung- Demzufolge ist der Suspensionskanal 10 über Verbindungskanäle 18 im Steuerschieber 11 mit dem Suspensionsaustritt 7 verbunden, während gleichzeitig die Suspensionsdüse 6 vom Steuerschieber 11 abgedichtet wird. Der Hochdruckkanal 9 wird beim Bohrvorgang nicht benutzt, daher erfährt die Schraubenfeder 13 keine Gegenkraft über den Kolben 12, und kann so den Steuerschieber 11 über die Kolbenstange 15 in seiner Ruhestellung halten. Die dargestellte Ausführungsform hat neben der Bohrkrone 3 noch einen Erweiterungsmeißel 17.

Figur 4 zeigt dieselbe Ausführungsform wie Figur 3, jedoch beim Injektionsvorgang, d.h., ein Druckmedium wurde in den Hochdruckkanal 9 eingeleitet, welches über die Schneidstrahldüse 5 in einem Schneidstrahl 23 den Boden erodiert und gleichzeitig eine Kraft auf den Kolben 12 ausübt, sodaß die Schraubenfeder 13 zusammengedrückt wurde und der Steuerschieber 11 in seinem Zylinder 20 soweit nach unten verschoben wurde, bis er auf der Anschlagfläche 14, die gleichzeitig eine Dichtfläche 19 ist, zum Aufliegen kam. Der Suspensionskanal 10 ist dementsprechend durch die Dichtfläche 19 vom Suspensionsaustritt 7 getrennt, nun jedoch mit der vom Steuerschieber 11 freigegebenen Suspensionsdüse 6 in Verbindung. Der Schneidstrahl wird durch das Druckgas, das vom Druckgaskanal 8 herkommend aus der ringförmigen, zur Schneidstrahldüse 5 koaxialen Gasdüse 4 austritt, unterstützt. Um die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Düsengestänges 1 beim Injektionsvorgang zu verdeutlichen, sind außerdem die Richtungen von Suspensionsstrahl 22, Schneidstrahl 23 und Druckgasstrahl 24 mit Pfeilen dargestellt.

Bezugszeichenliste

I Düsengestänge 2

3 Bohrkrone

4 Gasdüse

5 Schneidstrahldüse

6 Suspensionsdüse

7 Suspensionsaustritt

8 Druckgaskanal

9 Hochdruckkanal

10 Suspensionskanal

II Steuerschieber

12 Kolben

13 Schraubenfeder

14 Anschlagfläche

15 Kolbenstange

16 Anschlagteller

17 Erweiterungsmeißel

18 Verbindungskanäle

19 Dichtfläche

20 Zylinder

21 Bohrspülung

22 Suspensionsstrahl

23 Schneidstrahl

24 Druckgasstrahl

Claims

Ansprüche

1. Düsengestänge für Injektionen im Baugrund zur Verfestigung oder Abdichtung unter Anwendung des Hochdruckinjektionsverfahrens (HDI) mit einer Bohrkrone (3), mit mindestens einer Schneidstrahldüse (5) und mindestens einer im wesentlichen radialen Suspensionsdüse (6), sowie mindestens einem im wesentlichen axialen Suspensionsaustritt (7) für die Bohrspülung, mit mindestens einem Hochdruckkanal (9) und mindestens einem Suspensionskanal (10),
dadurch gekennzeichnet,

daß ein Steuerschieber (11) im Düsengestänge (1) verschiebbar geführt ist, wobei:

a) mindestens ein Federelement den Steuerschieber (11) in einer Ruhestellung hält,

b) der Steuerschieber (11), bzw. ein oder mehrere an diesen angebrachte Kolben (12) zumindest in der Ruhestellung des Steuerschiebers (11) in den oder die Hochdruckkanäle (9) hineinragt, wobei er dichtend an der oder den Innenwandungen des oder der Hochdruckkanäle (9) anliegt, und

c) der oder die Suspensionskanäle (10) in der Ruhestellung des Steuerschiebers (11) ausschließlich mit dem oder den Suspensionsaustritten (7) verbunden und in einer aktivierten Stellung des Steuerschiebers (11) ausschließlich mit der oder den Suspensionsdüsen (6) verbunden sind.

2. Düsengestänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Steuerschieber (11) in seiner aktivierten Stellung an einer Anschlagfläche (14) anliegt.

3. Düsengestänge nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet

daß die Anschlagfläche (14) eine Dichtfläche (19) ist, welche den oder die Suspensionskanäle (10) in aktivierter Stellung des Steuerschiebers (11) von dem oder den Suspensionsaustritten (7) trennt.

4. Düsengestänge nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das oder die Federelemente Schraubenfedern (13) sind.

5. Düsengestänge nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schraubenfedern (13) konzentrisch um je eine Kolbenstange (15) angeordnet sind, welche je einen Kolben (12) mit dem Steuerschieber (11) verbindet, wobei jede Schraubenfeder (13) einerseits am zugehörigen Kolben (12), andererseits an einem Anschlagteller (16) des Düsengestänges (1) anliegt.

6. Düsengestänge nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Anschlagteller (16) gleichzeitig als Gleitführung für die Kolbenstange (15) dient.

7. Düsengestänge nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Düsengestänge (1) zusätzlich zur Bohrkrone (3) einen oder mehrere Erweiterungsmeißel (17) aufweist.

8. Düsengestänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (11) Verbindungskanäle (18) für die verschiedenen Verbindungen des oder der Suspensionskanäle (10) mit dem oder den Suspensionsaustritten (7) und/oder mit der oder den Suspensionsdüsen (6) aufweist.

9. Düsengestänge nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Druckgaskanal (8) vorhanden ist, der in mindestens eine Gasdüse (4) mündet, welche jeweils in der Nähe einer Schneidstrahldüse (5) angeordnet ist.

10. Düsengestänge nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdüsen (4) jeweils kreisförmig um die Schneidstrahldüse (5) oder -düsen (5) angeordnet sind.

11. Düsengestänge nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdüse (4) oder Gasdüsen (4) Ringdüsen sind, wobei jeweils eine Gasdüse (4) koaxial zu je einer Schneidstrahldüse (5) angeordnet ist.