EP1279793A1 - Bohrkopf - Google Patents

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EP1279793A1
EP1279793A1 EP02015007A EP02015007A EP1279793A1 EP 1279793 A1 EP1279793 A1 EP 1279793A1 EP 02015007 A EP02015007 A EP 02015007A EP 02015007 A EP02015007 A EP 02015007A EP 1279793 A1 EP1279793 A1 EP 1279793A1
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nose
head according
drilling head
drill
approximately
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Alexander J. Verstraeten
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Beheersmaatschappij Verstraeten BV
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/34—Concrete or concrete-like piles cast in position ; Apparatus for making same
    • E02D5/36—Concrete or concrete-like piles cast in position ; Apparatus for making same making without use of mouldpipes or other moulds
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/26—Drilling without earth removal, e.g. with self-propelled burrowing devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/44—Bits with helical conveying portion, e.g. screw type bits; Augers with leading portion or with detachable parts

Definitions

  • the invention relates to a drill head for a drill for the production of earth boreholes with displacement of the soil with a threaded core which tapers continuously from a larger diameter at its rear end to a tip at its front end, so that the outer circumference of the thread core is seen in cross section forms a step-like contour with horizontal and vertical step surfaces.
  • Such a drill is known from DE 29 36 060 C2.
  • the drill head can be detachably attached to a drill pipe.
  • the drill head is designed as a hollow body and has a collar on the back, into which the drill pipe can be inserted with its front end.
  • the screw-shaped thread core continuously presses the ground surrounding the drill head, the displacement forces increasing with increasing diameter of the drill head. Power losses occur in the area of the vertical step surfaces of the thread core, since the soil, with increasing basic tension, switches to an area with lower basic tension. This phenomenon is also known as "slip".
  • the nose provided according to the invention generates an upward force when the drill head is screwed into the ground through the inclined surface of the nose, which substantially reduces the slip described at the beginning. This means that drilling can be done faster and higher drilling capacities are possible.
  • the nose extends continuously from the area of the rear end of the drill head to the area of the tip. This creates the upward force along the largest possible screw length of the drill head.
  • the radial extension of the nose is approximately 1 to 5% of the maximum diameter of the thread core. This ensures that the reduction of the slip is ensured, but that the nose due to a too large radial Expansion does not produce any other negative effects on the drilling process.
  • the radial extension of the nose can preferably be approximately 10 to 20 mm, in particular approximately 15 mm.
  • the ratio of radial to axial extension of the nose can be approximately 2: 1. Such training has shown positive results in test trials.
  • a helically surrounding rib can be provided in the region of the rear end of the drill head, but this rib does not overlap with the nose.
  • the drill head 2 is a metallic hollow cone body with a threaded core which extends from a larger diameter at its rear end to a tip at its front End continuously tapered helically so that seen in cross section, the outer circumference of the thread core forms a step-shaped contour with horizontal step faces 12 and vertical step faces 14.
  • the metallic hollow cone body also has a helical inside, so that it has the same wall thickness everywhere in relation to the height of the turns. The only exception is the cone base, which is open at the top and has a larger wall thickness.
  • the reinforced cone base is provided with teeth 3, the gaps between the teeth 3 being connected to the interior and the base opening of the hollow cone body.
  • an outwardly projecting rib 4 extending perpendicular to the drilling axis is provided on the outer circumference in the area of the hollow cylindrical section of the drilling head.
  • a collar 5 protrudes above the rib 4 and the teeth 3, which collar runs in parallel with the drill head axis and is arranged almost flush with respect to the outside of the penultimate turn 6 located next to the rib 4.
  • the upper edge of the collar 5 has an inner bevel 7.
  • the inner wall of the hollow cone body thus formed is provided with stiffening ribs.
  • the apex angle ⁇ of the drill head 2 designed in this way is approximately 50 to 60 °.
  • a continuously helical circumferential nose 16 is provided according to the invention, the underside 18 of which, seen in cross section, connects flush to the adjacent horizontal step surface 12.
  • the upper side 20 of the nose 16 forms an acute angle ⁇ of approximately 20 ° to the lower side 18.
  • the nose 16 extends continuously from the area of the rear end or the cylindrical section of the drill head to the area of its tip.
  • the radial extension of the nose is about 1 to 5% of the maximum diameter of the thread core, preferably about 10 to 20 mm.
  • the ratio of radial to axial extension of the nose is approximately 2: 1.
  • the nose 16 is rounded at its radially outer end.
  • the drill pipe 1 is a metallic hollow cylinder, the outer diameter of which is only slightly smaller than the inner diameter of the collar 5.
  • One end of this drill pipe 1 is provided with teeth 8 which fit between the teeth 3 of the drill head 2.
  • the assembly of the earth auger takes place by pushing the toothed end of the drill pipe 1 into the open end of the drill head 2 located within the collar 5, whereby, as can be seen above all from FIG. 2, between the bevel 7 of the collar 5 and a strand 9 of a suitable, sealing packing material is arranged at the lower end of the drill pipe 1 and is automatically carried between this end and the inner wall of the collar 5 as the drill pipe 1 is pushed further into the drill head 2. This results in an excellent seal between the Drill pipe 1 and the drill head 2.
  • the drill pipe 1 When the auger has been completely drilled into the ground, the drill pipe 1 is filled with concrete. After the concrete has hardened, the drill pipe can be pulled out of the borehole if necessary.

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Abstract

Ein Bohrkopf weist einen Gewindekern auf, der sich von einem größeren Durchmesser an seinem hinteren Ende zu einer Spitze an seinem vorderen Ende kontinuierlich schraubenförmig verjüngt, so daß der Außenumfang des Gewindekerns im Querschnitt gesehen eine stufenförmige Kontur mit horizontalen und vertikalen Stufenflächen bildet. Am Außenumfang des Gewindekerns ist eine umlaufende Nase vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf für einen Bohrer zur Herstellung von Erdbohrlöchern unter Verdrängung des Erdreichs mit einem Gewindekern, der sich von einem größeren Durchmesser an seinem hinteren Ende zu einer Spitze an seinem vorderen Ende kontinuierlich schraubenförmig verjüngt, so daß der Außenumfang des Gewindekerns im Querschnitt gesehen eine stufenförmige Kontur mit horizontalen und vertikalen Stufenflächen bildet.
  • Ein derartiger Bohrer ist aus der DE 29 36 060 C2 bekannt. Der Bohrkopf kann lösbar an einem Bohrrohr befestigt werden. Der Bohrkopf ist als Hohlkörper ausgebildet und trägt rückseitig einen Kragen, in den das Bohrrohr mit seinem Vorderende einsteckbar ist. Beim Eindrehen eines solchen Bohrkopfes in das Erdreich wird durch den schraubenförmigen Gewindekern das den Bohrkopf umgebende Erdreich kontinuierlich nach außen gedrückt, wobei die Verdrängungskräfte mit zunehmendem Durchmesser des Bohrkopfes ansteigen. Im Bereich der vertikalen Stufenflächen des Gewindekerns treten Kraftverluste auf, da das Erdreich mit zunehmender Grundspannung in einen Bereich mit niedrigerer Grundspannung ausweicht. Dieses Phänomen wird auch als "Slip" bezeichnet.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Bohrkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, der höhere Bohrleistungen zuläßt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, daß am Außenumfang des Gewindekerns eine kontinuierlich wendelförmig umlaufende Nase vorgesehen ist, deren Unterseite im Querschnitt gesehen bündig an eine horizontale Stufenfläche anschließt und deren Oberseite zur Unterseite um eine spitzen Winkel geneigt ist.
  • Durch die erfindungsgemäße vorgesehene Nase wird beim Eindrehen des Bohrkopfes in das Erdreich durch die geneigte Fläche der Nase eine nach oben gerichtete Kraft erzeugt, die den eingangs beschriebenen Slip wesentlich reduziert. Hierdurch kann schneller gebohrt werden und höhere Bohrleistungen sind möglich.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
  • Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die Nase kontinuierlich von dem Bereich des hinteren Endes des Bohrkopfes bis in den Bereich der Spitze. Hierdurch wird entlang der größtmöglichen Schraubenlänge des Bohrkopfes die nach oben gerichtete Kraft erzeugt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt die radiale Erstreckung der Nase etwa 1 bis 5 % des maximalen Durchmessers des Gewindekerns. Hierdurch ist gewährleistet, daß zwar die Reduzierung des Slips sichergestellt ist, daß jedoch die Nase aufgrund einer zu großen radialen Ausdehnung keine anderweitigen negativen Effekte auf den Bohrvorgang hervorruft. Bevorzugt kann die radiale Erstreckung der Nase etwa 10 bis 20 mm insbesondere etwa 15 mm betragen.
  • Das Verhältnis von radialer zu axialer Erstreckung der Nase kann etwa 2:1 betragen. Eine solche Ausbildung hat in Testversuchen positive Ergebnisse gezeigt.
  • Zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Nase kann im Bereich des hinteren Endes des Bohrkopfes eine wendelförmig umlaufende Rippe vorgesehen sein, die jedoch nicht mit der Nase überlappt.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Teil eines Erdbohrers mit Bohrkopf; und
    Fig. 2
    eine vergrößerte Teildarstellung von Fig. 1, wobei sich das Bohrrohr in einer Lage während des Hineinschiebens in den Bohrkopf kurz vor seiner Einkupplung in den Bohrkopf befindet.
  • Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Erdbohrer besteht im wesentlichen aus einem Bohrrohr 1 und einem einzelnen Bohrkopf 2. Der Bohrkopf 2 ist ein metallischer Hohlkegelkörper mit einem Gewindekern, der sich von einem größeren Durchmesser an seinem hinteren Ende zu einer Spitze an seinem vorderen Ende kontinuierlich schraubenförmig verjüngt, so daß der Außenumfang des Gewindekerns im Querschnitt gesehen eine stufenförmige Kontur mit horizontalen Stufenflächen 12 und vertikalen Stufenflächen 14 bildet. Der metallische Hohlkegelkörper weist auch eine schraubenförmige Innenseite auf, so daß er zur Höhe der Windungen überall die gleiche Wandstärke aufweist. Ausgenommen hiervon ist nur die oben offene Kegelbasis, die eine größere Wandstärke besitzt.
  • Die verstärkte Kegelbasis ist mit Zähnen 3 versehen, wobei die Lücken zwischen den Zähnen 3 mit dem Innenraum und der Basisöffnung des Hohlkegelkörpers in Verbindung stehen.
  • Im Bereich der Zähne 3 ist am Außenumfang im Bereich des hohlzylindrischen Abschnitts des Bohrkopfes eine auswärts vorspringende, senkrecht zur Bohrachse verlaufende Rippe 4 vorgesehen.
  • Am offenen Ende des Bohrkopfes 2 steht über der Rippe 4 und den Zähnen 3 ein Kragen 5 vor, der gleichlaufend mit der Bohrkopfachse ist und nahezu fluchtend in bezug auf die Außenseite der vorletzten, neben der Rippe 4 befindlichen Windung 6 angeordnet ist.
  • Der obere Rand des Kragens 5 weist eine innere Abschrägung 7 auf. Die Innenwand des derart gebildeten Hohlkegelkörpers ist mit Versteifungsrippen versehen.
  • Der Scheitelwinkel a des derart gestalteten Bohrkopfes 2 beträgt etwa 50 bis 60 °.
  • Am Außenumfang des Gewindekerns ist erfindungsgemäß eine kontinuierlich wendelförmig umlaufende Nase 16 vorgesehen, deren Unterseite 18 im Querschnitt gesehen bündig an die benachbarte horizontale Stufenfläche 12 anschließt. Die Oberseite 20 der Nase 16 bildet zur Unterseite 18 eine spitzen Winkel β von etwa 20°.
  • Wie Fig. 1 zeigt, erstreckt sich die Nase 16 kontinuierlich vom Bereich des hinteren Endes bzw. des zylindrischen Abschnittes des Bohrkopfes bis in den Bereich seiner Spitze. Die radiale Erstreckung der Nase beträgt etwa 1 bis 5 % des maximalen Durchmessers des Gewindekerns, bevorzugt etwa 10 bis 20 mm. Das Verhältnis von radialer zu axialer Erstreckung der Nase beträgt etwa 2:1. Ferner ist die Nase 16 an ihrem radial äußeren Ende abgerundet.
  • Das Bohrrohr 1 ist ein metallischer Hohlzylinder, dessen Außendurchmesser nur wenig kleiner als der Innendurchmesser des Kragens 5 ist. Das eine Ende dieses Bohrrohres 1 ist mit zwischen die Zähne 3 des Bohrkopfes 2 passenden Zähnen 8 versehen.
  • Die Montage des Erdbohrers findet durch Hineinschieben des mit Zähnen versehenen Endes des Bohrrohres 1 in das offene, innerhalb des Kragens 5 befindliche Ende des Bohrkopfes 2 statt, wobei, wie vor allem aus Fig. 2 ersichtlich ist, zwischen der Abschrägung 7 des Kragens 5 und dem unteren Ende des Bohrrohres 1 ein Strang 9 eines geeigneten, abdichtenden Packungsmaterials angeordnet wird, der während des weiteren Hineinschiebens des Bohrrohres 1 in den Bohrkopf 2 automatisch zwischen diesem Ende und der Innenwand des Kragens 5 mitgenommen wird. Es ergibt sich auf diese Weise eine ausgezeichnete Abdichtung zwischen dem Bohrrohr 1 und dem Bohrkopf 2. Nach dem Einschieben des ganzen Bohrrohres 1 in den Bohrkopf 2, wobei sich die Zähne 8 des Rohres 1 und die Zähne 3 des Bohrkopfes 2 miteinander in Eingriff befinden, läßt sich auf der Abschrägung 7, von der der vorgenannte Strang 9 sich jetzt ganz entfernt hat, ein zweiter Strang 10 desselben abdichtenden Packungsmaterials anordnen. Dieser zweite Strang wird beim Einsatz des Erdbohrers durch den im Bohrloch auf die Außenseite des Erdbohrers einwirkenden Wasserdruck in den Schlitz zwischen der Abschrägung 7 und dem Bohrer 1 gedrückt, was eine weitere Verbesserung der Abdichtung zwischen dem Bohrrohr 1 und dem Bohrkopf 2 zur Folge hat.
  • Wenn der Erdbohrer ganz in das Erdreich hineingebohrt worden ist, wird das Bohrrohr 1 mit Beton gefüllt. Nach dem Härten des Betons läßt sich das Bohrrohr ggf. aus dem Bohrloch herausziehen.

Claims (9)

  1. Bohrkopf (2) für einen Bohrer zur Herstellung von Erdbohrlöchern unter Verdrängung des Erdreichs, mit einem Gewindekern, der sich von einem größeren Durchmesser an seinem hinteren Ende zu einer Spitze an seinem vorderen Ende kontinuierlich schraubenförmig verjüngt, so daß der Außenumfang des Gewindekerns im Querschnitt gesehen eine stufenförmige Kontur mit horizontalen (12) und vertikalen (14) Stufenflächen bildet, dadurch gekennzeichnet, daß
    am Außenumfang des Gewindekerns eine kontinuierlich wendelförmig umlaufende Nase (16) vorgesehen ist, deren Unterseite (18) im Querschnitt gesehen bündig an eine horizontale Stufenfläche (14) anschließt und deren Oberseite (20) zur Unterseite (18) um einen spitzen Winkel (β) geneigt ist.
  2. Bohrkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sich die Nase (16) kontinuierlich von dem Bereich des hinteren Endes bis in den Bereich der Spitze des Bohrkopfes (2) erstreckt.
  3. Bohrkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die radiale Erstreckung der Nase (16) etwa 1 bis 5 % des maximalen Durchmessers des Gewindekerns beträgt.
  4. Bohrkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die radiale Erstreckung der Nase (16) etwa 10 bis 20 mm beträgt.
  5. Bohrkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Verhältnis von radialer zu axialer Erstreckung der Nase (16) etwa 2 : 1 beträgt.
  6. Bohrkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der spitze Winkel (β) etwa 15° bis 25°, insbesondere etwa 20° beträgt.
  7. Bohrkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Nase (16) an ihrem radial äußeren Ende abgerundet ist.
  8. Bohrkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Gewindekern im Bereich des hinteren Endes einen zylindrischen Schaftabschnitt (5) aufweist, und daß im Bereich dieses Schaftabschnittes (5) eine wendelförmig umlaufende Rippe (4) vorgesehen ist.
  9. Bohrkopf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    dieser rückseitig mit einer Verzahnung (3) versehen ist.
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