EP1519000A1 - Verdrängerbohrer sowie Verfahren für dessen Gebrauch - Google Patents

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EP1519000A1
EP1519000A1 EP04020562A EP04020562A EP1519000A1 EP 1519000 A1 EP1519000 A1 EP 1519000A1 EP 04020562 A EP04020562 A EP 04020562A EP 04020562 A EP04020562 A EP 04020562A EP 1519000 A1 EP1519000 A1 EP 1519000A1
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displacer
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head
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Bauer Maschinen GmbH
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    • E02D5/72—Pile shoes
    • 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
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
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    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/26—Drilling without earth removal, e.g. with self-propelled burrowing devices

Definitions

  • the invention relates firstly to a drilling tool for displacement drilling in the ground, with a drill string, at the bottom End of a displacer head is releasably attached.
  • the invention a method for displacement drilling in Floor, in which a displacer, which at a lower End of a drill string is releasably secured, under displacement from soil material in the ground to a designated Depth is introduced, in which the drill string from the displacer head is released and withdrawn from the ground.
  • Such a method is also called positive displacement drilling lost displacer known.
  • the displacer remains doing so in the ground and forms the footprint for a above it produced concrete or stabilizing column. For this is generated after retraction of the drill string in the Drilling hole concrete or other contents introduced.
  • the problem is that at certain soil conditions no stable borehole wall is produced. That is, soil material can be filled before filling of the borehole produced from the borehole wall down fall. This soil material is present in the concrete or stabilizing column defects that the Detriment to the carrying capacity of the column produced.
  • the invention has for its object to provide a drilling tool and a method for positive displacement drilling in the ground, with which holes can be produced with a particularly stable borehole.
  • the drilling tool according to the invention is characterized that the lower end of the drill string as a displacement area is formed, which opposite to the adjacent Bohrstrang Scheme is widened. After loosening the displacer head can thus trained at the lower end of the drill string expanded displacement area again for smoothing contribute to the borehole wall when retracting the drill string.
  • the displacer from above displaced soil material displaced into the borehole wall become. This prevents on the one hand prevents unwanted Soil in the cavity of the borehole to be filled accumulates. On the other hand, this leads to additional displacement of soil material in the borehole wall during retraction of the drill string for additional compaction and consolidation and thus stabilization of the borehole wall.
  • the displacer area can basically have different shapes, about a purely conical or a spherical shape, have. According to the invention however, it is preferred that the displacement area a cylindrical segment which gradually, especially conical, in the adjacent drill string area passes. A cylindrical segment can be manufactured realize particularly cost-effective. In addition, over the entire length of the cylinder segment a uniform displacement effect achieved. In addition to a purely conical shape of the Transition area to the displacement area can also be another continuous curved course, such as arcuate or quarter-circular, be provided.
  • the displacer head has an outer spiral.
  • the displacer head can thereby be screwed into the ground, which a particularly good displacement effect can be achieved.
  • the displacer head can be made not only of steel but also of Plastic, fiber concrete or other suitable material be.
  • the displacement area on the drill string has an outer diameter, which equal to or smaller than the outside diameter of the outside spiral of the displacer head is.
  • the outer diameter of the displacer area by up to 10 to 20% less than the outer diameter of the outer spiral.
  • a further improvement of the compression effect is achieved according to the invention achieved in that at the drill string area, which adjoins the displacer area, a Bohrstrangchtl is trained. Through this drill string spiral can of above falling material at a corresponding rotational movement the drill string targeted promoted in the displacement become.
  • the drill string helix opposite to the outer spiral of the displacer head is winding. In this way, at an opposite Rotation of the drill string when retracting the penetration process, the desired conveying effect to the displacement be achieved.
  • the drill string for introducing a filling is tubular.
  • the contents can through the inner cavity already during retraction of the drill string be filled so that thereby a support of the Borehole wall is reached.
  • the method according to the invention is characterized that at the lower end of the drill string a displacement area is formed, with which when retracting the drill string From above coming drilling material is displaced laterally.
  • the Displacer To produce the borehole, it is preferred that on the Displacer an outer spiral is formed, wherein the Drill strand turned in one direction when placed in the ground becomes, in which the outside spiral soil material laterally and promotes upwards.
  • the displacer thus fulfills the significant compaction effect when screwed into the ground.
  • a preferred embodiment of the invention is that the displacer head by turning in opposite direction and / or by activating a release device from the drill string is solved.
  • a simple Screw connection between the displacer head and the drill string consist.
  • it can also be another connection device, such as a bayonet lock or a release device with a mechanical or electrical adjustment Block element consist, which is a reliable release of the Displacer head allowed by the drill string.
  • An additional compression is characterized according to the invention achieved that at the Bohrstrang Symposium, which at the Verdränger Symposium adjacent, a Bohrstrangplanetaryl formed is, wherein when retracting the drill string in one direction is rotated, in which the Bohrstrangplanetaryl come from above promotes the soil material in the displacement area. in this connection can come from above of the soil material also in a relative narrow gap between the displacer area and the borehole wall be pressed.
  • the generated wellbore be retracted of the drill string is filled with a filling material. In this way, the borehole wall at any time by the Drilling tool or the product itself reliably supported.
  • the single drawing shows a side view of an inventive Drilling tool 10.
  • the drilling tool 10 has a conical for positive displacement drilling Displacer 40, on the outside of an outer coil 42 is formed.
  • a conical for positive displacement drilling Displacer 40 On the outside of an outer coil 42 is formed.
  • peg-shaped Carrier 44 is formed, which in corresponding recesses 34 engage the lower end of the drill string 20.
  • the tubular drill string 20 has at its lower End of a widened displacement area 30, which via a cone 32 in an adjacent drill string area 22 having a substantially constant outer diameter passes.
  • a Bohrstranglingerl 24 formed whose maximum outer diameter about the outer diameter of the widened cylindrical trained displacer 30 corresponds.
  • the Bohrstrangchtl 24 extends to the cylindrical Range of the displacer 30 and runs in the section of the cone 32 gradually.
  • the displacer head 40 in its upper region a base cylinder 46 with a Outer diameter, which corresponds to the outer diameter of the displacement 30 corresponds.
  • the opposite projecting Outer spirals 42 of the displacer 40 produce during displacement drilling a fault zone in the borehole wall.
  • the drill string 20 After loosening from the displacer 40 at a designated final depth of Drill hole is the drill string 20 with opposite rotation slowly pulled out of the hole.
  • Soil material from the fault zone of the borehole wall is about the drill string helix 24 down to the displacer 30th promoted. Due to the outside diameter of the displacer area 30, the soil material in the borehole wall, in particular into the fault zone of the borehole wall, displaced.
  • the borehole wall is smoothed and in addition compacted. At the same time it prevents soil material accumulates on the lost displacer 40 and flaws forms in a concrete column to be produced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren zum Verdrängungsbohren im Boden. Am unteren Ende eines Bohrstranges (20) ist ein Verdrängerkopf (40) lösbar befestigt, welcher beim Einbringen in den Boden umgebendes Bodenmaterial verdrängt. Bei Erreichen einer vorgegebenen Tiefe wird der Bohrstrang vom Verdrängerkopf gelöst. Das untere Ende des Bohrstranges ist als ein Verdrängerbereich (30) ausgebildet, welcher gegenüber dem angrenzenden Bohrstrangbereich aufgeweitet ist. Durch den aufgeweiteten Verdrängerbereich wird von oben kommendes Bodenmaterial beim Zurückziehen in die Bohrlochwandung verdrängt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Bohrwerkzeug zum Verdrängungsbohren im Boden, mit einem Bohrstrang, an dessen unterem Ende ein Verdrängerkopf lösbar befestigt ist. Zum anderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verdrängungsbohren im Boden, bei dem ein Verdrängerkopf, welcher an einem unteren Ende eines Bohrstranges lösbar befestigt ist, unter Verdrängung von Bodenmaterial in den Boden bis zu einer vorgesehenen Tiefe eingebracht wird, in welcher der Bohrstrang vom Verdrängerkopf gelöst und aus dem Boden zurückgezogen wird.
Ein derartiges Verfahren ist auch als Verdrängungsbohren mit verlorenem Verdrängerkopf bekannt. Der Verdrängerkopf verbleibt dabei im Boden und bildet die Aufstandsfläche für eine darüber hergestellte Beton- oder Stabilisierungssäule. Hierzu wird nach dem Zurückziehen des Bohrstranges in das erzeugte Bohrloch Beton oder ein anderes Füllgut eingeleitet.
Bei diesem bekannten Verfahren besteht das Problem, dass bei bestimmten Bodenverhältnissen keine stabile Bohrlochwandung erzeugt wird. Das heißt, Bodenmaterial kann vor dem Befüllen des erzeugten Bohrloches von der Bohrlochwandung nach unten fallen. Dieses Bodenmaterial stellt in der zu erzeugenden Beton- oder Stabilisierungssäule Fehlstellen dar, welche die Tragfähigkeit der erzeugten Säule beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren zum Verdrängungsbohren im Boden anzugeben, mit welchen Bohrlöcher mit einer besonders stabilen Bohrlochwandung erzeugt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß zum einen durch ein Bohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Bohrstranges als ein Verdrängerbereich ausgebildet ist, welcher gegenüber dem angrenzenden Bohrstrangbereich aufweitet ist. Nach dem Lösen des Verdrängerkopfes kann somit der am unteren Ende des Bohrstranges ausgebildete aufgeweitete Verdrängerbereich nochmals zur Glättung der Bohrlochwandung beim Zurückziehen des Bohrstranges beitragen. Insbesondere kann durch den Verdrängerbereich von oben nachfallendes Bodenmaterial in die Bohrlochwandung verdrängt werden. Hierdurch wird einerseits verhindert, dass sich unerwünschtes Bodenmaterial im zu verfüllenden Hohlraum des Bohrloches ansammelt. Andererseits führt das zusätzliche Verdrängen von Bodenmaterial in die Bohrlochwandung beim Zurückziehen des Bohrstranges zu einer zusätzlichen Verdichtung und Verfestigung und damit Stabilisierung der Bohrlochwandung.
Der Verdrängerbereich kann grundsätzlich verschiedene Formen, etwa eine rein konische oder eine ballige Form, aufweisen. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, dass der Verdrängerbereich ein zylindrisches Segment aufweist, welches allmählich, insbesondere konisch, in den angrenzenden Bohrstrangbereich übergeht. Ein zylindrisches Segment lässt sich fertigungstechnisch besonders kostengünstig verwirklichen. Zudem wird über die gesamte Länge des Zylindersegmentes eine gleichmäßige Verdrängungswirkung erzielt. Neben einer rein konischen Form des Übergangsbereiches zum Verdrängerbereich kann auch ein anderer stetiger kurvenförmiger Verlauf, etwa bogenförmig oder viertelkreisförmig, vorgesehen sein.
Für eine gute Verdrängerwirkung ist es erfindungsgemäß, dass der Verdrängerkopf eine Außenwendel aufweist. Der Verdrängerkopf kann hierdurch in den Boden eingeschraubt werden, wodurch sich eine besonders gute Verdrängungswirkung erzielen lässt. Der Verdrängerkopf kann nicht nur aus Stahl sondern auch aus Kunststoff, Faserbeton oder einem anderen geeigneten Material sein.
Nach der Erfindung ist es von Vorteil, das der Verdrängerbereich am Bohrstrang einen Außendurchmesser aufweist, welcher gleich oder kleiner als der Außendurchmesser der Außenwendel des Verdrängerkopfes ist. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Verdrängerbereiches um bis zu 10 bis 20 % kleiner als der Außendurchmesser der Außenwendel. Auch bei diesem Untermaß wird eine gute Glättung und Verdichtung der Bohrlochwandung erzeugt, welche aufgrund der Einschraubbewegung des Verdrängerkopfes Ungleichmäßigkeiten aufweist. Eine besonders gute Verdichtungswirkung wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass der Außendurchmesser des Verdrängerbereiches etwa dem Außendurchmesser der Außenwendel des Verdrängerkopfes entspricht.
Eine weitere Verbesserung der Verdichtungswirkung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an dem Bohrstrangbereich, welcher an den Verdrängerbereich angrenzt, eine Bohrstrangwendel ausgebildet ist. Durch diese Bohrstrangwendel kann von oben nachfallendes Material bei einer entsprechenden Drehbewegung des Bohrstranges gezielt in den Verdrängerbereich gefördert werden.
Weiter ist es nach der Erfindung bevorzugt, dass die Bohrstrangwendel entgegengesetzt zur Außenwendel des Verdrängerkopfes gewunden ist. Auf diese Weise kann bei einer entgegengesetzten Drehung des Bohrstranges beim Zurückziehen gegenüber dem Eindringvorgang die gewünschte Förderwirkung zum Verdrängerbereich erzielt werden.
Zur Erzeugung besonders stabiler Gründungssäulen im Boden ist es erfindungsgemäß, dass an dem Verdrängerkopf Armierungselemente befestigbar sind. Dies können Stahlseile oder Metallstangen sein, welche beispielsweise in einer Betonsäule eine Armierung darstellen.
Zum Verfüllen des erzeugten Bohrloches ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass der Bohrstrang zum Einleiten eines Füllgutes rohrförmig ausgebildet ist. Somit kann das Füllgut durch den inneren Hohlraum bereits beim Zurückziehen des Bohrstranges eingefüllt werden, so dass hierdurch eine Abstützung der Bohrlochwandung erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende des Bohrstranges ein Verdrängerbereich ausgebildet ist, mit welchem beim Zurückziehen des Bohrstranges von oben kommendes Bohrmaterial seitlich verdrängt wird. Mit diesem Verfahren lassen sich die vorbeschriebenen Vorteile einer stabilen Bohrlochwandung erreichen.
Zur Erzeugung des Bohrloches ist es bevorzugt, dass an dem Verdrängerkopf eine Außenwendel ausgebildet ist, wobei der Bohrstrang beim Einbringen in den Boden in eine Richtung gedreht wird, in welcher die Außenwendel Bodenmaterial seitlich und nach oben fördert. Der Verdrängerkopf erfüllt somit die wesentliche Verdichtungswirkung beim Eindrehen in den Boden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Verdrängerkopf durch Drehen in entgegengesetzte Richtung und/oder durch Aktivieren einer Löseeinrichtung vom Bohrstrang gelöst wird. Im ersteren Fall kann eine einfache Schraubverbindung zwischen dem Verdrängerkopf und dem Bohrstrang bestehen. Es kann jedoch auch eine andere Verbindungseinrichtung, etwa ein Bajonettverschluss oder eine Löseeinrichtung mit einem mechanisch oder elektrisch zu verstellenden Sperrelement bestehen, welches ein zuverlässiges Lösen des Verdrängerkopfes vom Bohrstrang erlaubt.
Eine zusätzliche Verdichtung wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass an dem Bohrstrangbereich, welcher an den Verdrängerbereich angrenzt, eine Bohrstrangwendel ausgebildet ist, wobei beim Zurückziehen der Bohrstrang in eine Richtung gedreht wird, in welcher die Bohrstrangwendel von oben kommen des Bodenmaterial in den Verdrängerbereich fördert. Hierbei kann von oben kommen des Bodenmaterial auch in einen relativ engen Spalt zwischen den Verdrängerbereich und der Bohrlochwandung gepresst werden.
Zur Herstellung armierter Säulen im Boden ist es erfindungsgemäß, dass beim Zurückziehen Armierungselemente, welche am Verdrängerkopf befestigt sind, mit nach oben geführt werden.
Weiter ist es bevorzugt, dass das erzeugte Bohrloch beim Zurückziehen des Bohrstranges mit einem Füllgut verfüllt wird. Auf diese Weise wird die Bohrlochwandung jederzeit durch das Bohrwerkzeug oder das Füllgut selbst zuverlässig abgestützt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, welches schematisch in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist.
Die einzige Zeichnung zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges 10.
Das Bohrwerkzeug 10 weist zum Verdrängungsbohren einen konischen Verdrängerkopf 40 auf, an dessen Außenseite eine Außenwendel 42 ausgebildet ist. Zum Verbinden mit einem Bohrstrang 20 sind an der Oberseite des Verdrängerkopfes 40 zapfenförmige Mitnehmer 44 ausgebildet, welche in entsprechende Ausnehmungen 34 am unteren Ende des Bohrstranges 20 eingreifen.
Der rohrförmig ausgebildete Bohrstrang 20 weist an seinem unteren Ende einen aufgeweiteten Verdrängerbereich 30 auf, welcher über einen Konus 32 in einen angrenzenden Bohrstrangbereich 22 mit einem im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser übergeht. Am Außenumfang des Bohrstrangbereiches 22 ist eine Bohrstrangwendel 24 ausgebildet, deren maximaler Außendurchmesser etwa dem Außendurchmesser des aufgeweiteten zylindrisch ausgebildeten Verdrängerbereiches 30 entspricht. Die Bohrstrangwendel 24 erstreckt sich bis zu dem zylindrischen Bereich des Verdrängerkopfes 30 und läuft im Abschnitt des Konus 32 allmählich aus.
Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Verdrängerkopf 40 in seinem oberen Bereich einen Grundzylinder 46 mit einem Außendurchmesser auf, welcher dem Außendurchmesser des Verdrängerbereichs 30 entspricht. Die demgegenüber vorstehenden Außenwendeln 42 des Verdrängerkopfes 40 erzeugen beim Verdrängungsbohren eine Störzone in der Bohrlochwandung. Nach dem Lösen vom Verdrängerkopf 40 bei einer vorgesehenen Endtiefe des Bohrloches wird der Bohrstrang 20 bei entgegengesetzter Drehung langsam aus dem Bohrloch gezogen. Von oben nachfallendes Bodenmaterial aus der Störzone der Bohrlochwandung wird über die Bohrstrangwendel 24 nach unten zum Verdrängerbereich 30 gefördert. Aufgrund des Außendurchmessers des Verdrängerbereichs 30 wird das Bodenmaterial in die Bohrlochwandung, insbesondere in die Störzone der Bohrlochwandung, verdrängt. Hierdurch wird die Bohrlochwandung geglättet und zusätzlich verdichtet. Gleichzeitig wird verhindert, dass Bodenmaterial sich auf dem verlorenen Verdrängerkopf 40 ansammelt und Fehlstellen in einer zu erzeugenden Betonsäule bildet.

Claims (14)

  1. Bohrwerkzeug zum Verdrängungsbohren im Boden, mit einem Bohrstrang (20), an dessen unterem Ende ein Verdrängerkopf (40) lösbar befestigt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Bohrstranges (20) als ein Verdrängerbereich (30) ausgebildet ist, welcher gegenüber dem angrenzenden Bohrstrangbereich (22) aufgeweitet ist.
  2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerbereich (30) ein zylindrisches Segment aufweist, welches allmählich, insbesondere konisch, in den angrenzenden Bohrstrangbereich (22) übergeht.
  3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkopf (40) eine Außenwendel (42) aufweist.
  4. Bohrwerkzeug nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerbereich (30) am Bohrstrang (20) einen Außendurchmesser aufweist, welcher gleich oder kleiner als der Außendurchmesser der Außenwendel (42) des Verdrängerkopfes (40) ist.
  5. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass an dem Bohrstrangbereich (22), welcher an den Verdrängerbereich (30) angrenzt, eine Bohrstrangwendel (24) ausgebildet ist.
  6. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstrangwendel (24) entgegengesetzt zur Außenwendel (42) des Verdrängerkopfes (40) gewunden ist.
  7. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verdrängerkopf (40) Armierungselemente befestigbar sind.
  8. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrstrang (20) zum Einleiten eines Füllgutes rohrförmig ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Verdrängungsbohren im Boden, insbesondere mit einem Bohrwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    bei dem ein Verdrängerkopf (40), welcher an einem unteren Ende eines Bohrstranges (20) lösbar befestigt ist, unter Verdrängung von Bodenmaterial in den Boden bis zu einer vorgesehenen Tiefe eingebracht wird, in welcher der Bohrstrang (20) vom Verdrängerkopf (40) gelöst und aus dem Boden zurückgezogen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende des Bohrstranges (20) ein Verdrängerbereich (30) ausgebildet ist, mit welchem beim Zurückziehen des Bohrstranges (20) von oben kommendes Bodenmaterial seitlich verdrängt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verdrängerkopf (40) eine Außenwendel (42) ausgebildet ist, wobei der Bohrstrang (20) beim Einbringen in den Boden in eine Richtung gedreht wird, in welcher die Außenwendel (42) Bodenmaterial seitlich und nach oben fördert.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkopf (40) durch Drehen in entgegengesetzte Richtung und/oder durch Aktivieren einer Löseeinrichtung vom Bohrstrang (20) gelöst wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass an dem Bohrstrangbereich (22), welcher an den Verdrängerbereich (30) angrenzt, eine Bohrstrangwendel (24) ausgebildet ist, wobei beim Zurückziehen der Bohrstrang (20) in eine Richtung gedreht wird, in welcher die Bohrstrangwendel (22) von oben kommendes Bodenmaterial in den Verdrängerbereich (30) fördert.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass beim Zurückziehen Armierungselemente, welche am Verdrängerkopf (40) befestigt sind, mit nach oben geführt werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Bohrloch beim Zurückziehen des Bohrstranges (20) mit einem Füllgut verfüllt wird.
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