EP3530813B1 - Verfahren zur tiefenmessung der verrohrung bei der pfahlgründung sowie anbaugerät für die pfahlgründung - Google Patents

Verfahren zur tiefenmessung der verrohrung bei der pfahlgründung sowie anbaugerät für die pfahlgründung Download PDF

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EP3530813B1
EP3530813B1 EP19158770.8A EP19158770A EP3530813B1 EP 3530813 B1 EP3530813 B1 EP 3530813B1 EP 19158770 A EP19158770 A EP 19158770A EP 3530813 B1 EP3530813 B1 EP 3530813B1
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EP
European Patent Office
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casing
depth
attachment
pipe
pile foundation
Prior art date
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Active
Application number
EP19158770.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3530813A1 (de
Inventor
Patrick Jussel
Nicola Schlatter
Maximilian Mendler
Sebastian Wedl
Armin Englstler
Bernhard Schneider
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Liebherr Werk Nenzing GmbH
Original Assignee
Liebherr Werk Nenzing GmbH
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Publication date
Application filed by Liebherr Werk Nenzing GmbH filed Critical Liebherr Werk Nenzing GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D13/00—Accessories for placing or removing piles or bulkheads, e.g. noise attenuating chambers
    • E02D13/06—Accessories for placing or removing piles or bulkheads, e.g. noise attenuating chambers for observation while placing
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/28—Placing of hollow pipes or mould pipes by means arranged inside the piles or pipes
    • 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
    • E21B3/00—Rotary drilling
    • E21B3/02—Surface drives for rotary drilling
    • E21B3/025—Surface drives for rotary drilling with a to-and-fro rotation of the tool
    • 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
    • E21B3/00—Rotary drilling
    • E21B3/02—Surface drives for rotary drilling
    • E21B3/03—Surface drives for rotary drilling with an intermittent unidirectional rotation of the tool

Definitions

  • the invention relates to a method for depth measurement of the piping in the pile foundation with an attachment comprising a table for clamping a pipe, as described in the publication EP 3 081 737 A is removable. Furthermore, the presented invention comprises an attachment for a carrier machine, as it is basically from the JP2002 / 021076 A is known.
  • the casing depth reached ie the penetration depth of the clamped pipe, must be checked from time to time. At present, this task is essentially achieved by the operator of the casing machine and the driver of the rope excavator.
  • the length of the installed pipes is noted and the depth of the piping is calculated in connection with the estimated height of the upper edge of the pipe.
  • the depth of the piping is obtained by subtracting the height of the upper edge of the pipe from the length of the piping. If a more precise value is required, the casing machine must be stopped and the height of the upper edge of the pipe measured manually by the operator.
  • the disadvantage of the known method is that the depth cannot be measured and monitored continuously, but instead only a rough estimate is possible during the raw operation.
  • the casing machine must instead be stopped to allow a person access to the hazardous area on the pipe for manual measurement.
  • a method for depth measurement of the piping in the pile foundation is proposed for a specific attachment which has at least one table for clamping a pipe.
  • the pipe is firmly clamped to the table, advantageously clamped.
  • the attachment itself is mounted on a suitable carrier machine, such as a cable excavator or a drilling rig.
  • the table is used to fix and align the pipe and to generate a rotating movement of the pipe in order to screw it into the ground. As the penetration depth of the pipe into the ground progresses, the table of the attachment also drops continuously.
  • the method according to the invention makes use of this construction-related vertical movement of the table for the detection of the current casing depth.
  • the vertical movement of the machine table is recorded by sensors.
  • the vertical movement of the table can be measured directly by means of suitable sensors which, for example, are attached directly to the table or to components of the attachment that move with the table.
  • suitable sensors which, for example, are attached directly to the table or to components of the attachment that move with the table.
  • the attachment comprises at least one handlebar which is articulated on the one hand to the machine table and on the other hand is articulated to a stationary element of the attachment.
  • stationary means stationary relative to the table movement during the introduction of the pipe.
  • a vertical movement of the table consequently also leads to a movement of the handlebar.
  • Suitable sensors can be arranged on or in the area of the handlebar.
  • the handlebar can change its angle of inclination relative to the horizontal due to the design. It is possible to pick up this change in angle by sensors in order to be able to make a statement about the vertical movement of the table from it.
  • the movement of the handlebar can be detected by means of an inclination sensor or angle encoder installed on the handlebar.
  • the attachment usually comprises at least one steering actuator, in particular a steering cylinder, for actuating the handlebar. Under certain circumstances, the actuator status can also be helpful for determining the position of the steering rod or deriving the table movement.
  • the current vertical position of the table can be derived taking into account the geometric structure of the attachment.
  • the resulting vertical movement then preferably results from the temporal change in the vertical table position during the piping for the pile foundation.
  • the table While the piping is being installed, the table continues to descend close to the floor. It is therefore necessary from time to time to loosen the clamping and move the table upwards again along the pipe in order to clamp the pipe to the table with a higher pipe area.
  • the condition of the clamping of the pipe is checked, preferably checked continuously. According to the invention, only those vertical movements of the machine table during which a fixed clamping of the pipe in the machine table has been recognized are taken into account for the calculation of the casing depth.
  • the piping can be clamped to the table by means of a clamping mechanism.
  • a clamping mechanism for this purpose, one or more clamping actuators or clamping cylinders, which are actuated hydraulically or pneumatically, are provided in the machine table.
  • the pressure within the clamping actuators can then be observed, for example by means of one or more pressure sensors installed in the actuators.
  • the current piping depth or any determined sensor data of the attachment can be transmitted to at least one external device via a communication interface of the attachment. It is of particular importance to transmit this data to the carrier machine, i.e. the cable excavator. It is also possible to transfer the data to an external server, from which the data can be called up via a mobile device, for example, so that, in addition to the operators of the carrier machine or the attachment, a construction site manager or other person has access to the process data.
  • a continuous measurement of the casing depth is particularly advantageous if this is displayed for the operator on a display element of the attachment and / or an external machine.
  • the operator of the attachment or the carrier machine can call up valuable information about the currently reached casing depth at any time, which is of particular importance when the borehole is excavated in parallel by the carrier machine, for example by means of a gripper.
  • tubing only slightly rushes ahead of the gripper of the carrier machine in order to keep the casing friction of the tubing low and consequently to keep the stress on the equipment and the energy required for creating the bored pile low.
  • the operator or operator of the carrier machine in particular in the form of a rope excavator, it is therefore of particular importance to always be informed about the currently reached casing depth.
  • the remaining remaining length of the clamped pipe ie the pipe length, which is still outside the ground, is calculated.
  • the pipe length which is still outside the ground
  • the current casing depth can be compared with the digging progress of the duty cycle crawler crane and to suspend the pile foundation by the attachment if the protrusion of the casing depth is above a tolerance value.
  • the digging progress can be called up via an interface from the carrier machine, for example.
  • the current excavation depth can be determined by measuring the length of the rope and made available to the attachment.
  • a prediction with regard to the completion of the pile can be made through the continuous monitoring of the casing depth.
  • the subsequent process steps of the pile foundation can be better coordinated by predicting the time of completion or the remaining operating time that is as precise as possible.
  • the timely delivery of the concrete is an example.
  • An improvement in the prediction can be achieved by additionally taking into account available soil profiles, because the soil composition has a significant share on the achievable feed rate during the piping. Soil profiles can either be entered manually into the machine and stored there, but they can also be generated automatically on the basis of empirical values, for example from previous pile foundations in the immediate vicinity.
  • the present invention also relates to an attachment for a carrier machine, in particular a cable excavator or a drilling device, for pile foundation with a table for clamping a pipe and at least one integrated computer unit that carries a program that enables a method according to claim 1 can be executed.
  • a carrier machine in particular a cable excavator or a drilling device
  • the attachment is characterized by the same advantages and properties as were already described above with reference to the method according to the invention. For this reason, a repetitive description is dispensed with.
  • the cable excavator 1 takes over the digging of a hole with a rotatable superstructure, a boom 2 and a gripper 3.
  • a mounted on the dragline excavators is a casing machine, consisting of a bottom plate 201 and a relative to the base plate at a distance adjustable table 301.
  • this casing oscillator 100 may be as follows driven into the ground, a casing: the table 301 is, for example, by means of a clamping cylinder with the casing 100 locked. The base plate 201 is then raised, as a result of which the weight of the piping 100, the table 301 and the base plate 201 acts downwards. In order to overcome the static friction, the table 301 is set in motion in a further step, for example in horizontal oscillations (so-called casing machines) or also in continuous rotation (so-called pipe lathes). As a result of this interaction, the casing 100 sinks into the ground while the cable excavator 1 dredges the earth within the casing 100.
  • the table 301 is, for example, by means of a clamping cylinder with the casing 100 locked.
  • the base plate 201 is then raised, as a result of which the weight of the piping 100, the table 301 and the base plate 201 acts downwards.
  • the table 301 is set in motion in a further step
  • the casing machine is in the Figures 2a, 2b showing the casing machine with casing (100) in a side and plan view.
  • the table 301 can be clamped to the pipe 100 by means of clamps, for example.
  • the base plate 201 can be raised between the connection points 211/311 and 212/312 via lifting cylinders.
  • the table 301 can execute rotary movements with respect to the base plate 201.
  • a rigid steering rod is articulated on the one hand at point 321 on the table 301 and on the other hand articulated on the element 401 at point 421.
  • the inclination of the tubing 100 around the y-axis can be adjusted of the piping 100 can be adjusted about the x-axis.
  • the pivot points 413, 414 and 421 can be displaced horizontally by means of a guide 401 with respect to the structure 202 which is fixedly connected to the table 201.
  • the depth of the casing 100 indicates how far below the top of the casing 100 is, and the hole depth indicates how deep the excavator 1 with its tool 3 (for example the gripper on a cable excavator) the material has removed from the casing 100.
  • a bored pile of a certain depth and diameter is commissioned to meet the requirements of the statics.
  • the depth of the casing 100 it is generally necessary for the depth of the casing 100 to be ahead of the hole depth in order to prevent loosening of the soil below the pipes 100.
  • the tubing 100 rushes ahead of the gripper 3 only to a small extent in order to keep the skin friction of the tubing 100 low and consequently to keep the stress on the equipment and the energy required for creating the bored pile low.
  • the driver of the excavator 1 or the drilling device knows the current depth of the borehole or of the excavation via rope length measurements or the like.
  • the depth of the casing 100 has so far had to be estimated.
  • the central element of an automated measurement of the casing depth according to the method according to the invention is the sensor 502, which measures the vertical movements of the table 301.
  • the sensor 502 can be an inclination sensor or an angle sensor.
  • the vertical position of the table 301 can then be derived from the geometry of the casing machine and the vertical movement of the table 301 can be determined from the changes in the vertical table position over time.
  • a sensor is also useful which determines whether the table 301 is jammed with the pipe 100 or whether the table 301 can move freely along the pipe 100. This can be done, for example, by a pressure sensor in a clamping cylinder.
  • the drilling progress can subsequently be converted into a "vertical depth" if a sloping pile is currently being constructed with the casing 100 inclined relative to the vertical.
  • a rope excavator 1 drives with attached VRM to a point at which a pile is established by means of piping 100.
  • the cable excavator 1 lifts the first section 100 of the piping into the VRM and roughly aligns the vertical position of the piping 100 by means of a rope.
  • the table 301 is clamped relative to the pipe section 100 by means of hydraulics.
  • the pipe 100 is placed in the x and y directions by means of differential GPS and the inclination of the casing 100 is set.
  • the base plate 201 of the VRM is now set down and the depth measurement is set to zero.
  • the screwing-in process now begins: the two lifting cylinders raise the base plate 201, the two oscillating cylinders set the table 301 in rotary movements, the weight of the piping 100 plus the additional weight of the table 301 and the base plate 201 press the pipe 100 into the ground.
  • the drilling table 301 lowers and the change in the drilling table height is recorded.
  • the jamming of the drilling table 301 with the tubing 100 is released.
  • the recording of the change in the vertical drilling table position is now paused.
  • the drilling table 301 is raised and then the drilling table 301 is clamped again with the casing 100.
  • the recording of the change in the vertical drilling table position (casing depth) is continued.
  • the current casing depth is transmitted to the operator information system for display.
  • a pipe section 100 with a length of 5 m is located in the VRM.
  • the length of the pipe section 100 was recorded by the rope excavator 1 or was entered manually by the driver into the control system and forwarded to the control system of the VRM.
  • the current depth of the lower edge of the pipe is 3 m, which results in the height above the floor of the upper edge of the pipe as 2 m.
  • the VRM recognizes that the maximum table height for the next stroke can only be 1.5 m.
  • the VRM recognizes that it is no longer possible to continue the piping work, since otherwise the table 301 would move over the upper edge of the pipe and stops the process.
  • another pipe section 100 with a length of 4 m is attached to the first pipe section 100 and the length of the pipe section 100 is communicated to the control system of the VRM.
  • the VRM will activate and continue the piping process.
  • the VRM selects a table height above the connection point of the two pipe sections 100.
  • the pile is concreted.
  • the tubing 100 is pulled out of the hole.
  • the lengths of the pipe sections are stored in the control system of the VRM.
  • the VRM ensures that the piping is not clamped at the connection points of the pipe sections 100 by the clamping mechanism on the table 301 or the fall protection device.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tiefenmessung der Verrohrung bei der Pfahlgründung mit einem Anbaugerät umfassend einen Tisch zum Einspannen eines Rohres, so wie es der Druckschrift EP 3 081 737 A entnehmbar ist. Weiter umfasst die vorgetragene Erfindung ein Anbaugerät für eine Trägermaschine, so wie es grundsätzlich aus der JP2002/021076 A bekannt ist. Beim Erstellen von Pfählen mittels einer Verrohrungsmaschine in Kombination mit einem Seilbagger als Trägermaschine muss die erreichte Verrohrungstiefe, d.h. die Eindringtiefe des eingespannten Rohres von Zeit zu Zeit überprüft werden. Gegenwärtig wird diese Aufgabe im Wesentlichen durch den Bediener der Verrohrungsmaschine sowie den Fahrer des Seilbaggers gelöst. Die Länge der eingebrachten Rohre wird notiert und in Verbindung mit der geschätzten Höhe der Rohroberkante die Tiefe der Verrohrung berechnet. Die Tiefe der eingebrachten Verrohrung ergibt sich durch Subtraktion der Höhe der Rohroberkante von der Länge der Verrohrung. Wird ein genauerer Wert benötigt, muss die Verrohrungsmaschine gestoppt und die Höhe der Rohroberkante manuell durch den Bediener vermessen werden.
  • Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass die Tiefe nicht kontinuierlich gemessen und überwacht werden kann, sondern stattdessen nur eine grobe Schätzung während des Verrohungsbetriebs möglich ist. Zur genauen Messung muss beispielsweise die Verrohrungsmaschine stattdessen angehalten werden, um einer Person Zugang zum Gefahrenbereich am Rohr für die manuelle Messung zu gestatten.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein automatisches Verfahren für die Erfassung und Überwachung der aktuellen Verrohrungstiefe bei der Pfahlgründung aufzuzeigen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Tiefenmessung der Verrohrung bei der Pfahlgründung für ein bestimmtes Anbaugerät vorgeschlagen, das wenigstens einen Tisch zum Einspannen eines Rohres aufweist. Üblicherweise wird das Rohr fest mit dem Tisch verspannt, vorteilhafterweise verklemmt. Das Anbaugerät selbst ist an einer passenden Trägermaschine, wie einem Seilbagger oder einem Bohrgerät, montiert. Der Tisch dient zur Fixierung und Ausrichtung des Rohres als auch zur Erzeugung einer rotierenden Bewegung des Rohres, um dieses in den Boden einzudrehen. Mit fortschreitender Eindringtiefe des Rohres in den Boden kommt es auch zu einem kontinuierlichen Absinken des Tisches des Anbaugerätes.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich diese konstruktiv bedingte Vertikalbewegung des Tisches für die Erfassung der aktuellen Verrohrungstiefe zu Nutze. Im Einzelnen wird die Vertikalbewegung des Maschinentisches sensorisch erfasst. Idealerweise kann die Vertikalbewegung des Tisches direkt über geeignete Sensoren gemessen werden, die bspw. unmittelbar am Tisch oder an sich mit dem Tisch bewegenden Komponenten des Anbaugerätes befestigt sind. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Vertikalbewegung des Tischs aus anderweitigen Messgrößen abzuleiten. Unter Berücksichtigung der bekannten Vertikalbewegung des Tisches kann letztendlich durch Summation der Tischbewegungen während des Verrohrungsprozesses auf die aktuelle Verrohrungstiefe geschlossen werden. Dabei umfasst das Anbaugerät wenigstens eine Lenkstange, die einerseits gelenkig mit dem Maschinentisch und andererseits gelenkig mit einem feststehenden Element des Anbaugerätes verbunden ist. Feststehend bedeutet in diesem Zusammenhang feststehend relativ zu der Tischbewegung während der Einbringung des Rohres. Eine Vertikalbewegung des Tisches führt demzufolge ebenfalls zu einer Bewegung der Lenkstange. Vor diesem Hintergrund hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Bewegung und/oder Lage der Lenkstange direkt zu messen bzw. mittelbar aus geeigneten Messgrößen abzuleiten, um darauf basierend die benötigte Vertikalbewegung des Tisches zu bestimmen. Geeignete Sensoren können auf bzw. im Bereich der Lenkstange angeordnet sein.
  • Während einer Vertikalbewegung des Tisches kann die Lenkstange konstruktionsbedingt ihren Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen ändern. Es besteht die Möglichkeit, diese Winkeländerung sensorisch abzugreifen um hieraus eine Aussage zur Vertikalbewegung des Tisches machen zu können. Die Bewegung der Lenkstange lässt sich mittels eines an der Lenkstange installierten Neigungssensors bzw. Winkelgebers erfassen. Üblicherweise umfasst das Anbaugerät wenigstens einen Lenkaktor, insbesondere Lenkzylinder, zur Betätigung der Lenkstange. Unter Umständen kann auch der Aktorzustand für die Ermittlung der Position der Lenkstange bzw. Ableitung der Tischbewegung hilfreich sein.
  • Ist der Neigungswinkel der Lenkstange bekannt, lässt sich die aktuelle Vertikalposition des Tisches unter Berücksichtigung des geometrischen Aufbaus des Anbaugerätes ableiten. Die resultierende Vertikalbewegung ergibt sich dann vorzugsweise aus der zeitlichen Änderung der vertikalen Tischposition während der Verrohrung zur Pfahlgründung.
  • Während der Einbringung der Verrohrung sinkt der Tisch fortlaufend in Bodennähe ab. Es ist daher von Zeit zu Zeit notwendig, die Einspannung zu lösen und den Tisch wieder nach oben entlang des Rohres zu verschieben, um das Rohr mit einem höher gelegenen Rohrbereich mit dem Tisch zu verspannen. Für die Berechnung der Verrohrungstiefe ist es wesentlich, dass eine solche Vertikalbewegung des Maschinentisches außer Acht bleibt. Zu diesem Zweck wird gemäß vorteilhafter Ausführung der Zustand der Einspannung des Rohres überprüft, vorzugsweise laufend überprüft. Entsprechend der Erfindung werden für die Berechnung der Verrohrungstiefe nur solche Vertikalbewegungen des Maschinentisches berücksichtigt, während welcher eine feste Einspannung des Rohres im Maschinentisch erkannt worden ist.
  • Die Verrohrung kann in der Praxis mittels eines Klemmmechanismus am Tisch eingespannt sein. Hierzu sind im Maschinentisch ein oder mehrere Klemmaktoren bzw. Klemmzylinder vorgesehen, deren Betätigung hydraulisch oder pneumatisch erfolgt. Zur Prüfung und Überwachung des Klemmzustandes kann dann der Druck innerhalb der Klemmaktoren beobachtet werden, bspw. mittels ein oder mehrerer in den Aktoren installierter Drucksensoren.
  • Vorstellbar ist es ebenso, die Richtung der Tischbewegung aus den Sensordaten zu bestimmen, insbesondere anhand der zeitlichen Änderung der Sensordaten. Ist die Richtung der Tischbewegung bekannt, können nur Vertikalbewegungen des Tisches in Bodenrichtung für die Tiefenmessung berücksichtigt werden, während Bewegungen in die entgegengesetzte Richtung vernachlässigt werden.
  • Bisher wurde davon ausgegangen, dass eine Pfahlgründung im rechten Winkel erfolgen soll, d.h. die Verrohrung soll im senkrechten Winkel zur Bodenebene in das Erdreich eingebracht werden. Weniger häufig jedoch trotzdem von Bedeutung sind Schrägpfahle, für die die Verrohrung durch eine gezielte Tischneigung gegenüber der Horizontalen schräg in das Erdreich eingebracht wird. Bei einem solchen Verfahren muss für die korrekte Berechnung der Verrohrungstiefe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ergänzend die aktuelle Tischneigung berücksichtigt werden. Diese kann bspw. über ein oder mehrere am Tisch installierte Sensoren erfasst werden, idealerweise direkt durch Verwendung geeigneter Neigungssensoren, bevorzugt zweiachsiger Neigungssensoren.
  • Von Vorteil ist es, wenn die aktuelle Verrohrungstiefe bzw. etwaige ermittelte Sensordaten des Anbaugerätes über eine Kommunikationsschnittstelle des Anbaugerätes an wenigstens ein externes Gerät übermittelbar sind. Hierbei ist es von besonderer Bedeutung, diese Daten an die Trägermaschine, d.h. den Seilbagger, zu übermitteln. Möglich ist auch die Übertragung an einen externen Server, von diesem die Daten beispielsweise über ein Mobilgerät abrufbar sind, sodass neben den Bedienern der Trägermaschine bzw. des Anbaugerätes auch ein Baustellenleiter oder eine sonstige Person Zugriff auf die Prozessdaten hat.
  • Eine kontinuierliche Messung der Verrohrungstiefe ist besonders vorteilhaft, wenn diese für den Bediener auf einem Anzeigeelement des Anbaugerätes und/oder einer externen Maschine zur Anzeige gebracht wird. Der Bediener des Anbaugerätes bzw. der Trägermaschine kann zu jedem Zeitpunkt wertvolle Informationen zur aktuell erreichten Verrohrungstiefe abrufen, was gerade bei einem parallelen Aushub des Bohrloches durch die Trägermaschine, bspw. mittels eines Greifers, von besonderer Bedeutung ist. Beim Erstellen eines Bohrpfahls ist es in der Regel notwendig, dass die Tiefe der Verrohrung der Lochtiefe (Aushub) vor eilt, um eine Auflockerung des Bodens unterhalb der Verrohrung zu verhindern. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, wenn die Verrohrung nur im geringen Maße dem Greifer der Trägermaschine vor eilt, um die Mantelreibung der Verrohrung gering zu halten und damit in weiterer Folge die Beanspruchung der Geräte und den Energieaufwand zum Erstellen des Bohrpfahls gering zu halten. Für den Betreiber bzw. Bediener der Trägermaschine, insbesondere in Form eines Seilbaggers, ist es daher von besonderer Bedeutung, stets über die aktuell erreichte Verrohrungstiefe in Kenntnis gesetzt zu werden.
  • Gemäß weiterhin bevorzugter Ausführungsform ist es vorstellbar, dass aus der bekannten Rohrlänge der eingespannten Verrohrung und der berechneten Verrohrungstiefe die verbleibende Restlänge des eingespannten Rohres, d.h. die Rohrlänge, die noch außerhalb des Erdreiches liegt, berechnet wird. Mit dieser Information ist es möglich, den Pfahlgründungsvorgang des Anbaugerätes automatisch zu stoppen, sobald die Rohroberkante eine Mindesthöhe erreicht oder sogar unterschreitet. Insbesondere wird in diesem Zustand die Rotationsbewegung des Rohres automatisch durch die Steuereinheit ausgesetzt, um ein weiteres Rohr auf der Oberkante des aktuellen Rohres aufsetzen zu können.
  • Ebenso ist es vorstellbar, anhand der berechneten Verrohrungstiefe die aktuelle Vortriebsgeschwindigkeit des eingespannten Rohres während des Verrohrungsvorgangs zu ermitteln.
  • Ebenso ist vorstellbar, die aktuelle Verrohrungstiefe mit dem Grabfortschritt des Seilbaggers zu vergleichen und die Pfahlgründung durch das Anbaugerät auszusetzen, falls der Vorsprung der Verrohrungstiefe über einem Toleranzwert liegt. Der Grabfortschritt lässt sich beispielsweise über eine Schnittstelle von der Trägermaschine abrufen. Konkret kann bei einer Trägermaschine in Form eines Seilbaggers die aktuelle Aushubtiefe durch eine Seillängenmessung bestimmt und dem Anbaugerät zur Verfügung gestellt werden.
  • Gemäß weiterhin bevorzugter Ausführungsform ist es denkbar, dass durch die kontinuierliche Überwachung der Verrohrungstiefe eine Prädiktion bezüglich der Fertigstellung des Pfahls angestellt werden kann. Durch eine möglichst genaue Prognose des Fertigstellungszeitpunkts bzw. der verbleibenden Restbetriebslaufzeit lassen sich nachfolgende Prozessschritte der Pfahlgründung besser koordinieren. Als Beispiel sei hier die rechtzeitige Anlieferung des Betons genannt. Eine Verbesserung der Prädiktion lässt sich durch zusätzliche Berücksichtigung verfügbarer Bodenprofile erzielen, denn die Bodenzusammensetzung hat maßgeblichen Anteil auf die erzielbare Vorschubgeschwindigkeit bei der Verrohrung. Bodenprofile können entweder manuell in die Maschine eingegeben und dort hinterlegt werden, aber auch anhand von Erfahrungswerten, bspw. durch vorangegangene Pfahlgründungen in der näheren Umgebung, automatisch generiert werden.
  • Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein Anbaugerät für eine Trägermaschine, insbesondere einen Seilbagger oder einem Bohrgerät, zur Pfahlgründung mit einem Tisch zum Einspannen eines Rohres und wenigstens einer integrierten Rechnereinheit, die ein Programm trägt, welches sie ein Verfahren nach dem Anspruch 1 ausführen lässt. Dementsprechend zeichnet sich das Anbaugerät durch dieselben Vorteile und Eigenschaften aus, wie sie bereits voranstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
  • Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im nachfolgenden Teil anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
    • Figur 1a, 1b:
    zwei skizzierte Seitenansichten des erfindungsgemäßen Anbaugerätes während der Pfahlgründungsarbeit und
    Figur 2a, 2b:
    zwei Detailansichten des erfindungsgemäßen Anbaugerätes in einer Seiten- und Draufsicht.
  • Beim Erstellen von Pfählen mittels einer Verrohrungsmaschine (VRM) in Kombination mit einem Seilbagger (Greiferbohren) soll durch einen Assistenten der Bohrfortschritt der Verrohrung kontinuierlich gemessen und dem Bedienpersonal angezeigt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass einerseits der Prozess der Verrohrung nicht wie im Stand der Technik gestoppt werden muss um eine händische Messung durchzuführen, andererseits potentielle Fehler durch händisches Aufsummieren von einzelnen Rohrabschnitten entfallen. Des Weiteren ist es nicht mehr notwendig, dass sich eine Person für die Messung im Gefahrenbereich der Maschine aufhält.
  • Beim Greiferbohren mit einer VRM arbeiten zwei an und für sich unabhängige Geräte, nämlich ein Seilbagger 1 sowie das Anbaugerät des Seilbaggers in Form der Verrohrungsmaschine gemeinsam am Erstellen eines Pfahls. Wie in den Figuren 1a, 1b beispielhaft dargestellt übernimmt der Seilbagger 1 mit einem drehbaren Oberwagen, einem Ausleger 2 und einem Greifer 3 das Ausgraben eines Lochs. A Am Seilbagger angebaut ist eine Verrohrungsmaschine, bestehend aus einer Bodenplatte 201 und einem gegenüber der Bodenplatte im Abstand verstellbarer Tisch 301. Mit dieser Verrohrungsmaschine kann eine Verrohrung 100 folgendermaßen in den Boden eingetrieben werden: der Tisch 301 wird beispielweise mit Hilfe eines Spannzylinders mit der Verrohrung 100 verriegelt. Anschließend wird die Bodenplatte 201 angehoben, wodurch die Gewichtskraft der Verrohrung 100, des Tisches 301 und der Bodenplatte 201 nach unten wirkt. Um die Haftreibung zu überwinden wird in einem weiteren Schritt der Tisch 301 in Bewegung versetzt, beispielsweise in horizontale Oszillationen (sogenannte Verrohrungsmaschinen) oder auch in eine kontinuierliche Rotation (sogenannte Rohrdrehmaschinen). Durch dieses Zusammenspiel senkt sich die Verrohrung 100 in den Boden, während der Seilbagger 1 das Erdreich innerhalb der Verrohrung 100 ausbaggert.
  • Mit mehr Details ist die Verrohrungsmaschine in den Figuren 2a, 2b dargestellt, die Verrohrungsmaschine mit Verrohrung (100) in einer Seiten- und Draufsicht zeigen. Der Tisch 301 kann beispielsweise mittels Klemmen mit dem Rohr 100 verklemmt werden. Die Bodenplatte 201 kann über Hubzylinder zwischen den Verbindungsstellen 211/311 und 212/312 angehoben werden. Durch synchronisierte Bewegungen der beiden Oszillatorzylindern zwischen den Verbindungsstellen 313/413 und 314/414 kann der Tisch 301 gegenüber der Bodenplatte 201 Drehbewegungen ausführen. Eine starre Lenkstange ist einerseits im Punkt 321 gelenkig am Tisch 301 und andererseits im Punkt 421 gelenkig am Element 401 montiert. Durch Bewegung eines Lenkzylinders, der einerseits im Punkt 415 gelenkig mit der Lenkstange und andererseits gelenkig im Punkt 215 an der Bodenplatte 201 montiert ist, lässt sich die Neigung der Verrohrung 100 um die y-Achse einstellen, durch unterschiedliche Hubhöhe der beiden Hubzylinder kann die Neigung der Verrohrung 100 um die x-Achse eingestellt werden. Die Drehpunkte 413, 414 und 421 lassen sich mittels einer Führung 401 horizontal gegenüber dem fix mit dem Tisch 201 verbundenen Aufbau 202 verschieben.
    • Tiefe der Verrohrung Messen
  • Bei der Erstellung eines Bohrpfahls ist die Tiefe eines der wichtigsten Merkmale. Zwei Tiefen sind hierbei zu unterscheiden: die Tiefe der Verrohrung 100 gibt an, wie weit unter Grund die Spitze der Verrohrung 100 ist, und die Lochtiefe gibt an, wie tief der Bagger 1 mit seinem Werkzeug 3 (beispielsweise Greifer bei einem Seilbagger) das Material aus der Verrohrung 100 entfernt hat. Normalerweise wird ein Bohrpfahl mit einer bestimmten Tiefe und einem bestimmten Durchmesser in Auftrag gegeben, um den Anforderungen der Statik zu entsprechen. Beim Erstellen eines Bohrpfahles ist es in der Regel notwendig, dass die Tiefe der Verrohrung 100 der Lochtiefe vor eilt, um eine Auflockerung des Bodens unterhalb der Rohre 100 zu verhindern. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, dass die Verrohrung 100 nur in geringem Maße dem Greifer 3 vor eilt, um die Mantelreibung der Verrohrung 100 gering zu halten und damit in weiterer Folge die Beanspruchung der Geräte und den Energieaufwand zum Erstellen des Bohrpfahls gering zu halten.
  • Bei der Pfahlgründung mit einer konventionellen Verrohrungsmaschine nach dem Stand der Technik ist dem Fahrer des Baggers 1 bzw. des Bohrgerätes die aktuelle Tiefe der Bohrung bzw. des Aushubes über Seillängenmessungen oder ähnliches bekannt. Die Tiefe der Verrohrung 100 muss bisher allerdings geschätzt werden.
  • Zentrales Element einer automatisierten Messung der Verrohrungstiefe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Sensor 502, der die vertikalen Bewegungen des Tisches 301 misst. Bei dem Sensor 502 kann es sich um einen Neigungssensor oder Winkelgeber handeln. Die vertikale Position des Tisches 301 lässt sich dann über die Geometrie der Verrohrungsmaschine ableiten und die vertikale Bewegung des Tisches 301 über die zeitlichen Änderungen der vertikalen Tischposition bestimmen. Um von den vertikalen Bewegungen des Tisches 301 auf die Tiefe der Verrohrung 100 zu schließen, ist außerdem ein Sensor zweckmäßig, der feststellt, ob der Tisch 301 mit dem Rohr 100 verklemmt ist oder ob sich der Tisch 301 frei entlang des Rohres 100 bewegen kann. Dies kann beispielsweise durch einen Drucksensor in einem Klemmzylinder erfolgen. Mithilfe eines weiteren am Tisch 301 befestigten Neigungssensors 501 kann der Bohrfortschritt in weiterer Folge in eine "vertikale Tiefe" umgerechnet werden, falls aktuell ein Schrägpfahl mit einer Neigung der Verrohrung 100 gegenüber der Vertikalen erstellt wird.
  • Die Tiefe der Verrohrung 100 kann konkret wie folgt gemessen werden:
    • Zu Beginn des Prozesses wird die Verrohrungstiefe auf null gesetzt.
    • Ist der Bohrtisch 301 mit der Verrohrung 100 verklemmt, dann wird die vertikale Positionsänderung des Bohrtisches 301 Mithilfe des Sensors 502 gemessen und aufgezeichnet.
    • Sind Bohrtisch 301 und Verrohrung 100 nicht miteinander verklemmt, dann wird die vertikale Positionsänderung des Bohrtisches 301 nicht aufgezeichnet.
    • Die Tiefe der Verrohrung 100 ergibt sich als die Summe der vertikalen Positionsänderung des Bohrtisches 301 mit verklemmter Verrohrung 100 (z.B. L2 = L1 + h, siehe Figuren 1a, 1b).
  • Nullpunkt-Korrektur:
    • Wird das erste Element einer Verrohrung 100 auf den Boden gesetzt, so dringt dieses durch sein Eigengewicht schon in den Boden ein, was zu einem Fehler bei der ersten Nullung führt.
    • Um diesen Fehler auszugleichen, kann der Fahrer des Seilbaggers 1 mit drei Schritten den Nullpunkt am Anfang richtig setzen:
      • ∘ Schritt 1: Eingabe der korrekten Höhe des ersten Elements 100 der Verrohrung (z.B. 8m)
      • ∘ Schritt 2: Werkzeugspitze direkt neben der VRM auf den Boden setzen und die entsprechende Seillänge im Bagger 1 speichern
      • ∘ Schritt 3: Werkzeugspitze auf die gleiche Höhe wie das obere Ende des ersten Elements 100 der Verrohrung bringen, Seillänge wird gespeichert. Die Differenz der beiden Seillängenmessungen entspricht der Länge des Elements oberhalb des Bodens, die Differenz zur korrekten Höhe dieses Elements ist bereits die Tiefe der Verrohrung 100 beim Beginn.
  • Die Vorteile einer automatischen Tiefenmessung sind:
    • Möglicher Austausch der Tiefeninformation mit dem Steuerungssystem bzw. Bediener-Informationssystems des Baggers 1 oder des Bohrgerätes.
    • Anzeige der Tiefe für den Bediener der VRM, den Bediener des Baggers 1 oder des Bohrgerätes und für den Baustellenleiter.
    • Vermeidung von voreilendem Bohren und damit Vermeidung der Auflockerung des Bodens unterhalb der Bohrrohre 100.
    • Eine optimierte Ansteuerung der VRM wird möglich, indem bei zu großem Vorsprung der Verrohrung 100 auf den Bohrfortschritt die Geschwindigkeit der VRM reduziert wird oder gar gestoppt wird, bspw. durch Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit.
    • Wird die Information über die Tiefe mit dem Bagger 1 bzw. dem Bohrgerät ausgetauscht, kann der Energiefluss zur VRM gesteuert bzw. unterbunden werden, um die Auslastung des Baggers 1 bzw. des Bohrgerätes zu optimieren.
    • Bei bekannter Länge der Verrohrung 100 kann die VRM die restliche zur Verfügung stehende Rohrlänge berechnen und somit den Verrohrungsvorgang stoppen, wenn die Rohroberkante eine Mindesthöhe erreicht oder unterschreitet.
    • Bei bekannten Längen der Rohr-Teilstücke kann die VRM ein Klemmen an den Rohr-Verbindungsstellen vermeiden.
    • Eine Messung der Tiefe ermöglicht in weiterer Folge auch eine Messung der Vortriebsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Tiefe und der dazu benötigten Energie.
    • Über ein Monitoring der Tiefe kann eine Prädiktion erstellt werden wann der Pfahl fertiggestellt wird, um z.B. die Beton-Anlieferung für den Pfahl zeitlich einzugrenzen. In weiterer Folge kann durch eine Aufzeichnung von "Bodenprofilen" benachbarter Pfähle diese Prädiktion optimiert werden.
    Anwendungsbeispiel
  • Ein Seilbagger 1 fährt mit angehängter VRM an einen Punkt, an dem mittels Verrohrung 100 ein Pfahl gegründet wird. Der Seilbagger 1 hebt das erste Teilstück 100 der Verrohrung in die VRM und richtet mittels Seil grob die vertikale Stellung der Verrohrung 100 aus. Mittels Hydraulik wird der Tisch 301 gegenüber dem Rohrteilstück 100 verklemmt. Mittels differentiellem GPS wird das Rohr 100 in x- und y-Richtung platziert und die Neigung der Verrohrung 100 wird eingestellt. Die Bodenplatte 201 der VRM wird nun abgesetzt und die Tiefenmessung auf null gesetzt. Nun beginnt der Eindrehprozess: die beiden Hubzylinder heben die Bodenplatte 201 an, die beiden Oszillierzylinder versetzen den Tisch 301 in Drehbewegungen, das Eigengewicht der Verrohrung 100 plus das Zusatzgewicht des Tischs 301 und der Bodenplatte 201 drücken das Rohr 100 in den Boden. Durch das Eindrehen der Verrohrung 100 senkt sich der Bohrtisch 301 und die Änderung der Bohrtischhöhe wird aufgezeichnet. Nachdem die Bodenplatte 201 wieder den Boden erreicht hat, wird die Verklemmung des Bohrtisches 301 mit der Verrohrung 100 gelöst. Die Aufzeichnung der Änderung der vertikalen Bohrtisch-Position wird nun pausiert. Der Bohrtisch 301 wird angehoben und anschließend wird der Bohrtisch 301 wieder mit der Verrohrung 100 verklemmt. Die Aufzeichnung der Änderung der vertikalen Bohrtisch-Position (Verrohrungstiefe) wird fortgesetzt. Die aktuelle Verrohrungstiefe wird an das Bediener-Informationssystem zur Anzeige übermittelt.
  • Ein Rohrstück 100 mit 5 m Länge befindet sich in der VRM. Die Länge des Rohrteilstückes 100 wurde durch den Seilbagger 1 erfasst bzw. wurde vom Fahrer manuell in das Steuerungssystem eingegeben und an das Steuerungssystem der VRM weitergeleitet. Die aktuelle Tiefe der Rohrunterkante ist 3 m, damit ergibt sich die Höhe über Boden der Rohroberkante zu 2 m. Die VRM erkennt, dass die maximale Tischhöhe beim nächsten Hub nur 1.5 m sein kann.
  • Durch weiteren Fortschritt erhöht sich die Tiefe auf 3.5 m. Die Rohroberkante ist damit 1.5 m über dem Boden. Die VRM erkennt, dass das Fortsetzten der Verrohrungstätigkeit nicht mehr möglich ist, da sonst der Tisch 301 über die Rohroberkante fahren würde, und stoppt den Prozess. In Folge wird ein weiteres Rohrstück 100 mit 4 m Länge am ersten Rohrstück 100 angebracht und die Länge des Rohrstückes 100 wird dem Steuerungssystem der VRM mitgeteilt. Die VRM wird aktiviert und setzt den Verrohrungsprozess fort. Beim Anheben des Tisches 201 und anschließendem Klemmen der Verrohrung 100 wählt die VRM eine Tisch-Höhe oberhalb der Verbindungsstelle der beiden Rohrstücke 100.
  • Nach Fertigstellung der Bohrung wird der Pfahl betoniert. Die Verrohrung 100 wird dabei aus dem Loch gezogen. Die Längen der Rohrteilstücke sind in dem Steuerungssystem der VRM gespeichert. Beim Ziehen achtet die VRM darauf, dass die Verrohrung durch den Klemmmechanismus am Tisch 301 bzw. die Absturzsicherung nicht an den Verbindungsstellen der Rohrteilstücke 100 geklemmt wird.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Tiefenmessung der Verrohrung bei der Pfahlgründung mit einem Anbaugerät für eine Trägermaschine (1) umfassend einen Tisch (301) zum Einspannen eines Rohres (100), wobei
    die Vertikalbewegung des Tisches (301) sensorisch mittelbar oder unmittelbar erfasst und summiert wird, um die aktuelle Verrohrungstiefe zu berechnen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Ermittlung der Vertikalbewegung des Tisches (301) die Bewegung und/oder Lage einer Lenkstange, die einerseits gelenkig mit dem Tisch (301) und andererseits mit einem feststehenden Teil (401) des Anbaugerätes verbunden ist, erfasst wird und
    eine Vertikalbewegung des Tisches (301) nur dann für die Berechnung der Verrohrungstiefe berücksichtigt wird, wenn die Verrohrung (100) fest im Tisch (301) eingespannt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Lenkstange erfasst wird, insbesondere mittels wenigstens eines auf oder an der Lenkstange montierten Neigungssensors und/oder Winkelgebers (502).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Vertikalposition des Tisches (301) unter Berücksichtigung der Geometrie des Anbaugerätes aus dem erfassten Neigungswinkel abgeleitet wird
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalbewegung des Tisches (301) über die zeitliche Änderung der vertikalen Tischposition während des Pfahlgründungsvorgangs bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannung der Verrohrung (100) innerhalb des Tisches (301) mittels ein oder mehrerer innerhalb des Klemmsystems angeordneter Drucksensoren überprüft wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tischneigung gegenüber der Horizontalen erfasst und für die Berechnung der Verrohrungstiefe berücksichtigt wird, insbesondere bei der Erstellung eines Schrägpfahls.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrohrungstiefe und/oder die ermittelten Sensordaten über eine Kommunikationsschnittstelle des Anbaugerätes an ein externes Gerät, insbesondere die Trägermaschine (1) oder einen externen Server, übertragen werden und/oder auf einem Anzeigeelement des Anbaugerätes und/oder eines externen Gerätes angezeigt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der bekannten Rohrlänge des eingespannten Rohres (100) und der berechneten Verrohrungstiefe die verbleibende, aus dem Boden herausragende Rohrlänge bestimmt wird und die Pfahlgründung automatisch gestoppt wird, sobald die Rohroberkante eine Mindesthöhe unterschreitet.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortriebsgeschwindigkeit des Pfahlgründungsvorgangs in Abhängigkeit von der berechneten Verrohrungstiefe und gegebenenfalls unter Berücksichtigung der benötigten Antriebsenergie des Anbaugerätes ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrohrungstiefe mit dem parallelen Aushubfortschritt verglichen wird und der Pfahlgründungsprozess durch das Anbaugerät vorzugsweise gestoppt bzw. angehalten wird, falls der Vorsprung der Verrohrungstiefe über einem Toleranzwert liegt, wobei der Aushubfortschritt vorzugsweise über eine Schnittstelle von der Trägermaschine (1) abgerufen wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch kontinuierliche Überwachung der Verrohrungstiefe eine Prädiktion bezüglich der Fertigstellung des Pfahls bestimmt wird, idealerweise wird die Prädikation unter Berücksichtigung etwaiger gespeicherter Bodenprofile bestimmt, die bspw. während vorangegangener Pfahlgründungsvorgängen benachbarter Pfahle erstellt wurden.
  12. Anbaugerät für eine Trägermaschine (1), insbesondere Seilbagger oder Bohrgerät, zur Pfahlgründung mit einem Tisch (301) zum Einspannen eines Rohres (100) und wenigstens einer Rechnereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dabei um eine integrierte Rechnereinheit handelt, welche ein Programm trägt, welches sie ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 ausführen lässt.
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