EP4483016A1 - Bohreinheit und verfahren zur erstellung einer gründung in einem boden und/oder einer gründung unter wasser - Google Patents

Bohreinheit und verfahren zur erstellung einer gründung in einem boden und/oder einer gründung unter wasser

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Publication number
EP4483016A1
EP4483016A1 EP23706717.8A EP23706717A EP4483016A1 EP 4483016 A1 EP4483016 A1 EP 4483016A1 EP 23706717 A EP23706717 A EP 23706717A EP 4483016 A1 EP4483016 A1 EP 4483016A1
Authority
EP
European Patent Office
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bored pile
cutting ring
drilling unit
unit
drilling
Prior art date
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Pending
Application number
EP23706717.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Edelmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wesu GmbH
Original Assignee
Wesu GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4483016A1 publication Critical patent/EP4483016A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
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    • E02D7/26—Placing by using several means simultaneously
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D27/00—Foundations as substructures
    • E02D27/32—Foundations for special purposes
    • E02D27/52—Submerged foundations, i.e. submerged in open water
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02D11/00—Methods or apparatus specially adapted for both placing and removing sheet pile bulkheads, piles, or mould-pipes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
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    • E02D17/16—Loosening of soil or rock, under water
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    • 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
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B7/201—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes with helical conveying means
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    • E21B7/201—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes with helical conveying means
    • E21B7/203—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes with helical conveying means using down-hole drives
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D15/00—Handling building or like materials for hydraulic engineering or foundations
    • E02D15/08—Sinking workpieces into water or soil inasmuch as not provided for elsewhere

Definitions

  • the invention relates to a drilling unit for creating a foundation in the ground and a foundation in the ground under water. Furthermore, the invention relates to a corresponding method, a device with such a drilling unit and a cutting ring of such a drilling unit.
  • Anchoring to the ground in the installation area is usually established in order to be able to guarantee safe operation during the intended service life of the structure.
  • the structure is connected to the ground by building a foundation at the installation site.
  • pile foundations are often used as suitable foundations, in which piles made of steel or concrete are first introduced into the ground and then firmly connected to the ground.
  • pile foundations can consist of one or more piles, to which the later structure is anchored.
  • the diameter and length of these piles depend on the structural requirements and the respective geological conditions at the installation site.
  • Pile foundations are used both on land and in the sea. The diameters on land are often a few decimeters, in the offshore area often more than 3 m with anchoring lengths in the ground of more than 10 m. Similar piles are used in the construction of shafts. In this application, too, the pile generally remains in the ground after it has been installed.
  • a common way of working for introducing such piles for foundations and shafts in loose rock is the so-called ramming method.
  • this can be so-called sheet piling or pipes, while in the maritime area it is mainly hollow components such as round pipes or square pipes. It is a fast and inexpensive, but the environment, especially for the fauna strong Stressful construction method (sound emissions with a high sound pressure level).
  • the piling work comes to an end as soon as the geological formation contains not only loose rock, but also boulders or hard rock banks or solid hard rock.
  • piles can be introduced into the ground by means of drilling methods, the piles often being introduced into the borehole only after the borehole has been completed as prefabricated piles or as reinforced in-situ concrete.
  • the so-called annular space between the pile and the walls of the borehole is grouted with a suitable grouting agent. This achieves a non-positive connection between the bored pile and the borehole.
  • the drilling is carried out with the aid of a hollow pile, which follows the drilling front in the bottom during drilling, the drilling instrument being arranged in or around the hollow pile and being able to be recovered after the sinking process.
  • the document DE 10 2013 012 279 A1 describes a method for creating a foundation in the ground using a hollow pile.
  • the document DE 101 17 111 A1 describes an alternative method for creating a foundation in the ground, with foundation bodies being placed in ring-shaped foundation trenches.
  • the well-known drilling methods typically allow a foundation in harder soil or soil with boulders of greater hardness such as stones and boulders.
  • boulders of greater hardness such as stones and boulders.
  • the technical problem is solved by a device according to the features of the independent claims. Advantageous developments are claimed in the dependent claims.
  • a first aspect of the invention relates to a drilling unit for creating a foundation in the ground and/or a foundation under water, the drilling unit having a drive unit and a cutting ring, the cutting ring being rotatably mounted on the drilling unit and being drivable by means of the drive unit the drilling unit is set up in such a way that it can be arranged and fastened detachably on an end of a bored pile, in particular one that faces the ground, for preferably vertical sinking in the ground.
  • a second aspect of the invention relates to a device for creating a foundation in the ground 2 and/or a foundation under water, with a bored pile and a drilling unit.
  • the device according to the invention is a bored pile which has a clamping area, a drilling unit, feed and delivery line, a cutting ring and a bearing for the cutting ring.
  • the clamping area is designed in such a way that both the axial forces (compression and tensile forces) required for a drilling process can be introduced into the bored pile via this clamping area, and the torques generated during the insertion process can also be absorbed by the clamping device.
  • the clamping area is preferably located in the upper third of the bored pile, but at least in the part of the bored pile that is not to be driven into the ground.
  • the clamping area can be located on the inside, the outside or both on the inside and the outside of the bored pile.
  • the clamping effect is preferably generated via frictional locking, but can also be implemented via positive locking or a combination of these two types of force transmission with a corresponding design.
  • the drive unit is driven by at least one motor/gear unit whose torque is transmitted to the cutting ring via teeth.
  • the drive unit sits above the bearing and can be installed in the inner and outer area of the bored pile.
  • the drive unit is anchored to the bored pile in a positive and/or non-positive manner in order to transmit the torques from the drive unit through the bored pile into the clamping area.
  • the drive unit should have a diameter that is as small as possible have the ring section diameter of the cutting ring.
  • the cutting ring is designed in such a way that the ring-shaped breakout that occurs is designed so large that the bored pile cannot become jammed during the sinking process.
  • the drive unit is provided with at least one drive pinion, which engages in a ring gear located on the cutting ring and thereby transmits the torques required for the cutting process from the motor/gear unit.
  • the cutting ring is mounted at the lower end of the drive unit and sealed off from the drive unit by means of seals.
  • the feed line is used to transport the drilling fluid required for the drilling process to the cutting ring.
  • the feed line is provided in the outer or inner area of the ring-shaped opening.
  • the feed line is hollow on the inside so that the drilling fluid can be pumped through the feed line by the mud pump to its lower end.
  • the feed line is fixed to the drive unit and tends to have a smaller diameter than the delivery line.
  • the delivery line will preferably run inside the bored pile as close as possible to the wall of the bored pile. At least one supply and transport line should be attached to the perimeter of the bored pile. In order to ensure that the overburden is removed from the entire surface, however, it will make sense to install several conveying and feed lines.
  • the feed line can be fixed to the drive unit in a solid manner.
  • the feed line can also be salvaged and reused when recovering the drive unit.
  • the production line can either also be recovered or remain in the annular excavation area in order to be used for pumping the grouting material.
  • a third aspect of the invention relates to a cutting ring for creating a foundation in the ground and/or a foundation under water for use with a device with a drilling unit and/or a drilling unit, the cutting ring having foldable sub-segments, which are preferably designed as ring segments are.
  • a cutting ring within the meaning of the invention is preferably an annular body that is equipped with cutting tools. More preferably, the cutting ring has a U-shaped cross section. In contrast to a cutting disc, which processes the entire cross section below the bored pile, the cutting ring preferably removes only a small part of the cross section. at his top At the end, the cutting ring is preferably mounted and sealed directly in the drive unit by means of a flange. As a result, the axial forces required for the insertion process and generated by the feed device can be transmitted to the cutting ring via the bored pile and the drive unit. A ring gear is preferably applied to this flange of the cutting ring within the drive unit. The drive pinion of the motor/gear unit is preferably also positioned in this housing.
  • Through-openings are preferably provided in the circumference of the cutting ring in order to direct the pumped medium to the sole.
  • the cutting tools required for the penetration process are also preferably attached to the underside of the cutting ring. With the help of these cutting tools, the soil below the cutting ring is preferably loosened.
  • the drive unit is preferably fastened to the bored pile in such a way that a locking unit that can be activated and/or a positive connection is ensured.
  • a fourth aspect of the invention relates to a method for creating a foundation in the ground, in which, in order to drive a bored pile into the ground, a drilling unit is subjected to an axial force by at least one feed device via at least one fixing device, with a cutting ring is set in rotation by means of a drive unit, which is arranged on an inside or outside of the bored pile and produces an annular incision 8, with a drilling fluid being pumped into the working area of the cutting ring via at least one feed line and/or a high-pressure feed line, and wherein the Drilling fluid is conveyed to the surface together with an overburden loosened by means of the cutting ring by means of a conveying line.
  • the bored pile is introduced into the ground by axial forces being exerted on the bored pile via a feed unit and a clamping area. These are primarily the pressure forces required for the insertion or drilling process. However, if e.g. B. the dead weight of the bored pile already generates a vertical force that is higher than the necessary pressure force and the buoyancy of the entire unit, axial forces in the opposite direction (tensile forces) can also be applied by the feed device.
  • the feed device is provided in order to absorb and dissipate the torques generated during the insertion process via the clamping area. For this purpose, the feed device is anchored in a base platform.
  • the cutting ring is set in rotation in order to loosen the soil below the bored pile.
  • the cutting ring is driven by a motor/gear unit via a drive shaft.
  • the direction of rotation can in principle be clockwise or counterclockwise or alternately in both directions.
  • Drilling fluid is pumped to the cutting ring by means of a feed pump, where it mixes with the soil loosened by the cutting wheel and flows past the cutting ring through the delivery lines on the inside or outside of the bored pile to the surface. There, the drilling fluid can be disposed of with the loosened soil or collected, processed and reused. Drilling fluid enters the production zone from the feedline opening just above the cutting ring. From there it continues to flow on the underside of the cutting ring, where the adjacent bottom of the annular cavity is machined and loosened by the cutting tools. The pumping process permanently generates a slight excess pressure in the ring-shaped cavity of the cutting ring, so that the cavity can be prevented from collapsing.
  • the sealing area between the rotating cutting ring and the drive unit prevents the material to be conveyed from penetrating into the drive unit, so that the drive pinion and the ring gear which is also arranged there do not come into contact with the ground.
  • the insertion process is complete, ie the rotation of the cutting ring is set as well as the loading of the bored pile with axial force (drilling pressure force).
  • the drilling unit can thus be pulled upwards by means of traction means on the circumference of the drive unit.
  • the area of the cutting ring below the bored pile becomes the inside and/or folded in on the outside to allow clearance for recovering the drilling unit.
  • rotatable cutting ring parts are provided on the cutting ring, which are fixed during the sinking process and can be unlocked and swiveled in when the drive unit is recovered by shearing off shear bolts or a hydraulic release process.
  • the feed device now holds the bored pile in the position it has reached until the bored pile is fixed in the ground.
  • a fixing material is pumped through the delivery line by means of the mud pump instead of the drilling fluid.
  • the fixing material can be z. B. be so-called dam, which hardens after a certain residence time.
  • the fixing material is pumped by the feed pump through the delivery line into the annulus until it reappears on the surface (or on the seabed).
  • the annular space is then completely filled with fixing material or the bored pile is completely surrounded by fixing material and is thus firmly embedded in the ground after the fixing material has hardened.
  • the bored pile can now be connected to a structure via the area protruding from the ground and used as a foundation.
  • the feed device and the flushing pumps are separated from the bored pile or the delivery line and can be used for the next insertion process of a bored pile.
  • the feed device in order to reduce possible frictional forces on the outside and inside of the bored pile, it is also possible to design the feed device in such a way that it oscillates the bored pile to the left and right by small angular amounts (e.g. 30°) during the installation process. The forces or torques required for this can also be transferred to the bored pile via the clamping device.
  • the device according to the invention can be designed in such a way that the annular space on the inside or outside of the bored pile is reduced to a minimum. As a result, this area would be lubricated by the little drilling fluid that still enters there (and thus greatly reduced friction), However, cutting ring loosened soil would be mainly conveyed through the production line at the perimeter of the bored pile. The advantage of this design would be that the soil surrounding the bored pile would be stabilized and protected against unintentional washing out by the drilling fluid.
  • the advantages of the present invention lie in particular in the aspects of ecology and economy (minimum noise emissions during building construction, minimal soil replacement/soil excavation required), safety and risk (effective handling of ground obstacles, reduced execution risk for the offshore area due to short residence times, weather), technology (optimal integration of the structure into the ground) and costs (high working speed due to only annular discharge of the geology with short dwell times and reduction of the grouting material) as well as lower drive power of the units due to the ring cut instead of the full cut for the foundation of the pile.
  • the drilling unit has at least one motor/gear unit that is attached to the drive unit.
  • the required torque can be introduced into the drive unit without losses or additional components.
  • the drilling unit has a feed line and/or a high-pressure feed line, which is/are attached to the drilling unit and/or can be attached to the bored pile and is/are set up in such a way that drilling fluid can be introduced into a working area in order to cut material that is removed by the cutting ring in the ground, to be able to be transported to a surface of the ground or a water surface.
  • This configuration enables the targeted control of the overpressure in the reduction area of the cutting ring.
  • the drilling unit and/or the drive unit has a lock by means of which the drilling unit and/or the drive unit can be detachably fastened to the bored pile in order to ensure multiple use of the drilling unit and thus a cost-effective solution.
  • the drilling unit has a traction device, in particular a traction cable, which is set up in such a way that the drilling unit and/or the drive unit can be recovered to the surface after releasing the lock in order to ensure multiple use of the drilling unit and thus a cost-effective solution.
  • the drilling unit has seals, by means of which a bearing of the cutting ring is sealed off from the outside in order to enable long-term use of the drive unit without massive wear.
  • the drilling unit is arranged at one end of a bored pile, in particular one that faces the ground, which enables the targeted application of load to the drilling unit/drive unit.
  • the drive unit is arranged on an inner side of the bored pile in order to enable a minimal drilling cross section of the annular section.
  • the sub-segments are fixed to the cutting ring with retaining bolts and shear bolts, as a result of which the drilling unit can be retrieved efficiently and cost-effectively.
  • an end face of the cutting ring which faces away from an end face of the cutting ring provided with cutting tools can be stored in a bearing of the drive unit in order to enable permanently reliable and low-wear operation of the drive unit
  • the cutting ring is designed in such a way that its outer diameter and/or inner diameter can be reduced to recover the drilling unit and/or a drive unit of the drilling unit, in particular by shearing off the shear bolts and folding the sub-segments around the retaining bolts.
  • the cutting ring can be used several times with minimal effort for renovation and thus ensures economical use of the drilling unit.
  • a fixing material is pumped through the at least one delivery line into the excavation area until the rising fixing material fills the entire annular incision around the bored pile and/or in a cavity of the bored pile has filled. In this way, the targeted introduction of the fixing material can be controlled for full-surface integration of the bored pile.
  • the drilling unit recovered by means of a lifting device via traction means on a surface of the ground or a water surface, wherein the inner and / or outer diameter of the drilling unit, in particular the cutting ring is changed, whereby the recovery of the drilling unit is made possible efficiently and cost-effectively.
  • the cutting ring has partial segments which are fixed to the cutting ring with retaining bolts and shear bolts as long as the sinking process takes place, the shear bolts shearing off when the drilling unit is retrieved and the partial segments fold away around the retaining bolts.
  • the drive unit is arranged on the inside of a cavity of a respective bored pile while the incision is being made, and after the drilling unit has been recovered, another bored pile, the diameter of which is smaller than the diameter of the bored pile, is inserted into the bored pile in such a way that the drilling unit can be built into the bored pile in order to drill a particularly deep borehole, a replacement borehole and/or a bored pile of very large diameter and/or weight.
  • This design is of great advantage, especially in difficult geologies, in order to increase safety when driving in the bored pile.
  • Fig. 2 Detail of the device (vertical section through the drilling unit incl. The pivotable ring segments 6a inside and outside of the cutting ring area).
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the device in a schematic side/sectional view, in which a bored pile 1 in a ground 2 is shown.
  • the bored pile 1 consists of a steel tube with a wall thickness that is small compared to the diameter.
  • the length of the bored pile 1 is shown shortened in the example. In practice, the length of the bored pile must be at least the penetration depth of the bored pile in the ground plus the connection piece to the actual structure.
  • a feed device 4 which controls the sinking and thus the load application via the fixing device 3 .
  • These components are arranged in such a way that they are above the ground 2 at all times during the insertion and fixing process of the bored pile 1 .
  • the storage of this component on the base platform is not shown.
  • the motor/transmission unit 5 generates a torque which is transmitted to a cutting ring 6 .
  • the drive unit 7 is fixed at the lower end of the bored pile.
  • the cut surface of the cutting ring 6 forms an annular incision 8 in the ground 2 in which the bored pile 1 is sunk.
  • the contact pressure F for sinking and cutting the ground generates the contact force for the cutting ring 6 with the weight of the device.
  • the force F can have a positive value (compression force) or a negative value (traction force).
  • the cutting ring 6 is fitted with cutting tools 9 which produce the annular excavation of the soil 2 .
  • the arrangement is selected in such a way that the excavation work can also be carried out in hard soil or rock.
  • the drive unit 7 can be lifted to the surface by means of the traction means 10 .
  • the traction means 10 are fastened to the lock 12 of the drive unit by means of a lug 11 .
  • the delivery line 16 inside the bored pile 1 transports the drill cuttings and the material to be conveyed to the surface.
  • the cleaned material to be conveyed is transported back into the excavation space 18 through the feed line 17 .
  • the feed line 17 is preferably attached to a traction mechanism 10 .
  • FIG. 2 shows a vertical section through the cutting ring area and the drive unit 7 of the device. It can be seen here that the drive unit 7 is fastened to the bored pile 1 by the positive connection 19 and the locking device 12 with the locking bolt 20 during the sinking process.
  • the force is transmitted to the drive pinion 21 and the teeth in the ring gear 22 in the bearing 23 and the cutting ring 6 begins to rotate.
  • the seals 24 seal the rotating part of the cutting ring 6 from the stationary housing of the drive unit 7 . Due to this rotation, the cutting tools 9 start the excavation work on the ground 2 until the final depth is reached.
  • the drilling fluid is conveyed into the mining area 18 and transported by means of the feed / high-pressure feed line 17,29 mixed with the drill cuttings through the feed line 16 to the surface.
  • the fixing material described above can be introduced, e.g. through the delivery line 16, in order to permanently anchor the bored pile 1 in the annular incision 8.
  • an activatable fixation of the ring segment 6a, 28 on the cutting ring 6 can be provided.
  • a rotary feedthrough 27 is attached to the lower end of the drive unit 7, which can transmit hydraulic fluid, sensor data or electrical signals from the stationary to the rotating part of the drilling unit 13.
  • Fig. 3 shows a plan view of the cutting ring 6 as half part of the entire cutting ring 6.
  • the bored pile 1 is shown with the tip 1a and the attached delivery lines 16 in the visible areas.
  • the ring segment 6a, 28 of the cutting ring 6 is a circular segment which is fixed by means of shear bolts 14 and retaining bolts 15 during sinking.
  • the shear bolts 14 are destroyed or withdrawn as described above and the outer and / or inner ring segment 6a and 28 can fold down on the fastening tabs 25 to reduce the diameter of the cutting ring 6 so that a Mountains of the entire drive unit 7 is possible on the surface.
  • the design of the ring segment 6a is preferably designed such that the drill cuttings are transported together with the conveyed material in the direction of the conveying line 16 on the lateral flanks 26 of this component.
  • the cutting ring can be rotated clockwise and counterclockwise so that both lateral flanks 26 of the inner and outer segments of the ring segment 6a and 28 allow this material transport.
  • FIG. 4 shows a vertical section through the cutting ring area and the drive unit 7 of the device. It can be seen here that the drilling unit 13, after being removed from the bored pile 1, is fastened by the locking bolts 20 to the bored pile 30, which has a smaller diameter than the bored pile 1, during the further sinking process. A new ring segment 6b was attached to the cutting ring 6 in order to be able to continue the drilling process after lowering it into the bored pile 1 . As a result, particularly deep foundations/replacement piles or piles with a very large diameter can be sunk in several stages as so-called telescopic piles.
  • FIG 5 shows an alternative embodiment of the device during the insertion process (side/sectional view), in which a bored pile 1 in a ground 2 is shown.
  • a feed device 4 which controls the sinking and thus the load application via the fixing device 3 .
  • These components are arranged in such a way that they are above the ground 2 at all times during the insertion and fixing process of the bored pile 1 .
  • the storage of this component on the base platform is not shown.
  • the drive unit 7 is fixed at the lower end of the bored pile.
  • the cut surface of the cutting ring 6 forms an annular incision 8 in the ground 2 in which the bored pile 1 is sunk.
  • the contact pressure F for sinking and cutting the ground generated with the weight of the device the contact pressure for the cutting ring 6.
  • the force can F assume a positive value (compressive force) or a negative value (tensile force).
  • the cutting ring 6 is fitted with cutting tools 9 which produce the annular excavation of the soil 2 .
  • the arrangement is selected in such a way that the excavation work can also be carried out in hard soil or rock.
  • the drive unit 7 can be lifted to the surface by means of the traction means 10 .
  • the traction means 10 are fastened to the lock 12 of the drive unit by means of a lug 11 .
  • the ring segment 6a of the cutting ring 6 is pressed against the bored pile tip 1a until an inner shear bolt 14 fails and the inner and/or outer ring segment 6a and 28 folds down around the retaining bolt 15.
  • the delivery line 16 inside the bored pile 1 transports the drill cuttings and the material to be conveyed to the surface.
  • the cleaned material to be conveyed is transported back into the excavation space 18 through the feed line 17 .
  • the feed line 17 is preferably attached to a traction device 10 outside the bored pile.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bohreinheit zur Erstellung einer Gründung in einem Boden und/oder einer Gründung unter Wasser, wobei die Bohreinheit eine Antriebseinheit und einen Schneidring (6) aufweist, wobei der Schneidring (6) an der Bohreinheit rotierbar gelagert ist und mittels der Antriebseinheit antreibbar ist, wobei die Bohreinheit in der Weise eingerichtet ist, dass diese lösbar an einem, insbesondere dem Boden zugewandten, Ende eines Bohrpfahls zum, vorzugsweise vertikalen, Abteufen in dem Boden, anordenbar und befestigbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung mit einer solchen Bohreinheit, einen Schneidring (6) sowie ein Verfahren zur Erstellung einer Gründung in einem Boden und/oder einer Gründung unter Wasser.

Description

Bohreinheit und Verfahren zur Erstellung einer Gründung in einem Boden und/oder einer Gründung unterWasser
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Bohreinheit zur Erstellung einer Gründung im Boden sowie eine Gründung im Boden unter Wasser. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechendes Verfahren, eine Vorrichtung mit einer solchen Bohreinheit und einen Schneidring einer solchen Bohreinheit.
Stand der Technik
[0002] Bei der Herstellung von Bauwerken unterschiedlichster Art und Bestimmung wird i.d. Regel eine Verankerung mit dem Boden im Aufstellbereich hergestellt, um einen sicheren Betrieb während der vorgesehenen Lebensdauer des Bauwerks gewährleisten zu können. Die Verbindung des Bauwerks mit dem Boden wird durch Gründungen eines Fundaments am Aufstellungsort hergestellt.
[0003] Als geeignete Gründung werden oftmals so genannte Pfahlgründungen ausgeführt, bei den Pfähle aus Stahl oder Beton zunächst in den Boden eingebracht und anschließend fest mit dem Boden verbunden werden. Solche Pfahlgründungen können aus einzelne oder mehreren Pfählen bestehen, an denen das spätere Bauwerk verankert wird. Durchmesser und Länge dieser Pfähle richten sich nach den konstruktiven Anforderungen sowie den jeweiligen geologischen Bedingungen am Einbringungsort. Pfahlgründungen kommen sowohl an Land als auch im Meer zum Einsatz. Dabei sind die Durchmesser an Land oftmals wenige Dezimeter, im Offshore-Bereich oftmals über 3 m bei Einbindelängen in den Boden von über 10 m. Ähnliche Pfähle kommen bei der Herstellung von Schächten zum Einsatz. Auch bei dieser Anwendung verbleibt der Pfahl im Allgemeinen nach dem Einbringen im Boden.
[0004] Eine gängige Arbeitsweise zum Einbringen solcher Pfähle für Gründungen und Schächte im Lockergestein ist das sogenannte Rammverfahren. An Land können das sogenannte Spundwände oder Rohre sein, im maritimen Bereich hauptsächlich hohle Bauteile wie runde Rohre oder quadratische Rohre. Dabei handelt es sich um ein schnelles und kostengünstiges, jedoch die Umwelt, insbesondere für die Fauna stark belastendes Bauverfahren (Schallemissionen mit hohem Schalldruckpegel). Die Rammarbeiten finden ein Ende sobald in der geologischen Formation nicht nur Lockergestein, sondern auch Findlinge oder Hartgesteinsbänke oder massives Hartgestein vorhanden sind.
[0005] Alternativ können Pfähle mittels Bohrverfahren in den Boden eingebracht werden, wobei die Pfähle oft erst nach der Fertigstellung des Bohrlochs als Fertigpfähle oder als bewehrter ln-situ Beton ins Bohrloch eingebracht werden. Bei Fertigteilpfählen wird der sogenannte Ringraum zwischen dem Pfahl und Bohrlochwandungen mit einem geeigneten Verpressmittel verpresst. Hierdurch wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Bohrpfahl und Bohrloch erreicht. Bei einer Variante des Verfahrens erfolgt das Bohren mit Hilfe eines hohlen Pfahl, der der Bohrfront in der Sohle beim Bohren nach unten folgt, wobei das Bohrinstrument im oder um den hohlen Pfahl angeordnet ist und nach dem Teufevorgang geborgen werden kann.
In dem Dokument DE 10 2013 012 279 A1 wird ein Verfahren zur Erstellung einer Gründung im Boden mittels eines Hohlpfahls beschrieben.
In dem Dokument DE 101 17 111 A1 wird ein alternatives Verfahren zur Erstellung einer Gründung im Boden beschrieben, wobei Gründungskörper in ringförmige Gründungsgraben eingebracht werden.
[0006] Die bekannten Bohrverfahren erlauben typischerweise auch eine Gründung in härteren Böden oder Böden mit Findlingen größerer Härte wie Steinen und Brocken. Gegenüber dem bekannten Rammverfahren haben die bekannten Bohrverfahren zwar deutliche ökologische und geologische Vorteile, jedoch sind sie in der Regel wesentlich zeit- und kostenintensiver.
Zur Erfindung
[0007] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Geräte und Verfahren zur verbesserten Erstellung einer Gründung im Boden bereitzustellen, welche insbesondere umweltschonend, sicher, schnell und kosteneffizient ist. [0008] Die technische Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Bohreinheit zur Erstellung einer Gründung in einem Boden und/oder einer Gründung unter Wasser, wobei die Bohreinheit eine Antriebseinheit und einen Schneidring aufweist, wobei der Schneidring an der Bohreinheit rotierbar gelagert ist und mittels der Antriebseinheit antreibbar ist, wobei die Bohreinheit in der Weise eingerichtet ist, dass diese lösbar an einem, insbesondere dem Boden zugewandten, Ende eines Bohrpfahls zum, vorzugsweise vertikalen, Abteufen in dem Boden, anordenbar und befestigbar ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erstellung einer Gründung im Boden 2 und/oder einer Gründung unter Wasser, mit einem Bohrpfahl und einer Bohreinheit.
[0009] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um einen Bohrpfahl, der einen Klemmbereich, eine Bohreinheit, Speise- und Förderleitung, einen Schneidring und eine Lagerung des Schneidrings aufweist.
[0010] Der Klemmbereich ist dabei so ausgestaltet, dass über diesen Klemmbereich sowohl die für einen Bohrvorgang erforderlichen axialen Kräfte (Druck und Zugkräfte) in den Bohrpfahl eingeleitet werden können, als auch die während des Einbringvorgangs entstehenden Drehmomente von der Klemmvorrichtung aufgenommen werden können. Der Klemmbereich befindet sich vorzugsweise im oberen Drittel des Bohrpfahls, zumindest jedoch in dem Teil des Bohrpfahls, der nicht in den Boden eingebracht werden soll. Der Klemmbereich kann sich dabei an der Innen-, der Außenseite oder sowohl an der Innen- als auch der Außenseite des Bohrpfahls befinden. Die Klemmwirkung wird bevorzugt über Reibschluss erzeugt, kann jedoch bei entsprechender Ausgestaltung auch über Formschluss oder einer Kombination dieser beiden Kraftübertragungsarten realisiert werden.
[0011] Die Antriebseinheit wird von mindestens einer Motor/ Getriebeeinheit angetrieben dessen Drehmoment über eine Verzahnung auf den Schneidring übertragen wird. Die Antriebseinheit sitzt dabei oberhalb der Lagerung und kann im inneren und äußeren Bereich des Bohrpfahls angebracht sein. Die Antriebseinheit wird während des Abteufevorgangs form- und/oder kraftschlüssig am Bohrpfahl verankert, um die Drehmomente aus der Antriebseinheit durch den Bohrpfahl in den Klemmbereich weiterzuleiten. Die Antriebseinheit soll dabei einen möglichst kleineren Durchmesser als der Ringschnittdurchmesser des Schneidrings aufweisen. Der Schneidring ist dabei so gestaltet, dass der entstehende ringförmige Ausbruch so groß gestaltet ist, dass während des Abteufevorgangs kein Verklemmen des Bohrpfahls stattfinden kann. Die Antriebseinheit ist mit mindestens einem Antriebsritzel versehen, welches in einen am Schneidring befindlichen Zahnkranz eingreift und dadurch die für den Schneidvorgang erforderlichen Drehmomente von der Motor-/ Getriebeeinheit überträgt. Mit Hilfe der Lagerung wird der Schneidring am unteren Ende der Antriebseinheit gelagert und gegenüber der Antriebseinheit mittels Dichtungen abgedichtet.
[0012] Die Speiseleitung dient dazu, die für den Bohrvorgang benötigte Bohrflüssigkeit zum Schneidring zu transportieren. Dazu ist die Speiseleitung im äußeren oder inneren Bereich des ringförmigen Ausbruchs vorgesehen. Die Speiseleitung ist innen hohl ausgestaltet, so dass die Bohrflüssigkeit durch die Speiseleitung hindurch von der Spülpumpe zu ihrem unteren Ende gepumpt werden kann. Die Speiseleitung ist an der Antriebseinheit fixiert und weist tendenziell einen kleineren Durchmesser als die Förderleitung auf. Die Förderleitung wird vorzugsweise im inneren des Bohrpfahls möglichst dicht an der Wandung des Bohrpfahls verlaufen. Am Umfang des Bohrpfahls soll mindestens eine Speise- und Förderleitung angebracht werden. Um einen vollflächigen Abtrag des Abraums zu gewährleisten, wird es jedoch sinnvoll sein mehrere Förder- und Speiseleitungen zu installieren. Da die Speiseleitung in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform fest stehend ist (nicht rotiert), kann die entsprechende Fixierung der Speiseleitung an der Antriebseinheit massiv ausgeführt werden. Die Speiseleitung kann beim Bergen der Antriebseinheit ebenfalls geborgen und wiederverwendet werden. Die Förderleitung kann entweder ebenfalls geborgen werden oder im ringförmigen Ausbruchsbereich verbleiben, um zur Verpumpung des Verpreßmaterials zu dienen.
[0013] Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Schneidring zur Erstellung einer Gründung im Boden und/oder einer Gründung unter Wasser zur Verwendung mit einer Vorrichtung mit einer Bohreinheit und/oder einer Bohreinheit, wobei der Schneidring abklappbare Teilsegmente aufweist, welche vorzugsweise als Ringsegmente ausgebildet sind.
Ein Schneidring im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise ein ringförmiger Körper der mit Schneidwerkzeugen bestückt ist. Weiter vorzugsweise weist der Schneidring einen U- förmigen Querschnitt auf. Im Gegensatz zu einer Schneidscheibe, die den ganzen Querschnitt unterhalb des Bohrpfahls bearbeitet, wird durch den Schneidring vorzugsweise nur ein geringerer Teil des Querschnitts abgetragen. An seinem oberen Ende ist der Schneidring vorzugsweise mittels eines Flansches vorzugsweise unmittelbar in der Antriebseinheit gelagert und gedichtet. Hierdurch können die für den Einbringvorgang erforderlichen, von der Vorschubvorrichtung erzeugten Axialkräfte über den Bohrpfahl und der Antriebseinheit auf den Schneidring übertragen werden. An diesem Flansch des Schneidrings ist innerhalb der Antriebseinheit vorzugsweise ein Zahnkranz aufgetragen. In diesem Gehäuse ist vorzugsweise außerdem das Antriebsritzel der Motor- / Getriebeeinheit positioniert. Im Umfang des Schneidrings sind vorzugsweise Durchgangsöffnungen vorgesehen, um das Fördermedium zur Sohle zu leiten. An der Unterseite des Schneidrings sind außerdem vorzugsweise die für den Eindringvorgang erforderlichen Schneidwerkzeuge angebracht. Mit Hilfe dieser Schneidwerkzeuge wird der unterhalb des Schneidrings anstehende Boden vorzugsweise gelöst. Dazu ist die Antriebseinheit vorzugweise so am Bohrpfahl befestigt, dass eine aktivierbare Arretiereinheit und/oder eine formschlüssige Anbindung gewährleistet wird.
[0014] Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer Gründung in Boden, wobei zum Einbringen eines Bohrpfahls in einen Boden eine Bohreinheit von mindestens einer Vorschubvorrichtung über mindestens einen Fixiervorrichtung mit einer Axialkraft beaufschlagt wird, wobei ein am unteren Ende des Bohrpfahls befindlicher Schneidring mittels einer Antriebseinheit, die an einer Innenseite oder Außenseite des Bohrpfahls angeordnet ist, in Rotation versetzt wird und einen ringförmigen Einschnitt 8 erzeugt, wobei über mindestens eine Speiseleitung und/oder eine Hochdruckspeiseleitung eine Bohrflüssigkeit in den Abbaubereich des Schneidrings gepumpt wird, und wobei die Bohrflüssigkeit zusammen mit einem mittels des Schneidrings gelösten Abraum mittels einer Förderleitung zur Oberfläche gefördert wird.
[0015] Der Bohrpfahl wird dabei in den Boden eingebracht, indem über eine Vorschubeinheit und einen Klemmbereich Axialkräfte auf den Bohrpfahl ausgeübt werden. Hierbei handelt es sich in erster Linie um die für den Einbring- bzw. Bohrvorgang erforderlichen Andruckkräfte. Falls jedoch z. B. das Eigengewicht des Bohrpfahls bereits eine Vertikalkraft erzeugt, die höher als die notwendige Andruckkraft und der Auftrieb der Gesamteinheit ist, so können von der Vorschubvorrichtung auch Axialkräfte in die entgegengesetzte Richtung (Zugkräfte) aufgebracht werden. Zusätzlich ist die Vorschubvorrichtung vorgesehen, um wiederum über den Klemmbereich die während des Einbringvorgangs entstehenden Drehmomente aufzunehmen und abzuführen. Hierzu ist die Vorschubvorrichtung in einer Basisplattform verankert. [0016] Gleichzeitig mit dem Einwirken der Vorschubkräfte wird der Schneidring in Rotation versetzt, um den unterhalb des Bohrpfahls anstehenden Boden zu lösen. Hierzu wird der Schneidring über einen Antriebswelle von einer Motor/ Getriebeeinheit angetrieben. Die Drehrichtung kann dabei grundsätzlich im Uhrzeigersinn oder entgegen des Uhrzeigersinnes erfolgen oder alternierend in beide Richtungen.
[0017] Mittels einer Speisepumpe wird Bohrflüssigkeit zum Schneidring gepumpt, vermischt sich dort mit dem vom Schneidrad gelösten Boden und fließt am Schneidring vorbei durch die Förderleitungen an der Innen- oder Außenseite des Bohrpfahls an die Oberfläche. Dort kann die Bohrflüssigkeit mit dem gelösten Boden entsorgt oder aufgefangen, aufbereitet und wiederverwendet werden. Die Bohrflüssigkeit tritt aus der Öffnung der Speiseleitung direkt oberhalb des Schneidrings in den Abbaubereich ein. Von dort fließt sie weiter auf der Unterseite des Schneidrings, wo der anstehende Boden des ringförmigen Hohlraums durch die Schneidwerkzeugen bearbeitet und gelöst wird. Durch den Pumpvorgang wird im ringförmigen Hohlraum des Schneidrings permanent ein geringer Überdruck erzeugt, so dass ein Zusammenbrechen des Hohlraums verhindert werden kann.
[0018] Bedingt durch die Kombination aus mechanischer und hydraulischer Lösearbeit von Schneidwerkzeugen und Bohrflüssigkeit am Schneidring können auf die beschriebene Art und Weise nicht nur Lockergesteinsböden wie Ton und Sand sondern auch harte Bodenarten oder einzelne Bodenhindernisse wie Steine oder Findlinge bewältigt werden. Der Materialfluss kann dabei verbessert werden in dem durch eine Hochdruckspeiseleitung mittels Hochdruckdüsen die Bodenlösung beschleunigen und Verklebungen im Abbauraum bei bindigen Böden verhindert. Die Bohrflüssigkeit incl. dem gelöster Boden kann mittels Kreiselförder- oder Venturipumpen oder einer Kombination davon oder per Lufthebeverfahren durch die Förderleitung an die Oberfläche gefördert werden.
[0019] Der Dichtungsbereich zwischen rotierendem Schneidring und Antriebseinheit verhindert das Eindringen des Förderguts in die Antriebseinheit damit das Antriebsritzel und der ebenfalls dort angeordnete Zahnkranz nicht mit Boden in Berührung kommen.
[0020] Nachdem der Bohrpfahl seine vorgesehene Teufe im Boden erreicht hat, ist der Einbringvorgang abgeschlossen, d. h. die Rotation des Schneidrings wird ebenso eingestellt wie die Beaufschlagung des Bohrpfahls mit Axialkraft (Bohrandruckkraft). Damit kann die Bohreinheit mittels Zugmittel an Umfang der Antriebseinheit nach oben gezogen werden. Der Bereich des Schneidrings unterhalb des Bohrpfahls wird dabei innen und/oder außen eingeklappt, um den Freiraum zum Bergen der Bohreinheit zu ermöglichen. Dazu sind am Schneidring drehbare Schneidringteile vorgesehen die während des Teufevorgangs fixiert sind und beim Bergen der Antriebseinheit mittels Abscheren von Scherbolzen oder hydraulischem Lösevorgang entriegelt und eingeschwenkt werden können. Die Vorschubvorrichtung hält den Bohrpfahl nunmehr in der erreichten Position, bis der Bohrpfahl im Boden fixiert ist.
[0021] Für den Fixiervorgang wird mittels der Spülpumpe an Stelle der Bohrflüssigkeit ein Fixiermaterial durch die Förderleitung verpumpt. Bei dem Fixiermaterial kann es sich z. B. um so genannten Dämmer handeln, welcher nach einer bestimmten Verweilzeit aushärtet. Das Fixiermaterial wird solange von der Speisepumpe durch die Förderleitung in den Ringraum gepumpt, bis es an der Oberfläche (oder am Meeresgrund) wieder zu T age tritt. Dann ist der Ringraum vollständig von Fixiermaterial ausgefüllt bzw. der Bohrpfahl vollständig von Fixiermaterial umgeben und wird damit nach dem Aushärten des Fixiermaterials fest in den Boden eingebunden. Nun kann der Bohrpfahl über den aus dem Boden herausragenden Bereich mit einem Bauwerk verbunden und als Gründung genutzt werden.
[0022] Abschließend werden die Vorschubvorrichtung und die Spülpumpen vom Bohrpfahl bzw. der Förderleitung getrennt und können für den nächsten Einbringvorgang eines Bohrpfahls genutzt werden. Um mögliche Reibungskräfte an der Außen- und Innenseite des Bohrpfahls zu verringern, ist es weiterhin möglich, die Vorschubeinrichtung so auszugestalten, dass diese den Bohrpfahl während des Einbringvorgangs um kleine Winkelbeträge (z. B. 30°) nach links und rechts oszilliert. Die hierfür notwendigen Kräfte bzw. Drehmomente können ebenfalls über die Klemmvorrichtung auf den Bohrpfahl übertragen werden.
[0023] Weiterhin ist es möglich, an der Innen- und/ oder der Außenseite des Bohrpfahls so genannte Schmierstationen vorzusehen, wie sie im Mikrotunneling bzw. Rohrvortrieb verwendet werden. Dadurch kann die Reibung zwischen Boden und Bohrpfahl ganz erheblich reduziert werden, wodurch eine besonders kleine und kostengünstige Vorschubvorrichtung möglich würden.
[0024] Bei bestimmten geologischen Bedingungen (z. B. sehr wenigen bindigen Anteilen in der Bodenmatrix) kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgelegt werden, dass der Ringraum an der Innen- oder Außenseite des Bohrpfahls auf ein Minimum reduziert wird. Dadurch würde dieser Bereich von der wenigen, dort noch eintretenden Bohrflüssigkeit zwar geschmiert (und dadurch die Reibung stark gemindert), der vom Schneidring gelöste Boden würde jedoch hauptsächlich durch die Förderleitung am Umfang des Bohrpfahls gefördert. Vorteilhaft bei dieser Auslegung wäre, dass der um den Bohrpfahls anstehende Boden stabilisiert und gegen ein unbeabsichtigtes Auswaschen durch die Bohrflüssigkeit geschützt würde.
Vorteile der Erfindung
[0025] Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere in den Aspekten Ökologie und Ökonomie (minimale Geräuschemissionen bei der Bauwerkserstellung, minimaler Bodenaustausch/Bodenaushub erforderlich), Sicherheit und Risiko (effektive Bewältigung von Bodenhindernissen, für den Offshore-Bereich reduziertes Ausführungsrisiko durch kurze Verweilzeiten, Wetter), Technik (optimale Einbindung des Bauwerks in den Boden) und Kosten (hohe Arbeitsgeschwindigkeit durch nur ringförmigen Austrag der Geologie mit kurzen Verweildauern und Reduzierung des Verpressmaterials) sowie geringere Antriebsleistung der Aggregate aufgrund des Ringschnitts anstatt des Vollschnitt zur Gründung des Pfahles.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung verfügt die Bohreinheit über mindestens eine Motor-/ Getriebeeinheit die an der Antriebseinheit befestigt ist.
Dadurch kann das erforderliche Drehmoment ohne Verluste bzw. zusätzliche Bauteile in die Antriebseinheit eingebracht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Bohreinheit eine Speiseleitung und/oder eine Hochdruckspeiseleitung auf, welche an der Bohreinheit befestigt und/oder an dem Bohrpfahl befestigbar und in der Weise eingerichtet ist oder sind, dass Bohrflüssigkeit in einen Abbaubereich einbringbar ist, um Schneidgut, welches durch den Schneidring im Boden entfernt wird, an eine Oberfläche des Bodens oder einer Wasseroberfläche transportieren zu können. Diese Ausgestaltung ermöglicht die gezielte Steuerung des Überdrucks im Abbaubereich des Schneidrings.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Bohreinheit und/oder die Antriebseinheit eine Arretierung auf, mittels welcher die Bohreinheit und/oder die Antriebseinheit lösbar am Bohrpfahl befestigbar ist, um einen mehrfachen Einsatz der Bohreinheit und damit eine kostengünstige Lösung zu gewährleisten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist Bohreinheit ein Zugmittel, insbesondere Zugseil, auf, welche in der Weise eingerichtet sind, dass die Bohreinheit und/oder die Antriebseinheit nach Lösen der Arretierung an die Oberfläche geborgen werden kann, um einen mehrfachen Einsatz der Bohreinheit und damit eine kostengünstige Lösung zu gewährleisten.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Bohreinheit Dichtungen auf, mittels welchen eine Lagerung des Schneidrings nach außen abgedichtet wird um einen dauerhaften Einsatz der Antriebseinheit ohne massiven Verschleiß zu ermöglichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Bohreinheit an einem, insbesondere dem Boden zugewandten, Ende eines Bohrpfahls angeordnet, wodurch die gezielte Lasteinleitung auf die Bohreinheit/ Antriebseinheit ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Antriebseinheit an einer Innenseite des Bohrpfahls angeordnet, um einen minimalen Bohrquerschnitt des Ringschnitts zu ermöglichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Schneidrings sind die Teilsegmente mit Haltebolzen und Scherbolzen am Schneidring fixiert, wodurch das Bergen der Bohreinheit effizient und kostengünstig ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Schneidrings ist eine Stirnseite des Schneidrings, welche einer mit Schneidwerkzeugen versehenen Stirnseite des Schneidrings abgewandt ist, in einer Lagerung der Antriebseinheit lagerbar, um eine dauerhaft sichere und verschleißarme Funktion der Antriebseinheit zu ermöglichen
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schneidring in der Weise ausgebildet, dass dessen Außendurchmesser und/oder Innendurchmesser zum Bergen der Bohreinheit und/oder einer Antriebseinheit der Bohreinheit verkleinert werden kann, insbesondere durch Abscheren der Scherbolzen und Umklappen der Teilsegmente um die Haltebolzen. Durch diese Ausgestaltung kann der Schneidring mit minimalem Aufwand für Sanierung, mehrfach verwendet werden und sichert damit eine wirtschaftlichen Einsatz der Bohreinheit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Fixieren des Bohrpfahls nach dem Erreichen der vorgesehenen Teufe im Boden durch die mindestens eine Förderleitung ein Fixiermaterial in den Abbaubereich gepumpt wird bis das aufsteigende Fixiermaterial den kompletten ringförmigen Einschnitt um den Bohrpfahl und/oder in einem Hohlraum des Bohrpfahls gefüllt hat. Damit kann das gezielte Einbringen des Fixiermaterials für eine vollflächige Einbindung des Bohrpfahls gesteuert werden.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Abteufen des Bohrpfahls .vorzugsweise vor dem Verfüllen des ringförmigen Einschnitts, die Bohreinheit mittels einer Hebevorrichtung über Zugmittel an eine Oberfläche des Bodens oder eine Wasseroberfläche geborgen , wobei der Innen- und/oder Außendurchmesser der Bohreinheit, insbesondere des Schneidrings verändert wird, wodurch das Bergen der Bohreinheit effizient und kostengünstig ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist der Schneidring Teilsegmente auf, welche mit Haltebolzen und Scherbolzen am Schneidring fixiert sind, solange der Abteuffvorgang stattfindet, wobei die Scherbolzen beim Bergen der Bohreinheit abscheren und die Teilsegmente um die Haltebolzen wegklappen. Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens kann der Schneidring mit minimalem Aufwand geborgen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die Antriebseinheit während dem Erzeugen des Einschnitts in einem Hohlraum eines jeweiligen Bohrpfahls an dessen Innenseite angeordnet und in den Bohrpfahl wird nach einem Bergen der Bohreinheit ein weiterer Bohrpfahl, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Bohrpfahls, eingebracht wird, in der Weise, dass die Bohreinheit in den Bohrpfahl eingebaut werden kann, um eine besonders tiefe Bohrung, eine Ersatzbohrung und/oder einen Bohrpfahl sehr großen Durchmessers und/oder Gewichts abzuteufen. Diese Ausgestaltung ist vor allem in schwierigen Geologien von großem Vorteil, um die Sicherheit beim Einbringen des Bohrpfahls zu erhöhen.
Die im Vorhergehenden in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten auch für die übrigen Aspekte der Erfindung und umgekehrt.
Figurenbeschreibung
[0026] Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei die dort gezeigten Merkmale beispielhaften Charakter aufweisen.
[0027] Die Zeichnungen zeigen wenigstens teilweise schematisch:
[0028] Fig. 1: Bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung während des Einbringvorgangs (Schnitt durch die Vorrichtung).
[0029] Fig. 2: Detail der Vorrichtung (vertikaler Schnitt durch die Bohreinheit incl. der schwenkbarem Ringsegmente 6a Innen und Außen des Schneidringbereiches).
[0030] Fig. 3: Detail der Vorrichtung (horizontale Schnitte durch den Schneidringbereich 6). [0031] Fig. 4: Ausführungsform eines Bohrpfahls 30 zur Herstellung besonders tiefer Gründungen/ Ersatzgründungen oder besonders großen Gründungen.
[0032] Fig. 5: Alternative Ausführungsform der Vorrichtung während des Einbringvorgangs (Schnitt durch die Vorrichtung).
[0033] Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung in einer schematischen Seiten-/ Schnittansicht, bei der ein Bohrpfahl 1 in einem Boden 2 dargestellt ist.
[0034] Der Bohrpfahl 1 besteht aus einem Stahlrohr mit einer gegenüber dem Durchmesser geringen Wanddicke. Die Länge des Bohrpfahls 1 ist im Beispiel verkürzt dargestellt. In der Praxis muss die Länge des Bohrpfahls mindestens die Eindringtiefe des Bohrpfahls im Boden plus das Anbindestück an das eigentliche Bauwerk darstellen.
[0035] Im oberen Bereich des Bohrpfahls 1 ist eine Vorschubvorrichtungen 4 dargestellt die das Abteufen und damit den Lasteintrag über die Fixiervorrichtung 3 steuert. Diese Bauteile sind so angeordnet, dass es sich zu jedem Zeitpunkt des Einbring- und Fixiervorgangs des Bohrpfahls 1 oberhalb des Bodens 2 befinden. Die Lagerung dieses Bauteils an der Basisplattform ist nicht dargestellt.
[0036] Die Motor-/ Getriebeeinheit 5 erzeugte ein Drehmoment das auf einen Schneidring 6 übertragen wird. Die Antriebseinheit 7 ist dabei am unteren Ende des Bohrpfahls fixiert. Die Schnittfläche des Schneidrings 6 bildet einen ringförmigen Einschnitt 8 in den Boden 2 in dem der Bohrpfahl 1 abgeteuft wird.
[0037] Die Anpreßkraft F für das Abteufen und Schneiden des Bodens erzeugt mit dem Eigengewicht der Vorrichtung die Andruckkraft für den Schneidring 6. Dabei kann die Kraft F einen positiven Wert (Druckkraft) oder einen negativen Wert (Zugkraft) annehmen. Der Schneidring 6 ist mit Schneidwerkzeugen 9 bestückt die den ringförmigen Aushub des Bodens 2 erzeugen. Die Anordnung ist hierbei so gewählt, dass auch in hartem Boden oder Fels die Abbauarbeit geleistet werden kann.
[0038] Mittels der Zugmittel 10 kann nach Fertigstellung des Abteufevorgangs die Antriebseinheit 7 an die Oberfläche gehoben werden. Dabei sind die Zugmittel 10 an der Arretierung 12 der Antriebseinheit mittels einer Lasche 11 befestigt. Durch Zug an den Zugmittel 10 nach vorherigen Lösen der Arretierung 12 wird das Ringsegment 6a des Schneidrings 6 an die Bohrpfahlspitze 1a gedrückt, bis ein innerer Scherbolzen 14 versagt und das innere und/oder äußere Ringsegment 6a und 28 um den Haltebolzen 15 nach unten abklappt. [0039] Die Förderleitung 16 im Inneren des Bohrpfahls 1 transportiert das Bohrgut und das Fördergut an die Oberfläche. Das gereinigte Fördergut wird durch die Speiseleitung 17 wieder in den Abbauraum 18 transportiert. Die Speiseleitung 17 ist vorzugsweise an einem Zugmittel 10 befestigt.
[0040] Fig. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch den Schneidringbereich und der Antriebseinheit 7 der Vorrichtung. Dabei ist erkennbar, dass die Antriebseinheit 7 durch den formschlüssigen Anschluss 19 und der Arretierung 12 mit dem Arretierungsbolzen 20 am Bohrpfahl 1 während des Abteufevorgangs befestigt ist.
[0041] Durch Rotation der Motor-/ Getriebeeinheit 5 wird die Kraft auf das Antriebsritzel 21 und die Verzahnung im Zahnkranz 22 in der Lagerung 23 übertragen und der Schneidring 6 beginnt sich zu drehen. Die Dichtungen 24 dichten dabei das drehende Teil des Schneidrings 6 zu dem stehenden Gehäuse der Antriebseinheit 7 ab. Durch diese Rotation beginnen die Schneidwerkzeuge 9 die Abbautätigkeit am Boden 2 bis die finale Teufe erreicht wird.
[0042] Durch die Speiseleitung 17 wird die Bohrflüssigkeit in den Abbaubereich 18 gefördert und mittels der Speise-/ Speisehochdruckleitung 17,29 gemeinsam mit dem Bohrgut vermischt durch die Förderleitung 16 an die Oberfläche transportiert.
[0043] Im Schnitt des Schneidrings 6 sind die Haltebolzen 15 und Scherbolzen 14 des inneren und äußeren Ringsegments 28, 6a dargestellt. Wie beschrieben kann damit nach Beendigung des Abteufevorgangs der verbleibende Durchmesser des Schneidrings 6 zum Bergen der Antriebseinheit 7 verkleinert werden. Im
Anschluss an die Bergung der Antriebseinheit 7 kann das oben beschriebene Fixiermaterial z.B. durch die Förderleitung 16 eingebracht werden, um den Bohrpfahl 1 im ringförmigen Einschnitt 8 dauerhaft zu verankern.
Alternativ zum Abscheren des Scherbolzens 14 kann eine aktivierbare Fixierung des Ringsegments 6a, 28 am Schneidring 6 vorgesehen werden. Dazu wird eine Drehdurchführung 27 am unteren Ende der Antriebseinheit 7 befestigt, die sowohl hydraulische Flüssigkeit, Sensordaten oder elektrische Signale vom stehenden zum rotierenden Teil der Bohreinheit 13 übertragen kann.
[0044] Fig. 3 zeigt eine Draufsicht des Schneidrings 6 als halbes Teil des gesamten Schneidrings 6. Dabei ist der Bohrpfahl 1 mit der Spitze 1a und den angebrachten Förderleitungen 16 in den sichtbaren Bereichen dargestellt. Das Ringsegment 6a, 28 des Schneidrings 6 ist ein Kreissegment welches mittels Scherbolzen 14 und Haltebolzen 15 während des Abteufens fixiert ist. [0045] Beim Bergen der Antriebseinheit 7 werden wie oben beschrieben die Scherbolzen 14 zerstört oder zurückgezogen und das äußere und/oder innere Ringsegment 6a und 28 kann an den Befestigungslaschen 25 nach unten klappen, um den Durchmesser des Schneidrings 6 so zu reduzieren, dass ein Bergen der gesamten Antriebseinheit 7 an die Oberfläche möglich ist.
[0046] Die Gestaltung des Ringsegments 6 a ist vorzugsweise so gestaltet, dass an den seitlichen Flanken 26 dieses Bauteils das Bohrgut gemeinsam mit dem Fördergut in Richtung der Förderleitung 16 transportiert wird. Die Drehung des Schneidrings kann im Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn erfolgen so dass beide seitlichen Flanken 26 des inneren und äußeren Segments des Ringsegments 6a und 28 diesen Materialtransport ermöglichen.
[0047] Fig. 4 zeigt einen vertikalen Schnitt durch den Schneidringbereich und der Antriebseinheit 7 der Vorrichtung. Dabei ist erkennbar, dass die Bohreinheit 13 nach dem Bergen aus dem Bohrpfahl 1 durch die Arretierungsbolzen 20 am Bohrpfahl 30, mit einem kleineren Durchmesser als Bohrpfahl 1 , während des weiteren Abteufevorgangs befestigt ist. Am Schneidring 6 wurde ein neues Ringsegment 6b angebracht, um nach dem Absenken in den Bohrpfahl 1 den Bohrvorgang fortsetzen zu können. Dadurch können besonders tiefe Gründungen/ Ersatzpfähle oder Pfähle mit sehr großem Durchmesser als sogenannter Teleskoppfahl in mehreren Stufen abgeteuft werden.
[0048] Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung während des Einbringvorgangs (Seiten-/ Schnittansicht) bei der ein Bohrpfahl 1 in einem Boden 2 dargestellt ist.
[0049] Im oberen Bereich des Bohrpfahls 1 ist eine Vorschubvorrichtungen 4 dargestellt die das Abteufen und damit den Lasteintrag über die Fixiervorrichtung 3 steuert. Diese Bauteile sind so angeordnet, dass es sich zu jedem Zeitpunkt des Einbring- und Fixiervorgangs des Bohrpfahls 1 oberhalb des Bodens 2 befinden. Die Lagerung dieses Bauteils an der Basisplattform ist nicht dargestellt.
[0050] Die Motor-/ Getriebeeinheit 5 der Antriebseinheit 7, die außerhalb des Bohrpfahls 1 angeordnet ist, erzeugte ein Drehmoment das auf einen Schneidring 6 übertragen wird. Die Antriebseinheit 7 ist dabei am unteren Ende des Bohrpfahls fixiert. Die Schnittfläche des Schneidrings 6 bildet einen ringförmigen Einschnitt 8 in den Boden 2 in dem der Bohrpfahl 1 abgeteuft wird.
[0051] Die Anpreßkraft F für das Abteufen und Schneiden des Bodens erzeugt mit dem Eigengewicht der Vorrichtung die Andruckkraft für den Schneidring 6. Dabei kann die Kraft F einen positiven Wert (Druckkraft) oder einen negativen Wert (Zugkraft) annehmen. Der Schneidring 6 ist mit Schneidwerkzeugen 9 bestückt die den ringförmigen Aushub des Bodens 2 erzeugen. Die Anordnung ist hierbei so gewählt, dass auch in hartem Boden oder Fels die Abbauarbeit geleistet werden kann.
[0052] Mittels der Zugmittel 10 kann nach Fertigstellung des Abteufevorgangs die Antriebseinheit 7 an die Oberfläche gehoben werden. Dabei sind die Zugmittel 10 an der Arretierung 12 der Antriebseinheit mittels einer Lasche 11 befestigt. Durch Zug an den Zugmitteln 10 nach vorherigem Lösen der Arretierung 12 wird das Ringsegment 6a des Schneidrings 6 an die Bohrpfahlspitze 1a gedrückt, bis ein innerer Scherbolzen 14 versagt und das innere und/oder äußere Ringsegment 6a und 28 um den Haltebolzen 15 nach unten abklappt.
[0053] Die Förderleitung 16 im Inneren des Bohrpfahls 1 transportiert das Bohrgut und das Fördergut an die Oberfläche. Das gereinigte Fördergut wird durch die Speiseleitung 17 wieder in den Abbauraum 18 transportiert. Die Speiseleitung 17 ist vorzugsweise an einem Zugmittel 10 außerhalb des Bohrpfahls befestigt.
Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei den Ausführungsbeispielen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung mindestens eines Ausführungsbeispiels gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Liste der Bezugszeichen:
1 Bohrpfahl
1a Spitze des Bohrpfahls
2 Boden
3 Fixiervorrichtung
4 Vorschubvorrichtungen
5 Motor-/ Getriebeeinheit
6 Schneidring
6a und 6 b Ringsegment des Schneidrings
7 Antriebseinheit
8 Ringförmige Einschnitt
9 Schneidwerkzeuge
10 Zugmittel
11 Lasche
12 Arretierung
13 Bohreinheit
14 Scherbolzen
15 Haltebolzen
16 Förderleitung
17 Speiseleitung
18 Abbaubereich
19 formschlüssiger Anschluß
20 Arretierungsbolzen
21 Ritzel
22 Zahnkranz
23 Lagerung
24 Dichtungen
25 Befestigungslasche
26 seitliche Flanke
27 Drehdurchführung
28 inneres Ringsegment des Schneidrings
29 Hochdruckspeiseleitung
30 Teleskopbohrpfahl

Claims

Patentansprüche
1) Bohreinheit (13) zur Erstellung einer Gründung oder eines Schachts in einem Boden (2) und/oder einer Gründung oder eines Schachts unter Wasser, wobei die Bohreinheit (13) eine Antriebseinheit (7) und einen Schneidring (6) aufweist, wobei der Schneidring (6) an der Bohreinheit (13) rotierbar gelagert ist und mittels der Antriebseinheit (7) antreibbar ist, wobei die Bohreinheit (13) in der Weise eingerichtet ist, dass diese lösbar an einem, insbesondere dem Boden (2) zugewandten Ende eines Bohrpfahls (1) zum, vorzugsweise vertikalen, Abteufen in dem Boden (2), anordenbar und befestigbar ist.
2) Bohreinheit (13) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinheit (13) über mindestens eine Motor-/ Getriebeeinheit (5) verfügt die an der Antriebseinheit (7) befestigt ist.
3) Bohreinheit (13) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinheit (13) eine Speiseleitung (17) und/oder eine Hochdruckspeiseleitung (29) aufweist, welche an der Bohreinheit (13) befestigt und/oder an dem Bohrpfahl (1) befestigbar und in der Weise eingerichtet ist oder sind, dass Bohrflüssigkeit in einen Abbaubereich (18) einbringbar ist, um Schneidgut, welches durch den Schneidring (6) im Boden (2) entfernt wird, an eine Oberfläche des Bodens (2) oder eine Wasseroberfläche transportieren zu können.
4) Bohreinheit (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinheit (13) und/oder die Antriebseinheit (7) eine Arretierung (12) aufweist, mittels welcher die Bohreinheit (13) und/oder die Antriebseinheit (7) lösbar am Bohrpfahl (1) befestigbar ist.
5) Bohreinheit (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinheit (13) ein Zugmittel (10), insbesondere Zugseil, aufweist, welche in der Weise eingerichtet sind, dass die Bohreinheit (13) und/oder die Antriebseinheit (7) nach Lösen der Arretierung (12) an die Oberfläche geborgen werden kann. 6) Bohreinheit (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche des Weiteren eine Förderleitung (16) aufweist, um eine Bohrflüssigkeit zusammen mit einem mittels des Schneidrings gelösten Abraum zur Oberfläche zu fördern.
7) Vorrichtung zur Erstellung einer Gründung oder eines Schachts im Boden (2) und/oder einer Gründung oder eines Schachts unter Wasser, mit einem Bohrpfahl (1) und einer Bohreinheit (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8) Schneidring (6) zur Erstellung einer Gründung oder eines Schachts im Boden (2) und/oder einer Gründung oder eines Schachts unter Wasser zur Verwendung mit einer Vorrichtung und/oder einer Bohreinheit (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidring (6) abklappbare Teilsegmente (6a, 28) aufweist, welche vorzugsweise als Ringsegmente ausgebildet sind.
9) Schneidring (6) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (6a, 28) mit Haltebolzen (15) und Scherbolzen (14) am Schneidring (6) fixiert sind.
10) Schneidring nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidring (6) in der Weise ausgebildet ist, dass dessen Außendurchmesser und/oder Innendurchmesser zum Bergen der Bohreinheit (13) und/oder einer Antriebseinheit (7) der Bohreinheit (13) verkleinert werden kann, insbesondere durch Abscheren der Scherbolzen oder hydraulische Entriegelung der Scherbolzen und Umklappen der Teilsegmente (6a, 28).
11) Verwendung der Bohreinheit (13) und/oder der Vorrichtung und/oder des Schneidrings nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Teufvorgang für einen Bohrpfahl (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Motor- /Geriebeeinheit (5) der Antriebseinheit (7) während des Teufvorgangs unter Wasser arbeitet.
12) Verfahren zur Erstellung einer Gründung oder eines Schachts in einem Boden (2), wobei zum Einbringen eines Bohrpfahls (1) in einen Boden (2) eine Bohreinheit (13), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, von mindestens einer Vorschubvorrichtung (4) über mindestens einen Fixiervorrichtung (3) mit einer Axialkraft beaufschlagt wird, wobei ein am unteren Ende des Bohrpfahls (1) befindlicher Schneidring (6) mittels einer Antriebseinheit (7), die an einer Innenseite oder Außenseite des Bohrpfahls (1) angeordnet ist, in Rotation versetzt wird und einen ringförmigen Einschnitt (8) erzeugt, wobei über mindestens eine Speiseleitung (17) und/oder eine Hochdruckspeiseleitung (29) eine Bohrflüssigkeit in den Abbaubereich (18) des Schneidrings (6) gepumpt wird, und wobei die Bohrflüssigkeit zusammen mit einem mittels des Schneidrings (6) gelösten Abraum mittels einer Förderleitung (16) zur Oberfläche gefördert wird. ) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, das zum Fixieren des Bohrpfahls (1) nach dem Erreichen der vorgesehenen Teufe im Boden (2) durch die mindestens eine Förderleitung (16) ein Fixiermaterial in den Abbaubereich (18) gepumpt wird bis das aufsteigende Fixiermaterial den ringförmigen Einschnitt (8) um den Bohrpfahl (1) und/oder in einem Hohlraum des Bohrpfahls (1) gefüllt hat. ) Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abteufen des Bohrpfahls 1 , vorzugsweise vor dem Verfüllen des ringförmigen Einschnitts (8), die Bohreinheit (13) mittels einer Hebevorrichtung über Zugmittel (10) an eine Oberfläche des Bodens (2) oder eine Wasseroberfläche geborgen werden kann, wobei der Innen und/oder Außendurchmesser der Bohreinheit (13), insbesondere des Schneidrings (6), verändert wird. ) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidring (6) Teilsegmente (6a, 28) aufweist, welche, solange der Abteuffvorgang stattfindet, mit Haltebolzen (15) und Scherbolzen (14) am Schneidring (6) fixiert sind, wobei die Scherbolzen (14) beim Bergen der Bohreinheit (13) abscheren oder entriegelt werden und die Teilsegmente (6a, 28) um die Haltebolzen (15) wegklappen. ) Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (7) während dem Erzeugen des Einschnitts (8) in einem Hohlraum eines jeweiligen Bohrpfahls (1 , 30) an dessen Innenseite angeordnet ist, wobei in den Bohrpfahl (1) nach einem Bergen der Bohreinheit (13) ein weiterer Bohrpfahl (30), insbesondere Teleskopbohrpfahl, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Bohrpfahls (1), eingebracht wird, in der Weise, dass die Bohreinheit (13) in den weiteren Bohrpfahl (30) eingebaut werden kann, um eine besonders tiefe Bohrung, eine Ersatzbohrung und/oder einen Bohrpfahl sehr großen Durchmessers und/oder Gewichts abzuteufen.
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