EP4689347A1 - Überwachungsvorrichtung und verfahren zur überwachung einer möglichen über-/unterentnahme von boden während des bohrens einer bohrung im boden - Google Patents

Überwachungsvorrichtung und verfahren zur überwachung einer möglichen über-/unterentnahme von boden während des bohrens einer bohrung im boden

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Publication number
EP4689347A1
EP4689347A1 EP24714157.5A EP24714157A EP4689347A1 EP 4689347 A1 EP4689347 A1 EP 4689347A1 EP 24714157 A EP24714157 A EP 24714157A EP 4689347 A1 EP4689347 A1 EP 4689347A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control element
monitoring device
drilling
soil
drilling device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24714157.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frederic Seng
Hans-Peter Uffmann
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.)
Herrenknecht AG
Original Assignee
Herrenknecht AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Herrenknecht AG filed Critical Herrenknecht AG
Publication of EP4689347A1 publication Critical patent/EP4689347A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/08—Measuring diameters or related dimensions at the borehole

Definitions

  • the invention relates to a monitoring device for arrangement below an opening in a peripheral wall of a drilling device, wherein the drilling device is a drilling device for creating a borehole in the ground from a starting point to a target point, with a control element, wherein an actuator is provided for moving the control element, has a contact surface which, in the extended state of the control element, is in contact with the borehole wall of the borehole/the ground. Furthermore, the invention relates to a drilling device with such a monitoring device and a method for monitoring a possible over-/under-extraction of soil during drilling of the borehole in the ground.
  • the underground installation of pipes using pipe jacking has been a tried and tested civil engineering technique for many decades. Thanks to advances, particularly in the last 30 years, today jackings of up to 2000 m in length and diameters of up to almost 5 meters can be carried out successfully, including close to the surface.
  • the jacking techniques differ essentially in the way the soil or rock is extracted at the so-called tunnel face.
  • the extracted material referred to below as overburden, can be transported from the tunnel face to the starting shaft in various ways, e.g. in conveyor buckets, via screw conveyor, via belt conveyor or flushing using a flushing liquid such as water or a bentonite suspension.
  • the drilling machine drills a hole that is larger than the outside diameter of the pipe string by a certain amount. Lubricating suspensions are filled into the resulting annular gap.
  • checking this annular gap can be useful, as removing too much soil material during drilling can create a borehole that is too large or even create caverns in the subsoil, which can lead to subsidence on the surface. Removing too little soil material while simultaneously pushing the pipe string forward can lead to the soil being displaced in front of the drilling machine and to heaving on the surface.
  • the known methods include determining the quantity and density of the overburden extracted. With hydraulic extraction, volume control is also complex because a separation system is required to separate the overburden from the extraction fluid. It is also known to use belt scales or simply measure the volume of the overburden extracted. In addition to the associated measurement inaccuracies, all methods also have the source of error that it is almost impossible to determine the exact in-situ density of the soil to be extracted. In sum, this can lead to a significant amount of soil being extracted incorrectly.
  • the aim is therefore to provide a monitoring device, a method and a drilling device of the type mentioned above, with which an excessive or too low production rate of overburden can be reliably detected at an early stage during drilling.
  • the invention proposes a monitoring device for monitoring a quantity of loosened soil removed and/or an overcut for creating an annular space when creating a bore in the ground by means of a drilling device being driven forward, wherein the monitoring device can be arranged below an opening in a peripheral wall of a drilling device or below an opening in an outer wall of a pipe section of a drilling device or an extension pipe, wherein the drilling device is a drilling device for creating a bore in the ground from a starting point to a target point, wherein the monitoring device has a receptacle which has an interior and a passage opening for arrangement in the region of the opening, wherein the monitoring device has a control element which is arranged in the interior so as to be pivotable about a pivot axis, wherein an actuator is provided in connection with the control element, wherein the control element can be controlled via the Actuator is movable in a pivoting direction, wherein the control element has a pivoting range so that the control element is movable through the passage opening,
  • a further teaching of the invention provides that the actuator is a spring element, a hydraulic system with at least one hydraulic cylinder, a pneumatic system with at least one pneumatic cylinder, or a rotary drive.
  • a further teaching of the invention provides that a pressure measuring device is provided for measuring a pressure in the pressure medium of the pneumatic or hydraulic system.
  • a further teaching of the invention provides that a position measuring device is provided for measuring the position or a change in position of the control element.
  • a further teaching of the invention provides that the position measuring means is an angle measuring sensor for monitoring the pivoting of the pivot axis connected to the control element.
  • a further teaching of the invention provides that the contact surface has at least one bevelled region.
  • a further teaching of the invention provides that the actuator is arranged inside the interior of the receptacle or outside the receptacle.
  • a further teaching of the invention provides that a lever arm is provided between the actuator and the pivot axis when the actuator is arranged outside the receptacle.
  • the invention proposes a drilling device for creating a bore in the ground from a starting point to a target point and for introducing a pipeline into the ground with a drill head with a cutting device arranged on the drill head for loosening the ground and a peripheral wall as a housing wall of the drilling device with at least one monitoring device as previously set out.
  • a further teaching of the invention provides that the peripheral wall has an opening preferably in the ridge, particularly preferably at the apex, under which the monitoring device is arranged.
  • a further teaching of the invention provides that the monitoring device is connected to the measuring and control system of the drilling device.
  • a further teaching of the invention provides that the monitoring device is connected to a bentonite lubrication system of the drilling device via at least one connection of the monitoring device.
  • a further teaching of the invention provides that at least two monitoring devices are provided, which are arranged radially and/or axially offset.
  • the invention proposes a method for monitoring a removal quantity of loosened soil and/or an overcut for creating an annular space when creating a borehole in the ground by driving a drilling device, preferably a previously described drilling device, in the ground by loosening the soil by means of a cutting device from a starting point to a target point, characterized in that an earth pressure exerted on the drilling device is continuously determined at least in sections in an area behind the cutting device by means of a control element of a monitoring device, preferably a previously described monitoring device, which is formed from the peripheral wall of the drilling device by pivoting the extended control element, in order to thereby determine an over-/under-removal of the loosened soil, or that a change in a position of the Control element of a monitoring device, preferably a previously described monitoring device, in an area behind the cutting device during drilling is continuously determined at least in sections in order to thereby determine an over-/under-removal of the loosened soil.
  • a further teaching of the invention provides that the pivoting of the control element takes place hydraulically or pneumatically.
  • a further teaching of the invention provides that a change in the earth pressure is determined by measuring the pressure in a pressure medium used in the pneumatic or hydraulic system and/or by means of a change in the position of the control element.
  • a further teaching of the invention provides that the pressure medium is subjected to a fraction, preferably at most 20%, more preferably at most 10%, more preferably at most 5% of the passive earth pressure of the surrounding soil.
  • the drilling device can be any machine, e.g. a full-face machine or a partial-face machine.
  • the use of the method is also independent of the type of extraction of the excavated soil, e.g. by means of a bucket conveyor, screw conveyor or flush conveyor.
  • the control element can have various geometries.
  • a control element is conceivable whose outer wall, when not extended, continues the shape of the peripheral wall forming the circumference of the drilling device and which executes a pivoting movement when extended.
  • the control element could thus protrude from the peripheral wall of the drilling device like a fin when extended.
  • the method can be adapted to different soil compositions.
  • it is not necessary to detect the slightest changes in the earth pressure in order to react to them with changes in the advance speed and/or the amount of excavated waste per unit of time.
  • the inventive method is already effective if a strong decrease in the earth pressure can be detected, which indicates excessive soil extraction.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that a change in the earth pressure is determined by measuring the pressure in a pressure medium used in the hydraulic or pneumatic system and/or by means of a change in the position of the control element.
  • the earth pressure on the drilling device and thus on the control element is reduced. This causes the control element to move outwards, which leads to a reduction in pressure in the pressure medium, which can be water or oil, for example.
  • the control element protrudes at least partially from the peripheral wall of the drilling device, e.g. by a value of up to 20 mm or more.
  • the pressure of the pressure medium is automatically adjusted, i.e. reduced, and preferably when the pressure falls below a limit value or there is a change in pressure, a signal is automatically issued or an action is triggered in order to reduce the advance speed and/or the amount of waste material conveyed per unit of time. If a sufficient increase in earth pressure is detected by the control element, the advance speed and/or the amount of waste material conveyed per unit of time can be increased again.
  • a change in the position of the control element can be detected at a preset starting pressure of the pressure medium.
  • the control element can be brought into a starting position in which the control element at least partially protrudes from the peripheral wall of the drilling device, e.g. by up to 20 mm or up to 50 mm. Larger values are also possible.
  • the control element is preferably blocked against movement from the starting position towards the interior of the drilling device, so that up to a maximum load only movement into the ground or from there back to the starting position is possible.
  • a pressure relief valve can be used, for example.
  • the initial pressure can be selected depending on the soil properties and/or composition.
  • the initial pressure can be set so that it is a fraction of the passive earth pressure, e.g. at most 20%, more preferably at most 10% or more preferably at most 5%.
  • a fraction of the passive earth pressure e.g. at most 20%, more preferably at most 10% or more preferably at most 5%.
  • only a local massive reduction in the passive earth pressure in the soil allows the control element to move outwards, which is a strong indication of significant over-extraction. Since in an advantageous embodiment of the method according to the invention only a small fraction of the passive earth pressure is selected for the initial pressure, this does not necessarily have to be determined precisely in advance. Rather, a rough estimate of the passive earth pressure for known or assumed soil compositions can be sufficient.
  • the earth pressure on the drilling device can therefore be controlled by measuring the pressure in the pressure medium and/or by measuring the change in position or distance on the control element.
  • the term earth pressure generally refers to the pressure exerted by the ground under the given conditions on a surface, in this case in particular the tunnelling device, and is used here to distinguish it from the technical terms "passive earth pressure” and "active earth pressure”.
  • control element is arranged in the area of the roof, i.e. at an upper point of the tunnelling device, since this is where a reduction in earth pressure due to excessive extraction is most noticeable.
  • the control element should preferably be installed as close as possible behind the tip of the machine in order to detect over-extraction of soil at an early stage.
  • Fig. 1 in lateral cross-section the front end of a drilling device with a first embodiment of a monitoring device according to the invention with a control element,
  • Fig. 2 in an enlarged section of the drilling device.
  • Fig. 1 the monitoring device in the retracted state of the control element
  • Fig. 3 the monitoring device according to Fig. 2 in the retracted state of the control element in axial cross-section,
  • Fig. 4 the monitoring device according to Fig. 2 in lateral cross-section in the extended state of the control element
  • Fig. 5 is a side view of a second embodiment of a monitoring device according to the invention with retracted control element
  • Fig. 6 is a side view of a second embodiment of a monitoring device according to the invention with the control element extended to Fig. 5
  • Fig. 1 shows schematically in lateral cross-section the front part of a tubular drilling device 20 having a peripheral wall 3 with a drilling head 1 with a cutting wheel 21 with drilling tools 22 for loosening soil 10 and a motor unit 2 for driving the cutting wheel 21.
  • a first embodiment of a monitoring device 30 according to the invention for the annular space 14 between the outer side 24 of the peripheral wall 24 and the borehole wall 13 is provided on the peripheral wall 3, here preferably in the region of its apex 23, particularly preferably as close as possible to the cutting wheel 21.
  • a second embodiment of the monitoring device 30 according to the invention can also be arranged here.
  • the monitoring device 30 is preferably arranged under an opening 25 in the peripheral wall 3.
  • the monitoring device 30 has a box-shaped receptacle 4.
  • a wedge-shaped control element 5 is arranged so as to be pivotable about a pivot axis 6.
  • the control element 5 is articulated on a piston 7 of a hydraulic cylinder 8, wherein the hydraulic cylinder 8 is pivotable about a pivot axis 31 relative to the receptacle 4 and about a pivot axis 32 relative to the control element 5.
  • the control element 5 can have a contact surface 9 which, when the control element 5 is in the extended state, is in contact with the ground 10 or with the borehole wall 13.
  • the contact surface 9 can preferably have a bevelled area 34, as shown by way of example in Fig. 6.
  • the bevelled area 34 makes it easy for the largest possible or constant area of the contact surface 9 to be in contact with the ground 10/the borehole wall 14 from the outset in order to achieve the greatest possible measurement accuracy.
  • the shape of the contact surface 9 can also be adapted so that, depending on the degree of extension of the control element 5, the area of the contact surface in contact with the ground is as constant as possible in order to achieve the most consistent measurement accuracy possible.
  • the control element 5 can be brought from a retracted position (see Fig. 2 and Fig. 3) into an extended position (see Fig. 1 and Fig. 4) in the direction of travel B shown as an arrow, by the control element 5 being extended and retracted, or being extendable and retractable, by pivoting it about the pivot axis 6 in the pivot direction A shown as an arrow.
  • the control element 5 has an upper contact surface 9. In the extended position of the control element 5, this protrudes at least partially from the receptacle 4 through the opening 25 and thus also beyond the circumference of the peripheral wall 3.
  • Fig. 2 shows an enlarged section of the drilling device 20 with the box-shaped holder 4, the control element 5, the piston 7 and the hydraulic cylinder 8 together with the base 10 surrounding the drilling device 20.
  • the control element 5 In the retracted state, the control element 5 is arranged with its contact surface 9 essentially flush with the circumference of the peripheral wall 3.
  • Fig. 3 shows the situation according to Fig. 2 in axial cross-section.
  • Fig. 4 shows, in a representation corresponding to Fig. 2, the control element 5 in an extended position in which the contact surface 9 of the control element 5 projects into the ground 10.
  • Fig. 5 and 6 show a second embodiment of a monitoring device 30 according to the invention, shown here in a simplified manner without the drilling device 20.
  • the drive system here preferably in the form of a hydraulic system 11, is arranged outside the holder 4.
  • the pivot axis 6 is connected to a lever arm 35, which is pivotally connected to the piston 7 via the pivot axis 32.
  • the hydraulic cylinder 8 is also pivotally connected to the holder 4 via the pivot axis 31.
  • the Control element 5 is swung in and out by actuating the hydraulic cylinder 8 by moving the lever arm 35 in the swivel direction A.
  • the control element 5 has a contact surface 9, which preferably has a bevelled region 34. This can also be provided in the first embodiment of the monitoring device according to the invention.
  • the receptacle 4 preferably has connections 36, 37 through which, for example, the receptacle 4 can be flushed with bentonite suspension or water so that soil 10 which enters the receptacle 4 through the opening can be removed from it.
  • the receptacle 4 can be filled with bentonite suspension through the connections 36, 37 and, if necessary, pressurized, thereby preventing or reducing the probability that soil 10 or bentonite suspension from the annular space 14, which is contaminated with dissolved soil, enters the receptacle through the opening 25.
  • a seal (not shown) can preferably be arranged in the opening through which the control element 5 moves and which prevents soil 10 from entering the receptacle 4.
  • an angle sensor can be provided on the swivel axis 6 and/or a displacement sensor in the hydraulic system 11, with which it is possible to determine how far the control element is/will be extended or retracted.
  • a pressure sensor (not shown) can be provided in the hydraulic system, with which a pressure acting on the control element 5 or its contact surface 9, or the change in the pressure acting on the contact surface 9, is measured/determined.
  • the exemplary procedure is as follows: From a starting pit (not shown here), the drilling device 20 is driven into the ground 10 with, for example, a rotating drill head 1. Alternatively, a shield drive can also be used.
  • the drill head 1 has a slightly larger diameter than the circumference of the peripheral wall 3 of the drilling device 20, through which the so-called overcut is driven. This creates an annular space 14 between the borehole wall 13 and the outside 24 of the peripheral wall 3.
  • lubricating material 12 for example a bentonite suspension, can be introduced into the annular space 14 via lines (not shown here) and, if necessary, openings (not shown) provided in the peripheral wall 3, which reduces the friction of the peripheral wall 3 and later also the outside of the pipes to be laid relative to the floor 10.
  • Mined soil 10, i.e. the overburden, can be transported in the direction of the starting pit via pipes (not shown here) with the addition of a liquid, for example water or bentonite suspension.
  • a liquid for example water or bentonite suspension.
  • Alternative types of transport are also possible, for example via a screw, belt or bucket conveyor arranged inside the drilling device 20, also not shown here.
  • the control element 5 When the drilling device 20 penetrates the ground 10 or shortly thereafter, the control element 5 is brought into an extended position (see Fig. 1, 4 and Fig. 6) by means of the hydraulic system 11, so that the contact surface 9, which is preferably flat but can also take on other shapes, comes into contact with the surrounding ground 10.
  • One possibility is that the pressure of a pressure medium in the hydraulic system 11 is adjusted when the control element 5 is extended so that a balance is achieved between the torques exerted on the control element 5 via the pressure of the base 10 and via the piston 7.
  • the pressure in the hydraulic system 11 must be reduced accordingly in order to maintain the position of the control element 5, so that the reduction in the earth pressure can be determined via the pressure in the hydraulic system 11.
  • Such a reduction in the earth pressure indicates that an excess of soil 10 has been removed, so that as a countermeasure, for example, the extraction rate of the overburden can be reduced and/or the advance speed of the drilling device 20 can be increased in order to prevent the soil 10 from subsiding or becoming undesirably loose.
  • the pressure in the hydraulic system 11 must be increased accordingly in order to maintain the position of the control element 5, so that the pressure in the hydraulic system 11, the increase in earth pressure can be determined.
  • Such an increase in earth pressure indicates that an under-extraction of soil 10 has taken place, so that as a countermeasure, for example, the conveying rate of the overburden can be increased or reduced and/or the advance speed of the drilling device 20 can be reduced in order to prevent outward bulging or undesirable compaction of the soil 10. It may also be necessary to change the drilling tools 22, particularly in the edge area of the cutting wheel 21, as these may be worn.
  • the extension length of the piston 7 or the position of the control element 5 relative to other parts of the propulsion device, e.g. to the peripheral wall 3, can also be measured using suitable methods in order to determine a change in the earth pressure exerted by the soil 10 on the control element 5.
  • an initial pressure can be set in the hydraulic system, for example, which is a fraction, for example 10%, of the passive earth pressure of the surrounding soil 10.
  • the control element 5 is pressed outwards when the earth pressure is less than 10% of the passive earth pressure. With this movement, an excessive removal of overburden in the soil 10 can be determined in a simple but precise manner.
  • the receptacle 4 can be filled with a material that does not hinder the functions of the hydraulic system 11, for example bentonite suspension, preferably via the connections 36, 37. This is preferably under a pressure that at least substantially corresponds to the pressure of the lubricating material 12 in order to prevent the entry of the lubricating material 12 that may be mixed with soil 10.
  • a material that does not hinder the functions of the hydraulic system 11 for example bentonite suspension
  • This is preferably under a pressure that at least substantially corresponds to the pressure of the lubricating material 12 in order to prevent the entry of the lubricating material 12 that may be mixed with soil 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Entnahmemenge von gelöstem Boden und/oder eines Überschnitts zum Erstellen eines Ringraums beim Erstellen einer Bohrung im Boden (10) mittels eines Vortriebs einer Bohrvorrichtung (20), wobei die Überwachungsvorrichtung unterhalb einer Öffnung (25) in einer Umfangswand (3) einer Bohrvorrichtung (20) oder unterhalb einer Öffnung einer Außenwand eines Rohrabschnitts einer Bohrvorrichtung oder eines Ausbaurohres anordbar ist, wobei es sich bei der Bohrvorrichtung (20) um eine Bohrvorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt handelt, wobei die Überwachungsvorrichtung (30) eine Aufnahme (4) aufweist, die einen Innenraum (33) und eine Durchtrittsöffnung zur Anordnung im Bereich der Öffnung (25) aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung (30) ein Kontrollelement (5) aufweist, das um eine Schwenkachse (6) verschwenkbar im Innenraum (33) angeordnet ist, wobei ein Aktuator (11) in Verbindung mit dem Kontrollelement (5) vorgesehen ist, wobei das Kontrollelement (5) über den Aktuator (11) in eine Schwenkrichtung (A) bewegbar ist, wobei das Kontrollelement (5) einen Schwenkbereich aufweist, so dass das Kontrollelement (5) durch die Durchtrittsöffnung bewegbar ist, und wobei das Kontrollelement (5) wenigstens eine Kontaktfläche (9) aufweist, die im ausgeschwenkten Zustand des Kontrollelements (5) mit der Bohrlochwand (13)/dem Boden (10) in Kontakt ist.

Description

Überwachungsvorrichtung und Verfahren zur Überwachung einer möglichen Über- /Unterentnahme von Boden während des Bohrens einer Bohrung im Boden
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Anordnung unterhalb einer Öffnung in einer Umfangswand einer Bohrvorrichtung, wobei es sich bei der Bohrvorrichtung um eine Bohrvorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt handelt, mit einem Kontrollelement, wobei ein Aktuator zum Bewegen des Kontrollelements vorgesehen ist, eine Kontaktfläche aufweist, die im ausgefahrenen Zustand des Kontrollelements mit der Bohrlochwand der Bohrung/dem Boden in Kontakt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bohrvorrichtung mit einer solchen Überwachungsvorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung einer möglichen Über-/Unterentnahme von Boden während des Bohrens der Bohrung im Boden.
Der unterirdische Einbau von Rohren mittels Rohrvortriebs ist mittlerweile eine seit vielen Jahrzehnten bewährte Verfahrenstechnik des Tiefbaus. Durch die Fortschritte insbesondere in den vergangenen 30 Jahren werden heutzutage Vortriebe bis zu 2000 m Länge und Durchmessern bis zu knapp 5 Metern u.a. auch oberflächennah erfolgreich durchgeführt. Im Wesentlichen unterscheiden sich die Vortriebstechniken durch die Art des Abbaus von Boden bzw. Fels an der sog. Ortsbrust. Das abgebaute Material, im Folgenden als Abraum bezeichnet, kann auf verschieden Weise von der Ortsbrust zum Startschacht transportiert werden, z.B. in Förderkübeln, via Schneckenförderung, via Bandförderung oder auch Spülförderung mittels einer Spülflüssigkeit wie Wasser oder einer Bentonitsuspension.
Bei der unterirdischen Leitungsverlegung, beispielsweise im Rohrvortrieb, werden einzelne nacheinander angeordnete Rohre aus Beton, Steinzeug o.a. oder ganze bereits verbundene Rohrleitung aus Stahl in den Boden eingeschoben. An der Spitze des Rohrstrangs ist eine Bohrmaschine angeordnet, die den Boden löst, zerkleinert (größere Steine bricht) und das abgebaute Material einer Fördereinrichtung zuführt. Darüber hinaus wird die aufgefahrene Strecke über Steuerereignisse in der Bohrmaschine bestimmt. Dazu sind in der Bohrmaschine Steuerzylinder angeordnet, die eine Verwinkelung der Bohrmaschine erzeugen und auf diese Weise Kurvenfahrten ermöglichen. Die erforderlichen Kräfte, die für das Einschieben der Bohrmaschine und des Rohrstrangs in den Boden notwendig sind, müssen größer als der Spitzendruck an der Bohrmaschine, insbesondere am Schneidrad, und der Summe der Mantelreibung sein, die sich über die Mantelfläche des Rohrstrangs und den Kontakt zur umgebenden Geologie ergibt.
Um die Mantelreibung zu reduzieren, wird ein um ein bestimmtes Maß zum Außendurchmesser des Rohrstrangs vergrößertes Bohrloch von der Bohrmaschine gebohrt. In den so entstehenden Ringspalt wird Schmiersuspensionen eingefüllt.
Eine Kontrolle dieses Ringspalts kann in Abhängigkeit der Bodenverhältnisse sinnvoll sein, da eine zu große Entnahme von Bodenmaterial beim Bohren ein zu großes Bohrloch oder gar Kavernen im Untergrund erzeugen kann, was an der Oberfläche zu Setzungen führen kann. Eine zu geringe Entnahme des Bodenmaterials wiederum bei gleichzeitigem Vorschieben des Rohrstrangs kann zu einem Verdrängen des Bodens vor der Bohrmaschine und zu Hebungen an der Oberfläche führen.
Daher kann es beim Bohren vorteilhaft sein, die Vortriebsgeschwindigkeit mit der Menge des Abraums abzugleichen. Insbesondere bei Vortrieben in nicht standfesten Böden unter Grundwasser können Überentnahmen von Abraum problematisch sein. Übersteigt das Volumen, welches der Abraum im Boden einnimmt, das Volumen der Bohrvorrichtung und den eingebrachten Rohren, kann es je nach Größe der Überentnahme oder der Unterentnahme zu Setzungen bis hin zu großen Tagbrüchen bzw. zu Aufwölbungen kommen, die zu erheblichen Beschädigungen an der Oberfläche befindlicher Bauwerke, Straßen und von möglicherweise vorhandener unterirdischer Infrastruktur führen können. Häufig treten diese Beschädigungen abhängig von den überlagernden Böden und der Tiefe des Tunnels erst mit einer erheblichen zeitlichen Verzögerung auf.
Es ist bekannt, das Volumen des abtransportierten Abraums zu kontrollieren. Dabei werden jedoch nicht die Genauigkeiten erreicht, die für eine sichere Verhinderung von unerwünschten Folgen einer Abraumfehlentnahme erforderlich wäre. Zu den bekannten Verfahren gehören Mengen- und Dichtebestimmung des geförderten Abraums. Bei hydraulischer Förderung ist eine Volumenkontrolle auch deshalb aufwändig, weil eine Separationsanlage zur Trennung des Abraums von der Förderflüssigkeit erforderlich. Es ist zudem bekannt, Bandwaagen einzusetzen oder schlicht das Volumen des geförderten Abraums zu vermessen. Zu den damit verbundenen Messungenauigkeiten kommt bei allen Verfahren noch die Fehlerquelle einer kaum möglichen exakten In-situ-Bestimmung der Lagerungsdichte des abzubauenden Bodens. In der Summe kann es daher zu einer erheblichen Bodenfehlentnahme kommen.
Versuche, solche Messungen durchzuführen, sind beispielsweise aus DE102005038313A1, US4152027A und JPS59154293A. Nachteilig ist dabei, dass diese Messungen nur im Stillstand der Bohrung durchgeführt werden können.
Es ist daher die Aufgabe, eine Überwachungsvorrichtung, ein Verfahren und eine Bohrvorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit denen zuverlässig eine zu hohe oder zu niedrige Förderrate an Abraum frühzeitig bereits während des Bohrens festgestellt werden kann.
Das technische Problem wird hinsichtlich der Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Bohrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung, des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Hinsichtlich der Überwachungsvorrichtung schlägt die Erfindung eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Entnahmemenge von gelöstem Boden und/oder eines Überschnitts zum Erstellen eines Ringraums beim Erstellen einer Bohrung im Boden mittels eines Vortriebs einer Bohrvorrichtung vor, wobei die Überwachungsvorrichtung unterhalb einer Öffnung in einer Umfangswand einer Bohrvorrichtung oder unterhalb einer Öffnung einer Außenwand eines Rohrabschnitts einer Bohrvorrichtung oder eines Ausbaurohres anordbar ist, wobei es sich bei der Bohrvorrichtung um einer Bohrvorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt handelt, wobei die Überwachungsvorrichtung eine Aufnahme aufweist, die einen Innenraum und eine Durchtrittsöffnung zur Anordnung im Bereich der Öffnung aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung ein Kontrollelement aufweist, das um eine Schwenkachse verschwenkbar im Innenraum angeordnet ist, wobei ein Aktuator in Verbindung mit dem Kontrollelement vorgesehen ist, wobei das Kontrollelement über den Aktuator in eine Schwenkrichtung bewegbar ist, wobei das Kontrollelement einen Schwenkbereich aufweist, so dass das Kontrollelement durch die Durchtrittsöffnung bewegbar ist, und wobei das Kontrollelement wenigstens eine Kontaktfläche aufweist, die im ausgeschwenkten Zustand des Kontrollelements mit der Bohrlochwand/dem Boden in Kontakt ist.
Hierdurch wird es auf einfache Weise möglich, während des Bohrens wenigstens Abschnittsweise kontinuierlich eine Über-/Unterentnahme festzustellen. Es wird eine ungenaue Mengen- oder Volumenmessung des Abraums vermieden. Durch die Kontrolle kann festgestellt werden, ob der umgebende Boden gegebenenfalls zunehmend locker wird, was darauf hindeuten könnte, dass in Bezug auf die Vortriebsgeschwindigkeit zu viel Boden abgebaut wurde. In diesem Fall kann als Maßnahme z.B. die Vortriebsgeschwindigkeit erhöht/verringert und/oder die Fördermenge an Abraum pro Zeiteinheit verringert/erhöht werden.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem Aktuator um ein Federelement, ein hydraulisches System mit wenigstens einem hydraulischen Zylinder, ein pneumatisches System mit wenigstens einem pneumatischen Zylinder, oder um einen Drehantrieb handelt.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass ein Druckmessmittel zur Messung eines Drucks im Druckmedium des pneumatischen oder hydraulischen Systems vorgesehen ist.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass ein Positionsmessmittel zur Messung der Position oder einer Positionsänderung des Kontrollelements vorgesehen ist.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem Positionsmessmittel um einen Winkelmesssensor zur Überwachung der Verschwenkung der mit dem Kontrollelements verbundenen Schwenkachse handelt.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahme (4) wenigstens einen Anschluss aufweist, durch den eine Flüssigkeit, bevorzugt eine Bentonitsuspension, in die Aufnahme einbringbar ist.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Kontaktfläche wenigstens einen abgeschrägten Bereich aufweist. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Aktuator innerhalb des Innenraums der Aufnahme oder außerhalb der Aufnahme angeordnet ist.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass ein Hebelarm zwischen Aktuator und der Schwenkachse vorgesehen ist, wenn der Aktuator außerhalb der Aufnahme angeordnet ist.
Hinsichtlich der Bohrvorrichtung schlägt die Erfindung eine Bohrvorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt und zum Einbringen einer Rohrleitung in dem Boden mit einem Bohrkopf mit einem am Bohrkopf angeordneten Schneidvorrichtung zum Lösen des Bodens und einer Umfangswand als Gehäusewand der Bohrvorrichtung mit wenigstens einer zuvor dargelegten Überwachungsvorrichtung vor.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Umfangswand eine Öffnung bevorzugt in der Firste, besonders bevorzugt am Scheitelpunkt aufweist, unter der die Überwachungsvorrichtung angeordnet ist.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Überwachungsvorrichtung mit dem Mess- und Steuersystem der Bohrvorrichtung verbunden ist.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Überwachungsvorrichtung mit einem Bentonitschmiersystem der Bohrvorrichtung über wenigstens einen Anschluss der Überwachungsvorrichtung verbunden ist.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Überwachungsvorrichtungen vorgesehen sind, die radial und oder axial versetzt angeordnet sind.
Hinsichtlich des Verfahrens schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer Entnahmemenge von gelöstem Boden und/oder eines Überschnitts zum Erstellen eines Ringraums beim Erstellen einer Bohrung im Boden mittels eines Vortriebs einer Bohrvorrichtung, bevorzugt eine zuvor beschriebene Bohrvorrichtung, im Boden durch Lösen des Bodens mittels einer Schneidvorrichtung von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt vor, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgeübter Erddruck auf die Bohrvorrichtung mittels eines aus der Umfangswand der Bohrvorrichtung durch Verschwenken des ausgefahrenen Kontrollelements einer Überwachungsvorrichtung, bevorzugt eine zuvor beschriebene Überwachungsvorrichtung, in einem Bereich hinter der Schneidvorrichtung während des Bohrens wenigstens Abschnittsweise kontinuierlich ermittelt wird, um dadurch eine Über- /Unterentnahme des gelösten Bodens zu ermitteln, oder dass eine Änderung einer Position des Kontrollelements einer Überwachungsvorrichtung, bevorzugt eine zuvor beschriebene Überwachungsvorrichtung, in einem Bereich hinter der Schneidvorrichtung während des Bohrens wenigstens Abschnittsweise kontinuierlich ermittelt wird, um dadurch eine Über- /Unterentnahme des gelösten Bodens zu ermitteln.
Hierdurch wird es auf einfache Weise möglich, während des Bohrens wenigstens Abschnittsweise kontinuierlich eine Über-/Unterentnahme festzustellen. Es wird eine ungenaue Mengen- oder Volumenmessung des Abraums vermieden. Durch die Kontrolle kann festgestellt werden, ob der umgebende Boden gegebenenfalls zunehmend locker wird, was darauf hindeuten könnte, dass in Bezug auf die Vortriebsgeschwindigkeit zu viel Boden abgebaut wurde. In diesem Fall kann als Maßnahme z.B. die Vortriebsgeschwindigkeit erhöht/verringert und/oder die Fördermenge an Abraum pro Zeiteinheit verringert/erhöht werden.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Verschwenken des Kontrollelements hydraulisch oder pneumatisch erfolgt.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass eine Änderung des Erddrucks mittels Messung des Drucks in einem im pneumatischen oder hydraulischen System eingesetzten Druckmediums und/oder mittels einer Positionsänderung des Kontrollelements festgestellt wird.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Druckmedium mit einem Bruchteil, vorzugsweise höchstens 20%, weiter vorzugsweise höchstens 10%, weiter vorzugsweise höchstens 5% des passiven Erddrucks des umgebenden Bodens beaufschlagt wird.
Bei der Bohrvorrichtung kann es sich um jedwede Maschine handeln, z.B. um eine Vollschnittmaschine oder eine Teilschnittmaschine. Der Einsatz des Verfahrens ist zudem unabhängig von der Art der Förderung des abgebauten Bodens, z.B. mittels Förderkübel, Schneckenförderung oder Spülförderung.
Das Kontrollelement kann diverse Geometrien aufweisen. Denkbar ist z.B. ein Kontrollelement, dessen äußere Wand im nicht ausgefahrenen Zustand die Form der den Umfang der Bohrvorrichtung bildenden Umfangswand weiterführt und welches zum Ausfahren eine Schwenkbewegung ausführt. Das Kontrollelement könnte somit z.B. im ausgefahrenen Zustand flossenähnlich aus der Umfangswand der Bohrvorrichtung herausragen.
Nicht jede Bodenzusammensetzung mag für die Durchführung des erfinderischen Verfahrens problemlos sein. Das Verfahren ist aber an verschiedene Bodenzusammensetzung anpassbar. Es ist für das erfinderische Verfahren nicht notwendig, feinste Druckänderungen im Erddruck festzustellen, um darauf mit Änderungen in der Vortriebsgeschwindigkeit und/oder der Fördermenge an Abraum pro Zeiteinheit zu reagieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bereits wirkungsvoll, wenn eine starke Abnahme des Erddrucks festgestellt werden kann, die auf eine Überentnahme von Boden schließen lässt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass eine Änderung des Erddrucks mittels Messung des Drucks in einem im hydraulischen oder pneumatischen System eingesetzten Druckmediums und/oder mittels einer Positionsänderung des Kontrollelements festgestellt wird.
Wird zu viel Boden abtransportiert verringert sich der Erddruck auf die Bohrvorrichtung und damit auf das Kontrollelement. Hierdurch tendiert das Kontrollelement zu einer Bewegung nach außen, wodurch es zu einer Druckverringerung im Druckmedium, welches z.B. Wasser oder Öl sein kann, kommt.
Um eine Verringerung des Erddrucks feststellen zu können, ragt das Kontrollelement zumindest zum Teil aus der Umfangswand der Bohrvorrichtung heraus, z.B. um einen Wert von bis zu 20 mm oder mehr. Um die Position des Kontrollelements trotz Verringerung des Erdreichsdrucks stabil zu halten, wird der Druck des Druckmediums automatisiert angepasst, d.h. verringert, und vorzugsweise bei Unterschreiten eines Grenzwertes des Druckes oder einer Druckänderung automatisiert ein Signal abgegeben oder eine Aktion auslösen, um die Vortriebsgeschwindigkeit und/oder die Fördermenge an Abraum pro Zeiteinheit zu verringern. Wird mittels des Kontrollelements eine hinreichende Zunahme des Erdreichsdrucks festgestellt, können Vortriebsgeschwindigkeit und/oder Fördermenge an Abraum pro Zeiteinheit wieder erhöht werden.
Alternativ kann bei einem voreingestellten Ausgangsdruck des Druckmediums eine Änderung der Position des Kontrollelements festgestellt werden. Zunächst kann das Kontrollelement in eine Ausgangsposition gebracht werden, in der das Kontrollelement zumindest zum Teil aus der Umfangswand der Bohrvorrichtung herausragt, z.B. um bis zu 20 mm oder bis zu 50 mm. Größere Werte sind ebenfalls möglich. Das Kontrollelement wird vorzugsweise gegen eine Bewegung aus der Ausgangsposition heraus in Richtung auf das Innere der Bohrvorrichtung blockiert, so dass bis zu einer Maximalbelastung nur eine Bewegung in das Boden hinein oder von dort zurück in die Ausgangsposition möglich ist. Zur Verhinderung eines Schadens bei Überschreiten der Maximalbelastung kann z.B. ein Überdruckventil genutzt werden. Der Ausgangsdruck kann in Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit und/oder der Bodenzusammensetzung gewählt werden. Es kann vorteilhaft sein, den Ausgangsdruck so einzustellen, dass er einen Bruchteil des passiven Erddrucks beträgt, z.B. höchstens 20%, weiter vorzugsweise höchstens 10% oder weiter vorzugsweise höchstens 5% beträgt. In diesem Fall erlaubt nur eine örtliche massive Verringerung des passiven Erddrucks im Boden eine Bewegung des Kontrollelements nach außen, was ein starkes Indiz für eine signifikante Überentnahme ist. Da in vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Ausgangsdruck lediglich ein geringer Bruchteil des passiven Erddrucks gewählt wird, muss dieser nicht zwingend vorab genau ermittelt werden. Es kann vielmehr eine grobe Abschätzung des passiven Erddrucks bei bekannten oder angenommenen Erdreichzusammensetzungen ausreichend sein.
Somit kann die Kontrolle des Erddrucks auf die Bohrvorrichtung durch Druckmessung im Druckmedium und/oder durch eine Positionsänderungs- oder Wegmessung am Kontrollelement erfolgen. Der Begriff Erddruck meint allgemein den Druck, der vom Boden unter den gegebenen Bedingungen auf eine Fläche, hier insbesondere der Vortriebseinrichtung, ausgeübt wird, und wird vorliegend als Abgrenzung zu den Fachbegriffen „passiver Erddruck“ und „aktiver Erddruck“ genutzt.
Bevorzugt wird das Kontrollelement im Bereich der Firste, d.h. an einem oberen Punkt der Vortriebseinrichtung, angeordnet, da sich dort eine Erniedrigung des Erddrucks aufgrund einer Überentnahme am deutlichsten bemerkbar macht.
Das Kontrollelement sollte vorzugsweise so nah wie möglich hinter der Spitze der Maschine installiert werden, um eine Überentnahme des Erdreiches frühzeitig zu erkennen.
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung anhand von Figuren dargestellt. Dabei zeigen:
Fig. 1: im seitlichen Querschnitt das vordere Ende einer Bohrvorrichtung mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung mit einem Kontrollelement,
Fig. 2: in einem vergrößerten Ausschnitt der Bohrvorrichtung gern. Fig. 1 die Überwachungsvorrichtung im eingefahrenen Zustand des Kontrollelements, Fig. 3: das Überwachungsvorrichtung gemäß Fig. 2 im eingefahrenen Zustand des Kontrollelements im axialen Querschnitt,
Fig. 4: das Überwachungsvorrichtung gemäß Fig. 2 im seitlichen Querschnitt im ausgefahrenen Zustand des Kontrollelements,
Fig. 5 eine seitliche Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung mit eingefahrenem Kontrollelement, und
Fig. 6 eine seitliche Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung mit ausgefahrenem Kontrollelement zu Fig. 5
Fig. 1 zeigt schematisch im seitlichen Querschnitt den vorderen Teil einer rohrförmigen, eine Umfangswand 3 aufweisenden Bohrvorrichtung 20 mit einem Bohrkopf 1 mit einem Schneidrad 21 mit Bohrwerkzeugen 22 zum Lösen von Boden 10 und einer Motoreinheit 2 zum Antrieb des Schneidrads 21.
An der Umfangswand 3, hier bevorzugt im Bereich deren Scheitelpunktes 23, besonders bevorzugt möglichst nahe am Schneidrad 21, ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 30 für den Ringraum 14 zwischen der Außenseite 24 der Umfangswand 24 und der Bohrlochwand 13 vorgesehen. Alternativ kann entsprechend auch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 30 hier angeordnet sein.
Die Überwachungsvorrichtung 30 ist bevorzugt unter einer Öffnung 25 in der Umfangswand 3 angeordnet. Die Überwachungsvorrichtung 30 weist eine kastenförmige Aufnahme 4 auf. In einem Innenraum 33 der kastenförmigen Aufnahme 4 ist ein keilförmiges Kontrollelement 5 um eine Schwenkachse 6 schwenkbar angeordnet. Das Kontrollelement 5 ist an einem Kolben 7 eines Hydraulikzylinder 8 angelenkt, wobei der Hydraulikzylinder 8 um eine Schwenkachse 31 gegenüber der Aufnahme 4 und um eine Schwenkachse 32 gegenüber dem Kontrollelement 5 verschwenkbar ist.
Das Kontrollelement 5 kann dabei eine Kontaktfläche 9 aufweisen, die sich im ausgefahrenen Zustand des Kontrollelements 5 mit dem Boden 10 bzw. mit der Bohrlochwand 13 in Kontakt befindet. Bevorzugt kann die Kontaktfläche 9 einen abgeschrägten Bereich 34 aufweisen, wie dieses beispielhaft in Fig. 6 dargestellt ist. Durch den abgeschrägten Bereich 34 wird es auf einfache Weise möglich, dass sich von Anfang an ein möglichst großer bzw. konstanter Bereich der Kontaktfläche 9 mit dem Boden 10/der Bohrlochwand 14 in Kontakt befindet, um eine möglichst große Messgenauigkeit zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Form der Kontaktfläche 9 so angepasst sein, dass je nach Ausfahrgrad des Kontrollelements 5 der sich in Kontakt mit dem Boden befindliche Bereich der Kontaktfläche möglichst konstant ist, um eine möglichst gleichbleibende Messgenauigkeit zu erreichen.
Über den Hydraulikzylinder 8 und den Kolben 7, in ihrer Gesamtheit im Folgenden als Hydrauliksystem 11 bezeichnet, kann das Kontrollelement 5 von einer eingefahrenen Position (siehe Fig. 2 und Fig. 3) in eine ausgefahrene Position (siehe Fig. 1 und Fig. 4) in als Pfeil dargestellter Fahrrichtung B gebracht werden, indem das Kontrollelement 5 um die Schwenkachse 6 in Pfeil dargestellter Schwenkrichtung A geschwenkt aus- und eingefahren wird, bzw. aus- und einfahrbar ist.
Das Kontrollelement 5 weist eine obere Kontaktfläche 9 auf. Diese ragt in der ausgefahrenen Position des Kontrollelements 5 zumindest zum Teil aus der Aufnahme 4 durch die Öffnung 25 und damit auch über den Umfang der Umfangswand 3 hinaus.
Fig. 2 zeigt vergrößert einen Ausschnitt der Bohrvorrichtung 20 mit der kastenförmigen Aufnahme 4, dem Kontrollelement 5, dem Kolben 7 und dem Hydraulikzylinder 8 zusammen mit dem die Bohrvorrichtung 20 umgebenden Boden 10. Das Kontrollelement 5 ist im eingefahrenen Zustand mit seiner Kontaktfläche 9 im Wesentlichen bündig mit dem Umfang der Umfangswand 3 angeordnet.
Fig. 3 zeigt die Situation gemäß Fig. 2 im axialen Querschnitt. Fig. 4 zeigt in einer zu Fig. 2 entsprechenden Darstellung das Kontrollelement 5 in einer ausgefahrenen Position, in der die Kontaktfläche 9 des Kontrollelements 5 in den Boden 10 hineinragt.
Fig. 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 30, hier vereinfacht dargestellt ohne die Bohrvorrichtung 20. Das Antriebssystem, hier bevorzugt in Form eines Hydrauliksystems 11, ist dabei außerhalb der Aufnahme 4 angeordnet. Die Schwenkachse 6 ist mit einem Hebelarm 35 verbunden, der mit dem Kolben 7 über die Schwenkachse 32 schwenkbar verbunden ist. Der Hydraulikzylinder 8 ist weiterhin über die Schwenkachse 31 mit der Aufnahme 4 schwenkbar verbunden. Das Kontrollelement 5 wird durch Betätigung des Hydraulikzylinders 8 durch Bewegung des Hebelarms 35 in Schwenkrichtung A ein und ausgeschwenkt.
Das Kontrollelement 5 weist eine Kontaktfläche 9 auf, die bevorzugt einen abgeschrägten Bereich 34 aufweist. Dieses ist auch in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung vorsehbar.
Weiterhin weist die Aufnahme 4 bevorzugt Anschlüsse 36, 37 auf, durch die beispielsweise die Aufnahme 4 mit Bentonitsuspension oder Wasser gespült werden kann, damit Boden 10, der durch die Öffnung in die Aufnahme 4 gelangt aus dieser entfernt werden kann.
Weiterhin kann die Aufnahme 4 durch die Anschlüsse 36, 37 mittels Bentonitsuspension gefüllt und ggf. unter Druck gesetzt werden, wodurch verhindert wird bzw. die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass Boden 10 bzw. Bentonitsuspension aus dem Ringraum 14, die mit gelöstem Boden verunreinigt ist, in die Aufnahme durch die Öffnung 25 gelangt.
Weiterhin kann zusätzlich bevorzugt eine Dichtung (nicht dargestellt) in der Öffnung angeordnet werden, durch die das Kontrollelement 5 sich bewegt, und die verhindert, dass Boden 10 in die Aufnahme 4 gelangt.
Zusätzlich und nicht dargestellt kann ein Winkelsensor an der Schwenkachse 6 und/oder ein Wegsensor im Hydrauliksystem 11 vorgesehen sein, mit dem sich ermitteln lässt, wie weit das Kontrollelement ein- oder ausgefahren ist/wird.
Weiterhin kann im Hydrauliksystem ein Drucksensor (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mit dem ein auf das Kontrollelement 5 bzw. dessen Kontaktfläche 9 wirkender Druck, bzw. die Änderung des auf die Kontaktfläche 9 wirkenden Drucks gemessen/ermittelt wird.
Die beispielhafte Verfahrensweise ist wie folgt: Von einer hier nicht dargestellten Startgrube aus wird die Bohrvorrichtung 20 mit z.B. rotierendem Bohrkopf 1 in den Boden 10 getrieben. Alternativ kann auch ein Schildvortrieb eingesetzt werden. Der Bohrkopf 1 weist gegenüber dem Umfang der Umfangswand 3 der Bohrvorrichtung 20 einen geringfügig größeren Durchmesser auf, durch den der sogenannte Überschnitt aufgefahren wird. Hierdurch entsteht ein Ringraum 14 zwischen Bohrlochwand 13 und der Außenseite 24 der Umfangswand 3. Beispielsweise kann über hier nicht dargestellte Leitungen und ggf. in der Umfangswand 3 vorgesehene nicht dargestellte Öffnungen in den Ringraum 14 Schmiermaterial 12, beispielsweise eine Bentonitsuspension, eingebracht werden, welches die Reibung der Umfangswand 3 und später auch der Außenseite der zu verlegenden Rohre gegenüber dem Boden 10 verringert.
Abgebauter Boden 10, also der Abraum, kann unter Zusatz einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser oder Bentonitsuspension, über hier nicht dargestellte Leitungen in Richtung auf die Startgrube abgeführt werden. Alternative Arten des Abtransports sind ebenfalls möglich, zum Beispiel über eine im Inneren der Bohrvorrichtung 20 angeordnete, hier ebenfalls nicht dargestellte Schnecken-, Band- oder Kübelförderung.
Mit dem Eindringen der Bohrvorrichtung 20 in den Boden 10 oder auch kurz darauf wird das Kontrollelement 5 mittels des Hydrauliksystems 11 in eine ausgefahrene Position (siehe Fig. 1, 4 und Fig. 6) gebracht, sodass die Kontaktfläche 9, welche vorzugsweise flach ist, aber auch andere Formen annehmen kann, mit dem umgebenden Boden 10 in Kontakt kommt.
Nach dem Ausfahren ist ein kontinuierliches Messen des Überschnitts bzw. der Menge des entnommenen Bodens bzw. einer Über-/Unterentnahme des Bodens während des Bohrfortschritts möglich. Bevorzugt erfolgt das Messen während eines längeren Abschnitts beispielsweise in vorher identifizierten Abschnitten der Bohrung oder über die gesamte Länge des Auffahrens der Bohrung von der Startgrube bis zur Zielgrube.
Eine Möglichkeit sieht dabei vor, dass der Druck eines Druckmediums im Hydrauliksystem 11 bei ausgefahrenem Kontrollelement 5 so eingestellt wird, dass ein Gleichgewicht zwischen den Drehmomenten, die zum einen über den Druck des Bodens 10 und zum anderen über den Kolben 7 auf das Kontrollelement 5 ausgeübt werden, gegeben ist.
Lässt der Druck des Bodens 10 nach, beispielsweise, weil sich ein Hohlraum in der Firste über dem Bohrloch bildet, muss zum Erhalt der Position des Kontrollelements 5 der Druck im Hydrauliksystem 11 entsprechend erniedrigt werden, sodass über den Druck im Hydrauliksystem 11 die Verringerung des Erddrucks festgestellt werden kann. Eine solche Verringerung des Erddrucks lässt darauf schließen, dass eine Überentnahme von Boden 10 erfolgt ist, so dass als Gegenmaßnahme zum Beispiel die Förderrate des Abraums reduziert und/oder die Vortriebsgeschwindigkeit der Bohrvorrichtung 20 erhöht werden kann, um ein Nachsacken oder unerwünschtes Auflockern des Bodens 10 zu verhindern.
Steigt der Druck des Bodens 10 an, beispielsweise, weil zu wenig Boden 10 durch das Schneidrad 21 gelöst und anschließend abgefördert wird, muss zum Erhalt der Position des Kontrollelements 5 der Druck im Hydrauliksystem 11 entsprechend erhöht werden, sodass über den Druck im Hydrauliksystem 11 die Erhöhung des Erddrucks festgestellt werden kann. Eine solche Erhöhung des Erddrucks lässt darauf schließen, dass eine Unterentnahme von Boden 10 erfolgt ist, so dass als Gegenmaßnahme zum Beispiel die Förderrate des Abraums erhöht reduziert und/oder die Vortriebsgeschwindigkeit der Bohrvorrichtung 20 verringert werden kann, um ein nach außen Wölben oder unerwünschtes Verdichten des Bodens 10 zu verhindern. Evtl, ist es auch notwendig, die Bohrwerkzeuge 22, insbesondere im Randbereich des Schneidrades 21, zu wechseln, da diese ggf. verschlissen sind.
Weiterhin ist es auch möglich, ein Schrumpfen des Bohrlochs in radialer Richtung mit der Überwachungsrichtung 30 festzustellen, Ggf. ist es hierfür vorteilhaft, mehrere Überwachungsvorrichtungen an der Umfangswand versetzt, beispielsweise 20 bis 30 Grad, zu einander im Bereich der Firste der Bohrung vorzusehen. Weiterhin ist es dabei vorteilhaft, diese axial zueinander zu beabstanden.
Alternativ zur Messung des Drucks im Hydrauliksystem 11 oder parallel hierzu kann auch die Ausfahrlänge des Kolbens 7 oder die Position des Kontrollelements 5 relativ zu weiteren Teilen der Vortriebseinrichtung, z.B. zur Umfangswand 3, mit geeigneten Methoden gemessen werden, um eine Veränderung des durch das Boden 10 auf das Kontrollelement 5 ausgeübten Erddruckes festzustellen.
Hierfür kann beispielsweise im Hydrauliksystem ein Ausgangsdruck eingestellt werden, welcher einen Bruchteil, beispielsweise 10%, des passiven Erddrucks des umgebenden Bodens 10 ist. Aus einer Ausgangsposition des Kontrollelements 5, bei der das Kontrollelement 5 mit seiner Kontaktfläche 9 aus der Umfangswand 3 der Bohrvorrichtung 20 herausragt, bevorzugt beispielsweise um 20 - 50 mm, besonders bevorzugt 30 mm, wird das Kontrollelement 5 dann, wenn der Erddruck weniger als 10% des passiven Erddrucks beträgt, nach außen gedrückt. Mit dieser Bewegung kann eine Überentnahme an Abraum im Boden 10 auf einfache aber genaue Weise festgestellt werden.
Um ein Eindringen von Boden 10 in die Aufnahme 4 zu verhindern, kann die Aufnahme 4 mit einem die Aufgaben des Hydrauliksystems 11 nicht behindernden Material, zum Beispiel Bentonitsuspension, gefüllt werden, bevorzugt über die Anschlüsse 36, 37. Dieses steht vorzugsweise unter einem zumindest im Wesentlichen dem Druck des Schmiermaterials 12 entsprechenden Druck, um den Eintritt des möglicherweise mit Boden 10 versetzten Schmiermaterials 12 zu verhindern. Zudem ist es denkbar, das Kontrollelement 5 nicht nur schwenkbar anzulenken, sondern auch mit einer Translationsbewegung zu verfahren.
Die in den dargestellten Ausführungsbeispielen dargestellten Merkmale der Vorrichtung sowie des Verfahrens können im Sinne der Erfindung durch alternative oder weitere Merkmale, wie sie z.B. im allgemeinen Teil der Beschreibung dargestellt sind oder für den Fachmann ersichtlich sind, ersetzt oder ergänzt werden.
Bezugszeichenliste:
1 Bohrkopf
2 Motoreinheit
3 Umfangswand
4 Aufnahme
5 Kontrollelement
6 Schwenkachse
7 Kolben
8 Hydraulikzylinder
9 Kontaktfläche
10 Erdreich
11 Hydrauliksystem
12 Schmiermaterial
13 Bohrlochwand
14 Ringraum
20 Bohrvorrichtung
21 Schneidrad
22 Bohrwerkzeug
23 Scheitelpunkt
24 Außenseite
25 Öffnung
30 Überwachungsvorrichtung
31 Schwenkachse
32 Schwenkachse
33 Innenraum
34 abgeschrägter Bereich
35 Hebelarm
36 Anschluss
37 Anschluss

Claims

KLIC KOW & W
PARTNERSCHAFTSGESELLSCHAFT MBB PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT- AND TRADEMARK ATTORNEYS
JESSENSTRASSE 4 22767 HAMBURG GERMANY
AnmelderAin: Herrenknecht AG www.klickow-wetzel.de Schlehenweg 2 Telefon: +49 (0)40 380 8715-0 77963 Schwanau Telefax: +49 (0)40 380 8715-25 Deutschland mail@klickow-wetzel.de
HKN-212-PCT
19. März 2024 / pwi.pwi
Patentansprüche
1. Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Entnahmemenge von gelöstem Boden und/oder eines Überschnitts zum Erstellen eines Ringraums beim Erstellen einer Bohrung im Boden (10) mittels eines Vortriebs einer Bohrvorrichtung (20), wobei die Überwachungsvorrichtung unterhalb einer Öffnung (25) in einer Umfangswand (3) einer Bohrvorrichtung (20) oder unterhalb einer Öffnung einer Außenwand eines Rohrabschnitts einer Bohrvorrichtung oder eines Ausbaurohres anordbar ist, wobei es sich bei der Bohrvorrichtung (20) um eine Bohrvorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt handelt, wobei die Überwachungsvorrichtung (30) eine Aufnahme (4) aufweist, die einen Innenraum (33) und eine Durchtrittsöffnung zur Anordnung im Bereich der Öffnung (25) aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung (30) ein Kontrollelement (5) aufweist, das um eine Schwenkachse (6) verschwenkbar im Innenraum (33) angeordnet ist, wobei ein Aktuator (11) in Verbindung mit dem Kontrollelement (5) vorgesehen ist, wobei das Kontrollelement (5) über den Aktuator (11) in eine Schwenkrichtung (A) bewegbar ist, wobei das Kontrollelement (5) einen Schwenkbereich aufweist, so dass das Kontrollelement (5) durch die Durchtrittsöffnung bewegbar ist, und wobei das Kontrollelement (5) wenigstens eine Kontaktfläche (9) aufweist, die im ausgeschwenkten Zustand des Kontrollelements (5) mit der Bohrlochwand (13)/dem Boden (10) in Kontakt ist.
2. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Aktuator um ein Federelement, ein hydraulisches System mit wenigstens einem hydraulischen Zylinder (8), ein pneumatisches System mit wenigstens einem pneumatischen Zylinder, oder um einen Drehantrieb handelt.
3. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckmessmittel zur Messung eines Drucks im Druckmedium des pneumatischen oder hydraulischen Systems (11) vorgesehen ist.
4. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionsmessmittel zur Messung der Position oder einer Positionsänderung des Kontrollelements (5) vorgesehen ist.
5. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Positionsmessmittel um einen Winkelmesssensor zur Überwachung der Verschwenkung der mit dem Kontrollelements (5) verbundenen Schwenkachse (6) handelt.
6. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (4) wenigstens einen Anschluss (36, 37) aufweist, durch den eine Flüssigkeit, bevorzugt eine Bentonitsuspension, in die Aufnahme (4) einbringbar ist.
7. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (9) wenigstens einen abgeschrägten Bereich (34) aufweist.
8. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) innerhalb des Innenraums (33) der Aufnahme (4) oder außerhalb der Aufnahme (4) angeordnet ist.
9. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hebelarm (35) zwischen Aktuator (11) und der Schwenkachse (6) vorgesehen ist, wenn der Aktuator außerhalb der Aufnahme (4) angeordnet ist.
10. Bohrvorrichtung (20) zum Erstellen einer Bohrung im Boden (10) von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt und zum Einbringen einer Rohrleitung in dem Boden mit einem Bohrkopf (1) mit einem am Bohrkopf (1) angeordneten Schneidvorrichtung (21) zum Lösen des Bodens (10) und einer Umfangswand (3) als Gehäusewand der Bohrvorrichtung (20) mit wenigstens einer Überwachungsvorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Bohrvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswand (3) eine Öffnung (25) bevorzugt in der Firste, besonders bevorzugt am Scheitelpunkt aufweist, unter der die Überwachungsvorrichtung (30) angeordnet ist.
12. Bohrvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (30) mit dem Mess- und Steuersystem der Bohrvorrichtung (20) verbunden ist.
13. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (30) mit einem Bentonitschmiersystem der Bohrvorrichtung über wenigstens einen Anschluss (36, 37) der Überwachungsvorrichtung (30) verbunden ist.
14. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Überwachungsvorrichtungen (30) vorgesehen sind, die radial und oder axial versetzt angeordnet sind.
15. Verfahren zur Überwachung einer Entnahmemenge von gelöstem Boden und/oder eines Überschnitts zum Erstellen eines Ringraums beim Erstellen einer Bohrung im Boden (10) mittels eines Vortriebs einer Bohrvorrichtung (20), bevorzugt nach einem der Ansprüche 10 bis 14, im Boden durch Lösen des Bodens mittels einer Schneidvorrichtung (21) von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgeübter Erddruck auf die Bohrvorrichtung (20) mittels einer aus der Umfangswand (3) der Bohrvorrichtung (20) durch Verschwenken ausgefahrenen Kontrollelements (5) einer Überwachungsvorrichtung (30), bevorzugt nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, in einem Bereich hinter der Schneidvorrichtung (21) während des Bohrens wenigstens Abschnittsweise kontinuierlich ermittelt wird, um dadurch eine Über- /Unterentnahme des gelösten Bodens zu ermitteln, oder dass eine Änderung einer Position des Kontrollelements (5) einer Überwachungsvorrichtung (30), bevorzugt nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, in einem Bereich hinter der Schneidvorrichtung (21) während des Bohrens wenigstens Abschnittsweise kontinuierlich ermittelt wird, um dadurch eine Über- /Unterentnahme des gelösten Bodens zu ermitteln.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschwenken des Kontrollelements (5) hydraulisch oder pneumatisch erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Erddrucks mittels Messung des Drucks in einem im pneumatischen oder hydraulischen System (11) eingesetzten Druckmediums und/oder mittels einer Positionsänderung des Kontrollelements (5) festgestellt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium mit einem Bruchteil, vorzugsweise höchstens 20%, weiter vorzugsweise höchstens 10%, weiter vorzugsweise höchstens 5% des passiven Erddrucks des umgebenden Bodens (10) beaufschlagt wird.
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