FI87390B - Borrningsfoerfarande och borrkroneapparatur. - Google Patents

Description

873S0

KAIRAUSMENETELMÄ JA PORAKRUUNULAITTEISTO

Keksinnön kohteena on menetelmä kairauksen suorittamiseksi maaperän tutkimusta varten, jonka menetelmän mukaan kairaus aloitetaan puristinkairausmenetelmällä ja sen jälkeen jatketaan tarvittaessa samasta reiästä porakonekairaus-5 menetelmällä.

Tunnettujen tutkimusmenetelmien mukaan maaperän koostumus voidaan tutkia monella tavalla. Eräs tapa on tehdä tutkimus puristinkairausmenetelmällä siinä tapauksessa, että maaperä on pehmeää. Porakonekairauksella selvitetään ensisijaisesti 10 kallion pinnan sijainti.

Edellä esitettyjen menetelmien epäkohtana on se, että aina silloin kun joudutaan vaihtamaan kairausmenetelmää, niin samalla joudutaan myös vaihtamaan kalustoa. Uuden kaluston tuominen paikalle ja käytettävän kaluston vaihtaminen 15 kesken tutkimuksen on kuitenkin ongelmallista, sillä vaadittava työmäärä lisääntyy huomattavasti, jopa yli kaksinkertaiseksi .

Puristinkairausta ja ja porakonekairausta ei voida tehdä samalla kalustolla menetelmien erilaisuudesta johtuen. Eräs 20 syy tähän on se, että porakonekairauksessa käytetään vesi-tai ilmahuuhtelua, mistä johtuen porakruunussa on oltava huuhtelukanavat. Koska puristinkairauksessa huuhtelua ei kuitenkaan käytetä, niin kanavat tukkeutuvat tämän työvaiheen aikana, ja niiden tukkeuduttua ei voida enää jatkaa 25 porakonekairauksella.

Erään tunnetun ratkaisun mukaan porakruunun sisään on sijoitettu vastaventtiili, joka sulkee porakruunussa olevat huuhtelukanavat puristusvaiheen ajaksi. Kun puristinkai-rauksen jälkeen aloitetaan porakonekairaus, niin huuh-30 telupaine avaa venttiilin. Venttiilin sijainnista johtuen porakruunun toiminta on kuitenkin epävarmaa. Lisäksi pora-kruunun kulumisesta seuraa se, että saadut mittaustulokset 2 87390 eivät ole keskenään vertailukelpoisia.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetyt ongelmat ja aikaansaada uusi menetelmä ja uusi laitteisto, joilla ei ole edellä esitettyjä epäkohtia.

5 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että kairaus aloitetaan puristinkairauksena sellaisella porakruunulaitteistolla, johon kuuluu porakruunu ja sen päälle sijoitettava suojakappale, että porakruunulaitteiston kohdatessa puristinkairauk-10 sessa kallion tai niin kovan maakerroksen, että puris- tinkairausta ei haluta tai ei voida jatkaa, niin puris-tinkairaus lopetetaan, ja että samalla porakruunulaitteistolla siirrytään iskuporakonekairaukseen, jolloin iskuporakonekairausta 15 aloitettaessa porakruunulaitteistoon kohdistuva iskuvoi ma särkee porakruunun päälle sijoitetun suojakappaleen niin, että se poistuu porakruunun päältä.

Keksinnössä yhdistetään kaksi sinänsä tunnettua menetelmää, puristinkairaus ja porakonekairaus. Kairaus aloitetaan 20 puristinkairauksella siten, että porauskärki peitetään puristinkairan kärkeä jäljittelevällä, kertakäyttöisellä porakruunun suojalla. Puristinkairausta jatketaan niin kauan, että saavutetaan kallio tai niin kova maakerros, että puristinkairausta ei haluta tai ei voida jatkaa. Kun 25 nyt siirrytään porakonekairaukseen, niin porakruunun suoja särkyy ja kairausta voidaan jatkaa porakonekairauksena.

Näin ollen keksinnön avulla voidaan puristinkairauksesta siirtyä suoraan porakonekairaukseen ilman viivettä, jonka laitteiston vaihtaminen välttämättä aiheuttaisi.

30 Keksinnön kohteena on myös maaperän tutkimusta varten tarkoitettu porakruunulaitteisto, johon kuuluu porakruunu ja sen päälle sijoitettava kertakäyttöinen suojakappale, joka on poistettavissa porakruunun päältä halutussa vaiheessa esimerkiksi siten, että suojakappale särkyy pora- 3 87390 konekairausta aloitettaessa. Keksinnön mukaiselle pora-kruunulaitteistolle on tunnusomaista se, että porakruunun päälle sijoitettavan suojakappaleen kärki on muotoiltu puristinkairaukseen sopivaksi, 5 - ja että suojakappaleen lujuus on muodostettu sellaisek si, että puristinkairauksessa suojakappaleen lujuus on riittävä, mutta iskuporakonekairausta aloitettaessa iskuvoima särkee suojakappaleen.

Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkkien avulla viit-10 taamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti maaperän pystyleikkausta ja keksinnön mukaista puristinkairaustyövaihetta. Kuvio 2 vastaa kuviota 1 ja esittää esittää kaaviollisesti keksinnön mukaista porakonekairaustyövaihetta.

15 Kuvio 3 esittää kaaviollisesti mittausantureilta saatavia käyriä.

Kuvio 4 esittää porauskruunua, jonka päälle on sijoitettu keksinnön mukainen suoja.

Kuvio 5 esittää porauskruunua porakonekairaustyövaiheessa 20 ilman suojaa.

Kuviossa 1 on esitetty kaaviollisesti maaperän 10 pysty-leikkaus ja maaperän tutkimuksen puristinkairaustyövaihe keksinnön mukaan. Kuviosta nähdään maan pinnalla sijaitseva työkone 20, joka suorittaa puristinkairausta. Työkoneeseen 25 on liitetty poratanko 21, jota painetaan maan sisään pystysuoraan eli z-akselin suunnassa puristusnopeudella v, vastaavan puristusvoiman ollessa F. Poratankoa 21 pyöritetään pyörimisnopeudella , vastaavan vääntömomentin ollessa My. Kairaukseen liittyviä parametrejä mitataan jatkuvasti 30 ja tulokset rekisteröidään työkoneeseen liitetyn tallennuslaitteen 30 avulla. Piirturin käyriä on esitetty tarkemmin kuviossa 3.

Kuviossa 1 esimerkkitapauksessa on päällimmäisenä maanpinnalla kuivakuorikerros 11, jonka alla ovat pehmeä savi 12 4 87390 ja siltti 13. Näiden alla oleva sorakerros 14 on jo selvästi edellisiä kovempi. Puristinkairaus on kuviossa 1 suoritettu näiden ns. pehmeiden maakerrosten läpi matkan a käyttäen keksinnön mukaista porakruunulaitteistoa 22.

5 Siihen kuuluu porakonekairauksessa tarvittava porakruunu, joka on peitetty kertakäyttöisellä suojakappaleella. Tämä rakenne on tarkemmin esitetty kuviossa 4.

Kuvioon 1 on merkitty poratangon 21 viereen maaperän eri kerroksissa tarvittava puristusvoima F syvyyden z funktio-10 na. Kuvioista nähdään, että kuivakuorikerroksen 11 kohdalla tarvittava puristusvoima on melko suuri, mutta se on selvästi pienempi saven 12 läpi painettaessa. Silttikerroksen 13 kohdalla puristusvoima vaihtelee ja sorakerroksessa 14 tarvittava puristusvoima taas kasvaa jyrkästi. Kuvion 15 esittämässä esimerkkitapauksessa on puristinkairausta jatkettu niin kauan, että puristusvoima F saavuttaa 30 kN rajan. Tämä raja on saavutettu kuvion esittämässä tilanteessa. Tällöin puristinkairaus lopetetaan ja siirrytään porakonekairaukseen.

20 Porakruunun kertakäyttöisen suojakappaleen lujuus on siten mitoitettu, että suojakappale särkyy, kun porakonekairauk-sen isku käynnistyy. Tällöin porakoneen huuhtelukanavat avautuvat ja kairausta voidaan jatkaa porakonekairauksena aina haluttuun syvyyteen asti.

25 Kuviossa 2 on esitetty tilanne, jossa iskuporakonekairausta on jatkettu matkan b ilman porakruunun suojakappaletta. Tässä työvaiheessa rekisteröidään aikaisempien parametrien lisäksi myös huuhteluveden paine p. Näin päästään läpi tässä esimerkkitapauksessa esitetyistä maakerroksista, 30 joita ovat sorakerros 14 ja moreeni 15. Lisäksi voidaan kairata kallioon 16 ja selvittää sen ominaisuuksia. Kuviossa 2 on porattu kallioon halutulle syvyydelle. Tällöin on edetty mm. ruhjekerroksen 17 läpi.

Kuviossa 3 on esitetty piirturilta 30 saatava esimerkki- 5 b V O ✓ ϋ käyrästö 31. Ensimmäisenä vasemmalla on puristusnopeus v, jonka yksikkö on metrejä minuutissa. Seuraava käyrä edellisestä oikealle on modifioitu tunkeutumisnopeus vf, joka on laskennallinen käyrä ja suodattaa edellisen käyrän epä-5 tasaisuuksia. Kolmas käyrä vasemmalta on pyöritysnopeus uj, jonka yksikkö on kierrosta minuutissa. Neljäs käyrä on vääntömomentti My, jonka yksikkö on Nm. Vääntömomentin arvo saadaan hydraulipaineista ja sillä mitataan poratangon vaippakitkaa. Viides käyrä on puristusvoima F, jonka yksik-10 kö on kN. Kuudes käyrä on huuhteluveden paine pw, jonka yksikkö on bar. Seitsemäs käyrä on huuhteluveden määrä Qw, jonka yksikkö on litraa minuutissa. Jäljellä olevat, kaksi oikean puoleista käyrää B ja Krel ovat laskennallisia apupa-rametrejä, joiden perusteella määritetään maalajien ominai-15 suuksia. Piirturin käyristä on myös mahdollista valita kohta, jossa siirrytään puristinkairauksesta porakone-kairaukseen .

Kuviossa 4 on esitetty keksinnön mukainen porakruunulait-teisto 22, johon kuuluu porakonekairauksessa käytettävä 20 porakruunu 23 ja sen päälle sijoitettu, kertakäyttöinen suojakappale 24. Suojakappale 24 on valmistettu sellaisesta materiaalista, joka särkyy porakonekairauksen iskun voimasta. Tällaisia materiaaleja ovat esimerkiksi muovi tai metalli, sopivimmin kevytmetalli. Hyvien tunkeutumisominai-25 suuksien aikaansaamiseksi suojakappaleen 24 kärki on muotoiltu kartiomaiseksi. Muoto vastaa pääasiallisesti tunnettujen puristinkairauskärkien muotoa. Kartion kulma a on kuvion 4 esimerkkitapauksessa 60°.

Kuvion 4 suojakappale 24 on muodostettu sellaiseksi, että 30 se pysyy hyvin paikoillaan puristinkairauksen ajan. Reunat 25 voidaan muotoilla niin, että ne puristuvat porakruunua 23 vasten. Suojakappaleeseen 24 voidaan tehdä myös pora-kruunun 23 uriin 26 sopivia pykäliä, jotka estävät suoja-kappaleen 24 pyörimisen porakruunun 23 suhteen.

35 Kuviossa 5 on esitetty kuvion 4 porakruunulaitteisto 22 sen 6 87390 jälkeen, kun kertakäyttöinen suojakappale 24 on särkynyt ja poistunut porakruunun 23 päältä. Jäljellä on tavanomainen porakruunu, jolla kairausta jatketaan porakonekairauksena sen jälkeen, kun huuhtelu on aloitettu.

5 Menetelmäkuvaus;

Kehitettävä kairaus on kahden jo olemassa olevan kairaus-menetelmän, puristinkairausmenetelmän ja porakonekairaus-menetelmän yhdistelmä. Yhdistetyllä kairausmenetelmällä aikaansaadaan uusi pöhjatutkimusmenetelmä, jolla voidaan 10 tehokkaasti selvittää maaperän rakennetta ja geoteknisiä ominaisuuksia.

Mainittujen menetelmien yhdistämisen tekee mahdolliseksi uusi, keksinnön mukainen kartiokärki. Kärki suunnitellaan ottaen huomioon kansainvälinen standardisuositus. Olennais-15 ta keksinnön mukaiselle kärjelle on se, että puristin- kairausosuuden aikana kärki estää maa-ainesten tunkeutumisen huuhtelukanaviin, ja se että suoritettaessa puristin-kairausta keksinnön mukaisella kärjellä, saavutetaan riittävä vertailukelpoisuus tavallisiin puristinkairauksiin 20 verrattuna.

Tarkemman ja monipuolisen informatiivisen rekisteröinnin mahdollistamiseksi käytetään automaattista rekisteröinti-laitteistoa, joka voi rekisteröidä tarvittaessa jopa kahdeksan informaatiokanavaa samanaikaisesti.

25 Käytettävä kalusto;

Keksinnön mukaisen kairausmenetelmän toteuttamiseksi käytetään kairauslaitteistossa sellaista porakonetta, jonka teho mitoitetaan siten, että sillä saavutetaan riittävä kapasiteetti vaikeissakin olosuhteissa. Tällöin tämän hetkisten, 30 käytettävissä olevien kalustojen vajaatehoisuudesta aiheu- 7 87350 tuneet ongelmat voidaan poistaa. Toisaalta kuitenkin myös käytössä olevilla laitteilla voidaan hyödyntää keksinnön mukaista menetelmää. Rajoituksia voi kyllä aiheuttaa laitteiden vajaatehoisuus.

5 Kairatankoina voidaan käyttää porakonekairaukseen hyvin soveltuvia geotankoja, joissa ei ole ongelmia aiheuttavia jatkosmuhveja.

Rekisteröintilaitteistona voidaan käyttää jotain olemassa olevaa laitteistoa, kuten esimerkiksi Geoprintteriä, jonka 10 kuudella kanavalla pystytään rekisteröimään kuutta erilaista informaatiota syvyyden funktiona. Rekisteröitäviä tietoja ovat tällöin yleensä seuraavat: - porausreiän syvyys - poratangon tunkeutumisnopeus 15 - poratangon pyöritysnopeus - poratangon vääntömomentti - poratangon puristusvoima - huuhteluveden paine

Rekisteröityjen tietojen avulla voidaan määrittää geotekni-20 sessä suunnittelussa tarvittavia suunnitteluparametrejä. Parametrit voidaan määrittää kerätystä tiedosta myös automaattisesti tietokoneen avulla, jolloin suunnittelijalla on välittömästi käytössään alustavat parametrit.

Tvöesimerkki: 25 Kairaus alkaa mahdollisen kuivakuori- tai täytekerroksen läpäisyn jälkeen puristinkairauksena. Tässä vaiheessa porakruunun kärkeen on asennettu keksinnön mukainen, kertakäyttöinen kartiokärki. Kairatankoja puristetaan maahan esimerkiksi vakionopeudella 3 m/min pyörittäen samalla 30 kairatankoja 25 r/min pyöritysnopeudella. Puristinkairauk-sen aikana ei käytetä huuhtelua. Se ei olisi mahdollista- 8 87390 kaan, sillä kartiokärki peittää kärjen huuhteluaukot. Automaattinen rekisteröintilaite tallettaa puristinkairauk-sen aikana kaikki muut paitsi huuhteluun liittyvät parametrit, kuten huuhteluveden paine.

5 Saavutettaessa läpäisemätön kerros siirrytään iskupora-konekairaukseen. Tällöin porakruunun päällä olevan puris-tinkairakärki murskautuu. Tällöin aloitetaan myös huuhtelu ja huuhteluparametrien rekisteröinti.

Sen jälkeen kun kairaus on edennyt kallion pintaan, voidaan 10 porausta jatkaa edelleen vielä haluttuun syvyyteen asti. Kallioporauksen aikana rekisteröidään samat parametrit ja niistä voidaan päätellä esim. kallion rikkonaisuutta ja ruhjeiden sijaintia.

Saavutettava hyöty: 15 Uudella puristinporakonekairauksella saavutetaan merkittäviä etuja sekä tutkimus- että suunnittelusektorilla nykyisiin menetelmiin verrattuna. Mm. maakerrosten geoteknisten ominaisuuksien määrittäminen kairaamalla tarkentuu huomattavasti kehittyneemmän kairausmenetelmän ja käytettävän 20 automaattisen rekisteröinnin seurauksena.

Olennainen vaikutus kustannuksiin on sillä, että uudella kairausmenetelmällä ja keksinnön mukaisella kalustolla saadaan useissa tapauksissa riittävästi tietoa maa- ja kallioperästä jo yhdellä kairauksella. Näin ollen enää ei 25 tarvitse suorittaa erikseen alustavia ja lopullisia pohjatutkimuksia .

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja kalustolla saavutettavat nopeus, edullisuus ja tarkkuus mahdollistavatkin kustannusten optimoinnin täysin uudella tavalla. Samalla 30 saavutetaan myös huomattava tulosten laadun paraneminen, mikä taas on tutkimus- ja suunnittelusektoreiden yhteinen

9 8 7 o S O

etu.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset sovellutusmuodot voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (7)

10 87390

1. Menetelmä kairauksen suorittamiseksi maaperän (10) tutkimusta varten, jonka menetelmän mukaan kairaus aloitetaan puristinkairausmenetelmällä ja sen jälkeen jatketaan tarvittaessa samasta reiästä porakonekairausmenetelmällä, 5 tunnettu siitä, että kairaus aloitetaan puristinkairauksena sellaisella porakruunulaitteistolla (22), johon kuuluu porakruunu (23) ja sen päälle sijoitettava suojakappale (24), että porakruunulaitteiston kohdatessa puristinkairauk-10 sessa kallion (16) tai niin kovan maakerroksen (14), että puristinkairausta ei haluta tai ei voida jatkaa, niin puristinkairaus lopetetaan, ja että samalla porakruunulaitteistolla siirrytään iskuporakonekairaukseen, jolloin iskuporakonekairausta 15 aloitettaessa porakruunulaitteistoon kohdistuva iskuvoi ma särkee porakruunun päälle sijoitetun suojakappaleen niin, että se poistuu porakruunun päältä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kairausta jatketaan puristin- 20 kairauksen jälkeen porakonekairauksena nostamatta pora-kruunulaitteistoa (22) välillä ylös.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puristinkairauksen jälkeen porakonekairausta on jatkettavissa haluttuun syvyyteen (b) 25 asti.

4. Maaperän (10) tutkimusta varten tarkoitettu porakruunu-laitteisto (22), johon kuuluu porakruunu (23) ja sen päälle sijoitettava kertakäyttöinen suojakappale (24), joka on poistettavissa porakruunun päältä halutussa vaiheessa 30 esimerkiksi siten, että suojakappale särkyy porakonekairausta aloitettaessa, tunnettu siitä, - että porakruunun (23) päälle sijoitettavan suojakappaleen (24) kärki on muotoiltu puristinkairaukseen sopi- li 11 87390 vaksi, ja että suojakappaleen lujuus on muodostettu sellaiseksi, että puristinkairauksessa suojakappaleen lujuus on riittävä, mutta iskuporakonekairausta aloitettaessa 5 iskuvoima särkee suojakappaleen.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen porakruunulaitteisto, tunnettu siitä, että porakruunun (23) suojakappale (24) on muodostettu puristinkairan kärkeä jäljitteleväksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen porakruunulaitteisto, 10 tunnettu siitä, että puristinkairan kärkeä jäljittelevän porakruunun (23) suojakappaleen (24) kärki on kartio, jonka kulma (a) on 60°.

7. Patenttivaatimuksen 4, 5 tai 6 mukainen porakruunulaitteisto, tunnettu siitä, että puristinkairaukseen 15 sopiva porakruunun (23) suojakappale (24) on valmistettu muovista tai metallista, sopivimmin kevytmetallista. i2 87 390