WO1999055998A1 - Method and device for drilling a borehole in the ground - Google Patents

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WO1999055998A1
WO1999055998A1 PCT/AT1999/000103 AT9900103W WO9955998A1 WO 1999055998 A1 WO1999055998 A1 WO 1999055998A1 AT 9900103 W AT9900103 W AT 9900103W WO 9955998 A1 WO9955998 A1 WO 9955998A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a bottom hole along an at least partially curved path, wherein a cylindrical drill head with a front wedge surface that is inclined to the longitudinal axis is rotated about its longitudinal axis and subjected to pressure loading in the longitudinal axis direction, and to a device for performing this method.
  • the drill head In order to be able to deviate from a straight path when drilling, the drill head is equipped with an oblique wedge surface on the front, so that a continuous rotary movement of the drill head and a corresponding propulsion pressure leads to a feed along a straight path, but an interruption of the rotary drive by the applied one Pressure load when driving forward deflects the drill head along its wedge surface from the straight line and forces it into a curved path (US Pat. No. 4,993,503 A, EP 0 626 500 A2). A renewed rotary movement of the drill head then results in a straight feed in the new direction.
  • the invention is therefore based on the object of eliminating these deficiencies and of specifying a method of the type described at the outset which can be used efficiently at high propulsive powers and is distinguished by the particularly good controllability of the drilling direction along the most varied paths.
  • an appropriate device for performing this method is to be created.
  • the invention solves this problem in that the respective rotational position of the wedge surface is detected during the rotary movement of the drill head and, as a function of the course of the path, as a clock specification for a pulsed actuation of the pressurization the drill head is used, the drill head being subjected to a pressure pulse for a change in the drilling direction if the rotational position of the wedge surface corresponds to its normal position to the plane of curvature of the path curvature to be drilled and points in the direction of curvature.
  • This new control principle in which the direction of the drive changes due to a targeted pressure impulse load on the drill head at exactly the point in time at which the wedge surface points in the right direction, the drill head can maintain its rotary motion even when drilling along a curved path and it comes essentially no change in the clearing and discharge conditions during tunneling. It is only necessary to ensure that the pressure pulse for the drill head is matched to the correct rotational position of the wedge surface, so that the eccentric propulsion and sliding effect resulting from the interaction of the pressure pulse and the wedge surface lead to a uniform change in direction.
  • a pressure pulse does not have to occur each time the correct rotational position is reached, but the pressure pulses must be clocked in such a way that the pulse frequency corresponds to an integral multiple of the rotational frequency specified by the rotation of the drill head, the deviation effect also influencing the duration and strength of the pressure pulses and thus the degree of change of direction can be predetermined.
  • the possibility of controlling the drill head while maintaining the rotary movement of this drill head ensures the best driving performance and discharge conditions, with the comparatively little construction and construction effort being sufficient.
  • cylindrical boring heads are suitable, which have a wedge surface inclined at the front to the longitudinal axis and connections at the rear for a drill rod of a boring machine that can be subjected to rotation and pressure, the boring head equipped with a chisel tool being associated with a rotary position sensor if the boring machine has a control device as a function of the rotary positions of the wedge surface which are edible by means of the rotary position transmitter, in the sense of a pulsed pressurization of the drill rod which is clocked at a frequency adapted to the drill rod speed.
  • the rotary position assigned to the drilling head - 4 - encoder ensures that the pressure pulses occur at the right moment, namely when the drilling head is deflected by the wedge surface in the desired direction during a pressure pulse.
  • the control device must of course also the transmission ratios resulting from the drill pipe for the rotary drive and the pressurization, such as torsion and damping properties, resonance phenomena and other boundary conditions with regard to the soil, pipe length and.
  • the drill head has on its upper side facing away from the wedge surface at least one spray nozzle connected to a flushing agent supply line, which is directed forward at an acute angle to the longitudinal axis.
  • a flushing agent supply line which is directed forward at an acute angle to the longitudinal axis.
  • the rinsing effect can be further increased if three spray nozzles are provided, the middle of which extend outward at an acute angle and the two outer spray nozzles, the angle between the two outer spray nozzles and the longitudinal axis of the drill head being flatter than the angle between the middle ones
  • the spray nozzle and longitudinal axis run, which leads to a larger loosening zone in the chisel area and also results in a more uniform flushing of the removed material.
  • the drill head can be equipped on its wedge surface with a fixed chisel tool, for example a spade, but the drilling performance can be increased significantly if the wedge surface of the drill head is equipped with a freely rotatable roller.
  • - 5 - is equipped with a chisel, because when the drill head rotates, the roller chisel processing the material executes a relative counter-rotation and thereby conveys the removed material sideways, so that excellent driving results can be achieved, especially with a drilling fluid.
  • Fig. 1 shows an inventive device for producing a bottom hole
  • Fig. 2 shows the drilling head of this device in a functional diagram
  • Fig. 3 shows a chisel-equipped drilling head in a side view in a larger one
  • FIG. 5 a construction variant of a chisel-equipped drilling head in one of the
  • Fig. 3 corresponding representation and Fig. 6 shows the drill head of FIG. 5 in a plan view.
  • a drilling device 3 which has a tunneling machine 4 for actuating a drilling head 6 connected via a drilling rod 5, which driving machine 4 has a rotary drive and a pressurizing device for the drilling rod 5 includes.
  • the drill head 6 consists of a cylindrical base body 7 which forms on its front end face a wedge surface 8 which is inclined towards the longitudinal axis A and which is equipped with a chisel tool 9.
  • this chisel tool 9 can be a roller chisel 91 which is freely rotatable about a tool axis W perpendicular to the wedge surface 8 and hard metal tips 92 - 6 - wears. 5 and 6, the chisel tool can also consist of a simple spade 93 fixed to the wedge surface 8.
  • three spray nozzles 10, 11 are arranged, which are connected to the feed bore of the drill pipe 5 via connecting channels (not shown further) and are used for spraying out a flushing agent for a drilling fluid.
  • the spray nozzles are directed forward by an acute angle ⁇ , ⁇ with respect to the longitudinal axis direction A, the angle ⁇ of the central spray nozzle 10 being somewhat larger than the angle ⁇ of the lateral nozzles 11.
  • the middle nozzle 10 lies in an axial plane to the longitudinal axis A and the two side nozzles 11 are directed outward at an acute angle ⁇ , so that the spray directions of the detergent jets target above and to the side of the chisel tools 9 over the face O.
  • the cylinder body 7 is driven with a certain rotary feed W1 during the advance of the drill head 6, which results in a relative counter-rotation W2 for the roller chisel 91 due to resistance to material removal.
  • the flushing agent spray jets S1, S2, S3, drilling rinsing occurs at the same time and a loosening zone Z is created in the working face area O, which ensures an improved material removal by the roller chisel 92.
  • the tunneling machine 4 is assigned a control device 12, via which a rotary position transmitter 13 located in the drilling head 6 and a position transmitter 14 located in the connection area of the drill pipe 5 on the tunneling machine 4 assign the respective The rotational positions of the wedge surface 8 of the drill head 6 on the one hand and of the drill pipe connection on the other hand are read in, which control device 12 then controls the tunneling machine 4 as a function of the wedge surface rotational position.
  • the tunneling machine 4 transmits corresponding pressure pulses to the drill rod 5 and thus to the drill head 6 while maintaining the rotary drive, which causes a deviation of the direction of advance from the straight line in the tool area of the drill head 6 due to the wedge surface 8 due to the wedge surface direction. If the drilling head 6 is then subjected to pressure pulses when the wedge surface is in the correct rotational position determined by the bore path, a corresponding bore profile results and the bottom bore can be produced along a desired curvature. This change of direction takes place without the rotary drive being stopped, so that the stock removal and propulsion conditions remain essentially unchanged regardless of the bore path.

Abstract

In order to drill a borehole in the ground (1) along a curved line (2), a cylindrical drill head (6) with a front wedge-shaped surface (8) that is inclined in respect to a longitudinal axis (A) is rotated around its longitudinal axis and pressure-loaded in the direction of the longitudinal axis. In order to modify the direction of drilling in a rational manner at a high propulsive capacity, the appropriate rotational position of the wedge-shaped surface (8) is detected during the rotational movement of the drill head (6) and, according to the progression of said line, is used as a clocking parameter for pulse-like control of the application of pressure to the drill head (6), whereby the drill head (6) is impinged upon by a pressure pulsation in order to modify the direction of drilling if the rotational position of the wedge-shaped surface (8) corresponds to a normal position in relation to the plane of curvature of the curve of the line which is to be drilled and is oriented in the direction of curvature.

Description

- 1 - - 1 -
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer BodenbohrungMethod and device for making a bottom hole
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Bodenbohrung längs einer wenigstens abschnittsweise gekrümmt verlaufenden Bahn, wobei ein zylindrischer Bohrkopf mit einer vorderen, zur Längsachse schräggeneigten Keilfläche um seine Längsachse gedreht und in Längsachsrichtung druckbelastet wird, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.The invention relates to a method for producing a bottom hole along an at least partially curved path, wherein a cylindrical drill head with a front wedge surface that is inclined to the longitudinal axis is rotated about its longitudinal axis and subjected to pressure loading in the longitudinal axis direction, and to a device for performing this method.
Stand der TechnikState of the art
Solche Verfahren sind seit langem bekannt und haben sich auch durchaus bewährt, da sie ohne die Notwendigkeit von aufwendigen Grabungsarbeiten das Verlegen von Versorgungsleitungen, Kabeln, Kanälen od. dgl. im Untertageverfahren ermöglichen. Von der Vortriebstechnik her hat sich allerdings der Vortrieb mit drehendem Bohrkopf, der nach dem Materialaustragsprinzip arbeitet, gegenüber dem Vortrieb mit preßlufthammerartig schlagendem Vortriebskörper, der nach dem Materialverdrängungsprinzip arbeitet, durchgesetzt, denn das austragende Vorwärtsbohren bietet höhere Vortriebsleistungen und läßt sich bei unterschiedlicheren Bodenarten einsetzen als das verdrängende, nur für Böden aus verdichtbarem Material geeignete Vorwärtstreiben. Um nun beim Bohren von einer geradlinigen Bahn abweichen zu können, wird der Bohrkopf frontseitig mit einer schrägen Keilfläche ausgestattet, so daß eine durchgehende Drehbewegung des Bohrkopfes und ein entsprechender Vortriebsdruck zu einem Vorschub entlang einer geraden Bahn führt, eine Unterbrechung des Drehantriebes aber durch die aufgebrachte Druckbelastung beim Vorwärtstreiben den Bohrkopf entlang seiner Keilfläche von der Geraden ablenkt und in eine Krümmungsbahn zwingt (US 4 993 503 A, EP 0 626 500 A2). Eine neuerliche Drehbewegung des Bohrkopfes ergibt dann wiederum einen geraden Vorschub in der neuen Richtung. Auf Grund der Unterbrechung der Bohrkopfdrehung bei einer Bohrrichtungsänderung muß allerdings - 2 - beim Bohren entlang einer gekrümmten Bahn auf die Vorteile des drehenden Vortriebes verzichtet werden, was die Leistungsfähigkeit und den Einsatzbereich der bekannten Bohrverfahren wesentlich einschränkt. Dabei spielt es prinzipiell keine Rolle, ob an der Spitze des Bohrkopfes die Keilfläche lediglich mit einem Meißelwerkzeug bestückt ist oder der Bohrkopf zusätzliche Spritzdüsen zum Ausspritzen eines Spülmittels aufweist, da eine Lenkung des Bohrkopfes von der gegenseitigen Abstimmung der schräg vorwärts gerichteten Abtragswerkzeuge und der Bohrkopfdrehbewegung abhängt.Such methods have been known for a long time and have also proven themselves since they enable the laying of supply lines, cables, channels or the like in the underground method without the need for complex excavation work. In terms of tunneling technology, however, tunneling with a rotating drill head that works according to the material discharge principle has prevailed over tunneling with a jack body that strikes like a jackhammer, which works according to the material displacement principle, because the forward drilling that is carried out offers higher tunneling performance and can be used on different types of soil than the displacing forward movement that is only suitable for soils made of compactable material. In order to be able to deviate from a straight path when drilling, the drill head is equipped with an oblique wedge surface on the front, so that a continuous rotary movement of the drill head and a corresponding propulsion pressure leads to a feed along a straight path, but an interruption of the rotary drive by the applied one Pressure load when driving forward deflects the drill head along its wedge surface from the straight line and forces it into a curved path (US Pat. No. 4,993,503 A, EP 0 626 500 A2). A renewed rotary movement of the drill head then results in a straight feed in the new direction. Due to the interruption of the drill head rotation when changing the drilling direction When drilling along a curved path, the advantages of rotating jacking can be dispensed with, which considerably limits the performance and the area of application of the known drilling methods. In principle, it does not matter whether the wedge surface at the tip of the drill head is only equipped with a chisel tool or whether the drill head has additional spray nozzles for spraying out a detergent, since steering the drill head depends on the mutual coordination of the diagonally forward removal tools and the rotary head rotation .
Um das Lenkverhalten und die Vortriebsleistung zu verbessern, wurde auch schon vorgeschlagen, den Bohrkopf mit einem eigenbetriebenen rotierenden Abtragswerkzeug auszurüsten, dessen Drehachse zur Bohrkopflängsachse schräg verläuft. Auch hier wird zur Bohrrichtungsänderung die Bohrkopfdrehung unterbrochen und nur das schrägstehende Rotationswerkzeug betrieben, womit zwar auch während der Richtungsänderung ein drehender Vortrieb besteht, doch ergibt sich ein beträchtlicher Mehraufwand für den Bohrkopf und das Rotationswerkezug und wegen der Durchmesserunterschiede der Bohrungen durch den Einsatz des Rotationswerkzeuges bei stehendem oder drehendem Bohrkopf sind Schwierigkeiten beim Bohren entlang gekrümmter Bahnen zu befürchten und der Einsatz bleibt auf bestimmte Bodenarten beschränkt.In order to improve the steering behavior and the propulsive power, it has also already been proposed to equip the drill head with a self-operated rotating removal tool, the axis of rotation of which is oblique to the longitudinal axis of the drill head. Here, too, the rotation of the drill head is interrupted to change the drilling direction and only the inclined rotary tool is operated, which means that there is rotating propulsion even during the change of direction, but there is a considerable additional outlay for the drill head and the rotary tool and because of the differences in diameter of the holes due to the use of the rotary tool Standing or rotating drilling heads are likely to encounter difficulties when drilling along curved paths and use is restricted to certain types of soil.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, das bei hohen Vortriebsleistungen rationell eingesetzt werden kann und sich durch die besonders gute Steuerbarkeit der Bohrrichtung entlang unterschiedlichst verlaufender Bahnen auszeichnet. Außerdem soll eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.The invention is therefore based on the object of eliminating these deficiencies and of specifying a method of the type described at the outset which can be used efficiently at high propulsive powers and is distinguished by the particularly good controllability of the drilling direction along the most varied paths. In addition, an appropriate device for performing this method is to be created.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die jeweilige Drehlage der Keilfläche während der Drehbewegung des Bohrkopfes erfaßt wird und in Abhängigkeit vom Bahnverlauf als Taktvorgabe für ein impulsartiges Ansteuern der Druckbeaufschlagung des Bohrkopfes dient, wobei zu einer Bohrrichtungsänderung der Bohrkopf einem Druckimpuls unterworfen wird, wenn die Drehlage der Keilfläche deren Normallage zur Krümmungsebene der zu bohrenden Bahnkrümmung entspricht und in Krümmungsrichtung zeigt.The invention solves this problem in that the respective rotational position of the wedge surface is detected during the rotary movement of the drill head and, as a function of the course of the path, as a clock specification for a pulsed actuation of the pressurization the drill head is used, the drill head being subjected to a pressure pulse for a change in the drilling direction if the rotational position of the wedge surface corresponds to its normal position to the plane of curvature of the path curvature to be drilled and points in the direction of curvature.
Durch dieses neue Steuerungsprinzip, bei dem die Richtungsänderung des Vortriebes durch eine gezielte Druckimpulsbelastung des Bohrkopfes genau zu dem Zeitpunkt, zu dem die Keilfläche in die richtige Richtung zeigt, erfolgt, kann der Bohrkopf auch beim Bohren entlang einer Bahnkrümmung seine Drehbewegung aufrecht erhalten und es kommt im wesentlichen zu keiner Änderung der Abräum- und Austragsverhältnisse während des Vortriebes. Es ist lediglich darauf zu achten, daß der Druckimpuls für den Bohrkopf auf die richtige Drehlage der Keilfläche abgestimmt wird, damit der sich durch das Zusammenspiel von Druckimpuls und Keilfläche ergebende außermittige Vortriebs- und Abgleiteffekt zu einer einheitlichen Richtungsänderung führen. Dabei muß nicht jeweils bei Erreichen der richtigen Drehlage ein Druckimpuls erfolgen, doch müssen die Druckimpulse so getaktet sein, daß die Impulsfrequenz einem ganzzahligen Vielfachen der durch die Bohrkopfdrehung vorgegebenen Drehfrequenz entspricht, wobei sich außerdem durch die Dauer und Stärke der Druckimpulse der Abweicheffekt beeinflussen und damit der Grad der Richtungsänderung vorbestimmen läßt. Die Steuerungsmöglichkeit des Bohrkopfes bei aufrechterhaltener Drehbewegung dieses Bohrkopfes gewährleistet beste Vortriebsleistungen und Austragsbedingungen, wobei mit vergleichsweise geringem Bau- und Konstruktionsaufwand das Auslangen gefunden wird.This new control principle, in which the direction of the drive changes due to a targeted pressure impulse load on the drill head at exactly the point in time at which the wedge surface points in the right direction, the drill head can maintain its rotary motion even when drilling along a curved path and it comes essentially no change in the clearing and discharge conditions during tunneling. It is only necessary to ensure that the pressure pulse for the drill head is matched to the correct rotational position of the wedge surface, so that the eccentric propulsion and sliding effect resulting from the interaction of the pressure pulse and the wedge surface lead to a uniform change in direction. A pressure pulse does not have to occur each time the correct rotational position is reached, but the pressure pulses must be clocked in such a way that the pulse frequency corresponds to an integral multiple of the rotational frequency specified by the rotation of the drill head, the deviation effect also influencing the duration and strength of the pressure pulses and thus the degree of change of direction can be predetermined. The possibility of controlling the drill head while maintaining the rotary movement of this drill head ensures the best driving performance and discharge conditions, with the comparatively little construction and construction effort being sufficient.
Zum Durchführen des Verfahrens eignen sich zylindrische Bohrköpfe, die vorderends eine zur Längsachse schräggeneigte Keilfläche und hinterends Anschlüsse für ein dreh- und druckbeaufschlagbares Bohrgestänge einer Vortriebsmaschine aufweisen, wobei dem an der Keilfläche mit einem Meißelwerkzeug bestückten Bohrkopf ein Drehstellungsgeber zugehört, wenn die Vortriebsmaschine über eine Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von den mittels des Drehstellungsgebers er aßbaren Drehlagen der Keilfläche im Sinne einer mit an die Bohrgestängedrehzahl angepaßten Frequenz getakteten impulsartigen Druckbeaufschlagung des Bohrgestänges angesteuert wird. Ein solcher Bohrkopf wird folglich zur gezielten Richtungsänderung mit entsprechenden Druckimpulsen beaufschlagt, wobei der dem Bohrkopf zugeordnete Drehstellungs- - 4 - geber über die Steuerungseinrichtung dafür sorgt, daß die Druckimpulse jeweils im richtigen Augenblick erfolgen, nämlich dann, wenn der Bohrkopf bei einem Druckimpuls durch die Keilfläche in die gewünschte Richtung abgelenkt wird. Die Steuerungseinrichtung muß dabei selbstverständlich auch die durch das Bohrgestänge sich ergebenden Übertragungsverhältnisse für den Drehantrieb und die Druckbeaufschlagung, wie Torsions- und Dämpfungseigenschaften, Resonanzerscheinungen und andere Randbedingungen hinsichtlich Bodenbeschaffenheit, Rohrlänge u. dgl., berücksichtigen, wozu sich eine an sich bekannte lernfähige Steuerung anbietet.To carry out the method, cylindrical boring heads are suitable, which have a wedge surface inclined at the front to the longitudinal axis and connections at the rear for a drill rod of a boring machine that can be subjected to rotation and pressure, the boring head equipped with a chisel tool being associated with a rotary position sensor if the boring machine has a control device as a function of the rotary positions of the wedge surface which are edible by means of the rotary position transmitter, in the sense of a pulsed pressurization of the drill rod which is clocked at a frequency adapted to the drill rod speed. Such a drilling head is consequently subjected to appropriate pressure pulses for the targeted change of direction, the rotary position assigned to the drilling head - 4 - encoder ensures that the pressure pulses occur at the right moment, namely when the drilling head is deflected by the wedge surface in the desired direction during a pressure pulse. The control device must of course also the transmission ratios resulting from the drill pipe for the rotary drive and the pressurization, such as torsion and damping properties, resonance phenomena and other boundary conditions with regard to the soil, pipe length and. Like., Take into account what a known learnable controller offers.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Bohrkopf an seiner der Keilfläche abgewandten Oberseite wenigstens eine an eine Spüimittelversorgungsleitung angeschlossene Spritzdüse aufweist, die spitzwinkelig zur Längsachse vorwärts gerichtet ist. Damit kommt es zu einer kombinierten Materialabtragung durch den meißel bedingten mechanischen Materialausbruch im Ortsbrustbereich einerseits und die hydraulische Abtrags- und Austragswirkung der unter Druck ausgespritzten Spülflüssigkeit anderseits. Die Spülflüssigkeit wird durch die schräg vorwärts gerichtete Spritzdüse am Meißel Werkzeug vorbeigespritzt, so daß sie für den Meißeleinsatz eine Auflockerungszone schafft und nicht nur den Austrag des Materials durch die entspannte Bohrspülung mit sich bringt, sondern auch den Abtrag selbst wirkungsvoller macht. So lassen sich mit ein und demselben Bohrkopf Bodenbohrungen in praktisch allen Bodenklassen durchführen, was vor allem bei sich ändernden Bodenverhältnissen während einer Bohrung entscheidende Vorteile gewährleistet.It is particularly advantageous if the drill head has on its upper side facing away from the wedge surface at least one spray nozzle connected to a flushing agent supply line, which is directed forward at an acute angle to the longitudinal axis. This results in a combined material removal due to the chisel-induced mechanical material breakout in the face area on the one hand and the hydraulic removal and discharge effect of the flushing liquid sprayed out under pressure on the other hand. The flushing liquid is sprayed past the chisel tool through the obliquely forward spray nozzle, so that it creates a loosening zone for chisel use and not only brings the discharge of the material through the relaxed drilling fluid, but also makes the removal itself more effective. So you can drill holes in practically all soil classes with one and the same drill head, which guarantees decisive advantages, especially when the soil conditions change during a drill.
Die Spülwirkung kann dabei noch gesteigert werden, wenn drei Spritzdüsen vorgesehen sind, von denen die mittlere in einer Axialebene und die beiden äußeren dazu spitzwinkelig auswärts gerichtet verlaufen, wobei der Winkel zwischen den beiden äußeren Spritzdüsen und der Längsachse des Bohrkopfes flacher als der Winkel zwischen mittlerer Spritzdüse und Längsachse verläuft, was zu einer größeren Auflockerungszone im Meißeleinsatzbereich führt und auch eine gleichmäßigere Ausspülung des abgetragenen Materials erbringt.The rinsing effect can be further increased if three spray nozzles are provided, the middle of which extend outward at an acute angle and the two outer spray nozzles, the angle between the two outer spray nozzles and the longitudinal axis of the drill head being flatter than the angle between the middle ones The spray nozzle and longitudinal axis run, which leads to a larger loosening zone in the chisel area and also results in a more uniform flushing of the removed material.
Der Bohrkopf kann an seiner Keilfläche mit einem festen Meißel Werkzeug, beispielsweise einem Spaten, bestückt sein, doch läßt sich die Bohrieistung wesentlich steigern, wenn die Keilfläche des Bohrkopfes mit einem frei drehbar gelagerten Rollen- - 5 - meißel bestückt ist, da bei Bohrkopfdrehung der das Material abarbeitende Rollmeißel eine relative Gegendrehung ausführt und dadurch das abgetragene Material seitlich wegfördert, so daß sich vor allem zusammen mit einer Bohrspülung hervorragende Vortriebsergebnisse erzielen lassen.The drill head can be equipped on its wedge surface with a fixed chisel tool, for example a spade, but the drilling performance can be increased significantly if the wedge surface of the drill head is equipped with a freely rotatable roller. - 5 - is equipped with a chisel, because when the drill head rotates, the roller chisel processing the material executes a relative counter-rotation and thereby conveys the removed material sideways, so that excellent driving results can be achieved, especially with a drilling fluid.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand rein schematisch veranschaulicht, und zwar zeigenIn the drawing, the subject matter of the invention is illustrated purely schematically, namely show
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen einer Bodenbohrung anFig. 1 shows an inventive device for producing a bottom hole
Hand eines Anlagenschemas, Fig. 2 den Bohrkopf dieser Vorrichtung in einem Funktionsschema, Fig. 3 einen meißel bestückten Bohrkopf in einer Seitenansicht in einem größerenFig. 2 shows the drilling head of this device in a functional diagram, Fig. 3 shows a chisel-equipped drilling head in a side view in a larger one
Maßstab, Fig. 4 den Bohrkopf gemäß Fig. 3 in einer Draufsicht, Fig. 5 eine Konstruktionsvariante eines meißel bestückten Bohrkopfes in einer der3, the drilling head according to FIG. 3 in a plan view, FIG. 5 a construction variant of a chisel-equipped drilling head in one of the
Fig. 3 entsprechenden Darstellung und Fig. 6 den Bohrkopf nach Fig. 5 in einer Draufsicht.Fig. 3 corresponding representation and Fig. 6 shows the drill head of FIG. 5 in a plan view.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Um eine Bodenbohrung 1 entlang einer wenigstens abschnittsweise gekrümmten Bahn 2 rationell herstellen zu können, gibt es eine Bohrvorrichtung 3, die eine Vortriebsmaschine 4 zur Betätigung eines über ein Bohrgestänge 5 angeschlossenen Bohrkopfes 6 aufweist, welche Vortriebsmaschine 4 einen Drehantrieb und eine Druckbeaufschlagungseinrichtung für das Bohrgestänge 5 umfaßt.In order to be able to efficiently produce a bottom hole 1 along a path 2 that is curved at least in sections, there is a drilling device 3 which has a tunneling machine 4 for actuating a drilling head 6 connected via a drilling rod 5, which driving machine 4 has a rotary drive and a pressurizing device for the drilling rod 5 includes.
Der Bohrkopf 6 besteht aus einem zylindrischen Grundkörper 7, der an seiner vorderen Stirnseite eine zur Längsachse A schräggeneigte Keilfläche 8 bildet, die mit einem Meißel Werkzeug 9 bestückt ist. Dieses Meißelwerkzeug 9 kann gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 ein Rollmeißel 91 sein, der frei drehbar um eine zur Keilfläche 8 senkrechte Werkzeugachse W lagert und Hartmetallspitzen 92 - 6 - trägt. Das Meißel Werkzeug kann aber auch gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 und 6 aus einem einfachen, fest an der Keilfläche 8 montierten Spaten 93 bestehen.The drill head 6 consists of a cylindrical base body 7 which forms on its front end face a wedge surface 8 which is inclined towards the longitudinal axis A and which is equipped with a chisel tool 9. According to the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4, this chisel tool 9 can be a roller chisel 91 which is freely rotatable about a tool axis W perpendicular to the wedge surface 8 and hard metal tips 92 - 6 - wears. 5 and 6, the chisel tool can also consist of a simple spade 93 fixed to the wedge surface 8.
An der der Keilfläche 8 abgewandten Oberseite des Bohrkopfes 6 sind drei Spritzdüsen 10, 11 angeordnet, die über nicht weiter dargestellte Verbindungskanäle an die Zuleitungsbohrung des Bohrgestänges 5 angeschlossen sind und zum Ausspritzen eines Spülmittels für eine Bohrspülung dienen. Die Spritzdüsen sind gegenüber der Längsachsrichtung A um einen spitzen Winkel α, ß vorwärtsgerichtet, wobei der Winkel α der mittleren Spritzdüse 10 etwas größer als der Winkel ß der seitlichen Düsen 11 bemessen ist. Außerdem liegt die mittlere Düse 10 in einer Axialebene zur Längsachse A und die beiden seitlichen Düsen 11 sind dazu um spitze Winkel γ auswärtsgerichtet, so daß die Spritzrichtungen der Spülmittelstrahlen über und seitlich neben den Meißel Werkzeugen 9 vorbei auf die Ortsbrust O zielen. Dadurch ergibt sich beim Bohrvorgang durch die Bohrspülung beim Vortrieb des Bohrkopfes 6 eine Auflockerungszone Z, in die dann das Meißel Werkzeug 9 eingreift, und diese Kombination aus hydraulischem und mechanischem Abtrag führt zu hohen und vor allem auch von den Bodenverhältnissen weitgehend unabhängigen Vortriebsleistungen.On the upper side of the drill head 6 facing away from the wedge surface 8, three spray nozzles 10, 11 are arranged, which are connected to the feed bore of the drill pipe 5 via connecting channels (not shown further) and are used for spraying out a flushing agent for a drilling fluid. The spray nozzles are directed forward by an acute angle α, β with respect to the longitudinal axis direction A, the angle α of the central spray nozzle 10 being somewhat larger than the angle β of the lateral nozzles 11. In addition, the middle nozzle 10 lies in an axial plane to the longitudinal axis A and the two side nozzles 11 are directed outward at an acute angle γ, so that the spray directions of the detergent jets target above and to the side of the chisel tools 9 over the face O. This results in a loosening zone Z in the drilling process due to the drilling fluid during the advance of the drilling head 6, in which the chisel tool 9 then engages, and this combination of hydraulic and mechanical removal leads to high advance rates, which are largely independent of the soil conditions.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht, wird beim Vortrieb des Bohrkopfes 6 der Zylinderkörper 7 mit einem bestimmten Drehvorschub W1 angetrieben, wodurch sich für den Rollmeißel 91 widerstandsbedingt beim Material abtrag eine relative Gegendrehung W2 ergibt. Auf Grund der Spülmittelspritzstrahlen S1 , S2, S3 kommt es gleichzeitig zu einer Bohrspülung und im Ortsbrustbereich O entsteht eine Auflockerungszone Z, die einen verbesserten Materialabtrag durch den Rollmeißel 92 gewährleistet. Die Relativverdrehung des Rollmeißels 92 entgegen der Vortriebsdrehung des Bohrkopfes 6 führt für das abgetragene Material zu einem Abfördereffekt, der dieses Material aus dem Abtragsbereich wegräumt, und durch die Bohrspülung wird dieses Material dann im Ringraum R zwischen Zylinderkörper 7 und Bohrung 1 ausgespült, so daß ein einwandfreier, den Bohrungsvortrieb begünstigender Materialaustrag gewährleistet ist.As illustrated in FIG. 2, the cylinder body 7 is driven with a certain rotary feed W1 during the advance of the drill head 6, which results in a relative counter-rotation W2 for the roller chisel 91 due to resistance to material removal. On account of the flushing agent spray jets S1, S2, S3, drilling rinsing occurs at the same time and a loosening zone Z is created in the working face area O, which ensures an improved material removal by the roller chisel 92. The relative rotation of the chisel 92 counter to the forward rotation of the drill head 6 leads to a removal effect for the removed material, which removes this material from the removal area, and this material is then rinsed out in the annular space R between the cylinder body 7 and the bore 1 by the drilling fluid, so that a flawless material discharge that promotes drilling is guaranteed.
Um nun den Bohrkopf 6 entlang einer gekrümmten Bahn 2 vortreiben zu können, ist der Vortriebsmaschine 4 eine Steuerungseinrichtung 12 zugeordnet, dem über einen im Bohrkopf 6 sitzenden Drehstellungsgeber 13 und einen im Anschlußbereich des Bohrgestänges 5 an der Vortriebsmaschine 4 sitzenden Stellungsgeber 14 die jeweili- gen Drehlagen der Keilfläche 8 des Bohrkopfes 6 einerseits und des Bohrgestängeanschlusses anderseits eingelesen werden, welche Steuerungseinrichtung 12 dann die Vortriebsmaschine 4 in Abhängigkeit von der Keilflächendrehlage ansteuert. Die Vortriebsmaschine 4 überträgt so bei Aufrechterhaltung des Drehantriebes auf das Bohrgestänge 5 und damit auf den Bohrkopf 6 entsprechende Druckimpulse, durch die es im Werkzeugbereich des Bohrkopfes 6 auf Grund der Keilfläche 8 zu einer durch die Keilflächenrichtung bestimmten Abweichung der Vortriebsrichtung von der Geraden kommt. Wird daher der Bohrkopf 6 dann mit Druckimpulsen beaufschlagt, wenn sich die Keilfläche jeweils in der richtigen, von der Bohrungsbahn bestimmten Drehlage befindet, ergibt sich ein entsprechender Bohrungsverlauf und die Bodenbohrung kann entlang einer gewünschten Krümmung hergestellt werden. Diese Richtungsänderung erfolgt ohne Stillhalten des Drehantriebes, so daß die Abtrags- und Vortriebsverhältnisse unabhängig von der Bohrungsbahn im wesentlichen unverändert bleiben.In order to be able to advance the drilling head 6 along a curved path 2, the tunneling machine 4 is assigned a control device 12, via which a rotary position transmitter 13 located in the drilling head 6 and a position transmitter 14 located in the connection area of the drill pipe 5 on the tunneling machine 4 assign the respective The rotational positions of the wedge surface 8 of the drill head 6 on the one hand and of the drill pipe connection on the other hand are read in, which control device 12 then controls the tunneling machine 4 as a function of the wedge surface rotational position. The tunneling machine 4 transmits corresponding pressure pulses to the drill rod 5 and thus to the drill head 6 while maintaining the rotary drive, which causes a deviation of the direction of advance from the straight line in the tool area of the drill head 6 due to the wedge surface 8 due to the wedge surface direction. If the drilling head 6 is then subjected to pressure pulses when the wedge surface is in the correct rotational position determined by the bore path, a corresponding bore profile results and the bottom bore can be produced along a desired curvature. This change of direction takes place without the rotary drive being stopped, so that the stock removal and propulsion conditions remain essentially unchanged regardless of the bore path.
Durch die Kombination von mechanischem Meißelabtrag und hydraulischem Bohrspülabtrag einerseits und das besondere Steuerungsverfahren des Bohrvortriebes bei Aufrechterhaltung eines Dreh- und Druckvorschubes bei gerader und gekrümmter Bohrrichtung anderseits ist ein rationelles Bodenbohren hoher Vortriebsleistung und bei unterschiedlichsten Bodenverhältnissen gewährleistet. The combination of mechanical chisel removal and hydraulic drilling fluid removal on the one hand and the special control method of the drilling jacking while maintaining a rotational and pressure feed with straight and curved drilling direction on the other hand ensures efficient ground drilling with a high advance rate and in a wide variety of soil conditions.

Claims

- 8 -P a t e n t a n s p r ü c h e - 8-patent claims
1. Verfahren zum Herstellen einer Bodenbohrung (1) längs einer wenigstens abschnittsweise gekrümmt verlaufenden Bahn (2), wobei ein zylindrischer Bohrkopf (6) mit einer vorderen, zur Längsachse (A) schräggeneigten Keilfläche (8) um seine Längsachse (A) gedreht und in Längsachsrichtung druckbelastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Drehlage der Keilfläche (8) während der Drehbewegung des Bohrkopfes (6) erfaßt wird und in Abhängigkeit vom Bahnverlauf als Taktvorgabe für ein impulsartiges Ansteuern der Druckbeaufschlagung des Bohrkopfes (6) dient, wobei zu einer Bohrrichtungsänderung der Bohrkopf (6) einem Druckimpuls unterworfen wird, wenn die Drehlage der Keilfläche (8) deren Normallage zur Krümmungsebene der zu bohrenden Bahnkrümmung entspricht und in Krümmungsrichtung zeigt.1. A method for producing a bottom hole (1) along an at least partially curved path (2), wherein a cylindrical drill head (6) with a front wedge surface (8) inclined to the longitudinal axis (A) is rotated about its longitudinal axis (A) and is subjected to pressure loading in the longitudinal axis direction, characterized in that the respective rotational position of the wedge surface (8) is detected during the rotary movement of the drilling head (6) and, depending on the course of the path, serves as a clock for pulsed actuation of the pressurization of the drilling head (6), one of which Drilling direction change the drill head (6) is subjected to a pressure pulse when the rotational position of the wedge surface (8) corresponds to its normal position to the plane of curvature of the path curvature to be drilled and points in the direction of curvature.
2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einem zylindrischen Bohrkopf (6), der vorderends eine zur Längsachse (A) schräggeneigte Keilfläche (8) und hinterends Anschlüsse für ein dreh- und druckbeaufschlagbares Bohrgestänge (5) einer Vortriebsmaschine (4) aufweist, wobei dem an der Keilfläche (8) mit einem Meißelwerkzeug (9) bestückten Bohrkopf (6) ein Drehstellungsgeber (13) zugehört, dadurch gekennzeichnet, daß die Vortriebsmaschine (4) über eine Steuerungsei nrichtung (12) in Abhängigkeit von den mittels des Drehstellungsgebers (13) erfaßbaren Drehlagen der Keilfläche (8) im Sinne einer mit an die Bohrgestängedrehzahl angepaßten Frequenz getakteten impulsartigen Druckbeaufschlagung des Bohrgestänges (5) ansteuerbar ist.2. Device for performing the method according to claim 1, with a cylindrical drill head (6), the front of a longitudinal axis (A) inclined wedge surface (8) and rear connections for a rotating and pressurizable drill pipe (5) of a tunneling machine (4) has, wherein on the wedge surface (8) with a chisel tool (9) equipped drill head (6) a rotary position sensor (13) belongs to, characterized in that the tunneling machine (4) via a control device (12) depending on the means of the Rotational position sensor (13) of detectable rotational positions of the wedge surface (8) can be controlled in the sense of a pulsed pressurization of the drill string (5) clocked at a frequency adapted to the drill string speed.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (6) an seiner der Keilfläche (8) abgewandten Oberseite wenigstens eine an eine Spülmittelversorgungsleitung angeschlossene Spritzdüse (10) aufweist, die spitzwinkelig (α) zur Längsachse (A) vorwärts gerichtet ist. - 9 -3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the drill head (6) on its top facing away from the wedge surface (8) has at least one spray nozzle (10) connected to a detergent supply line, which is directed at an acute angle (α) to the longitudinal axis (A) . - 9 -
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Spritzdüsen (10, 11) vorgesehen sind, von denen die mittlere (10) in einer Axialebene und die beiden äußeren (11) dazu spitzwinkelig (γ) auswärts gerichtet verlaufen, und daß der Winkel (ß) zwischen den beiden äußeren Spritzdüsen (11) und der Längsachse (A) des Bohrkopfes (6) flacher ist als der Winkel (α) zwischen mittlerer Spritzdüse (10) und Längsachse (A).4. The device according to claim 3, characterized in that three spray nozzles (10, 11) are provided, of which the middle (10) in an axial plane and the two outer (11) to it at an acute angle (γ) directed outward, and that Angle (ß) between the two outer spray nozzles (11) and the longitudinal axis (A) of the drill head (6) is flatter than the angle (α) between the middle spray nozzle (10) and the longitudinal axis (A).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilfläche (8) des Bohrkopfes (6) mit einem frei drehbar gelagerten Rollmeißel (91) bestückt ist. 5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the wedge surface (8) of the drill head (6) is equipped with a freely rotatable roller chisel (91).
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