WO2022069372A1 - Bohrsystem zum bergen von nahezu ungestörten bohrkernen aus lockerem bis festem grund - Google Patents

Bohrsystem zum bergen von nahezu ungestörten bohrkernen aus lockerem bis festem grund Download PDF

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WO2022069372A1
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sleeve
pipe
drill
flushing
pressure
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PCT/EP2021/076384
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Daniel Studer
Original Assignee
Studersond Ag
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B25/00—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels, core extractors
    • E21B25/02—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels, core extractors the core receiver being insertable into, or removable from, the borehole without withdrawing the drilling pipe
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • E21B1/00—Percussion drilling
    • E21B1/12—Percussion drilling with a reciprocating impulse member
    • E21B1/14—Percussion drilling with a reciprocating impulse member driven by a rotating mechanism

Definitions

  • Drilling system for retrieving almost undisturbed drill cores from loose to solid ground
  • This drilling system relates to a method and a device for removing cores from particular loose but also from solid ground, the core samples can be recovered and stored almost undisturbed.
  • a cylindrical drill core in a hollow cylindrical sleeve is removed from the ground and brought to the surface.
  • Such drill cores measure, for example, about one meter in length and 10 cm to 20 cm in diameter. However, they can also be selected to be considerably larger or considerably smaller, depending on what is desired and on the corresponding dimensioning of the drilling device.
  • this drill core is ejected from the hollow-cylindrical sleeve and is then freely accessible horizontally, for example on the inner shell of a half-cylinder or on a flat surface.
  • the sleeve can also be equipped on the inside with a liner made of, for example, hard PVC or another suitable material that is flush with its inner wall, so that this liner is also pushed over the ground material with the boring drive with the sleeve.
  • the liner is ejected from the same, with the drill core in it unchanged, just as it was underground, and it can later be opened in tranches, for example with diametrical cuts, so that the sample is then completely undisturbed.
  • a liner One advantage is that after recovery from the sleeve, any volatile pollutants present in the drill core are trapped and preserved in the drill core.
  • the use of liners is more complex and also more expensive than drilling without such liners.
  • Soil samples recovered in this way provide information about the condition of the soil and in particular about any pollutants that have penetrated into the soil over the course of time. In this way, reliable registers of damage can be drawn up and suitable measures for the remediation of such soils can be initiated. It is particularly interesting for agriculture to use such cadastres to gain knowledge of the soil qualities, the mineral composition of the humus soils and their nutrient richness, or to get knowledge of any soil deficiencies. Knowledge can then be gained about which soils are suitable for which crops and how fertilization should be carried out, which ultimately promotes ecological and high-yield cultivation of agricultural land. Such core drillings are also suitable for taking soil samples in old landfills, in soil suspected of being contaminated and in loose rock formations, i.e. also in fine layers of sand, in layers of peat and in sea chalk. The drilling method also works in layers of soil that are in the groundwater.
  • SPT Standard Penetration Test
  • ASTM ASTM Standard Penetration Test
  • a thick-walled sample tube with an outside diameter of 50.8 mm and an inside diameter of 35 mm and a length of about 650 mm is used for the test. This is driven into the ground at the bottom of a borehole by impacts from a slide hammer with a mass of 63.5 kg falling a distance of 760 mm.
  • the sample pipe is driven 150 mm into the ground and then the number of blows required for the pipe to penetrate every 150 mm to a depth of 450 mm is recorded.
  • N Value The sum of the number of strikes required for the second and third 6-inch penetrations. The sum of the number of strikes required for the second and third 6-inch penetrations is called the “Standard Penetration Resistance” or “N Value,” which is expressed in strikes per foot (beats per foot - bpf) is specified. This value is fundamental to many of the different types of geotechnical calculations such as bearing capacity and settlement estimates. In cases where 50 hits are not sufficient to propel penetration through a 150 mm interval, penetration is recorded after 50 hits. The score gives an indication of the density of the soil and is used in many empirical geotechnical formulas.
  • the drill core growing into the sinking sleeve will rotate hardly or at most only very little simply because of its connection with the subsoil.
  • a locating rod to hold the sleeve in place and prevent it from rotating is therefore unnecessary. It can even have a disadvantageous effect, namely when the sleeve twists by a few angular degrees in the direction of rotation of the drill bit in certain subsoil conditions despite the non-rotatable fixing rod. Although this does not affect the quality of the drill core, when using such a fixing rod it means that it cannot absorb the resulting torsion and shears off. Then there are unplanned and long interruptions in drilling and time-consuming improvisational work in order to somehow salvage the casing.
  • So-called cable core drilling methods are known in the prior art, with which drill cores can easily be recovered from solid rock or solid ground. These methods work with devices including a ratchet lock, which involves a complicated construction that is not suitable for drilling in loose ground, because these devices for recovering drill cores would break down within a very short time as a result of the ramming blows required.
  • a sleeve or a core catcher cannot be passed down with ropes be pressed into a drill core that has been drilled free.
  • the present invention sets itself the task of specifying a drilling system, i.e. a method and a device for taking approximately undisturbed soil samples from, in particular, loose subsoil, but equally also from solid subsoil, which drilling system exceeds the conventional methods in several is clearly superior.
  • the actual drilling should thus be faster and any interruptions in drilling should be reduced to a minimum of time.
  • the device should have a much longer service life than conventional drill pipe and its components offer.
  • the boreholes should deliver almost undisturbed soil samples and, depending on their condition, be secured in such a way that if the material falls apart due to the consistency of the material, the informative value of the sample investigation does not suffer or only imperceptibly.
  • Figure 1 A rotary hammer with drive and hammer for beating
  • FIG. 2 shows the rotary hammer lying down, in a view from below
  • FIG. 3 shows the rotary hammer with the drill head in the upright operating position
  • FIG. 4 shows a drill head separately, with its external thread for screwing into a drill pipe
  • Figure 5 The drill head according to Figure 4 in a longitudinal section, with a central axial
  • Figure 6 The assembled drilling system consisting of drill head, drill pipe,
  • FIG. 7 shows the assembled drilling system from FIG. 6 seen obliquely from below;
  • FIG. 8 A drill pipe as an extension piece, viewed obliquely from below;
  • FIG. 9 shows the drill pipe from FIG. 8 as an extension piece, viewed obliquely from above;
  • FIG. 10 shows the drill bit in an enlarged representation, seen obliquely from below
  • Figure 11 Assembled and from top to bottom: a pressure, flushing and
  • Recovery pipe adapter (DSB adapter), followed by a pressure, flushing and recovery pipe DSB, and at the bottom of the pressure, flushing and recovery pipe DSB a sleeve or core catcher;
  • Figure 12 The DSB adapter for placing on top of the pressure, flushing and
  • FIG. 13 A pressure, scavenging and recovery pipe DSB as an extension piece seen diagonally from below;
  • FIG. 14 shows a sleeve adapter for the impact pressure-resistant connection of the sleeve or the drill core catcher to the pressure, flushing and recovery pipe, viewed diagonally from above downwards;
  • FIG. 15 shows the sleeve adapter from FIG. 14 for the impact pressure-resistant connection of the sleeve or the drill core catcher to the pressure, flushing and recovery pipe, viewed diagonally from below upwards;
  • FIG. 16 shows the individual parts of the sleeve adapter from FIGS. 14 and 15 in a linear exploded drawing
  • FIG. 17 A sleeve or a drill core catcher viewed obliquely from below
  • FIG. 18 A sleeve or a drill core catcher viewed obliquely from above
  • Figure 19 An unrolled spring retainer in the sleeve for the
  • FIG. 20 The drilling head at the top, below the pressure, flushing and recovery pipe with the starting pipe at the bottom, in which the sleeve is inserted, before it is removed from the starting pipe;
  • FIG. 24 shows the lower part of the sleeve adapter enlarged, with a view into the hole for the fixing bolt and the fixing bolt next to it;
  • FIG. 29 The screwing of a drill pipe onto the starting pipe
  • FIG. 30 A drill pipe ready to be screwed onto the starting pipe
  • FIG. 34 The lower threaded section of the drill head and the DSB adapter with the pressure, flushing and rescue pipe connected below within the drill pipe in an enlarged representation;
  • Figure 35 The drilling head with drive flange when lowering over the upper one
  • a hammer drill with drive and hammer for percussive rotation of the drill head is shown in Figure 1, such as hammer drills are commercially available.
  • the output shaft 1 protrudes below, which has a thread 3 and is rotated by a hydraulic drive 2 arranged on the side.
  • the hammer drill includes a hammer mechanism inside, which applies ramming blows to the output shaft 1 from above.
  • the rotation speeds of the drive vary from approx. 50 to 1000 Umin' 1 . The lower the speed, the higher the torque applied to the output shaft 1, which at 50 rpm reaches approximately 15 kNm .
  • the ramming blows are generated at hydraulic pressures of up to 200 bar and have impact energies of up to 500 Nm, with impact cadences of up to 2400 min -1 .
  • this hammer drill is shown in a view from below with the output shaft 1 protruding below, and in Figure 3 in the upright position for use, how the hammer drill is used, with the drill head 5 connected to the output shaft 1 at the bottom, including the thread 3 of the output shaft 1 was screwed into the drill head.
  • FIG. 4 shows a drill head separately and enlarged, with its external thread for screwing into a drill pipe
  • FIG. 5 shows this drill head in a longitudinal section. You can see the central axial bore 6 for flushing, the axial bore 37 with the inner wall from below and a radial bore 7 for venting.
  • the figure 6 shows the assembled drilling system 4 with the top of the drill head 5 for the drive. It is screwed into an internal thread of the adjoining drill pipe 9 and can then drive and rotate it clockwise—seen from above.
  • the drill pipe 9 is here with its lower external thread in addition suitable internal thread screwed into the top of the starting pipe 8. These threads are relatively coarse threads that are milled out of the pipe material. For each screwing together, which takes place with the help of the rotating drill head 5, the threads are preferably re-greased.
  • the drill pipe 9 can be lengthened with one or more drill pipe sections in order to advance correspondingly deeper into the ground.
  • the drill pipe sections advantageously measure about 1 meter in length.
  • the starting pipe 8 carries a drill bit 10 at its lower end.
  • FIG. 7 shows this assembled drilling system seen obliquely from below, while FIG. 8 shows a single drill pipe 9 seen obliquely from below.
  • a relatively coarse external thread 11 is formed on this at the lower end, with which it can be screwed into a matching internal thread 12 on the next drill pipe 9, as shown in Figure 9, or with which it can be attached to the lowest pipe, i.e. at Initial pipe 8 can be screwed.
  • the hammer drill drive rotates clockwise when viewed from above, i.e. in the sense of tightening these connecting threads 11, 12.
  • counterclockwise drilling is also possible in the same way, but the threads used would then also have to run the other way round.
  • FIG. 10 shows the drill bit 10 in an enlarged view obliquely from below.
  • Drilling segments 13 offset with hard metal pins are soldered onto the drill bits at the bottom, and lateral, outer clearing elements 15 with inclined surfaces 14 ensure clearing at the top.
  • the material volume, which is located axially under the drill bit segments 13 of the drill bit 10, i.e. exactly under the rotating ring that the drill bit 10 forms, is pressed partly into the drill core, partly into the surrounding ground, and a part conveyed upwards as spoil on the outside of the drill bit 10 and the starter tube 8 and the drill tube 9 .
  • a shoulder 16 is formed as a radially inwardly projecting projection, on which the sleeve or the drill sample sleeve or the drill core catcher abuts, although this is not shown here.
  • This sleeve ends flush with this projection on the inside.
  • the drilling sleeve or the drill core catcher pulls the drill bit 10 over the exposed drill core and snugly encloses it. It is possible to use other commercially available drill bits, for Example diamond crowns or otherwise stocked.
  • FIG. 11 shows, starting from below, a sleeve 17 or a drill core catcher. At the top you can then see the sleeve adapter 21, then the pressure, flushing and recovery pipe 19 with its upper pressure, flushing and recovery pipe adapter 18, on which the impacts of the ram hammer act. In the example shown, this pressure, flushing and recovery pipe 19 rotates uniformly with the starting pipe 8 and any drill pipe sections used for the drill pipe 9 (FIG. 6).
  • a very special and highly essential element is the sleeve adapter 21 shown here between the pressure, flushing and recovery pipe 19 and the sleeve 17 or the core catcher. While the pressure, flushing and recovery pipe 19 rotates and beats, the sinking sleeve 17 encloses the drill core growing into it as drilling progresses without rotating. Only the strong and high-frequency ramming impacts from the pressure, flushing and recovery pipe 19 act on the sleeve 17 and stress this sleeve adapter 21 with enormous force peaks.
  • FIG. 12 shows the upper pressure, flushing and salvage pipe adapter 18 or DSB adapter of the pressure, flushing and salvage pipe 19 in an enlarged view. Flushing water runs down through the inside of the pressure, flushing and recovery pipe 19 through the axial bore with its inner wall 52 and is guided outwards within the sleeve adapter 21 to the outside of the starting pipe 8. On the pressure, flushing and recovery pipe -Adapter 18, a circumferential ring groove 54 can be seen, into which an O-ring is inserted for sealing against the inner wall of the axial bore 37 of the drill head 5.
  • FIG 13 shows a hollow pressure, flushing and recovery pipe section (DSB) 53 as a necessary extension pipe for the hollow pressure, flushing and recovery pipe 19, which is simply inserted with its lower external thread into the upper, associated internal thread of the below adjoining pressure, flushing and recovery pipe 19 is screwed.
  • the extension pipe 53 thus essentially corresponds to the actual pressure, flushing and recovery pipe 19, which in the example shown has an internal thread at the top for the extension.
  • FIG. 14 shows this sleeve adapter 21 for the impact pressure-resistant connection of the sleeve 17 or the drill core catcher to the pressure, flushing and recovery pipe DSB 19 in a view obliquely from above.
  • a threaded stub 35 protrudes from the sleeve adapter 21 at the top, which ends in a base body 22 of the sleeve adapter at the bottom, which base body 22 forms a plate or a shoulder 44 at the top.
  • a sealing ring 36 which is preferably made of hard plastic rubber and can rotate with the base body 22 , follows downwards. The rotation of the pressure, flushing and recovery pipe 19 is thus absorbed between the base body 22 and the stationary receiving ring 23, so that the stationary lower part 24 of the adapter 21 is connected to the sleeve 17 in a pressure-positive but non-rotatable manner. Above the visible part of the lower part 24 you can see a sliding sleeve 25, the meaning of which will become clear.
  • the sleeve 17 or the drill core catcher is pushed onto this lower part 24 with a precise fit from below until the sleeve 17 strikes the sliding sleeve 25 with its upper edge below.
  • a pressure ring 33 made of hardened steel is also attached to the bottom of the receiving ring 23 of the adapter.
  • a rubber washer 27 that projects slightly radially beyond the lower part 24 for sealing the sleeve adapter 21 against the inner wall of the sleeve 17.
  • the sleeve adapter 21 is shown in a view obliquely from below.
  • the slightly radially protruding rubber washer 27 for sealing the sleeve adapter 21 against the inner wall of the sleeve 17 is braced with a steel washer 29 and here four axial screws 31 with the lower part 24 .
  • FIG. 16 shows this sleeve adapter 21 in an exploded view with the parts exploded along its central axis.
  • the base body 22 of the adapter 21 intended for rotation, followed by the sealing ring 36, the plastic hard rubber ring for sealing against the starting pipe 8.
  • This then comes to rest on the receiving ring 23 shown underneath.
  • This receiving ring 23 is stationary during operation, i.e. does not rotate, and it merges into a tapered section at the bottom and this has radial bores 41 all around, into which cylindrical pins 32 fit, which are shown below for the lower part 24 and whose function is immediately clear will.
  • a circlip 26 is shown as a locking ring, which comes to rest in the annular groove 45 on the base body 22 during assembly. From below, this lower part 24 of the sleeve adapter 21, which is also stationary, is pushed over this tapered part of the receiving ring 23 and then the cylindrical pins 32 drawn in all around are inserted from the outside into the radial bores 42 on the lower part 24 as well as into the radial bores 41 on the receiving ring, which are then aligned 23 pressed, so that these two parts 23, 24 are rotatably connected to each other. After these cylinder pins 32 have been inserted, the sliding sleeve 25 is pushed over this tapered lower part of the receiving ring 23 while covering and thus securing these cylinder pins 32 .
  • the retaining ring 26 is then inserted into the annular groove 45 at the lower end of the Base body 22 used so that it is secured with the receiving ring 23 in the axial direction on the base body 22 is seated.
  • the lower part 24 of the adapter 21 has a diametral bore 43 for receiving a fixing bolt, not shown. At right angles to this diametral bore 43, there are two further radial bores 38 lying on a common axis, into which securing bolts 34 are inserted in order to secure the fixing bolt used.
  • These two safety bolts 34 each have a pressure-loaded ball 40 at the front, which engages in a longitudinal groove on the fixing bolt used and engages, for example, halfway along the groove in a depression 56 and thus secures it.
  • the safety bolts 34 are each secured by means of a circlip 39 after they have been pushed into the bores 38 .
  • fixing bolt in the bore 43 flows from above through the hollow pressure, flushing and salvage pipe 19 down flushing water to the outside, as will become clear.
  • This flushing water first flows through the sleeve adapter 21 and then radially out of its lower part 24, namely on both sides through the fixing bolt in its axial bore to its end faces and thus outwards.
  • the pressure ring 33 takes over the existing axial forces of the sliding sleeve 25 and distributes them evenly to the receiving ring 23, which is made of aluminum bronze.
  • the rubber disk 27 and the somewhat smaller steel disk 29 are clamped to the lower part 24 on four washers 28 and by means of the four screws 31 shown and their associated spring washers 30 to secure them.
  • the sleeve 17 shows the sleeve 17 or the drill core catcher seen obliquely from below.
  • the sleeve 17 is equipped on its inside with a number of spring steel elements 20 distributed around its circumference, which in this case project upwards in an arc and towards the central axis of the sleeve 17 .
  • FIG. 18 shows the sleeve 17 or the drill core catcher seen obliquely from above and here it can be seen that there are two diametrically aligned bores 46 which are introduced into the sleeve 17 in the upper edge region.
  • these two bores 46 come to rest over the radial bores 43 in the lower part 24, so that the flushing water, which flows out of the end faces of the fixing bolt used there, flows from the inside of the adapter 21 finally penetrates to the outside, and through these aligned bores 46 in the upper area of the sleeve 17 to the outside.
  • This flushing water takes on several functions.
  • the sleeve adapter 21 which is heated due to the sliding friction between the rotating base body 22, the plastic hard rubber slide ring 36 and the stationary receiving ring 23 and lower part 24, as well as due to the ramming impacts. It also lubricates between the outside of the non-rotatable sleeve 17 and the inside of the starting tube 8 rotating around the sleeve, and finally it conveys spoil from underneath the drill bit 10 radially outwards and then on the outside of the starting tube 8 upwards. The borehole is thus continuously flushed and the start pipe 8 is also lubricated and cooled on the outside. Depending on the conditions, however, it is also possible to drill dry.
  • Figure 20 first shows the exposed starting pipe 8 with the sleeve 17 located therein and the hollow pressure, flushing and recovery pipe 19 screwed onto it by means of the sleeve adapter 21.
  • the drill head 5 which here has a flange 47 is set in rotation by the hydraulic drill drive of the hammer drill 2 .
  • drill pipe sections can be used as extension pipes for the drill pipe 9 between this drill head 5 and the lowest section, the starting pipe 8, depending on the desired drilling depth.
  • the drill head 5 is screwed directly onto the starting pipe 8 at the beginning. Then it is drilled until the starting pipe 8 is almost drilled into the ground. Then the drill head 5 is unscrewed from the starting pipe 8 by a counter-rotation.
  • the fixing bolt 48 is knocked out of the bore 43 in the lower part 24 of the sleeve adapter 21 or pulled out or pushed out, as has already been done in the view shown. Only the empty diametric bore 43 on the lower part 24 of the sleeve adapter 21 is visible here.
  • Securing bolts 34 are inserted in two bores 38 made at right angles to the bore 43 and have at the front a ball 40 which is pressure-loaded by means of a compression spring, as can be seen in FIG.
  • the fixing bolt 48 is against the resistance of these pressure-loaded balls 40 at the front knocked the safety bolt 34 out of the diametral bore 43, as is clear from FIG.
  • the figure 24 shows the lower part 24 of the sleeve adapter 21 enlarged with a view into the diametral bore 43 for the fixing bolt 48, which is shown separately next to it.
  • this in order to be inserted into the lower part 24 of the sleeve adapter 21, this must first be rotated by 45° around its longitudinal axis, as indicated by an arrow.
  • Channel-like longitudinal grooves 50 are cut out of this fixing bolt 48 on two opposite sides.
  • the fixing bolt 48 has a central transverse bore 49 which communicates with an axial bore 55 .
  • These bores 49, 55 serve to guide the flushing water, which enters the sleeve adapter 21 from above through the axial bore 51 through the transverse bore 49 into the fixing bolt 48 and is then guided outwards in this along the axial bore 55 from its end faces.
  • On the sleeve 17 in FIG. 25 one can still see one of the bores 46, into which the fixing bolt 48 previously engaged and held it, through which the flushing water emerges.
  • the sleeve 17 or the core catcher was brought to the surface in a horizontal position and the inner core was carefully pushed mechanically or hydraulically with a piston out of the sleeve 17 onto a kannel-shaped core carrier, this core is almost undisturbed.
  • the empty sleeve 17 can be used again immediately for the removal of a next drill core, or an empty sleeve 17 lying ready can be used again immediately.
  • a liner can be inserted into the sleeve 17, which then lines the sleeve 17 on the inside and into which a drill core grows. In this case, the salvaged drill core is pushed out of the sleeve 17 together with the liner and is then absolutely intact like a Mettwurst.
  • Individual slices can be cut off in tranches in order to structure of the drill core and how it changes throughout its length. If a sleeve 17 together with the drill core is brought to the surface during the process, after the sleeve 17 has been separated from the sleeve adapter 21, an empty sleeve 17 can be connected to the sleeve adapter 21 immediately and without any delay and this can immediately be lowered back into the starting pipe 8 in the borehole and thus drilling can continue without having to interrupt the drilling work as a result of removing cores from the salvaged sleeve 17 .
  • Figure 25 shows how the sleeve adapter 21 is connected to an empty sleeve 17 by being lowered into it, and when the bore 43 on the sleeve adapter 21 is aligned with the bore 46 on the sleeve 17, the fixing bolt 48 can be used and the sleeve 17 is ready to be lowered into the initial pipe 8 with the pressure, flushing and recovery pipe 19.
  • This lowering is shown in FIG.
  • a drill pipe 9 as an extension pipe is placed over the pressure, flushing and recovery pipe 19 and lowered onto the initial pipe 8, as shown in FIG.
  • FIG. 30 the situation according to FIG. 30 arises.
  • the pressure, flushing and recovery pipe adapter 18 of the pressure, flushing and recovery pipe 19 is plugged in or screwed on, and then, from the situation as shown in FIG screwed onto the drive flange 47, as shown in FIG. The details of this are shown in FIGS. 34 to 36.
  • the pressure, flushing and salvage pipe 19 rightly bears its name.
  • the hard ramming impacts on the pressure, flushing and salvage pipe 19 are transferred reliably and directly from the sleeve adapter 21 to the sleeve 17 or the drill core catcher. This is thus pressed down with the same pressure as the drill bit 10, which ensures that the sleeve 17 is continuously drilled over the exposed drill core.
  • the pressure, flushing and salvage pipe 19 therefore firstly fulfills a pressure function.
  • flushing water can be pumped down through the pressure, flushing and recovery pipe 19 and this is conducted outwards through the sleeve adapter 21, i.e. first axially through the pressure, flushing and recovery pipe 19, then axially through the sleeve adapter 21 and finally radially, ie in the axial direction, through the diametrically inserted fixing bolt 48 to its two end faces and then through the bore 46 on the sleeve 17 to the outside.
  • the pressure, flushing and recovery pipe 19 therefore also has a flushing function.
  • the sleeve 17 with the drill core located therein is salvaged after releasing the drill head 5 using the pressure, flushing and salvage pipe 19 .
  • the pressure, flushing and recovery pipe 19 also has a recovery function. It integrally combines these three important functions.
  • the pressure, flushing and salvage pipe 19 rotates with the drill head 5 and the drill pipe 9 and the sleeve adapter 21 mediates to the non-rotating or non-rotating sleeve 17 by having two axially consecutive parts that are rotatable against each other.
  • a sealing ring 36 made of hard plastic rubber is preferably arranged between the axially consecutive parts.
  • a turntable body constructed similarly to this sleeve adapter - henceforth referred to as a drill head adapter - is screwed in an alternative embodiment with its threaded stump into the bore in the drill head 5, which has an internal thread for this purpose, the upper part of this turntable Body or drill head adapter with the drill head 5, while the lower, relative to the upper part rotatable part remains stationary.
  • the lower part of the sleeve adapter 21 already presented it is connected to the now upper end of the rotating, flushing and recovery tube 19, with a fixing bolt, which then does not require an axial bore, but only a transverse bore to allow the flushing water down.
  • the pressure, flushing and salvage pipe 19 is then screwed to just a lower part of a sleeve adapter 21, for which purpose this lower part forms a threaded stump at the top and the rotating, flushing and salvage pipe 19 has an associated internal thread at the bottom.
  • the lower part of the sleeve adapter 21 is connected to the sleeve 17, as already presented, via the fixing bolt 48 with its axial bore 55. Flushing takes place as usual from the drill head 5 through the pressure, flushing and recovery pipe 19 and the lower part of the sleeve adapter 21 and then through the fixing bolt 48 to the outside.
  • the pressure, flushing and recovery tube 19 performs the three functions mentioned above, namely firstly applying pressure to the sleeve 17, secondly flushing and thus cooling, and thirdly recovering the sleeve 17 when it is filled is, that is, to pull them up into the light of day. And despite the fact that the pressure, flushing and recovery pipe 19 does not rotate in this embodiment, if the sleeve 17 rotates a few angular degrees over a drill core during drilling, it can also rotate and the drill head adapter as a In this case, the rotary disk body at the top with its two axially consecutive parts that can be rotated relative to one another mediates to the rotating drill head 5.
  • 26 circlip preferably DIN 471 -65 x 2.5
  • spring washers preferably DIN 128 - A8 31 Screw, preferably hexagon screw with thread up to head ISO 4017 - M8 x 20

Abstract

Die Vorrichtung wird mit einem konventionellen Drehantrieb mit Ramm-Hammer betrieben. Das Drehmoment und die Rammschläge des Bohrkopfs werden auf ein bohrendes Anfangsrohr (8) mit Bohrkrone übertragen. Innerhalb des rotierenden Anfangsrohrs (8) steht eine Hülse (17) ohne Rotation. Sie steht unten auf der Innenseite der unter ihr rotierenden Bohrkrone an. Als Besonderheit ist die Hülse (17) über einen Hülsenadapter (21) mit gegeneinander verdrehbaren axial aufeinanderfolgenden Teilen und einem daran angeschlossenen Druck-, Spül- und Bergungsrohr DSB (19) mit dem rotierenden Bohrkopf druck- und zugkraftschlüssig verbunden. Das DSB (19) rotiert mit dem Bohrkopf und dem Bohrrohr mit, und der Hülsenadapter (21) vermittelt zur nicht-rotierenden Hülse (17). Mit dem DSB wird erstens die Hülse (17) von oben mit Druckkraft beaufschlagt, zweitens gespült, indem im DSB (19) das Spülwasser für die Bohrung geführt und nach aussen aus der Hülse (17) gepresst wird, und drittens das Bergen der Hülse (17) ermöglicht, für eine annähernd ungestörte Bohrprobe.

Description

Bohrsystem zum Bergen von nahezu ungestörten Bohrkernen aus lockerem bis festem Grund
[0001] Dieses Bohrsystem betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme von Bohrkernen aus insbesondere lockerem aber auch aus festem Untergrund, wobei die Bohrkern-Proben nahezu ungestört geborgen und abgelegt werden können.
[0002] Damit ist gemeint, dass aus dem Boden ein zylindrischer Bohrkern in einer hohlzylindrischen Hülse, dem sogenannten Bohrkern-Fänger oder Bohrprobenfänger entnommen wird und an die Oberfläche gebracht wird. Solche Bohrkerne messen zum Beispiel etwa einen Meter in der Länge und 10 cm bis 20 cm im Durchmesser. Indessen können sie auch erheblich grösser oder erheblich kleiner gewählt werden, je nach Wunsch und entsprechender Dimensionierung der Bohreinrichtung. An der Oberfläche wird dieser Bohrkern aus der hohlzylindrischen Hülse ausgestossen und liegt dann horizontal frei zugänglich zum Beispiel auf der Innenschale eines Halbzylinders oder auf einer ebenen Unterlage. Insofern eine solche Bodenprobe aufgrund der Materialkonsistenz teilweise zerfällt, wenn sie aus der Hülse ausgestossen wird, ist sie nicht mehr 100% ungestört. Allerdings kann die Hülse innen auch mit einem satt an ihre Innenwand anschliessenden Liner aus zum Beispiel Hart-PVC oder einem anderen geeigneten Material ausgestattet sein, sodass mit der Hülse auch dieser Liner mit dem Bohrvortrieb über das Bodenmaterial geschoben wird. In diesem Fall wird nach Bergung der Hülse der Liner aus derselben ausgestossen, mit unverändertem Bohrkern darin, genauso wie dieser im Untergrund lag, und er kann später zum Beispiel mit diametralen Schnitten tranchenweise geöffnet werden, sodass die Probe dann völlig ungestört vorliegt. Beim Einsatz eines Liners besteht ein Vorteil darin, dass nach Bergung aus der Hülse allfällige im Bohrkern vorhandene leichtflüchtige Schadstoffe darin gefangen sind und im Bohrkern konserviert bleiben. Der Einsatz von Linern ist allerdings aufwändiger und auch teurer als Bohrungen ohne solche Liner.
[0003] Solchermassen geborgene Bodenproben geben Aufschluss über die Bodenbeschaffenheit und insbesondere über allfällige Schadstoffe, die im Verlauf der Zeit in den Boden eindrangen. Es lassen sich dadurch zuverlässige Schadenskataster erstellen und es können geeignete Massnahmen für die Sanierung solcher Böden in die Wege geleitet werden. Besonders für die Landwirtschaft ist es interessant, mit solchen Katastern Kenntnis über die Bodenqualitäten zu erlangen, über die mineralische Zusammensetzung der Humusböden und ihren Nährstoff-Reichtum, oder Kenntnis von allfälligen Mängeln der Böden zu erhalten. Es können dann Erkenntnisse darüber gewonnen werden, welche Böden sich für welche Feldfrüchte eignen und wie gedüngt werden soll, was letztlich eine ökologische und ertragreiche Bewirtschaftung der landwirtschaftlichen Flächen befördert. Solche Kernbohrungen eignen sich ausserdem für die Entnahme von Bodenproben in alten Deponien, in altlastenverdächtigen Böden und in Lockergesteinsformationen, das heisst auch in feinen Sandschichten, in Torfschichten und in der Seekreide. Das Bohrverfahren funktioniert auch in Bodenschichten, die sich im Grundwasser befinden.
[0004] Bekannt und oft angewendet wird die Entnahme von Bodenproben für geotechnische Auswertungen aus festem Untergrund. Hierbei gibt es einen international etablierten Standard Penetration Test (SPT), wie in der Norm D1586 der American Society for Testing and Materials (ASTM) definiert. Für den Test wird ein dickwandiges Probenrohr mit einem Aussendurchmesser von 50,8 mm und einem Innendurchmesser von 35 mm und einer Länge von etwa 650 mm verwendet. Dieses wird am Boden eines Bohrlochs durch Schläge eines Gleithammers mit einer Masse von 63,5 kg, der über eine Distanz von 760 mm fällt, in den Boden getrieben. Das Probenrohr wird 150 mm in den Boden getrieben, und dann wird die Anzahl der Schläge aufgezeichnet, die erforderlich sind, damit das Rohr jeweils 150 mm bis zu einer Tiefe von 450 mm eindringt. Die Summe der Anzahl der Schläge, die für die zweite und dritte 6-Zoll-Eindringung erforderlich sind, wird als "Standard-Eindringwiderstand" oder "N-Wert" bezeichnet, der in Schlägen pro Fuss (beats per foot - bpf) angegeben wird. Dieser Wert ist für viele der verschiedenen Arten von geotechnischen Berechnungen, wie z.B. Tragfähigkeits- und Setzungsschätzungen von grundlegender Bedeutung. In Fällen, in denen 50 Schläge nicht ausreichen, um die Penetration durch ein Intervall von 150 mm voranzutreiben, wird die Penetration nach 50 Schlägen aufgezeichnet. Die Schlagzahl gibt einen Hinweis auf die Dichte des Bodens und wird in vielen empirischen Formeln der Geotechnik verwendet.
[0005] Während also das Bohren in festem Untergrund im Stand der Technik gut etabliert ist, erweist sich das Bohren und vor allem das Bergen von Bohrkernen aus lockerem Untergrund als besonders anspruchsvoll, weil hierzu für das Bohren zusätzlich zur rotierenden Bohrkrone ein Rammen nötig ist, also ein hartes Schlagen auf den Bohrkopf, welcher diese Kraftstösse dann auf das ganze Bohrgestänge, das heisst auf die Bohrrohre, das Kernrohr und die daran befestigte Bohrkrone übertragen muss. Entsprechend werden alle Teile mechanisch und auch thermisch enorm beansprucht und ihre Standzeit lässt deshalb oft sehr zu wünschen übrig. Aus diesem Grund gibt es bis heute kein wirklich überzeugendes Bohrsystem, welches einigermassen akzeptable Bohrkernqualitäten liefert und vorallem auch annehmbare Standzeiten des eingesetzten Bohrsystems bietet.
[0006] Die Entnahme von zylindrischen Bodenproben aus lockerem Untergrund erfolgt bisher mit schon sehr spezifisch konstruierten Bohrgeräten, die ein Bohrrohr mit am unteren Ende einem Anfangsrohr mit Bohrkrone einschliessen, wobei durch Drehen des Bohrrohrs und damit des Anfangsrohrs und der Bohrkrone und gleichzeitigem Schlagen und daher Rammen in den Grund gebohrt wird. Im Innern des Anfangsrohrs ist mit wenig Spiel eine Hülse als Bohrkernfänger eingeführt. Diese Hülse steht unten an der Bohrkrone an einer an derselben radial nach innen ragenden Auskragung an.
[0007] Ein solches Bohrverfahren ist in EP 2 050 923 beschrieben. Dort wird als wesentlich beschrieben, dass der Bohrkernfänger bzw. die Hülse im Innern des Anfangsrohrs festgehalten werden müsse, um ihre Rotation zu vermeiden und dazu wird eine spezielle Fixierstange vorgeschlagen, die durchwegs von oben bis unten drehfest - also ohne Rotation - im Bohrgestänge verläuft und somit die Hülse drehfest sichern soll. Die Praxis zeigt indessen, dass keinesfalls eine Fixierstange nötig ist, welche die Hülse am Bohrgerät festhält, sodass sie nicht etwa drehen könnte, denn die Hülse wird ohnehin vom Bohrkern selbst, welcher beim Niederbringen bzw. Abteufen der Hülse über den Bohrkern in diese Hülse einfährt, festgeklemmt und das verhindert zuverlässig eine Rotation der Hülse. Die Hülse rotiert also beim Bohren im Grundsatz nicht, sondern sie wird in axialer Richtung ohne Rotation zusammen mit der um sie rotierenden Bewegung des Anfangsrohrs nach unten über den ausgebohrten Bohrkern gepresst und über diesen abgeteuft. Die Praxis zeigt deshalb, dass die Aufgabe, welche die EP 2 050 923 zu lösen vorgab, eine uneigentliche war, also gar nicht existierte. Der in die abteufende Hülse hineinwachsende Bohrkern wird allein aufgrund seiner Verbindung mit dem Untergrund kaum oder allenfalls bloss ganz wenig rotieren. Eine Fixierstange zum Festhalten der Hülse und Verhindern ihrer Rotation ist daher überflüssig. Sie kann sich sogar nachteilig auswirken, nämlich dann, wenn sich die Hülse bei gewissen Beschaffenheiten des Untergrundes trotz drehfester Fixierstange um ein paar Winkelgrade in Drehrichtung der Bohrkrone verdreht. Das beeinflusst zwar nicht die Qualität des Bohrkerns, führt aber beim Einsatz einer solchen Fixierstange dazu, dass diese die entstehende Torsion nicht absorbieren kann und abschert. Dann kommt es zu ungeplanten und langen Bohrunterbrüchen und zu aufwändigen Improvisationsarbeiten, um die Hülse irgendwie zu bergen.
[0008] Im Normalfall aber wird nach Erreichen eines Bohrabschnittes angehalten und die Hülse wird aus dem Anfangsrohr mitsamt dem Bohrkern nach oben herausgezogen und der Bohrkern wird in horizontaler Lage aus der Hülse herausgestossen und die leere Hülse kann wieder in das Anfangsrohr eingesetzt werden. Für tiefere Bohrungen kann das Anfangsrohr mit der Bohrkrone mit abschnittsweisen Verlängerungen des Bohrrohrs in tiefere Lagen gebracht werden. Soweit wird das in EP 2 050 923 vorgetragen.
[0009] Im Stand der Technik sind sogenannte Seilkernbohrverfahren bekannt, mit denen Bohrkerne ohne Weiteres aus festem Gestein oder festem Untergrund geborgen werden können. Diese Verfahren arbeiten mit Einrichtungen einschliesslich eines Klinkverschlusses, was eine komplizierte Konstruktion einschliesst, die für eine Bohrung in lockerem Untergrund nicht geeignet ist, weil infolge der nötigen Rammschläge diese Einrichtungen zum Bergen von Bohrkernen innert kürzester Zeit kaputt gehen würden. Ausserdem kann eine Hülse bzw. ein Bohrkernfänger nicht mit Seilen nach unten über einen freigebohrten Bohrkern gepresst werden.
[0010] Die Schwierigkeiten, einem lockeren Boden solche Bohrkerne zu entnehmen, sind vielfältig und werden meist ausserordentlich stark unterschätzt. Das Bohrgerät entwickelt bis zu 28'000 Nm Drehmoment, die Rammschläge verursachen enorme Kraftstösse, das heisst solche mit sehr hohen Kraftspitzen mit Einzelschlag-Energien von bis zu 500 Nm, die mit Frequenzen von z.B. 2400 min-1 eingesetzt werden, was an die Konstruktion und deren Stabilität extreme Anforderungen stellt, die rein rechnerisch schwer ermittelbar sind. Viele versuchsweise eingesetzte Teile erwiesen sich nach kurzer Einsatzzeit als verschlissen und unbrauchbar. Verwiesen wird hier zum Beispiel auf den Sonnic- Bohrhammer, oder ganz allgemein auf alle handelsüblichen Bohrantriebe und Bohrhämmer, für die das durchwegs zutrifft.
[0011] Wenig geeignete Bohrmethoden können auch dazu führen, dass im Zuge des Bohrvorganges Verschmutzungen aus gewissen Schichttiefen von der Bohrkrone oder dem Kernrohr nach unten verschleppt werden. In solchen Fällen kann eine geborgene Bohrkernprobe nicht mehr als annähernd ungestört bezeichnet werden.
[0012] Bis heute steht kein Bohrgerät zur Verfügung, von dem man behaupten kann, es sei für die Entnahme nahezu ungestörter Bodenproben nicht nur aus festem Untergrund, sondern insbesondere auch aus lockerem Untergrund in Form von Bohrkernen wirklich geeignet. Kein bekanntes Gerät funktioniert zuverlässig über lange Einsatzzeiten und ermöglicht die Entnahme und Bergung der Bohrkerne insbesondere auch aus lockerem Untergrund in effizienter und einfacher Weise, sodass viele Bohrkerne pro Zeit möglichst unversehrt geborgen werden könnten.
[0013] Die vorliegende Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund zur Aufgabe, ein Bohrsystem, das heisst ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme von annähernd ungestörten Bodenproben aus insbesondere lockerem Untergrund, aber gleichermassen auch aus festem Untergrund anzugeben, welches Bohrsystem den herkömmlichen Verfahren in mehrerer Hinsicht deutlich überlegen ist. Das eigentliche Bohren soll damit schneller vonstattengehen und allfällige Bohrunterbrüche sollen damit auf minimale Zeitfenster reduziert werden. Die Vorrichtung soll eine weit längere Standzeit als herkömmliche Bohrgestänge und ihre Komponenten bieten. Die Bohrungen sollen annähernd ungestörte Bodenproben liefern und je nach Beschaffenheit so gesichert werden können, dass bei einem Auseinanderfallen aufgrund der Konsistenz des Materials die Aussagekraft der Probenuntersuchung nicht oder nur unmerklich leidet.
[0014] Diese Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 und mit der Vorrichtung für dessen Durchführung nach den Merkmalen des Patentanspruches 6.
[0015] In der nachfolgenden Beschreibung wird dieses Bohrsystem, das heisst die Vorrichtung und das damit betriebene Verfahren vorgestellt und die einzelnen Merkmale und Aspekte des Verfahrens und der Vorrichtung werden verständlich beschrieben. Die besonderen Merkmale und die Funktion der Vorrichtung und ihrer Komponenten wird erschöpfend erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 Einen Bohrhammer mit Antrieb und Hammer zum schlagenden
Rotieren des Bohrkopfs;
Figur 2 Den Bohrhammer in liegender Lage, in einer Ansicht von unten;
Figur 3 Den Bohrhammer mit Bohrkopf in aufrechter Einsatzlage;
Figur 4 Einen Bohrkopf gesondert dargestellt, mit seinem Aussengewinde zum Einschrauben in ein Bohrrohr;
Figur 5 Den Bohrkopf nach Figur 4 in einem Längsschnitt, mit zentraler axialer
Bohrung für die Spülung und radialer Bohrung für die Entlüftung;
Figur 6 Das zusammengesetzte Bohrsystem aus Bohrkopf, Bohrrohr,
Anfangsrohr und daran befestigter Bohrkrone; Figur 7 Das zusammengesetzte Bohrsystem aus Figur 6 von schräg unten gesehen;
Figur 8 Ein Bohrrohr als Verlängerungsstück von schräg unten gesehen;
Figur 9 Das Bohrrohr aus Figur 8 als Verlängerungsstück von schräg oben gesehen;
Figur 10 Die Bohrkrone in vergrösserter Darstellung von schräg unten gesehen;
Figur 11 Zusammengesetzt und von oben nach unten: Einen Druck-, Spül- und
Bergungsrohr-Adapter (DSB-Adapter), gefolgt von einem Druck-, Spül- und Bergungsrohr DSB, und unten am Druck-, Spül- und Bergungsrohr DSB eine Hülse bzw. ein Bohrkernfänger;
Figur 12 Den DSB-Adapter zum Aufsetzen oben auf das Druck-, Spül- und
Bergungsrohr DSB;
Figur 13 Ein Druck-, Spül- und Bergungsrohr DSB als Verlängerungsstück von schräg unten gesehen;
Figur 14 Einen Hülsenadapter für den schlagdruckfesten Anschluss der Hülse bzw. des Bohrkernfängers an das Druck-, Spül- und Bergungsrohr von schräg oben nach schräg unten gesehen;
Figur 15 Den Hülsenadapter aus Figur 14 für den schlagdruckfesten Anschluss der Hülse bzw. des Bohrkernfängers an das Druck-, Spül- und Bergungsrohr von schräg unten nach schräg oben gesehen;
Figur 16 Die Einzelteile des Hülsen-Adapters aus den Figuren 14 und 15 in einer linearen Explosionszeichnung;
Figur 17 Eine Hülse bzw. einen Bohrkernfänger von schräg unten gesehen; Figur 18 Eine Hülse bzw. einen Bohrkernfänger von schräg oben gesehen;
Figur 19 Einen ausgerollten Feder-Zurückhalter in der Hülse für das
Zurückhalten des Bohrkerns;
Figur 20 Oben der Bohrkopf, darunter das Druck-, Spül- und Bergungs-Rohr mit unten dem Anfangsrohr, in welchem die Hülse steckt, vor deren Entnahme aus dem Anfangsrohr;
Figur 21 Das Druck-, Spül- und Bergungs-Rohr beim Nach-oben-Ziehen zur
Entnahme der Hülse bzw. des Bohrkernfängers aus dem Anfangsrohr;
Figur 22 Das Druck-, Spül- und Bergungs-Rohr nach dem Nach-oben-
Herausziehen der Hülse bzw. des Bohrkernfängers aus dem Anfangsrohr;
Figur 23 Den aus der Hülse herausgezogenen Hülsen-Adapter unten am
Druck-, Spül- und Bergungsrohr;
Figur 24 Den Unterteil des Hülsen-Adapters vergrössert dargestellt, mit Blick in die Bohrung für den Fixierbolzen sowie daneben den Fixierbolzen;
Figur 25 Das Druck-, Spül- und Bergungsrohr mit Hülsen-Adapter beim
Anschliessen einer leeren oder geleerten Hülse;
Figur 26 Das Druck-, Spül- und Bergungsrohr mit Hülsen-Adapter und leerer
Hülse vor dem Einsetzen in das Anfangsrohr;
Figur 27 Das Druck-, Spül- und Bergungsrohr mit Hülsen-Adapter und leerer
Hülse eingesetzt in das Anfangsrohr, beim Aufsetzen eines Bohrrohrs auf das Anfangsrohr; Figur 28 Das Abwärtsbewegen eines Bohrrohrs über das Druck-, Spül- und
Bergungsrohr auf das Anfangsrohr;
Figur 29 Das Aufschrauben eines Bohrrohrs auf das Anfangsrohr;
Figur 30 Ein Bohrrohr fertig auf das Anfangsrohr aufgeschraubt;
Figur 31 Den DSB-Adapter oben am Druck-, Spül- und Bergungsrohr beim
Aufsetzen auf das obere Ende des Druck-, Spül- und Bergungsrohrs;
Figur 32 Den DSB-Adapter des Druck-, Spül- und Bergungsrohrs fertig aufgesetzt;
Figur 33 Den Bohrkopf oberhalb des oberen Endes des Druck-, Spül- und
Bergungsrohrs und des obersten Bohrrohrs;
Figur 34 Den unteren Gewindeabschnitt des Bohrkopfs und den DSB-Adapter mit unten anschliessendem Druck-, Spül- und Bergungsrohr innerhalb des Bohrrohrs in vergrösserter Darstellung;
Figur 35 Den Bohrkopf mit Antriebsflansch beim Absenken über das obere
Ende des Druck-, Spül- und Bergungsrohres zum Aufschrauben auf das Bohrrohr;
Figur 36 Den Bohrkopf mit dem Antriebsflansch beim Aufschrauben auf das
Bohrrohr.
[0016] Zunächst ist in Figur 1 ein Bohrhammer mit Antrieb und Hammer zum schlagenden Rotieren des Bohrkopfs dargestellt, wie solche Bohrhämmer handelsüblich sind. Unten ragt die Abtriebswelle 1 heraus, die ein Gewinde 3 aufweist und von einem seitlich angeordneten hydraulischen Antrieb 2 gedreht wird. Der Bohrhammer schliesst im Innern ein Hammerwerk ein, welches die Abtriebswelle 1 von oben mit Rammschlägen beaufschlagt. Die Rotationsgeschwindigkeiten des Antriebs variieren von ca. 50 bis 1000 Umin'1. Je tiefer die Drehzahl, umso höher ist das aufgebrachte Drehmoment an der Abtriebswelle 1 , das bei 50 Umin-1 ca. 15 kNm erreicht. Die Rammschläge werden auf Hydraulikdrucken bis 200 bar erzeugt und weisen Schlag-Energien bis 500 Nm auf, bei Schlag-Kadenzen bis 2400 Min-1. In Figur 2 ist dieser Bohrhammer in einer Ansicht von unten mit der unten herausragenden Abtriebswelle 1 gezeigt und in Figur 3 in aufrechter Gebrauchslage, wie der Bohrhammer zum Einsatz kommt, mit unten dem an die Abtriebswelle 1 angeschlossenen Bohrkopf 5, wozu das Gewinde 3 der Abtriebswelle 1 in den Bohrkopf eingeschraubt wurde. Die Figur 4 zeigt einen Bohrkopf gesondert und vergrössert dargestellt, mit seinem Aussengewinde zum Einschrauben in ein Bohrrohr, und in Figur 5 ist dieser Bohrkopf noch in einem Längsschnitt gezeigt. Man erkennt die zentrale axiale Bohrung 6 für die Spülung, die axiale Bohrung 37 mit Innenwand von unten und eine radiale Bohrung 7 für die Entlüftung.
[0017] Ab Figur 6 wird nun das erfindungsgemässe Bohrsystem vorgestellt und beschrieben. Hier sieht man das Bohrsystem 4 zunächst in seiner Gesamtheit von aussen. Es besteht höchst einfach aus im Prinzip bloss acht Teilen, nämlich von aussen sichtbar von oben nach unten den folgenden:
1 . Bohrkopf 5
2. Ein oder mehrere zusammengeschraubte Bohrrohre-Abschnitte bilden das Bohrrohr 9
3. Anfangsrohr 8
4. Bohrkrone 10
Im Innern des Bohrrohrs 9 bzw. der Bohrrohr-Abschnitte und des Anfangsrohrs 8, und daher in Figur 6 nicht sichtbar, befinden sich von oben nach unten, wie in Figur 11 gezeigt, folgende Teile:
5. Druck-, Spül- und Bergungsrohr-Adapter (DSB-Adapter) 18
6. Ein oder mehrere zusammengeschraubte Druck-, Spül- und Bergungsrohre (DSB) 19
7. Hülsen-Adapter 21
8. Hülse 17
[0018] Zunächst zeigt die Figur 6 das zusammengesetzte Bohrsystem 4 mit oben dem Bohrkopf 5 für den Antrieb. Er wird in ein Innengewinde des anschliessenden Bohrrohrs 9 eingeschraubt und kann dieses hernach im - von oben gesehen - Uhrzeigersinn antreiben und drehen. Das Bohrrohr 9 ist hier mit seinem unteren Aussengewinde in ein dazu passendes Innengewinde oben am Anfangsrohr 8 eingeschraubt. Diese Gewinde sind verhältnismässig grobe Gewinde, die aus dem Material der Rohre ausgefräst sind. Für jedes Zusammenschrauben, das mit Hilfe des rotierenden Bohrkopfes 5 erfolgt, werden die Gewinde vorzugsweise neu eingefettet. Mit einem oder mehreren Bohrrohr- Abschnitten kann das Bohrrohr 9 verlängert werden, um entsprechend tiefer in den Grund vorzustossen. Die Bohrrohr-Abschnitte messen vorteilhaft ca. 1 Meter in der Länge. Dann sind sie handlich und können von einer Person getragen und für das Einsetzen als Stapel beim Bohrgerät deponiert werden. Das Anfangsrohr 8 trägt an seinem unteren Ende eine Bohrkrone 10. Die Figur 7 zeigt dieses zusammengesetzte Bohrsystem von schräg unten gesehen, während in Figur 8 ein einzelnes Bohrrohr 9 von schräg unten gesehen dargestellt ist. Am unteren Ende ist an diesem ein relativ grobes Aussengewinde 11 ausgefomt, mit dem es in ein dazu passendes Innengewinde 12 am nächstfolgenden Bohrrohr 9 eingeschraubt werden kann, wie ein solches in Figur 9 gezeigt ist, oder mit dem es am untersten Rohr, das heisst am Anfangsrohr 8, eingeschraubt werden kann. Der Bohrhammer-Antrieb dreht von oben gesehen beim Bohren im Uhrzeigersinn, also im Sinne des Festschraubens dieser Verbindungsgewinde 11 , 12. Selbstverständlich ist auch in gleicher Weise ein Bohren im Gegenuhrzeigersinn möglich, bloss müssten dann die zum Einsatz kommenden Gewinde ebenfalls anders herum verlaufen.
[0019] Die Figur 10 zeigt schliesslich die Bohrkrone 10 in vergrösserter Darstellung von schräg unten gesehen. Mit Hartmetallstiften versetzte Bohrsegmente 13 sind unten auf die Bohrkorne aufgelötet, und seitliche äussere Abräum-Elemente 15 mit Schrägflächen 14 sorgen für einen Abraum nach oben. Das Material-Volumen, welches sich axial unter den Bohrkronen-Segmenten 13 der Bohrkrone 10 befindet, das heisst genau unter dem drehenden Ring, welchen die Bohrkrone 10 bildet, wird teils in den Bohrkern, teils in den umliegenden Grund verpresst, und ein Teil wird als Abraum an der Aussenseite der Bohrkrone 10 und des Anfangsrohrs 8 und des Bohrrohrs 9 nach oben gefördert. Im unteren Bereich der Bohrkrone 10 ist innen ein Absatz 16 als radial nach innen ragende Auskragung gebildet, auf welcher die Hülse bzw. die Bohrprobenhülse oder der Bohrkernfänger anschlägt, der hier allerdings nicht eingezeichnet ist. Diese Hülse schliesst innen bündig mit dieser Auskragung ab. Damit überstülpt die abteufende Hülse bzw. der Bohrkernfänger beim Bohrfortschritt der Bohrkrone 10 den freigelegten Bohrkern und umschliesst ihn satt. Es ist möglich, andere handelsübliche Bohrkronen einzusetzen, zum Beispiel Diamantkronen oder sonstwie bestückte.
[0020] Die Figur 11 zeigt von unten angefangen eine Hülse 17 bzw. einen Bohrkernfänger. Oben anschliessend erkennt man den Hülsenadapter 21 , dann das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 mit seinem oberen Druck-, Spül- und Bergungsrohr- Adapter 18, auf den die Schläge des Rammhammers einwirken. Dieses Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 rotiert im gezeigten Beispiel gleichförmig mit dem Anfangsrohr 8 und allfälligen eingesetzten Bohrrohren-Abschnitten für das Bohrrohr 9 (Figur 6).
[0021] Ein ganz besonderes und höchst wesentliches Element ist der hier gezeigte Hülsenadapter 21 zwischen dem Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 und der Hülse 17 bzw. dem Bohrkernfänger. Während das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 nämlich rotiert und schlägt, umschliesst die abteufende Hülse 17 den beim Bohrfortschritt in sie hineinwachsenden Bohrkern ohne Drehung. Einzig die starken und hochfrequenten Rammschläge wirken vom Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 auf die Hülse 17 und beanspruchen diesen Hülsenadapter 21 mit enormen Kraftspitzen. Dieser muss also zwischen der Rotation des Druck-, Spül- und Bergungsrohres 19 und der nicht-rotierenden Hülse 17 vermitteln und gleichzeitig einerseits enorme Schläge bei hoher Schlagkadenz aufnehmen und dauerhaft aushalten können und andrerseits die Drehung des Druck-, Spül- und Bergungsrohrs 19 in eine drehlose Abstützung auf der Hülse 17 umsetzen. Das geht nicht ohne Gleitreibung und damit ist es klar, dass auch grosse Mengen an Reibungswärme entstehen. Diese muss vom Hülsenadapter 21 thermisch aufgefangen werden können und gleichzeitig muss der Hülsenadapter 21 angemessen gekühlt werden, um diese laufend anfallende Reibungswärme zu verkraften und nach aussen abzuführen.
[0022] Die Figur 12 zeigt den oberen Druck-, Spül- und Bergungsrohr-Adapter 18 bzw. DSB-Adapter des Druck-, Spül- und Bergungsrohres 19 in vergrösserter Darstellung. Durch die axiale Bohrung mit ihrer Innenwand 52 läuft Spülwasser durch das Innere des Druck-, Spül- und Bergungsrohres 19 nach unten und wird innerhalb des Hülsenadapters 21 nach aussen geführt, bis an die Aussenseite des Anfangsrohrs 8. Am Druck-, Spül- und Bergungsrohr-Adapter 18 erkennt man eine umlaufende Ringnut 54, in welche ein O-Ring eingelegt wird, zur Abdichtung gegenüber der Innenwand der axialen Bohrung 37 des Bohrkopfs 5. [0023] Die Figur 13 zeigt einen hohlen Druck-, Spül- und Bergungsrohr-Abschnitt (DSB) 53 als bedarfsweises Verlängerungsrohr für das hohle Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19, das einfach mit seinem unteren Aussengewinde in das obere, zugehörige Innengewinde des unten anschliessenden Druck-, Spül- und Bergungsrohres 19 eingeschraubt wird. Das Verlängerungsrohr 53 entspricht somit im Wesentlichen dem eigentlichen Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19, welches im gezeigten Beispiel für das Verlängern oben ein Innengewinde aufweist.
[0024] Im Folgenden wird das sehr wesentliche und besondere Element dieses Bohrsystems vorgestellt, nämlich der Hülsenadapter 21 , der die Verbindung vom DSB 19 zur Hülse 17 sicherstellt. Hierzu zeigt die Figur 14 diesen Hülsenadapter 21 für den schlagdruckfesten Anschluss der Hülse 17 bzw. des Bohrkernfängers an das Druck-, Spül- und Bergungsrohr DSB 19 in einer Ansicht von schräg oben. Oben ragt ein Gewindestummel 35 aus dem Hülsenadapter 21 , der unten in einen Grundkörper 22 des Hülsenadapters ausläuft, welcher Grundkörper 22 oben einen Teller oder eine Schulter 44 bildet. Dieser Grundkörper 22, auf dessen Gewindestummel 35 das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 mit seinem unteren Innengewinde aufgeschraubt wird, dreht daher gleichförmig mit dem Bohrrohr 9 und dem rotierenden Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 mit. Es folgen nach unten ein Dichtring 36, der vorzugsweise aus Kunststoff- Hartgummi gefertigt ist und mit dem Grundkörper 22 mitdrehen kann. Zwischen dem Grundkörper 22 und dem stationären Aufnahmering 23 wird also die Rotation des Druck-, Spül- und Bergungsrohres 19 aufgefangen, sodass der stationäre Unterteil 24 des Adapters 21 mit der Hülse 17 druckkraftschlüssig, aber drehfest verbunden ist. Über dem sichtbaren Teil des Unterteils 24 sieht man hier eine Schiebehülse 25, deren Bedeutung noch klar wird. Über diesen Unterteil 24 wird die Hülse 17 bzw. der Bohrkernfänger von unten passgenau aufgeschoben, bis die Hülse 17 mit ihrem oberen Rand unten an der Schiebehülse 25 anschlägt Unten am Aufnahmering 23 des Adapters ist noch ein Druckring 33 aus gehärtetem Stahl angebracht. Unten am Unterteil 24 des Grundkörpers 22 erkennt man noch eine den Unterteil 24 geringfügig radial überragende Gummischeibe 27 zum Abdichten des Hülsenadapters 21 gegenüber der Innenwand der Hülse 17.
[0025] In der Figur 15 ist der Hülsenadapter 21 in einer Ansicht von schräg unten gezeigt. Hier erkennt man wieder von oben nach unten zunächst den Gewindestummel 35 zum von oben Aufschrauben des Druck-, Spül- und Bergungsrohres 19, dann die Schulter 44 des Grundkörpers 22 des Hülsenadapters 21 , gefolgt von zunächst dem Kunststoff- Hartgummi-Dichtring 36, der auf dem Aufnahmering 23 aufliegt. Es folgt die Schiebehülse 25 und darunter erkennt man den Druckring 33 aus gehärtetem Stahl. Die geringfügig radial überragende Gummischeibe 27 zum Abdichten des Hülsenadapters 21 gegenüber der Innenwand der Hülse 17 wird mit einer Stahlscheibe 29 und hier vier axialen Schrauben 31 mit dem Unterteil 24 verspannt. Man sieht auch die diametrale Bohrung 43 für den Fixierbolzen, der sich sodann durch diese diametrale Bohrung im Unterteil 24 hindurch erstreckt, sowie eine Bohrung 38 für einen Sicherungsbolzen, wie das anhand der nächsten Figuren klar wird.
[0026] Der detaillierte Aufbau des Hülsenadapters 21 erschliesst sich aus der Figur 16, welche diesen Hülsenadapter 21 in einer Explosionszeichnung mit Explosion der Teile längs seiner zentralen Achse zeigt. Von oben angefangen erkennt man zunächst den zur Rotation vorgesehenen Grundkörper 22 des Adapters 21 , gefolgt vom Dichtring 36, dem Kunststoff-Hartgummi-Ring zur Abdichtung gegenüber dem Anfangsrohr 8. Diese kommt dann auf den darunter dargestellten Aufnahmering 23 zu liegen. Dieser Aufnahmering 23 ist im Betrieb stationär, rotiert also nicht, und er geht unten in einen verjüngten Abschnitt über und dieser weist rundum radiale Bohrungen 41 auf, in welche Zylinderstifte 32 einpassen, die weiter unten zum Unterteil 24 dargestellt sind, und deren Funktion sogleich klar wird. Unterhalb des Aufnahmerings 23 ist ein Seegerring 26 als Sicherungsring dargestellt, der mit dem Zusammenbau in die Ringnut 45 am Grundkörper 22 zu liegen kommt. Von unten wird nämlich dieser ebenfalls stationäre Unterteil 24 des Hülsenadapters 21 über diesen verjüngten Teil des Aufnahmerings 23 geschoben und hernach werden die rundum eingezeichneten Zylinderstifte 32 von aussen in die radialen Bohrungen 42 am Unterteil 24 wie auch in die dazu dann fluchtenden radialen Bohrungen 41 am Aufnahmering 23 gepresst, womit diese beiden Teile 23, 24 drehfest miteinander verbunden sind. Nach dem Einsetzen dieser Zylinderstifte 32 wird die Schiebehülse 25 unter Abdeckens und somit Sicherns dieser Zylinderstifte 32 über diesen verjüngten unteren Teil des Aufnahmerings 23 geschoben.
[0027] Der Sicherungsring 26 wird hernach in die Ringnut 45 am unteren Ende des Grundkörpers 22 eingesetzt, sodass dieser mit dem Aufnahmering 23 in axialer Richtung gesichert auf dem Grundkörper 22 sitzt. Der Unterteil 24 des Adapters 21 weist eine diametrale Bohrung 43 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Fixierbolzens auf. Im rechten Winkel zu dieser diametralen Bohrung 43 sind zwei weitere radiale, auf einer gemeinsamen Achse liegende Bohrungen 38 vorhanden, in welche Sicherungsbolzen 34 eingesetzt werden, um den eingesetzten Fixierbolzen zu sichern. Diese zwei Sicherungsbolzen 34 weisen vorne je eine druckbelastete Kugel 40 auf, die in eine Längsnut am eingesetzten Fixierbolzen eingreifen und beispielweise auf halber Länge der Nut in eine Vertiefung 56 einrasten und ihn damit sichern. Die Sicherungsbolzen 34 sind nach ihrem Einschieben in die Bohrungen 38 mittels je eines Seegerrings 39 gesichert. Durch den axial mit einer Bohrung versehenen Fixierbolzen in der Bohrung 43 strömt das von oben durch das hohle Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 nach unten geführte Spülwasser nach aussen, wie das noch klar wird. Dieses Spülwasser strömt zunächst durch den Hülsenadapter 21 und hernach radial aus seinem Unterteil 24, nämlich beidseits durch den Fixierbolzen in seiner axialen Bohrung an seine Stirnseiten und so nach aussen. Der Druckring 33 übernimmt die anstehenden axialen Kräfte der Schiebehülse 25 und verteilt diese gleichmässig auf den Aufnahmering 23, der aus Alubronze gefertigt ist. Die Gummischeibe 27 und die etwas kleinere Stahlscheibe 29 werden auf vier Unterlagscheiben 28 und mittels der vier eingezeichneten Schrauben 31 und ihren zugehörigen Federringen 30 zu ihrer Sicherung mit dem Unterteil 24 verspannt.
[0028] Die Figur 17 zeigt die Hülse 17 bzw. den Bohrkernfänger von schräg unten gesehen. Am unteren Rand ist die Hülse 17 auf ihrer Innenseite mit einer Anzahl um ihren Umfang verteilt angeordneten Federstahl-Elementen 20 ausgerüstet, die hier bogenförmig nach oben und gegen die zentrale Achse der Hülse 17 hin ragen. Wenn die Hülse 17, die in gleicher Weise wie das Anfangsrohr 8 und die Bohrkrone 10 Rammschläge von oben erfährt, von oben über einen durch den Bohrfortschritt der Bohrkrone 10 und des Anfangsrohrs 8 freigelegten Bohrkern gestülpt wird, so werden diese Federstahl-Elemente 20 vom Bohrkern an die Innenwand der Hülse 17 gedrückt und die Hülse 17 wird ohne Drehung, mit einer rein axialen Bewegung weiter mit den in dieser Weise an ihre Innenseite angelegten Federstahl-Elementen 20 über den stationären Bohrkern gestülpt. Beim Hochziehen der Hülse 17 mit dem Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 hingegen wirken diese Federstahl-Elemente 20 als Widerhaken. Wenn der Bohrkern beim Hochziehen der Hülse 17 mit dieser keine ausreichende Adhäsionskraft entwickelt, so greifen diese Federstahl-Elemente 20 beim geringsten Schlupf der Hülse 17 auf dem Bohrkern in radialer Richtung in den Bohrkern ein, krümmen sich gegen die zentrale Achse der Hülse 17 hin und bilden einen Auffangkorb für den Bohrkern, sodass dieser sicher in der Hülse 17 gehalten ist und vor einem Herausrutschen nach unten gesichert ist, also ein Kernverlust im Lockergestein sicher verhindert wird. Am oberen Randbereich der Hülse 17 erkennt man eine radiale Bohrung 46 für das Spülwasser, das aus dem Hülsenadapter 21 kommt.
[0029] Die Figur 18 zeigt die Hülse 17 bzw. den Bohrkernfänger von schräg oben gesehen und hier erkennt man, dass es zwei diametral fluchtende Bohrungen 46 sind, die im oberen Randbereich in die Hülse 17 eingebracht sind. Wenn die Hülse 17 über den Unterteil 24 des Hülsenadapters 21 gestülpt wird, so kommen diese beiden Bohrungen 46 über den radialen Bohrungen 43 im Unterteil 24 zu liegen, sodass das Spülwasser, das aus den Stirnseiten des dort eingesetzten Fixierbolzens strömt, vom Innern des Adapters 21 schliesslich nach aussen dringt, und durch diese fluchtenden Bohrungen 46 im oberen Bereich der Hülse 17 nach ganz aussen. Dieses Spülwasser übernimmt mehrere Funktionen. Zunächst kühlt es den Hülsenadapter 21 , der aufgrund der Gleitreibung zwischen dem rotierenden Grundkörper 22, dem Kunststoff-Hartgummi-Gleitring 36 und dem stationären Aufnahmering 23 und Unterteil 24 sowie auch aufgrund der Rammschläge erhitzt wird. Weiter schmiert es zwischen der Aussenseite der drehfesten Hülse 17 und der Innenseite des um die Hülse rotierenden Anfangsrohrs 8, und schliesslich fördert es Abraum von unterhalb der Bohrkrone 10 radial nach aussen und hernach auf der Aussenseite des Anfangsrohrs 8 nach oben. Damit wird das Bohrloch laufend gespült und auch das Anfangsrohr 8 wird aussen geschmiert und gekühlt. Je nach den Verhältnissen ist es indessen auch möglich, trocken zu bohren.
[0030] Die Figur 19 zeigt einen im entspannten Zustand ausgerollten Einsatz mit Federstahl-Elementen 20, die hier gewissermassen einen Kamm bilden. Dieser Kamm wird in Längsrichtung gerollt und hernach unten in die Hülse 17 eingesetzt, wo er auf einem inneren Absatz 58 aufliegt, wie man das in Figur 17 erkennen kann.
[0031] Damit sind die Einzelteile des Bohrsystems offenbart und beschrieben. Wie funktioniert nun das Bohren und Bergen eines Bohrkerns aus lockerem Untergrund mit diesem Bohrsystem? Hierzu wird das ganze Verfahren anhand einer Bildfolge beispielsweise erklärt, wie sie sich aus den Figuren 20 bis 36 ergibt.
[0032] Die Figur 20 zeigt zunächst unten das blossgelegte Anfangsrohr 8 mit der darin befindlichen Hülse 17 und dem darauf mittels des Hülsenadapters 21 aufgeschraubten hohlen Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19. Darüber dargestellt sieht man den Bohrkopf 5, der hier über einen Flansch 47 vom hydraulischen Bohrantrieb des Bohrhammers 2 in Rotation versetzt wird. Zwischen diesem Bohrkopf 5 und dem untersten Abschnitt, dem Anfangsrohr 8, können bedarfsweise Bohrrohre-Abschnitte als Verlängerungsrohre für das Bohrrohr 9 eingesetzt werden, je nach gewünschter Bohrtiefe. Der Bohrkopf 5 wird am Anfang direkt auf das Anfangsrohr 8 aufgeschraubt. Dann wird gebohrt, bis das Anfangsrohr 8 nahezu im Grund eingebohrt ist. Dann wird der Bohrkopf 5 durch eine Gegendrehung vom Anfangsrohr 8 losgeschraubt. Ist das Anfangsrohr 8, wenn es im Erdreich steckt, so freigelegt wie hier gezeigt, also der Bohrkopf 5 mit dem Antriebsflansch 47 entfernt, so kann das Druck,- Spül- und Bergungsrohr 19 mit der unten an ihm hängenden Hülse 17 nach oben axial aus dem Anfangsrohr 8 herausgezogen werden, wie das in Figur 21 dargestellt ist, wo gerade der Hülsenadapter 21 zum Vorschein kommt. In Figur 22 ist der Adapter 21 vom Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 mitsamt der daran hängenden Hülse 17 bzw. dem Bohrkernfänger komplett aus dem Anfangsrohr 8 herausgezogen worden. Hier sieht man eine Stirnseite des Fixierbolzens 48, welcher die Hülse 17 sicher am Hülsenadapter 21 hält. In diesem Zustand wird die Hülse 17 mit Hilfe des Druck-, Spül- und Bergungsrohres 19 aus dem Anfangsrohr 8 hochgezogen, bis schliesslich an die Oberfläche.
[0033] Oben an der Oberfläche angekommen wird wie in Figur 23 gezeigt der Fixierbolzen 48 aus der Bohrung 43 im Unterteil 24 des Hülsenadapters 21 herausgeschlagen bzw. herausgezogen oder hinausgeschoben, wie das in der gezeigten Ansicht schon erfolgte. Es ist hier nur noch die leere diametrische Bohrung 43 am Unterteil 24 des Hülsenadapters 21 sichtbar. In zwei rechtwinklig zur Bohrung 43 eingebrachten Bohrungen 38 sind Sicherungsbolzen 34 eingesetzt, die vorne eine mittels einer Druckfeder druckbelastete Kugel 40 aufweisen, wie in Figur 16 ersichtlich. Der Fixierbolzen 48 wird gegen den Widerstand dieser druckbelasteten Kugeln 40 vorne an den Sicherungsbolzen 34 aus der diametralen Bohrung 43 geschlagen, wie das anhand von Figur 24 klar wird.
[0034] Die Figur 24 zeigt den Unterteil 24 des Hülsenadapters 21 vergrössert mit Blick in die diametrale Bohrung 43 für den Fixierbolzen 48, der daneben gesondert dargestellt ist. Allerdings muss dieser - um in den Unterteil 24 des Hülsenadapters 21 eingeschoben werden, zunächst um 45° um seine Längsachse gedreht werden, wie mit einem Pfeil angedeutet. Aus diesem Fixierbolzen 48 sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten kännelartige Längsnuten 50 ausgenommen, deren Nutboden hier auf halbem Weg über den Fixierbolzen 48 eine gewölbte Vertiefung 56 aufweisen. Diese federbelasteten Kugeln 40 (Figur 16) der Sicherungsbolzen 34 passen in diese Vertiefungen 56 und nur wenn der Fixierbolzen 48 einen hinreichend starken Schlag in Längsrichtung erhält, vermag er durch Zurückdrängen der federbelasteten Kugeln 40 deren Sicherung zu überwinden und kann dann aus der Bohrung 43 geschoben oder gezogen werden, während seine Längsnuten 50 an den Kugeln 40 vorbei nach aussen gleiten. Wie man hier sieht, ist in den Fixierbolzen 48 eine zentrale Querbohrung 49 eingebracht, die mit einer axialen Bohrung 55 kommuniziert. Diese Bohrungen 49, 55 dienen zur Führung des Spülwassers, das im Hülsenadapter 21 von oben durch die axialen Bohrung 51 durch die Querbohrung 49 in den Fixierbolzen 48 gelangt und hernach in diesem längs der Axialbohrung 55 nach aussen aus seinen Stirnseiten geführt wird. An der Hülse 17 in Figur 25 erkennt man noch eine der Bohrungen 46, in welche der Fixierbolzen 48 zuvor eingriff und sie festhielt, durch welche das Spülwasser austritt.
[0035] Nachdem die Hülse 17 bzw. der Bohrkernfänger an der Oberfläche in eine horizontale Lage gebracht wurde und der inliegende Bohrkern vorsichtig mit einem Kolben mechanisch oder hydraulisch aus der Hülse 17 auf einen kännelförmigen Bohrkernträger geschoben wurde, liegt dieser Bohrkern nahezu ungestört vor. Die leere Hülse 17 kann für die Entnahme eines nächsten Bohrkerns sofort wieder eingesetzt werden, oder es kann sogleich eine bereitliegende leere Hülse 17 neu eingesetzt werden. In einer Variante kann ein Liner in die Hülse 17 eingesetzt werden, welcher die Hülse 17 dann innen auskleidet und in welche hinein ein Bohrkern wächst. In diesem Fall wird der geborgene Bohrkern mitsamt dem Liner aus der Hülse 17 gestossen und liegt dann absolut unversehrt wie eine Mettwurst vor. Es können tranchenweise einzelne Scheiben abgeschnitten werden, um die Struktur des Bohrkerns und wie sich diese seine ganze Länge verändert, zu untersuchen. Wird im Verfahren eine Hülse 17 mitsamt Bohrkern an die Oberfläche gebracht, so kann nach Abtrennen der Hülse 17 vom Hülsenadapter 21 sofort und ohne jeden Zeitverzug eine leere Hülse 17 an den Hülsenadapter 21 angeschlossen werden und diese kann sofort wieder in das Anfangsrohr 8 im Bohrloch abgesenkt werden und damit kann weitergebohrt werden, ohne infolge der Bohrkernentnahme aus der geborgenen Hülse 17 einen Unterbruch der Bohrarbeiten nötig zu machen.
[0036] Die Figur 25 zeigt, wie der Hülsenadapter 21 mit einer leeren Hülse 17 verbunden wird, indem er in diese abgesenkt wird, und wenn die Bohrung 43 am Hülsenadapter 21 mit der Bohrung 46 an der Hülse 17 fluchtet, kann der Fixierbolzen 48 eingesetzt werden und die Hülse 17 ist bereit, mit dem Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 in das Anfangsrohr 8 abgesenkt zu werden. Dieses Absenken ist in Figur 26 dargestellt. Sobald die Hülse 17 ganz in das Anfangsrohr 8 eingesetzt ist, das heisst unten an der Bohrkrone 10 ansteht, folgt der nächste Schritt wie in Figur 27 dargestellt. Es wird ein Bohrrohr 9 als Verlängerungsrohr über das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 gestülpt und unten auf das Anfangsrohr 8 abgesenkt, wie in Figur 28 dargestellt, und dann auf das Anfangsrohr 8 geschraubt, wie in Figur 29 gezeigt. Nach erfolgter Verschraubung stellt sich die Situation gemäss Figur 30 ein. Am Schluss wird wie in Figur 31 gezeigt zunächst der Druck-, Spül- und Bergungsrohr-Adapter 18 des Druck-, Spül- und Bergungsrohres 19 aufgesteckt oder aufgeschraubt, und dann, aus der Situation wie in Figur 32 gezeigt, wird der Bohrkopf 5 mit dem Antriebsflansch 47 aufgeschraubt, wie in Figur 33 gezeigt. Die Details hierzu sind in den Figuren 34 bis 36 gezeigt.
[0037] Wie man anhand dieser Beschreibung und der Figuren erkennt, trägt das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 seinen Namen zurecht. Zunächst rotiert es beim Bohren gleichförmig mit dem Bohrrohr 9 oder Anfangsrohr 8, und der Hülsenadapter 21 an seinem unteren Ende besorgt die Vermittlung zur stationären Hülse 17 bzw. zum Bohrkernfänger. Die harten Rammschläge auf das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 werden vom Hülsenadapter 21 zuverlässig und direkt auf die Hülse 17 bzw. den Bohrkernfänger übertragen. Dieser wird also mit demselben Druck wie die Bohrkrone 10 nach unten gedrückt, was das laufende Abteufen der Hülse 17 über den freigelegten Bohrkern sicherstellt. Das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 erfüllt also erstens eine Druckfunktion. Während des Bohrens kann Spülwasser durch das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 nach unten gepumpt werden und dieses wird durch den Hülsenadapter 21 nach aussen geleitet, das heisst zunächst axial durch das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19, dann axial durch den Hülsenadapter 21 und schliesslich radial, das heisst in axialer Richtung durch den diametral eingesetzten Fixierbolzen 48 an seine beiden Stirnseiten und sodann durch die Bohrung 46 an der Hülse 17 nach aussen. Das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 hat daher zweitens auch eine Spülfunktion. Wenn es gilt, die gefüllte Hülse 17 mit dem darin gefangenen Bohrkern zu bergen, so wird nach Lösen des Bohrkopfs 5 mithilfe des Druck-, Spül- und Bergungsrohrs 19 die Hülse 17 mit dem darin befindlichen Bohrkern geborgen. Daher hat das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 schliesslich drittens auch eine Bergungsfunktion. Es vereinigt integral diese drei wichtigen Funktionen.
[0038] In der bisher beschriebenen Ausführung rotiert das Druck-, Spül- und Bergungssrohr 19 mit dem Bohrkopf 5 und dem Bohrrohr 9 mit und der Hülsenadapter 21 vermittelt zur drehfesten bzw. nicht rotierenden Hülse 17, indem er zwei axial aufeinanderfolgende Teile aufweist, die gegeneinander verdrehbar sind. Zwischen den axial aufeinanderfolgenden Teilen ist vorzugsweise ein Dichtring 36 aus Kunststoff- Hartgummi angeordnet. Wenn nun ein ähnlich wie dieser Hülsenadapter konstruierter Drehscheiben-Körper - fortan als Bohrkopf-Adapter bezeichnet - in einer alternativen Ausführung oben mit seinem Gewindestumpf in die Bohrung im Bohrkopf 5 eingeschraubt wird, die hierzu ein Innengewinde aufweist, so dreht der obere Teil dieses Drehscheiben- Körpers oder Bohrkopf-Adapters mit dem Bohrkopf 5 mit, während der untere, gegenüber dem oberen Teil drehbare Teil stationär bleibt. Er wird in gleicher Weise wie der schon vorgestellte untere Teil des Hülsenadapters 21 mit dem nunmehr oberen Ende des Dreh-, Spül- und Bergungsrohrs 19 verbunden, mit einem Fixierbolzen, der dann aber keine axiale Bohrung benötigt, sondern nur eine Querbohrung zum Passieren lassen des Spülwassers nach unten. Unten wird das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 dann mit einzig einem unteren Teil eines Hülsenadapters 21 verschraubt, wozu dieser untere Teil oben einen Gewindestumpf ausbildet und das Dreh-, Spül- und Bergungsrohrs 19 unten ein zugehöriges Innengewinde aufweist. Die Verbindung des unteren Teils des Hülsenadapters 21 mit der Hülse 17 erfolgt wie schon vorgestellt über den Fixierbolzen 48 mit seiner axialen Bohrung 55. Die Spülung erfolgt wie gehabt vom Bohrkopf 5 durch das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 und den unteren Teil des Hülsenadapters 21 und dann durch den Fixierbolzen 48 nach aussen. Auch in dieser alternativen Ausführung übernimmt das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 die oben erwähnten drei Funktionen, nämlich erstens das Ausüben von Druck auf die Hülse 17, zweitens das Spülen und damit Kühlen, und drittens das Bergen der Hülse 17, wenn sie gefüllt ist, das heisst, sie nach oben ans Tageslicht zu ziehen. Und trotz der Tatsache, dass das Druck-, Spül- und Bergungsrohr 19 in dieser Ausführung ohne Rotation bleibt, kann es sich, sollte sich die Hülse 17 im Verlauf des Abteufens über einen Bohrkem um wenige Winkelgrade drehen, mitdrehen und der Bohrkopf-Adapter als Drehscheiben-Körper oben mit seinen beiden axial aufeinander folgenden und zueinander verdrehbaren Teilen vermittelt in diesem Fall zum rotierenden Bohrkopf 5.
[0039] Mit dem erfindungsgemässen Verfahren zum Kernbohren in lockerem bis festem Grund und zur Entnahme von Bohr- bzw. Bodenproben aus demselben, sowie der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens können annähernd ungestörte Bohr- bzw. Bodenproben entnommen werden, was eine optimale Auswertung und Analyse deren Inhalts ermöglicht.
Ziffernverzeichnis
1 Abtriebswelle des Bohrhammers
2 hydraulischer Bohrantrieb des Bohrhammers
3 Gewinde an der Abtriebswelle 1
4 Bohrsystem
5 Bohrkopf
6 axiale Bohrung an Bohrkopf
7 radiale Bohrung an Bohrkopf (Entlüftung)
8 Anfangsrohr
9 Bohrrohr, Verlängerung für Bohrrohr
10 Bohrkrone
11 Aussengewinde unten am Bohrrohr/Verlängerungsrohr 9
12 Innengewinde oben am Bohrrohr/Verlängerungsrohr 9
13 mit Hartmetall gespickte Bohrkronensegmente
14 Schrägfläche an Abräumelementen 15
15 Abraum-Elemente
16 Absatz, radiale Auskragung
17 Hülse, Bohrkernfänger
18 Druck-, Spül- und Bergungsrohr-Adapter
19 Druck-, Spül- und Bergungsrohr
20 Federstahl-Elemente am unteren inneren Rand der Bohrkernfänger 17
21 Hülsenadapter zwischen Druck-, Spül- und Bergungsrohr und Hülse/Bohrkernfänger 17
22 Grundkörper oben zum Hülsenadapter 21
23 Aufnahmering zu Hülsenadapter 21
24 Unterteil zu Hülsenadapter 21
25 Schiebehülse zu Hülsenadapter 21
26 Sicherungsring, vorzugsweise DIN 471 -65 x 2.5
27 Gummischeibe unten zu Hülsenadapter 21
28 Unterlagscheibe zu Hülsenadapter 21
29 Stahlscheibe unten zu Hülsenadapter 21
30 Federringe, vorzugsweise DIN 128 - A8 31 Schraube, vorzugsweise Sechskantschraube mit Gewinde bis Kopf ISO 4017 - M8 x 20
32 Zylinderstift, vorzugsweise NW 8 x 25mm mit Innengewinde M5
33 Druckring zu Hülsenadapter 21
34 Sicherungsbolzen mit Druckkugel 40
35 Gewindestummel oben am Hülsenadapter 21
36 oberer Dichtring, vorzugsweise aus Kunststoff-Hartgummi
37 Axiale Bohrung im Bohrkopf 5
38 Bohrung für Sicherungsbolzen 34
39 Seegerring für Sicherungsbolzen 34
40 druckbelastete Kugel vorne am Sicherungsbolzen 34
41 radiale Bohrungen rundum am stationären Aufnahmering 23 des Hülsenadapters 21
42 radiale Bohrungen rundum am stationären Unterteil 24 des Hülsenadapters 21
43 Bohrung am stationären Unterteil für Fixierbolzen 48
44 Schulter oben am Grundkörper 22 des Hülsenadapters 21
45 Ringnut am unteren Ende des Grundkörpers 22
46 diametrale Bohrung oben an der Hülse 17
47 Antriebsflansch am Bohrkopf 5
48 Fixierbolzen im Unterteil 24 des Hülsenadapters 21
49 Querbohrung im Fixierbolzen 48
50 Längsnut am Fixierbolzen 48
51 Axialbohrung im Unterteil 24 des Hülsenadapters 21 für das Spülwasser
52 Innenwand der Axialbohrung im Druck-, Spül- und Bergungs-Adapter 18
53 Druck-, Spül- und Bergungsrohr-Abschnitt als Verlängerungsrohr
54 Nut für O-Ring am Druck-, Spül- und Bergungsrohr-Adapter 18
55 Axialbohrung im Fixierbolzen 48
56 Vertiefung auf halbem Weg der Längsnut 50

Claims

24 Patentansprüche
1. Verfahren zum Kernbohren in lockerem bis festem Grund und zur Entnahme von Proben aus demselben, bei welchem mit einem Bohrsystem (4) mit Anfangsrohr (8) und unten daran befestigter Bohrkrone (10), und mit einem allfälligen aufsetzbaren Bohrrohr (9) aus einem oder mehreren Bohrrohr-Abschnitten, durch Rotation und überlagertem Rammen das Anfangsrohr (8) in den Grund gebohrt wird, wobei innerhalb des Anfangsrohrs (8) eine Hülse (17) bzw. ein Bohrkernfänger mit dem Anfangsrohr (8) axial mitfährt, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Anfangsrohr (8) mit seiner endseitig angeordneten Bohrkrone (10) sowie das allfällige Bohrrohr (9) über einen antreibbaren und mit Rammschlägen beaufschlagbaren Bohrkopf (5) rotierend und schlagend in den Grund gebohrt wird, während die Hülse (17) im Anfangsrohr (8) infolge des relativ in die Hülse (17) hinwachsenden Bohrkerns von demselben ohne Rotation festgehalten wird und von einem Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) von oben niedergedrückt wird, sodass die Hülse (17) in axialer Richtung mit dem Anfangsrohr (8) nach unten mitfährt und so ein Bohrkern in das Innere der Hülse (17) hineinwächst, wobei das Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) entweder mit dem Anfangsrohr (8) und dem allfälligen Bohrrohr (9) mitrotiert und die Hülse (17) über einen Hülsenadapter (21 ) mit gegeneinander verdrehbaren Teilen ohne Rotation mit Druck beaufschlagt, oder ein Drehscheiben-Körper als Bohrkopf-Adapter oben rotierend an den rotierenden Bohrkopf (5) anschliesst und das Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) ohne Rotation die Hülse (17) beaufschlagt, b) nach gefüllter Hülse (17) der Bohrkopf (5) vom Anfangsrohr (8) oder dem allfälligen Bohrrohr (9) abgehoben wird und durch Wegschrauben eines allfällig noch über dem Grund befindlichen Bohrrohrs (9) über dem Anfangsrohr (8) das Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) freigelegt wird und mitsamt der Hülse (17) aus dem Anfangsrohr (8) herausgezogen wird und die Hülse (17) vom Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) gelöst wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) c) eine leere Hülse (17) unten an das Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) angeschlossen wird und am Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) hängend in das Anfangsrohr (8) abgesenkt wird und je nach Bohrtiefe ein oder mehrere Abschnitte des Druck-, Spül- und Bergungsrohrs (19) als Verlängerungsrohre (53) und entsprechend ein oder mehrere Bohrrohr-Abschnitte für das Bohrrohr (9) eingesetzt und an den Bohrkopf (5) angekoppelt werden, d) weitergebohrt wird, bis die Hülse (17) gefüllt ist, worauf Schritt b) wiederholt wird, und wobei parallel oder zeitversetzt zu diesen Prozessen aus den geborgenen Hülsen (17) die Bohrkerne in horizontaler Lage der Hülsen (17) aus denselben mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch in passende liegende Kännelrohrabschnitte ausgestossen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende der Hülse (17) anfänglich in das Innere ihres unteren Mündungsbereichs zum Zentrum hin gerichtete Federstahl-Elemente (20) durch die beim Niederfahren der Hülse (17) überstülpte und in die Hülse (17) hineinwachsende Bohrprobe hochgeschwenkt werden, und welche Federstahl-Elemente (20) beim Herauszeihen der Hülse (17) den Bohrkern in der Hülse (17) zurückhalten. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keine Fixierstange zum Festhalten der Hülse (17) verbaut wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbinden bzw. ein Lösen des Anfangsrohrs (8) und des allfälligen Bohrrohrs (9), und des Druck-, Spül- und Bergungsrohrs (19) durch ein maschinell von einem Drehantrieb angetriebenem Ein- und Losschrauben des Bohrkopfes (5) erfolgt. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäss Anspruch 1 , mit einem Drehantrieb mit einem rotierbaren und mit einer Ramme mit Schlägen von oben beaufschlagbaren Bohrkopf (5), dessen Drehmoment auf ein Anfangsrohr (8) mit endseitig angeordneter Bohrkrone (10) und an ein allfälliges, oben am Anfangsrohr (8) angeschlossenes Bohrrohr (9) aus einem oder mehreren Bohrrohr-Abschnitten übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Anfangsrohrs (8) eine Hülse (17) bzw. ein Bohrkernfänger rotationsfrei ansteht, wobei die Hülse (17) über einen Hülsenadapter (21 ) mit gegeneinander verdrehbaren Teilen und einem daran angeschlossenen Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) mit dem rotierenden Bohrkopf (5) druck- und zugkraftschlüssig verbunden ist, wobei entweder das Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) mitrotierend mit dem Bohrkopf (5) verbunden ist und die Hülse (17) vom Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) über den von der Hülse (17) lösbaren Hülsenadapter (21 ) mit Druck beaufschlagbar ist, oder das Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) nicht rotierend mit dem Bohrkopf (5) verbunden ist und die Hülse (17) vom Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) mit Druck beaufschlagbar ist, während ein Drehscheiben- Körper als Bohrkopf-Adapter mit gegeneinander verdrehbaren Teilen oben am Druck-, Spül- und Bergungsrohr (19) sitzt und mit dem rotierenden Bohrkopf (5) verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (17) mit ihrem unteren Ende an einer radial nach innen ragenden Auskragung (16) am oberen Ende der unten am Anfangsrohr (8) mitrotierenden Bohrkrone (10) rotationsfrei ansteht. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass keine Fixierstange zum Festhalten der Hülse (17) verbaut ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 27 die Hülse (17) in ihrem unteren Mündungsbereich in das Innere hineinragende Federstahl-Elemente (20) für die Sicherung des aufgenommenen Bohrkerns aufweist. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gegeneinander verdrehbaren Teile des Hülsenadapters (21 ) oder des Drehscheiben-Körpers als Bohrkopf-Adapter axial aufeinanderfolgend sind, mit einem dazwischen liegenden Dichtring (36) aus Kunststoff-Hartgummi.
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