Überlagerungsbohrvorrichtung

Abstract

 Die Überlagerungsbohrvorrichtung weist einen Außen­strang (10) und einen Innenstrang (11) auf. Am vorderen Ende des Innenstranges (11) befindet sich eine Exzenter­bohrkrone (28), deren Hilfsbohrkronenteil (28b) relativ zum Hauptbohrkronenteil (28c) seitlich herausgeschwenkt werden kann. Während der Innenstrang (11) geschlagen und gedreht wird, wird der Außenstrang (10) ausschließ­lich gedreht. Der Außenstrang (10) ist von dem Innen­strang (11) schlagmäßig entkoppelt. An seinem vorderen Ende befindet sich eine zum Drehschneiden geeignete Ringbohrkrone (34).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Überlagerungsbohrvorrich­tung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­gegebenen Art.

[0002] Als Überlagerungsbohren bezeichnet man das Bohren im Erdreich mit zwei Rohrsträngen, nämlich einem Außen­strang und einem koaxial nach innen verlaufenden Innen­strang. Der Innenstrang trägt am vorderen Ende eine Bohrkrone, um den Bohrvortrieb durchzuführen, während der Außenstrang vornehmlich zum Abstützen der Wand des Bohrlochs benutzt wird. Damit der Durchmesser des Bohr­lochs größer ist als der Durchmesser des Außenstranges und damit die Bohrkrone zusammen mit dem Innenstrang aus dem Außenstrang herausgezogen werden kann, sind Exzenterbohrkronen bekannt, die einen Hauptkronenteil und einen relativ dazu um eine exzentrische Achse aus­schwenkbaren Hilfskronenteil aufweisen. Wenn der Hilfs­ kronenteil im ausgeschwenkten Zustand ist, ragt er über die Kontur des Außenstranges hinaus. Bei Drehung des Innenstranges erzeugt der nach einer Seite überstehende Hilfskronenteil eine Erweiterung des Durchmessers des von dem Hauptkronenteil erzeugten Pilotlochs. Dieses Überlagerungsbohren mit Exzenterbohrkrone wird als ODEX-Verfahren (Overburden Drilling Excenter) be­zeichnet. Beim ODEX-Verfahren werden, wenn der Innen­strang zusammen mit der Exzenterbohrkrone gedreht wird, Schläge auf die Bohrkrone ausgeübt. Das Aufbringen der Schläge erfolgt entweder durch einen Außenhammer, der auf das rückwärtige Ende des Innenstranges schlägt, oder durch einen im Zuge des Innenstranges angeordneten Tieflochhammer. Der Außenstrang wird lediglich nach­geführt, führt aber keine selbständige Bohrarbeit aus. Das Nachführen des Außenstranges geschieht dadurch, daß die auf den Innenstrang ausgeübten Schläge zusätzlich auf den Außenstrang übertragen werden. Die Schlagüber­tragung kann entweder am rückwärtigen Ende des Außen­stranges erfolgen, wenn der Außenstrang an dieser Stelle mit dem Innenstrang schlagmäßig gekoppelt ist, oder in der Nähe der Exzenterbohrkrone, wenn der Bohr­kronenschaft eine Anschlagfläche aufweist, die mit einer Gegenanschlagfläche des Außenrohrstranges zu­sammenwirkt. Bei dieser Art des Vortriebs des Außen­stranges ausschließlich durch Schläge, wird der Außen­strang stoßweise erheblichen Stauch- oder Dehnungs­beanspruchungen ausgesetzt. Dies hat zur Folge, daß die Rohre des Außenstranges nicht in der beim Erdbohren üblichen Weise miteinander verschraubt sein können, sondern verschweißt werden müssen. Diese Schweiß­verbindung muß beim Herausziehen des Außenstranges aus dem Bohrloch wieder durchtrennt werden. Ein Nachteil des ODEX-Verfahrens besteht darin, daß die Herstellung des Außenstranges aus miteinander verschweißten Rohren sehr aufwendig ist. Außerdem tritt durch die Schlag­beanspruchung und die damit verbundene Schallabstrah­lung eine erhebliche Umweltbelästigung ein. Weiterhin ist nachteilig, daß mit diesem Verfahren nicht in drückenden Böden gearbeitet werden kann, in denen ein hoher Wasser- oder Sanddruck herrscht, weil dann die Gefahr des Ausspülens des Bodens mit der Gefahr von Gebäudeabsenkungen besteht.

[0003] Aus DE 29 24 393 C2 ist eine Überlagerungsbohrvorrich­tung mit zentrischer Bohrkrone und einer die zentrische Bohrkrone umgebenden Ringbohrkrone bekannt. Bei dieser Überlagerungsbohrvorrichtung wird der Innenstrang ge­schlagen und gedreht, während der Außenstrang lediglich gedreht wird. Der Bohrvortrieb wird von der zentrischen Bohrkrone und der Ringbohrkrone gemeinsam erzeugt. Wenn die Bohrkronen auf festes Gestein treffen, besteht die Gefahr, daß die ausschließlich drehend betriebene Ring­bohrkrone, die nicht in der Lage ist, Gestein zu zer­trümmern, den erforderlichen Bohrvorschub nicht er­bringt und daß die Bohrvorrichtung sich festfrißt oder nur mit einem unzureichenden Bohrschub vorgetrieben werden kann. Außerdem besteht auch hier die Schwierig­keit, daß das Bohrloch im Fall drückender Böden aus­gespült wird.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Über­lagerungsbohrvorrichtung der im Oberbegriff des Patent­anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die imstande ist, bei jeder Art von Böden einen schnellen Bohr­vortrieb ohne die Gefahr des Ausspülens zu bewirken.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­gegebenen Merkmalen.

[0006] Die erfindungsgemäße Überlagerungsbohrvorrichtung arbeitet prinzipiell nach dem ODEX-Verfahren, wobei jedoch der Außenstrang nicht durch Schläge, sondern ausschließlich durch Drehen und durch eine stetig auf­gebrachte Vorschubkraft vorgetrieben wird.

[0007] Die erfindungsgemäße Überlagerungsbohrvorrichtung er­möglicht unterschiedliche Betriebsarten: Da der Außen­strang eine Ringbohrkrone aufweist, ist ein Bohr­vortrieb in der Weise möglich, daß die Ringbohrkrone und das Hauptkronenteil der Exzenterbohrkrone gleich­stehend angeordnet sind, d.h., daß der Hilfskronenteil sich im eingefahrenen Zustand im Inneren des Außen­stranges befindet und daß die Schneidelemente von Ring­bohrkrone und Hauptkronenteil der Exzenterbohrkrone etwa in einer Ebene liegen. Eine andere Arbeitsweise besteht darin, die Exzenterbohrkrone in den Außenstrang einzuziehen und die Bohrvorrichtung mit gegenüber der Exzenterbohrkrone vorlaufender Ringbohrkrone zu be­treiben. Eine dritte Betriebsart besteht darin, die Exzenterbohrkrone gegenüber der Ringbohrkrone vor­zuschieben, um mit der Exzenterbohrkrone Gestein zu zertrümmern. Die Ringbohrkrone läuft dann der Exzenter­bohrkrone nach und bewirkt teilweise eine Zermahlung des gelockerten Gesteins.

[0008] Dadurch, daß der Außenstrang ausschließlich drehend angetrieben ist, wird Energie gespart, weil Schlag­energie für den Außenstrang nicht benötigt wird. Außer­dem wirkt der Außenstrang als Schalldämmung für den Innenstrang. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Außenstrang nur geringen mechanischen Be­anspruchungen unterliegt und daher aus miteinander ver­schraubten Rohren zusammengesetzt werden kann. Schließ­lich werden durch den Außenstrang auch keine Erschüt­terungen auf den Boden übertragen, so daß Bodenerschüt­terungen und Bodenverdichtungen vermieden werden. Die Richtungsgenauigkeit des Bohrens wird erhöht, weil der drehende Außenstrang eine sichere Führung für die Exzenterbohrkrone bildet. Der Innendurchmesser der Ringbohrkrone ist an keiner Stelle kleiner als der Innendurchmesser des Außenstranges. Dadurch werden Schlagübertragungen von der Exzenterbohrkrone auf die Ringbohrkrone vermieden und in jeder axialen Stellung der Exzenterbohrkrone erfolgt eine definierte Ab­stützung dieser Exzenterbohrkrone entweder an der Innenwand der Ringbohrkrone oder an der Innenwand des Außenstranges.

[0009] Mit dem Merkmal des Anspruchs 2 wird erreicht, daß die Exzenterbohrkrone mit ihrem Hilfskronenteil im ein­gezogenen Zustand den Durchgang durch die Ringbohrkrone bzw. durch den Außenstrang vollständig abdichten kann. Der Hilfskronenteil hat an seinem Umfang keine Rück­spülnuten oder ähnliche Kanäle. Daher ist bei ein­gezogener Exzenterbohrkrone eine Abdichtung des Innen­raums des Außenstranges gegen drückendes Wasser mög­lich, so daß die Gefahr von Bodenabsenkungen vermieden wird.

[0010] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

[0011] Es zeigen:

Fig. 1 den rückwärtigen Teil der Überlagerungsbohr­vorrichtung mit Drehantrieb und Schlagantrieb für den Innenstrang und einem weiteren Dreh­antrieb für den Außenstrang,

Fig. 2 den vorderen Teil der Bohrvorrichtung, wobei die Exzenterbohrkrone gleichstehend mit der Ringbohrkrone angeordnet ist,

Fig. 3 einen Zustand, in dem die Exzenterbohrkrone gegenüber der Ringbohrkrone zurückgezogen ist,

Fig. 4 einen Zustand, in dem die Exzenterbohrkrone aus der Ringbohrkrone herausgefahren ist und

Fig. 5 eine andere Ausführungsform der Überlagerungs­bohrvorrichtung mit Tieflochhammer.

[0012] Bei der Überlagerungsbohrvorrichtung der Fign. 1 bis 4 ist ein rohrförmiger Außenstrang 10 vorgesehen, der aus zahlreichen miteinander verbundenen Bohrrohren besteht. In dem Außenstrang verläuft ein koaxialer Innenstrang 11, der ebenfalls aus zahlreichen miteinander ver­schraubten Bohrrohren besteht. Durch den Innenstrang 11 wird flüssiges Spülmedium zur Bohrlochsohle gepumpt und in dem Ringraum zwischen Innenstrang und Außenstrang fließt das Spülmedium zusammen mit dem losgebohrten Bohrgut zurück.

[0013] An das rückwärtige Ende des Außenstranges 10 ist ein Drehantrieb 12 angeschlossen, der aus einem hydrau­lischen Drehmotor besteht. Mit dem rückwärtigen Ende des Gehäuses des Drehantriebs 12 ist ein Auswurfspül­kopf 13 drehfest verbunden, durch dessen Auswurfstutzen 14 rückgespültes Spülmedium mit Bohrgut ausgeworfen wird.

[0014] Der Innenstrang 11 ist durch den Auswurfspülkopf 13 hindurchgeführt und sein rückwärtiger Endbereich er­streckt sich durch einen drehfesten Spülkopf 16, welcher eine Anschlußöffnung 17 für die Zufuhr des Spülmediums aufweist. Am rückwärtigen Ende des Innen­stranges 11 ist das Einsteckende 18 befestigt, das von einem Drehmotor 19 gedreht wird. Außerdem werden von einem hydraulischen Schlagantrieb (Bohrhammer) 20 Schläge auf das rückwärtige Ende des Einsteckendes 18 ausgeübt. Der Motor 19 und der hydraulische Schlag­antrieb 20 bilden gemeinsam einen Drehschlaghammer, der den Innenstrang 11 dreht und schlägt. Der Außenstrang 10 wird von dem Drehmotor 12 ausschließlich gedreht und er ist schlagmäßig von dem Innenstrang entkoppelt.

[0015] Der Motor 12 und der Drehschlaghammer 19,20 sind ge­meinsam auf einem Wagen 21 angeordnet, der auf einer Lafette 15 linear bewegt werden kann. Auf den Wagen 21 wirkt eine (nicht dargestellte) Vorschubvorrichtung, die den Wagen in Richtung auf das Bohrloch drückt und für den erforderlichen Anpreßdruck der Bohrkronen an die Bohrlochsohle sorgt. Der Drehantrieb 12 ist auf dem Wagen 21 fest montiert. Der Wagen 21 trägt ferner einen hydraulischen Linearmotor 22, z.B. eine Kolben-­Zylinder-Einheit, dessen eines Ende 23 an dem Wagen 21 festgelegt ist und dessen anderes Ende 24 an einem Schlitten 25 angreift, der den aus Motor 19 und dem hydraulischen Schlagwerk 20 bestehenden Drehschlag­hammer trägt. Der Schlitten 25 ist auf Schienen 26 des Wagens 21 verfahrbar und wird vom Linearmotor 22 vor- und zurückbewegt, um den Innenstrang 11 relativ zum Außenstrang 10 axial zu verschieben.

[0016] Der Innenstrang 11 weist gemäß Fig. 2 Abstandhalter 27 auf, die ihn im Außenstrang 10 zentrieren. Am vorderen Ende des Innenstranges 11 ist die Exzenterbohrkrone 28 befestigt. Diese weist einen Schaft 28a auf, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Außenstrangs 10 entspricht und der somit im Außenstrang axial ver­schiebbar geführt ist. Außen am Schaft 28a verlaufen längslaufende Rückspülnuten 29. An dem vorderen Ende des Schaftes 28a ist der Hilfskronenteil 28b schwenkbar angebracht. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, liegt die Mittelachse 30 des Hilfskronenteils 28b im aus­geschwenkten Zustand seitlich gegenüber der Achse des Schaftes 28a versetzt, so daß der Hilfskronenteil 28b zwei verschiedene Stellungen einnehmen kann: Im ein­geschwenkten Zustand gemäß Fign. 2 und 3 verläuft die Umfangsfläche des Hilfskronenteils 28b koaxial zum Schaft 28a und im ausgeschwenkten Zustand gemäß Fig. 4 steht der Hilfskronenteil 28b nach einer Seite hin über den Schaft 28a vor, so daß der Hilfskronenteil ein Loch erzeugt, dessen Durchmesser so groß ist, daß dieses Loch auch den Außenstrang 10 aufnehmen kann. Auf dem überstehenden Teil der vorderen Stirnfläche des Hilfs­kronenteils 28b sind Meißelelemente 31 angebracht.

[0017] Der vor dem Hilfskronenteil 28b liegende Hauptkronen­teil 28c ist fest mit dem Schaft 28a verbunden. Der Hauptkronenteil 28c ist exzentrisch zur Achse des Schaftes 28a angeordnet, wobei der exzentrische Versatz in gleicher Richtung liegt wie derjenige des Hilfs­kronenteils 28b im ausgefahrenen Zustand gemäß Fig. 4.

[0018] Da der Hilfskronenteil 28b um 180° um die Achse des Schaftes 28a schwenkbar ist, liegen die Meißelelemente 31 bei eingeschwenktem Hilfskronenteil gemäß Fign. 2 und 3 hinter der Stelle, die vom Hauptkronenteil 28c nicht bedeckt wird, so daß die mit Meißelelementen 32 besetzte Stirnfläche des Hauptkronenteils 28c und die mit Meißelelementen 31 besetzte Fläche des Hilfskronen­teils 28b gemeinsam die gesamte Querschnittsfläche des Außenstranges 10 ausfüllen. Der Hilfskronenteil 28b weist einen Umfangsabschnitt 33 auf, der den Innen­querschnitt des Außenstranges 10 vollständig ausfüllt.

[0019] Am vorderen Ende des Außenstranges 10 ist die Ringbohr­krone 34 befestigt. Diese Ringbohrkrone 34 weist eine Durchgangsbohrung auf, deren Durchmesser gleich dem­jenigen des Außenstranges 10 ist, so daß beim Übergang vom Außenstrang zur Ringbohrkrone kein innerer Stufen­abschnitt entsteht. Am vorderen Ende der Ringbohrkrone sind Schneidelemente 31 befestigt, die beim Drehen der Ringbohrkrone eine spanabhebende schneidende Wirkung ausüben. Diese Meißelelemente können sägezahnförmig ausgebildet sein. Sie können auch, damit sie in beiden Drehrichtungen schneiden, den Querschnitt eines gleich­schenkeligen Dreiecks haben.

[0020] Fig. 2 zeigt die Stellung der Bohrkrone 28 beim Bohren in mittelschweren Böden. Hierbei ist die Exzenterbohr­krone 28 von der Ringbohrkrone 34 umschlossen und die vorderen Stirnseiten des Hauptkronenteils 28c der Exzenterbohrkrone und der Ringbohrkrone 34 sind etwa gleichstehend. Während die Exzenterbohrkrone 28, deren Hilfskronenteil 28b eingefahren ist, geschlagen und gedreht wird, wird die Ringbohrkrone 34 ausschließlich gedreht. Beide Bohrkronen können entweder in gleicher Drehrichtung oder in entgegengesetzten Drehrichtungen angetrieben sein. Der Durchmesser des erzeugten Bohr­lochs ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des Außenstranges 10, weil die Ringbohrkrone 34 gering­fügig radial übersteht.

[0021] Fig. 3 zeigt das Bohren in Böden mit drückendem Wasser. Dabei ist die Exzenterbohrkrone 28 in den Außenstrang 10 hinein zurückgezogen, so daß die mit den Meißel­elementen 32 bestückte Vorderseite gegenüber der Vorderseite der Ringbohrkrone 34 zurückliegt. Die Ring­fläche 33 bewirkt eine Abdichtung des Außenstranges, so daß drückendes Wasser nicht in den Außenstrang ein­dringen kann.

[0022] Fig. 4 zeigt den Zustand, daß das Bohrloch durch einen im Boden befindlichen Stein 36 hindurchgetrieben werden muß. Dabei wird die Exzenterbohrkrone 28 aus der Ring­bohrkrone 34 ausgefahren. Der Hilfsbohrkronenteil 28b stellt sich seitlich aus, wobei er gegen einen Anschlag des Hauptbohrkronenteils 28c stößt, um die Drehbewegung zu begrenzen. Die Meißelelemente 31 und 32 dringen in­folge der kombinierten Schlag- und Drehbewegung in den Fels 36 ein und zertrümmern diesen. Die Ringbohrkrone 34 dringt anschließend in das erweiterte Bohrloch hinein vor. Durch Spülbohrungen 37 wird aus dem Innen­strang 11 durch den Schaft 28a und die Bohrkronenteile 28b und 28c Spülmedium zur Bohrlochsohle gedrückt. Das Spülmedium strömt zusammen mit dem gelösten Bohrgut durch die Rückspülnuten 29 zurück.

[0023] Ein Zurückspülen entlang der Bohrlochwand wird durch die Ringbohrkrone 34 verhindert. Sollte sich in der Umgebung des Felsens 36 drückendes Wasser befinden, was durch die Pfeile 39 angedeutet ist, so bildet die Ring­bohrkrone 34 zusammen mit der Bohrlochwand eine Barriere 40, durch die verhindert wird, daß das Wasser in den Bereich der Exzenterbohrkrone einströmen kann.

[0024] Bei jeder der in den Fign. 2,3 und 4 gezeigten Betriebsarten wird durch entsprechende Betätigung des Linearmotors 22 (Fig. 1) die Relativposition von Außen­strang 10 und Innenstrang 11 eingestellt und der Bohr­vorschub erfolgt durch Bewegen des Wagens 21 in Richtung auf die Bohrlochsohle. In Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit an der Bohrlochsohle wird die je­weilige Betriebsart ausgewählt.

[0025] Während bei dem Ausführungsbeispiel der Fign. 1 bis 4 die Schläge auf den Innenstrang 11 von einem Außen­hammer 20 aufgebracht werden, zeigt Fig. 5 ein Aus­führungsbeispiel, bei dem auf dem Wagen 21 nur ein Drehantrieb 12 für den Außenstrang 10 und ein Dreh­antrieb 19 für den Innenstrang 11 angeordnet sind. Die Schläge, die auf die Exzenterbohrkrone 28 ausgeübt werden, werden von einem Tieflochhammer 40 erzeugt, der im Zuge des Innenstranges 11 unmittelbar hinter dem Schaft 28a angeordnet ist. Die Schläge des Tiefloch­hammers 40 werden auch hier nicht auf den Außenstrang 10 übertragen. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 sind ebenfalls die verschiedenen Betriebsarten anwend­bar, die in den Fign. 2 bis 4 dargestellt sind.

Ansprüche

1. Überlagerungsbohrvorrichtung mit
einem rohrförmigen Außenstrang (10),
einem darin koaxial verlaufenden Innenstrang (11),
einer am vorderen Ende des Innenstranges be­festigten Exzenterbohrkrone (28), die einen mit dem Innenstrang (11) verbundenen Hauptkronen­teil (28c) und einen gegenüber dem Hauptkronen­teil exzentrisch schwenkbaren Hilfskronenteil (28b) aufweist, welcher im ausgeschwenkten Zu­stand über die Kontur des Außenstranges (10) vorsteht,
wobei die Exzenterbohrkrone (28) einen im Außenstrang (10) längsverschiebbar geführten Schaft (28a) aufweist, dessen Längsbewegung nicht durch Anschläge begrenzt ist,
und einem Drehantrieb (12) und einem Schlag­antrieb (20) für den Innenstrang,
dadurch gekennzeichnet,
daß am vorderen Ende des Außenstranges (10) eine zum Drehschneiden geeignete Ringbohrkrone (34) befestigt ist,
daß der Außenstrang (10) ausschließlich drehend angetrieben und schlagmäßig von dem Innenstrang (11) entkoppelt ist,
und daß der Innendurchmesser der Ringbohrkrone (34) an keiner Stelle kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenstranges (10).

2. Überlagerungsbohrvorrichtung nach Anspruch 1, da­durch gekennzeichnet, daß der maximale Durchmesser des Hilfskronenteils (28b) dem Innendurchmesser des Außenstranges (10) entspricht, so daß das Hilfskronenteil im eingezogenen Zustand der Exzenterbohrkrone (28) den Außenstrang (10) ab­dichtet.

3. Überlagerungsbohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenstrang (11) relativ zu dem Außenstrang (10) durch einen Antrieb axial bewegbar ist, derart, daß die Exzenterbohrkrone (28) eine gegenüber der Ring­bohrkrone (34) gleichstehende oder zurückgesetzte Arbeitsstellung einnehmen kann.

4. Überlagerungsbohrvorrichtung nach einem der An­sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Innenstrang (11) wirkende Schlagantrieb ein Außenhammer (20) ist.

5. Überlagerungsbohrvorrichtung nach einem der An­sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Innenstrang (11) wirkende Schlagantrieb ein Tieflochhammer (40) ist.

6. Überlagerungsbohrvorrichtung nach einem der An­sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringbohrkrone (34) einen axialen Abschnitt auf­weist, der radial über den Außenstrang (10) hinaus vorsteht.

Zeichnung