[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen eines Bohrloches im Boden, das
an der Bodenoberfläche einen Eintrittspunkt und an seinem unteren Ende einen Fußpunkt
hat, und das mit einem Bohrgestänge erzeugt ist, das oberhalb des Eintrittspunkts
einen Einspannpunkt hat und an seinem vorderen Ende eine Bohrkrone trägt, mittels
eines mit dem Bohrgestänge bis zum Fußpunkt in das Bohrloch eingeführten Inklinometers.
[0002] Bei der Herstellung von Bohrlöchern im Boden ist je nach Bestimmungszweck zumindest
die Lage des Fußpunktes, gegebenenfalls deren gesamter Verlauf im Boden, von Interesse,
d. h. es muß festgestellt werden können, inwieweit das Bohrloch gegenüber der vertikalen
oder planmäßig geneigten Ausrichtung abweicht. Dies gilt beispielsweise, wenn eine
Mehrzahl von in gleichmäßigem Abstand voneinander von der Bodenoberfläche ausgehenden
Bohrlöchern hergestellt wird, die zum Ausbringen von Injektionen im Boden dienen und
aus denen heraus von den jeweiligen Fußpunkten ausgehend zusammenhängende Abdichtungssohlen
für Baugruben hergestellt werden sollen oder aus denen heraus über einen Großteil
der Länge der Bohrlöcher gleichmäßig verteilt Abdichtungswände oder Bodenverfestigungskörper
erstellt werden sollen. Um diese Gebilde in guter Qualität herstellen zu können, müssen
im ersten Fall zumindest die Fußpunkte weitgehend gleichmäßigen Abstand voneinander
haben und im zweiten Fall die Bohrlöcher weitgehend parallel zueinander verlaufen.
Sofern festgestellt wird, daß einzelne Bohrlöcher fehlerhaft verlaufen, müssen Ersatz-
oder Ergänzungsbohrungen niedergebracht werden, aus denen ergänzende Injektionen durchgeführt
werden, um aus sich durchdringenden Injektionsbereichen lückenlose Abdichtungssohlen
bzw. Abdichtungswände bzw. gleichmäßig beabstandete Bodenverfestigungskörper zu erstellen.
Alternativ kann nach Feststellen eines übermäßigen Versatzes eines Fußpunktes einer
Bohrung vom vorgesehenen Raster abgewichen werden und die nachfolgenden Bohrungen
von korrigierten Eintrittspositionen ausgehend ausgeführt werden. Dies jedoch nur,
wenn der Versatz in Richtung bestehender vorausgehender Bohrungen gerichtet ist.
[0003] Bei bekannten Verfahren zum Vermessen eines Bohrloches wird zunächst das Bohrgestänge
nach dem Abteufen des Bohrloches wieder gezogen und nach dem Ziehen ein Meßgestänge
in das Bohrloch abgelassen. Im Kopf des Meßgestänges ist eine Neigungswinkelmeßeinrichtung
- ein sogenanntes Inklinometer - innerhalb eines Führungsschlittens angeordnet, der
sich gegen die Bohrlochwandung abstützt. Der Führungsschlitten wird schrittweise abgelassen
und der Neigungswinkel Schritt für Schritt gemessen, wobei gleichzeitig die zugehörige
Tiefe am Meßgestänge abgelesen wird. Aus den einzelnen Meßwerten wird der Bohrlochverlauf
nach Art eines Polygonzuges berechnet. Ein solches Verfahren ist in VDI-Lexikon Bauingenieurwesen,
VDI Verlag 1991, S. 300, beschrieben. Das Vermessen des Bohrloches nach diesem Verfahren
ist zeitaufwendig und unwirtschaftlich. Mit der älteren Anmeldung 198 46 137.2 ist
bereits vorgeschlagen worden, ein Inklinometer in der Spitze des Bohrgestänges unmittelbar
hinter der Bohrkrone einzusetzen und unmittelbar im Anschluß an das Abteufen des Bohrloches
beim Ziehen des Bohrgestänges Neigungswinkel und zugehörige Tiefen für eine Vielzahl
von Punkten des Bohrloches zu ermitteln und hieraus durch Integration bzw. durch Berechnung
eines Polygonzuges den Bohrlochverlauf zu berechnen. Auch diese Methode ist noch relativ
aufwendig, insbesondere wenn für die Ermittlung der einzelnen Meßpunkte das Bohrgestänge
in verschiedenen Tiefen angehalten wird, wie es zur Ermittlung verläßlicher Meßwerte
vorteilhaft ist.
[0004] Da die Abweichung des Bohrloches von der Vertikalen und insbesondere der horizontale
Versatz des Fußpunktes gegenüber dem Eintrittspunkt in der Regel nicht nur der Größe
nach, sondern auch der Richtung nach von Bedeutung ist, erfolgen die Messungen jeweils
in einer fest vorgegebenen Referenzstellung des Bohrgestänges. Die verwendeten Inklinometer
weisen in der Regel zwei in zueinander senkrechen Ebenen wirksame Neigungswinkelmeßeinheiten
auf. Aus den Meßwerten der beiden genannten Einheiten läßt sich dann die Größe des
Neigungswinkels gegenüber der Vertikalen und die Richtung des Neigungswinkels gegenüber
der Referenzrichtung bestimmen.
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorbeschriebene Verfahren
zur Vermessung eines Bohrloches nochmals zu vereinfachen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der Neigungswinkel a des eingeführten Bohrgestänges am Fußpunkt
des Bohrloches mittels des Inklinometers und die Länge 1 des freikragenden Bohrgestänges
ab Einspannpunkt am Bohrgestänge gemessen werden und der horizontale Versatz w des
Fußpunktes gegenüber dem Einspannpunkt gemäß der freien Biegelinie des als bei punktförmiger
Auflast am freien Ende eingespannt angenommenen Bohrgestänges mit w = 2/3 · 1 · tg
α errechnet wird. Ein horizontaler Versatz zwischen Einspannpunkt und Eintrittspunkt
kann in erster Näherung zu Null gesetzt werden, so daß der errechnete Versatz w auch
auf den Eintrittspunkt bezogen werden kann.
[0006] Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird unter der vereinfachenden Annahme, daß
das Bohrgestänge ein Träger gleicher Festigkeit ist und daß das Spiel des Bohrgestänges
im Bohrloch so groß ist, daß sich bei punktförmiger Auflage der Bohrkrone an der Bohrlochwandung
eine freie Biegelinie ausbilden kann, mit einem einzigen Meßwertepaar aus Neigungswinkel
a und Länge 1 des freikragenden Bohrgestänges der horizontale Versatz des Fußpunktes
gegenüber dem Eintrittspunkt bestimmt. Hierbei wird Tatsache genutzt, daß bei der
freien Biegelinie eines einseitig eingespannten Trägers der Versatz nur von der Neigung
am freien Ende und der Länge des Trägers abhängt. Rein rechnerisch kann hierbei jeder
Einzelwert der horizontalen Auslenkung in jeder Tiefe für die angenommene Biegelinie
errechnet werden, so daß mit einem Meßwertepaar der gesamte Verlauf des Bohrloches
als bekannt angenommen wird. Das Verfahren geht insoweit davon aus, daß in der Einspannebene
das Bohrgestänge vertikal bzw. planmäßig geneigt durchgeführt wird.
[0007] Nach einer weiterführenden Ausführung kann vorgesehen werden, daß der Neigungswinkel
α
k des Bohrgestänges am Einspannpunkt gemessen wird und bei der Berechnung des horizontalen
Versatzes des Fußpunktes gegenüber dem Eintrittspunkt ein Korrekturwert △ w = 1 ·
tg α
k zu dem aus dem gemessenen Neigungswinkel a errechneten Wert w addiert wird. Hierbei
kann entweder gleichzeitig mit der genannten Messung durch das im Bohrgestänge eingebaute
Inklinometer mit einem zweiten Inklinometer die Neigungsrichtung und der Neigungswinkel
am Einspannpunkt gemessen werden oder es können nach dem Ziehen des Bohrgestänges
Neigungswinkel und Neigungsrichtung in der Einspannebene mit dem im Bohrgestänge eingebauten
Inklinometer nachträglich ermittelt werden. Diese Werte können dann als Korrekturwerte
bei der Berechnung des horizontalen Versatzes nach Betrag und Richtung berücksichtigt
werden. Das weitere Inklinometer kann an einer Gestängeführung für das Bohrgestänge
am Mäkler nahe der Eintrittsöffnung angeordnet werden oder vorzugsweise im Bohrgestägen
an dessen oberen Ende, das stets oberhalb der Gestängeführung bleibt. Abweichungen
des Bohrgestänges von der Vertikalen am Einspannpunkt infolge von Schrägstellungen
des Mäklers können hiermit rechnerisch berücksichtigt werden.
[0008] Die Messung der Neigungswinkel erfolgt üblicherweise in einer gegenüber einer fest
vorgegebenen Referenzrichtung identifizierbaren Drehstellung des Bohrgestänges unter
Aufnahme zweier zueinander senkrecht liegender Neigungswinkelkomponenten, woraus die
absolute Neigungswinkelgröße im Verhältnis zur Vertikalen und die Neigungsrichtung
im Verhältnis zur fest vorgegebenen Referenzrichtung errechnet wird.
[0009] Die übliche Durchführung des Verfahrens erfolgt in der Weise, daß vor dem Abteufen
des Bohrloches eine Drehstellung des Bohrgestänges gegenüber einer Referenzrichtung,
z. B. am Bohrgestänge nahe dem Drehantriebskopf eine Drehstellung gegenüber dem Mäkler
markiert wird und dann das Bohrgestänge drehend angetrieben wird, um das Bohrloch
abzuteufen. Nach dem Erreichen des Fußpunktes wird das Bohrgestänge in die gleiche
Drehstellung gegenüber der Referenzrichtung gebracht und der Neigungswinkel gegenüber
der Vertikalen und die Neigungsrichtung gegenüber der Referenzrichtung ermittelt.
Aus dem gemessenen Neigungswinkel a und der abgelesenen Länge 1, wird der horizontale
Versatz des Fußpunktes gegenüber dem Einspannpunkt nach Größe und Richtung erfindungsgemäß
berechnet.
[0010] Damit der Einfluß einer möglichen Fehlstellung des Inklinometers gegenüber der Längsachse
des Bohrgestänges auf die Meßwerte ausgeschaltet wird, können jeweils zwei Messungen
in um 180° verschwenkter Drehstellung vorgenommen werden, wonach die Ergebnisse gemittelt
werden.
[0011] Ist die Überprüfung des gesamten Bohrlochverlaufes erwünscht, kann der Vorgang der
Messung des Neigungswinkels beim Ziehen oder Abteufen in beliebiger Schritthöhe mehrfach
wiederholt werden. Bei jedem Schritt wird der Neigungswinkel am Ende des Bohrgestänges
und die entsprechende freikragende Gestängelänge ermittelt und daraus die Lage des
Bohrkopfes nach dem benannten rechnerischen Verfahren ermittelt. Daraus kann der Weg
des Bohrkopfes im Bohrloch und damit der Verlauf des Bohrloches berechnet und aufgezeichnet
werden.
[0012] Das vorgenannte Verfahren kann mit im wesentlichen untereinander gleichem Ergebnis
in nachfolgender Weise durchgeführt werden,
- daß das Bohrgestänge ausgehend von der Endtiefe schrittweise aus dem Bohrloch gezogen
wird und daß ein örtlicher Neigungswinkel und eine aktuelle Länge des freikragenden
Bohrgestänges nach jedem Schritt gemessen wird und der örtliche Versatz in der angegebenen
Weise errechnet wird,
- daß das Bohrgestänge ausgehend von der Endtiefe kontinuierlich aus dem Bohrloch gezogen
wird und daß der Neigungswinkel des Bohrlochs über der Länge des freikragenden Bohrgestänges
kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet wird und der örtliche Versatz für ausgewählte
Wertepaare in der angegebenen Weise errechnet wird, oder
- daß das Bohrgestänge ausgehend von der Endtiefe kontinuierlich aus dem Bohrloch gezogen
wird und daß der Neigungswinkel des Bohrloches über der Länge des freikragenden Bohrgestänges
zeitgetaktet oder tiefengetaktet gemessen und aufgezeichnet wird und der örtliche
Versatz für die aufgezeichneten Wertepaare in der angegebenen Weise errechnet wird.
[0013] Als Ergebnis kann jeweils der räumliche Verlauf des Bohrlochs nach Neigungswinkel
und Neigungsrichtung über der Tiefe ermittelt und graphisch oder tabellarisch dargestellt
werden.
[0014] Da eine Energieversorgung des Inklinometers im Bohrgestänge und mehr noch eine ständige
Meßwertübertragung in der vorherrschenden Umgebung und aufgrund des drehenden Antriebs
des Bohrgestänges schwierig ist, kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß die
Meßwerte der Neigungswinkel mittels des Inklinometers über der Zeit gemessen und gespeichert
werden und daß mittels eines separaten, außerhalb des Bohrlochs befindlichen Meßgerätes
die Einspannlage des Bohrgestänges über der Zeit gemessen und gespeichert wird und
daß der räumliche Verlauf des Bohrlochs ermittelt wird, indem die Meßwerte des Neigungswinkels
und die Einspannlage über der Zeit korreliert werden.
[0015] Für die Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung geeignet, wie sie in der
genannten älteren Anmeldung vorbeschrieben ist. Eine erfindungsgemäße Weiterbildung
umfaßt ein antreibbares Bohrgestänge, das rohrförmig ausgebildet ist, eine Gestängefürung
für das Bohrgestänge nahe dem Eintrittspunkt, eine Bohrkrone am vorderen Ende des
Bohrgestänges, ein erstes Inklinometer zum Messen eines Neigungswinkels a, das hinter
der Bohrkrone im Bohrgestänge angeordnet ist, und ein zweites Inklinometer zum Messen
eines Neigungswinkels α
k, das oberhalb der Gestängeführung für das Bohrgestänge angeordnet ist, Mittel zur
Messung der Länge 1 des ab der Gestängeführung freikragenden Bohrgestänges sowie Mittel
zur Markierung einer vorgegebenen Drehstellung des Bohrgestänges gegenüber einer Referenzrichtung
in jeglicher Tiefenlage. Auch hier ist es vorteilhaft, daß zumindest das erste Inklinometer
eine unabhängige Stromquelle, einen Zeitgeber und einen Datenspeicher zum Speichern
von gemessenen Neigungswinkeln und Zeiten umfaßt. Das zweite Inklinometer kann beliebig
in geschützte Lage am Mäkler, insbesondere aber am oberen Ende im Bohrgestäge angeordnet
sein. Es kann Ersatzweise uch eine Wasserwaage am Mäkler vorgesehen werden.
[0016] In der einzigen Figur ist eine Bohrvorrichtung mit niedergebrachtem verformtem Bohrgestänge
in Seiteneinsicht gezeigt. Die Verformung des Bohrgestänges ist in der Zeichnungsebene
liegend angenommen. Auf einer Bodenoberfläche 11 steht ein selbstfahrendes Raupenfahrzeug
12, das einen vertikal ausgerichteten Mäkler 13 trägt. Am Mäkler befindet sich ein
höhenverstellbarer Drehantriebskopf 14 und eine untenliegende Gestängeführung 15.
Ein Bohrgestänge 16 ist mit dem drehbaren Antriebskopf 14 verbunden und in der Gestängeführung
15 geführt. Es tritt an einer Eintrittsstelle 17 in den Boden ein und liegt mit Krümmung
im nicht näher dargestellten Bohrloch. Am unteren Ende liegt im Bohrgestänge 16 ein
erstes Inklinometer 21 unmittelbar hinter einer Bohrkrone 19. Es wird idealisierend
angenommen, daß der Durchmesser des Bohrlochs größer ist als der des Bohrgestänges
16 und daß ausschließlich die Bohrkrone 19 in Anlage mit dem Bohrloch ist. Die Position
des ersten Inklinometers 21 wird als Fußpunkt 18 des Bohrlochs angenommen. Die Mitte
der Gestängeführung 15 wird als Einspannpunkt 20 angenommen. Das Bohrgestänge folgt
einer Biegelinie, die durch die Länge 1 des Fußpunkts unter dem Einspannpunkt und
durch den horizontalen Versatz w des Fußpunkts gegenüber dem Einspannpunkt gekennzeichnet
ist. Das Inklinometer 21 erfaßt den Neigungswinkel a des Bohrgestänges gegenüber der
Vertikalen. Wie eingezeichnet berechnet sich der horizontale Versatz w mit 2/3 · 1
· tg α. Unterhalb des Drehantriebkopfes 14 liegt im Bohrgestänge ein zweites Inklinometer
22. Es wird idealisierend angenommen, daß das Bohrgestänge 16 zwischen Drehantriebskopf
14 und Gestängeführung 15 nicht gekrümmt ist und damit die Achse des Inklinometers
22 in jeder Höhenstellung des Drehantriebskopfes 14 am Mäkler mit der Ausrichtung
der Gestängeführung 15 übereinstimmt. Das Inklinometer 22 erfaßt damit den Neigungswinkel
α
k der Achse der Gestängeführung 15 gegenüber der Vertikalen. Ist dieser von Null verschieden,
ergibt sich daraus ein Korrekturwert △ w für den horizontalen Versatz, der sich mit
△ w = 1 · tg α
k errechnet.
Bezugszeichenliste
[0017]
- 11
- Bodenoberfläche
- 12
- Raupenfahrzeug
- 13
- Mäkler
- 14
- Drehantriebskopf
- 15
- Gestängeführung
- 16
- Bohrgestänge
- 17
- Eintrittspunkt
- 18
- Fußpunkt
- 19
- Bohrkrone
- 20
- Einspannpunkt
- 21
- erstes Inklinometer
- 22
- zweites Inklinometer
1. Verfahren zum Vermessen eines Bohrloches im Boden, das an der Bodenoberfläche einen
Eintrittspunkt und an seinem unteren Ende einen Fußpunkt hat, und das mit einem Bohrgestäge
erzeugt ist, das oberhalb des Eintrittspunkts einen Einspannpunkt hat, und an seinem
vorderen Ende eine Bohrkrone trägt, mittels eines mit dem Bohrgestänge bis zum Fußpunkt
in das Bohrloch eingeführten Inklinometers,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Neigungswinkel a des eingeführten Bohrgestänges am Fußpunkt mittels des Inklinometers
und die Länge 1 des freikragenden Bohrgestänges ab Einspannpunkt am Bohrgestänge gemessen
werden und der horizontale Versatz w des Fußpunktes gegenüber dem Einspannpunkt gemäß
der freien Biegelinie des als bei punktförmiger Auflast am freien Ende eingespannt
angenommenen Bohrgestänges mit w = 2/3 · 1 · tg α errechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Neigungswinkel αk des Bohrgestänges am Einspannpunkt gemessen wird und bei der Berechnung des horizontalen
Versatzes w des Fußpunktes gegenüber dem Einspannpunkt ein Korrekturwert △ w = 1 ·
tg αk zu dem aus dem gemessenen Neigungswinkel a errechneten Wert addiert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung des oder der Neigungswinkel α, αk in einer gegenüber einer fest vorgegebenen Referenzrichtung identifizierbaren Drehstellung
des Bohrgestänges unter Aufnahme zweier zueinander senkrecht liegender Neigungswinkelkomponenten
erfolgt, woraus eine Berechnung der absoluten Neigungswinkelgröße im Verhältnis zur
Vertikalen und der Neigungsrichtung im Verhältnis zur fest vorgegebenen Referenzrichtung
erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die Neigungswinkel α, αk jeweils in zwei um 180° voneinander verschiedenen Drehstellungen des Bohrgestänges
gemessen und die Ergebnisse beider Messungen gemittelt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung des Neigungswinkels α am Fußpunkt unmittelbar nach dem Abteufen des
Bohrloches bis zur Endtiefe durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bohrgestänge ausgehend von der Endtiefe schrittweise aus dem Bohrloch gezogen
wird und daß ein örtlicher Neigungswinkel αx und eine aktuelle Länge lx des freikragenden Bohrgestänges nach jedem Schritt gemessen wird und der örtliche
Versatz wx in der angegebenen Weise errechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bohrgestänge ausgehend von der Endtiefe kontinuierlich aus dem Bohrloch gezogen
wird und daß der Neigungswinkel a des Bohrlochs über der Länge 1 des freikragenden
Gestänges kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet wird und der örtliche Versatz
wx für ausgewählte Wertepaare in der angegebenen Weise errechnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bohrgestänge ausgehend von der Endtiefe kontinuierlich aus dem Bohrloch gezogen
wird und daß der Neigungswinkel a des Bohrloches über der Länge 1 des freikragenden
Gestänges zeitgetaktet oder tiefengetaktet gemessen und aufgezeichnet wird und der
örtliche Versatz wx für die aufgezeichneten Wertepaare in der angegebenen Weise errechnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der räumliche Verlauf des Bohrlochs nach Neigungswinkel und Neigungsrichtung über
der Tiefe ermittelt und graphisch oder tabellarisch dargestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßwerte des Neigungswinkels a mittels des Inklinometers über der Zeit gemessen
und gespeichert werden und daß die Einspannlage des Bohrgestänges mittels eines separaten,
außerhalb des Bohrlochs befindlichen Meßgerätes über der Zeit gemessen und gespeichert
wird und daß der räumliche Verlauf des Bohrlochs ermittelt wird, indem die Meßwerte
des Neigungswinkels und die Einspannlage über der Zeit korreliert werden.
11. Vorrichtung zum Vermessen eines Bohrlochs im Boden, das an der Bodenoberfläche einen
Eintrittspunkt und an seinem unteren Ende einen Fußpunkt hat, welche
ein antreibbares Bohrgestänge (16), das rohrförmig ausgebildet ist,
eine Gestängeführung (15) für das Bohrgestänge (16) mit einem tiefsten Einspannpunkt
(20) nahe dem Eintrittspunkt (17),
eine Bohrkrone (19) am vorderen Ende des Bohrgestänges (16),
ein erstes Inklinometer (21) zum Messen eines Neigungswinkels a, das hinter der Bohrkrone
(19) im Bohrgestänge (16) angeordnet ist, und ein zweites Inklinometer (22) zum Messen
eines Neigungswinkels αk, das oberhalb der Gestängeführung (15) für das Bohrgestänge angeordnet ist,
Mittel zur Messung der Länge 1 des ab der Gestängeführung (15) freikragenden Bohrgestänges
(16) sowie
Mittel zur Markierung einer vorgegebenen Drehstellung des Bohrgestänges (16) gegenüber
einer Referenzrichtung umfaßt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest das erste Inklinometer (21) eine unabhängige Stromquelle, einen Zeitgeber
und einen Datenspeicher zum Speichern von gemessenen Neigungswinkeln und Zeiten umfaßt.