Verfahren und Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden durch Verdrängerbohren

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden durch Verdrängerbohren, bei dem ein Bohrstrang (10), der in einem unteren Bereich einen querschnittsvergrößerten Verdrängerbereich (20) aufweist, drehend in den Boden eingefahren wird. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass Betriebsparameter des Bohrstranges beim Einfahren des Bohrstranges in den Boden erfasst werden, und dass die Betriebsparameter zur Bestimmung der Tragfähigkeit der Bohrung herangezogen werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden durch Verdrängerbohren, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden durch Verdrängerbohren, bei dem ein Bohrstrang, der in einem unteren Bereich zumindest einen querschnittsvergrößerten Verdrängerbereich aufweist, drehend in den Boden eingefahren wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Erdboden durch Verdrängerbohren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Eine solche Vorrichtung ist ausgebildet mit einem Bohrstrang, der in einem unteren Bereich zumindest einen querschnittsvergrößerten Verdrängerbereich aufweist, und einer Antriebseinrichtung zum drehenden Antreiben und axialen Verschieben des Bohrstranges.

[0003] Bei einem bekannten Verdrängerbohrverfahren wird ein Bohrstrang, der im Bereich seines bodenseitigen Endes einen Verdrängerbereich aufweist, in den Boden eingebracht. In diesem Verdrängerbereich ist der Bohrstrang verglichen mit darunter angeordneten Bohrstrangbereichen durchmessergrößer ausgebildet. Im Verdrängerbereich wird anstehendes Bohrmaterial unter Ausbildung eines Hohlraumes und unter Verdichtung benachbarter Bodenbereiche radial bezüglich dem Bohrstrang verdrängt. In den entstehenden Hohlraum kann ein Füllmaterial zur Bildung eines Gründungselementes eingebracht werden. Verfahren zum Verdrängerbohren gehen beispielsweise aus der DE 103 44 353 A1 und der DE 42 20 976 C1 hervor.

[0004] Zur Tragfähigkeitsbestimmung sind Rammsondierungen, beispielsweise der "Standard Penetration Test" (SPT) bekannt. Beim Standard Penetration Test wird eine normierte Rammsonde in den Boden eingebracht und die Zahl der Rammschläge gemessen, die für das Einbringen der Sonde um eine bestimmte Distanz erforderlich sind. Durch Verrechnung der ermittelten Schlagzahl mit empirischen Faktoren auf Basis der Bodenart kann die Grenztragfähigkeit von Pfählen abgeschätzt werden. Bei einem Verdrängerbohrverfahren kann ein solches Vorgehen jedoch vergleichsweise aufwändig sein, da zusätzlich zur Bohreinrichtung auch eine Rammeinrichtung bereitgestellt werden muss. Darüber hinaus kann die Genauigkeit für bestimmte Anwendungsfelder nicht hinreichend hoch sein.

[0005] Die EP 0 842 329 B1 offenbart ein Bohrverfahren, bei dem anstehendes Bodenmaterial mittels einer Bohrschnecke längs eines Bohrgestänges zutage gefördert wird, ohne dass ein radiales Verdrängen gegeben ist. Dabei ist vorgesehen, die Drehgeschwindigkeit, die Eindringrate und/oder das Drehmoment an der Bohrschnecke zu bestimmen und derart zu kontrollieren, dass die Schneckenwendeln mit Bodenmaterial beladen sind, welches von der Schneckenspitze stammt. Insbesondere soll die Eindringgeschwindigkeit so an die Fördergeschwindigkeit des Schneckenbohrers angepasst werden, dass weder zu viel Material gefördert wird und ein Verstopfen der Schneckenwendeln droht, noch zu wenig Material gefördert wird und ein Einstürzen des Bohrlochs droht.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verdrängerbohrverfahren und eine Verdrängerbohrvorrichtung anzugeben, welche in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise die Erstellung von Bohrungen erlauben.

[0007] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsparameter des Bohrstranges beim Einfahren des Bohrstranges in den Boden erfasst werden und dass die Betriebsparameter zur Bestimmung der Tragfähigkeit der Bohrung herangezogen werden.

[0009] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Zusammenhang zwischen den beim Einbringen eines Verdrängerbohrwerkzeuges in den Boden herrschenden Betriebsparametern und der Tragfähigkeit der hierbei entstehenden Bohrung besteht. Dieser Zusammenhang kann unter anderem darin begründet liegen, dass beim Verdrängerbohren eine gezielte radiale Verdrängung und somit Verdichtung des umgebenden Bodenmaterials stattfindet, wobei die Verdichtungseigenschaften wiederum mit der Tragfähigkeit zusammenhängen.

[0010] Gemäß der Erfindung wird die Tragfähigkeit aufgrund von Messungen ermittelt, die unmittelbar während des Herstellens der Verdrängerbohrung am Verdrängerbohrwerkzeug getätigt werden. Das aufwändige Niederbringen spezieller Sondierungsbohrungen mittels eigenständiger Sondierungsvorrichtungen kann somit entfallen, so dass erfindungsgemäß ein besonders niedriger Aufwand und eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit gegeben sind. Da darüber hinaus die Tragfähigkeitsdaten unmittelbar an der eigentlichen Bohrung selbst bestimmt werden können und nicht an von der Bohrung beabstandeten Sondierungsstellen ermittelt werden müssen, ist erfindungsgemäß eine besonders genaue Tragfähigkeitsbestimmung möglich, welche die Bodenverhältnisse an der eigentlichen Bohrung besonders gut widerspiegelt.

[0011] Geeigneterweise wird ein beim Einfahren des Bohrstranges im Boden gebildeter Hohlraum mit einem insbesondere aushärtbaren Füllmaterial verfüllt, wodurch ein Gründungselement erhalten werden kann. Bei der bestimmten Tragfähigkeit kann es sich in diesem Fall um die Tragfähigkeit des Gründungselementes handeln. Das Verfüllen kann während und/oder nach dem Einfahren des Bohrstranges erfolgen.

[0012] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zumindest das Drehmoment am Bohrstrang, die Eindringtiefe des Bohrstranges pro Umdrehung und/oder die Eindringkraft des Bohrstranges als Betriebsparameter herangezogen. Dies erlaubt eine besonders genaue Charakterisierung des durchörterten Bodens und somit eine besonders genaue Bestimmung der Tragfähigkeit. Es können zum Bestimmen der genannten Messgrößen auch weitere Messgrößen herangezogen werden, die mit zumindest einer der genannten Messgrößen in einer Beziehung stehen. Beispielsweise kann der Hydraulikdruck an einem Hydraulikdrehantrieb für den Bohrstrang bestimmt werden und hieraus das Drehmoment am Bohrstrang ermittelt werden.

[0013] Besonders vorteilhaft ist es, dass zur Bestimmung der Tragfähigkeit der Bohrung ein Quotient aus dem Drehmoment am Bohrstrang und der Eindringtiefe des Bohrstranges pro Umdrehung gebildet wird und hieraus eine Tragfähigkeitskennzahl ermittelt wird.

[0014] Die Tragfähigkeitskennzahl α kann eine Funktion f des Quotienten des Drehmomentes M am Bohrstrang zur Eindringtiefe des Bohrstranges pro Umdrehung

sein:

[0015] Insbesondere kann die Kennzahl α unmittelbar das Verhältnis vom Drehmoment M, mit dem der Bohrstrang beaufschlagt wird, zur Eindringtiefe pro Umdrehung

sein:

[0016] Die Kennzahl α kann beispielsweise die Bodenart der durchörterten Bodenschicht charakterisieren.

[0017] Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die ermittelten Betriebsparameter und/oder die ermittelte Tragfähigkeitskennzahl zur Bestimmung der Tragfähigkeit mit einer Wertetabelle verglichen werden. Hierdurch wird eine besonders einfache Tragfähigkeitsbestimmung ermöglicht. Die Wertetabelle kann beispielsweise empirisch ermittelt werden.

[0018] Eine besonders einfache und wirtschaftliche Tragfähigkeitsbestimmung ist nach der Erfindung ferner dadurch gegeben, dass zum Ermitteln einer Zuordnungsvorschrift zwischen den Betriebsparametern und der Tragfähigkeit und/oder einer Zuordnungsvorschrift zwischen der Tragfähigkeitskennzahl und der Tragfähigkeit vorab Probebohrungen in Bodenschichten mit bekannten Eigenschaften durchgeführt werden. Durch Vergleich der in unbekannten Bodenschichten ermittelten Betriebsparameter und/oder der hierin ermittelten Tragfähigkeitskennzahl mit den bei den Probebohrungen ermittelten Werten kann auf die Tragfähigkeit der unbekannten Bodenschicht geschlossen werden. Insbesondere kann die Tragfähigkeit der unbekannten Bodenschicht mit der Tragfähigkeit einer bekannten Bodenschicht gleichgesetzt werden, sofern zwischen den Betriebsparametern und/oder der Tragfähigkeitskennzahl zumindest annähernd Übereinstimmung besteht. Die Probebohrungen dienen somit zur Kalibrierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Eigenschaften der Bodenschichten, in denen die Probebohrungen vorgenommen werden, insbesondere deren Tragfähigkeit, werden vorzugsweise messtechnisch ermittelt. Hierzu kann ein beliebiges bekanntes Verfahren, beispielsweise ein Rammsondierungsverfahren, zum Einsatz kommen.

[0019] Für eine besonders genaue Charakterisierung des durchörterten Bodens ist es vorteilhaft, dass zumindest einer der Betriebsparameter in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Bohrstranges im Boden erfasst wird. Vorzugsweise werden alle zur Tragfähigkeitsbestimmung verwendeten Betriebsparameter tiefenabhängig erfasst. Eine tiefenabhängige Erfassung erlaubt es, die Lage und/oder die Mächtigkeit tragfähiger Schichten zu ermitteln. Insbesondere kann der eindringtiefenabhängige Betriebsparameter zur Bestimmung eines Tiefenprofils der Tragfähigkeit herangezogen werden. Beispielsweise kann die Tragfähigkeitskennzahl über der Eindringtiefe des Bohrstranges ermittelt werden, wodurch das Tiefenprofil der Tragfähigkeit charakterisiert werden kann.

[0020] Ferner ist nach der Erfindung vorteilhaft, dass zumindest einer der Betriebsparameter für vorher bestimmte Eindringtiefebereiche des Bohrstranges im Boden ermittelt wird. Die Eindringtiefebereiche können beispielsweise etwa 3 Meter betragen. Durch eine solche bereichsweise Messung kann der Aufwand bei der Datenerfassung verringert werden. Eine bereichsweise Ermittlung der Betriebsparameter bringt darüber hinaus eine gewisse Mittelwertbildung mit sich, so dass kurzzeitige Schwankungen in den Betriebsparametern, die von lokalen Inhomogenitäten im Boden herrühren, nicht übermäßig ins Gewicht fallen.

[0021] Zur Bestimmung der Tragfähigkeit aus den Betriebsparametern und/oder zur Bestimmung der Tragfähigkeitskennzahl ist geeigneterweise eine Rechenvorrichtung, insbesondere ein Computer, vorgesehen, der mit Aufnehmern für die Betriebsparameter und/oder für Messgrößen, die mit den Betriebsparametern in Beziehung stehen, in Signalverbindung steht.

[0022] Besonders vorteilhaft ist es, dass eine Endtiefe der Bohrung in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebsparametern, insbesondere von der ermittelten Tragfähigkeitskennzahl, eingestellt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, automatisch so weit zu bohren, bis eine Bodenschicht mit einer vorher bestimmten Grenztragfähigkeit erreicht ist.

[0023] Insbesondere für einen besonders hohen Bohrfortschritt ist es vorteilhaft, dass der Bohrstrang im Bereich des Verdrängerbereiches zumindest eine Förderwendel aufweist. Vorzugsweise kann die Förderwendel zwischen der Bohrstrangspitze und dem Verdrängerbereich vorgesehen sein und dazu dienen, am Bohrstrang anstehendes Bodenmaterial abzuarbeiten und zum Verdrängerbereich zu fördern.

[0024] Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Erfassen von Betriebsparametern des Bohrstranges beim axialen Einfahren des Bohrstranges in den Boden vorgesehen sind, und dass eine Recheneinrichtung vorgesehen ist, welche die Betriebsparameter zur Bestimmung der Tragfähigkeit der Bohrung in eine mathematische Beziehung setzt.

[0025] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein, wodurch sich die in diesem Zusammenhang erläuterten Vorteile erzielen lassen.

[0026] Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die schematisch in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind. Hierbei zeigt schematisch:

Fig. 1

eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0027] Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdrängerbohrvorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Bohrstrang 10 auf, der mittels einer Antriebseinrichtung 41 in Pfeilrichtung in Drehung versetzt werden kann und in Pfeilrichtung axial verfahren werden kann. Nahe seiner Spitze weist der Bohrstrang 10 einen Verdrängerbereich 20 auf, in welchem der Bohrstrang 10 verglichen mit den darüber und den darunter angeordneten Bereichen durchmessergrößer ausgebildet ist. Auf der der Spitze des Bohrstranges 10 zugewandten Seite des Verdrängerbereiches 20 ist am Bohrstrang 10 eine erste Förderwendel 11 angeordnet. Auf der der Spitze des Bohrstranges 10 abgewandten Seite des Verdrängerbereiches 20 ist eine zweite Förderwendel 12 am Bohrstrang 10 vorgesehen.

[0028] Beim rotierenden Einfahren des Bohrstranges 10 in den Boden 3 wird an der Spitze des Bohrstranges 10 anstehendes Bodenmaterial abgearbeitet. Dieses abgearbeitete Bodenmaterial wird von der unteren Förderwendel 11 längs des Bohrstranges 10 in den Verdrängerbereich 20 gefördert. Aufgrund der Durchmesservergrößerung des Bohrstranges 10 im Verdrängerbereich 20 wird das axial geförderte abgearbeitete Bodenmaterial dabei radial zum Bohrgestänge 10 verdrängt und in benachbarte Bodenbereiche eingepresst. Somit wird im Boden 3 eine Bohrung 1 erstellt, ohne dass abgearbeitetes Bodenmaterial zutage tritt und als Aushub anfällt.

[0029] Die zur ersten Förderwendel 11 gegenläufig angeordnete obere Förderwendel 12 dient zum Zuführen von Bodenmaterial, welches aus oberen Bohrungsbereichen in die Bohrung 1 einbricht, zum Verdrängerbereich 20, wo es ebenfalls radial in benachbarte Bodenbereiche eingepresst wird.

[0030] In einem oberen Bereich des Bohrstranges 10 ist dieser glatt, das heißt ohne Förderwendel ausgebildet. Eine zutage tretende Förderwendel ist bei einem Verdrängerbohrverfahren nicht erforderlich, da das abgearbeitete Bodenmaterial im Boden verbleibt.

[0031] Am Bohrstrang 10 ist eine Aufnehmereinrichtung 51 vorgesehen, mit der die Eindringtiefe des Bohrstranges 10 pro Umdrehung des Bohrstranges 10 bestimmt werden kann. Eine weitere Aufnehmereinrichtung 52 ist an der Antriebseinrichtung 41 vorgesehen und dient zur Bestimmung des Drehmomentes, mit dem der Bohrstrang 10 von der Antriebseinrichtung 41 beaufschlagt wird. Darüber hinaus kann mit der Aufnehmereinrichtung 52 die axial gerichtete Eindringkraft am Bohrstrang 10 bestimmt werden. Beide Aufnehmereinrichtungen 51 und 52 stehen mit einer Recheneinrichtung 53 in Signalverbindung, insbesondere in Leitungsverbindung. Diese Recheneinrichtung 53 dient zur Bestimmung der Tragfähigkeit der Bohrung 1 aus dem aufgenommenen Drehmoment, der aufgenommenen Eindringtiefe pro Umdrehung und der aufgenommenen Eindringkraft. Insbesondere kann die Recheneinrichtung 53 dazu dienen, aus den genannten Werten eine Tragfähigkeitskennzahl α zu bestimmen.

[0032] Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der von der Bohrung 1 durchörterte Boden 3 drei übereinander angeordnete Bodenschichten 4, 4', 4" mit unterschiedlicher Tragfähigkeit auf. Demgemäß ermittelt die Rechenvorrichtung 53 beim schrittweisen Durchdringen der Bodenschichten 4, 4', 4" jeweils eine unterschiedliche Tragfähigkeitskennzahl α, α', α".

Ansprüche

1. Verfahren zum Erstellen einer Bohrung (1) im Boden (3) durch Verdrängerbohren, bei dem

- ein Bohrstrang (10), der in einem unteren Bereich zumindest einen querschnittsvergrößerten Verdrängerbereich (20) aufweist, drehend in den Boden (3) eingefahren wird,

dadurch gekennzeichnet,

- dass Betriebsparameter des Bohrstranges (10) beim Einfahren des Bohrstranges (10) in den Boden (3) erfasst werden, und

- dass die Betriebsparameter zur Bestimmung der Tragfähigkeit der Bohrung (1) herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest das Drehmoment am Bohrstrang (10), die Eindringtiefe des Bohrstranges (10) pro Umdrehung und/oder die Eindringkraft des Bohrstranges (10) als Betriebsparameter herangezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Tragfähigkeit der Bohrung (1) ein Quotient aus dem Drehmoment am Bohrstrang (10) und der Eindringtiefe des Bohrstranges (10) pro Umdrehung gebildet wird und hieraus eine Tragfähigkeitskennzahl (α) ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ermittelten Betriebsparameter und/oder die ermittelte Tragfähigkeitskennzahl (α) zur Bestimmung der Tragfähigkeit mit einer Wertetabelle verglichen werden.

5. Verfahren nach einem der der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Ermitteln einer Zuordnungsvorschrift zwischen den Betriebsparametern und der Tragfähigkeit und/oder zum Ermitteln einer Zuordnungsvorschrift zwischen der Tragfähigkeitskennzahl (α) und der Tragfähigkeit vorab Probebohrungen in Bodenschichten mit bekannten Eigenschaften durchgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest einer der Betriebsparameter in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Bohrstranges (10) im Boden (3) erfasst wird, wobei der eindringtiefenabhängige Betriebsparameter insbesondere zur Bestimmung eines Tiefenprofils der Tragfähigkeit herangezogen wird.

7. Verfahren nach einem der der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest einer der Betriebsparameter für vorher bestimmte Eindringtiefebereiche des Bohrstranges (10) im Boden (3) ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Endtiefe der Bohrung (1) in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebsparametern eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bohrstrang (10) im Bereich des Verdrängerbereiches (20) zumindest eine Förderwendel (11, 12) aufweist.

10. Verfahren nach einem der der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein beim Einfahren des Bohrstranges (10) im Boden (3) gebildeter Hohlraum mit einem insbesondere aushärtbaren Füllmaterial verfüllt wird und ein Bohrpfahl gebildet wird.

11. Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung (1) im Boden (3) durch Verdrängerbohren, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit

- einem Bohrstrang (10), der in einem unteren Bereich zumindest einen querschnittsvergrößerten Verdrängerbereich (20) aufweist, und

- einer Antriebseinrichtung zum drehenden Antreiben und axialen Verschieben des Bohrstranges (10),

dadurch gekennzeichnet,

- dass Mittel zum Erfassen von Betriebsparametern des Bohrstranges (10) beim axialen Einfahren des Bohrstranges (10) in den Boden (3) vorgesehen sind, und

- dass eine Recheneinrichtung (53) vorgesehen ist, welche die Betriebsparameter zur Bestimmung der Tragfähigkeit der Bohrung (1) in eine mathematische Beziehung setzt.

Zeichnung