Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie dabei einsetzbare Vorrichtungen zur grabenlosen Verlegung von Rohrleitungen im Boden.

In der Vergangenheit wurden zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, um Rohrleitungen grabenlos im Boden zu verlegen und somit sensible Bereiche an der Geländeoberfläche zu unterqueren, für die eine Verlegung im offenen Rohrgraben aus technischen, ökologischen, rechtlichen oder wirtschaftlichen Gründen nicht möglich oder angeraten erschien. Dies kann z.B. dort der Fall sein, wo die Oberfläche im Verlegungsbereich mit schweren Baumaschinen nicht befahren werden kann (z.B. Moore, Gewässer) oder wo aus ökologischer Sicht keine Baugenehmigung erteilt werden kann (z.B. in Naturschutzgebieten) oder wo der Einsatz der konventionellen Verlegetechniken zu teuer würde (z.B. bei großen Verlegetiefen und hohem Grundwasserstand).

In der Literatur finden sich umfassende Werke zu den bereits eingesetzten und erprobten Verlegeverfahren (z.B. Stein, D., Grabenloser Leitungsbau, 2003 Emst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin, ISBN 3-433-01778-6). Dabei hat sich eine Einteilung der Verfahren an Hand der Steuerbarkeit (gesteuerte/ungesteuerte Verfahren), der Bodenbehandlung (Bodenverdrängung/Bodenentnahme), des Bohrkleintransports (mechanisch, hydraulisch) sowie der Anzahl der Arbeitsschritte (Pilotbohrung, Aufweitbohrung, Einzieh- bzw. Einschubvorgang) bewährt. Weitere Unterscheidungsmerkmale sind z.B. die grundsätzliche geometrische Ausbildung der Bohrachse (geradlinig, gekrümmt) sowie die mittels des jeweiligen Verfahrens zu verlegenden Rohrmaterialien (z.B. Beton, PE, Guss, Stahl etc.). Außerdem sind auch die erreichbaren Bohrungsdimensionen (Länge, Durchmesser, Volumen) mitunter schon geeignet, bestimmte Verfahren der gleichen oder einer anderen Gruppe von Verfahren zuzuordnen.

Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist die gesteuerte Horizontalbohrtechnik (Spülbohrverfahren, Horizontal Directional Drilling, HDD). EP-A-1 126 130 offenbart ein solches Verfahren zum grabenlosen Verlegen von Rohren entlang einer vorgegeben Bohrlinie. Dafür wird eine Pilotbohrung erstellt, und eine Rohrleitung mit einer Bohrvorrichtung und dem Bohrstrang der Pilotbohrung verbunden und mittels einer Vorschubvorrichtung und dem Ziehen des Bohrstrangs der Pilotbohrung wird die Rohrleitung eingebracht. Die Richtung wird dabei durch den Bohrstrang vorgegeben. Mit diesem dreiphasigen Verfahren (Pilotbohrung, Aufweitbohrung, Einziehvorgang) lassen sich ausschließlich zugfeste Rohrleitungen (z.B. aus Stahl, PE oder Guss) verlegen. Die geometrischen Verlegeleistungen liegen bei über 2.000 m und die erreichbaren Rohrdurchmesser bei maximal ca. 1.400 mm.

Obwohl sich die steuerbare Horizontalbohrtechnik weltweit als zuverlässige Verlegemethode in geeigneten Bodenformationen erwiesen hat, sind dennoch einige ökologische, technische und ökonomische Nachteile festzustellen.

So sind für die Durchführung der Arbeiten geeignet große Arbeitsflächen (einige tausend Quadratmeter) auf beiden Seiten des zu unterquerenden Hindernisses erforderlich (so genannte Rigsite und Pipesite). Diese Flächen sind insbesondere in ökologisch sensiblen Gebieten nicht immer vorhanden oder implizieren bei Nutzung einen entsprechend negativen Einfluss auf die Umwelt.

Ein weiteres bekanntes Verfahren ist das Microtunneling (MT). Hierbei wird in der Regel aus einem Startschacht oder einer Startbaugrube heraus eine gesteuerte, mitunter gekrümmte Bohrung zu einem Zielschacht oder einer Zielbaugrube erstellt. Charakteristisch für dieses Verfahren ist, dass Pilotbohrung, Aufweitbohrung und Einschubvorgang der Rohre in einem einzigen Arbeitsschritt verwirklicht werden. Dieser kombinierte Arbeitsschritt wird grundsätzlich schiebend bzw. drückend aus dem Startschacht bzw. der Startbaugrube heraus durchgeführt und die nicht zugfest miteinander verbundenen Vortriebsrohre entsprechen in der Regel gleichzeitig den zu verlegenden Produktrohren. Mit dem MT-Verfahren können Bohrungslängen über 500 m und Bohrlochdurchmesser von mehr als 2.000 mm erreicht werden. Ein solches Verfahren ist aus US 4 121 673 A, dass der nächstliegende Stand der Technik angesehen wird, bekannt. Dort wird eine Unterquerung eines Flusses mittels des Microtunneling mit einer steuerbaren Bohrvorrichtung hergestellt. Die Bohrkraft wird über gebogene Betonabschnitte mittels eines Pressrahmens aus die Bohrvorrichtung aufgebracht und die Betonabschnitte werden dabei einzeln eingepresst. Es wird durch das Einbringen der Betonabschnitte ein Schutztunnel verlegt, in den dann später eine Rohrleitung eingebracht wird.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist z.B. darin zu sehen, dass die Vortriebsrohre, die gewöhnlich aus Beton hergestellt sind, in der Bohrung verbleiben, was hohe Kosten für das Herstellen der Bohrung bewirkt. Die Verwendung von Stahl- oder PE-Rohren ist beim MT zwar prinzipiell möglich, jedoch auf Grund der damit verbundenen technischen Schwierigkeiten unüblich. PE-Rohre weisen z.B. eine sehr geringe Druckfestigkeit auf und begrenzen damit direkt die mögliche Verlegereichweite. Stahlrohre sind zwar axial hoch zu belasten, müssen aber ebenfalls im Startbereich Rohr für Rohr eingebaut und dabei miteinander verschweißt werden. Ein Einsatz für Hochdruckrohrleitungen als Öl- oder Gaspipeline ist auf diese Weise nicht möglich.

Weiterhin ist aus WO-A-2006/014417 ein Bohrverfahren zum Bohren einer horizontalen, oberflächennahen Bohrung als gerichtete Bohrung zu einer Zielgrube bekannt. Zum Einsatz kommt ein zweischalig aufgebauter, flexibler Bohrstrang. Der Bohrstrang ist aufgetrommelt und wird gemäß dem Coil tubing Verfahren während des Bohrfortschritts abgetrommelt. Der innere Teil des Bohrstrangs dient zur Übertragung eines Drehmoments auf das im Bohrloch befindliche Bohrwerkzeug. Der äußere Teil des Bohrstrangs dient zum Lenken der Bohrung. An der sich im Bohrloch befindlichen Seite des Bohrstrangs ist ein Bohrwerkzeug angeflanscht. Der Antrieb erfolgt über den inneren Teil des Bohrstrangs. Zum Vorschieben ist eine Vorschubvorrichtung Übertage vorgesehen. Zwischen den Bohrstrangteilen ist Bohrflüssigkeit vorgesehen. Der äußere Teil kann aus Polyethylen hergestellt sein. Der innere Teil ist als Stahlfederkonstruktion um einen flexiblen Kern vorgesehen.

US-A-2002/195255 offenbart eine Bohrvorrichtung zum Erstellen von abgelenkten Tiefbohrungen, bei der der Bohrstrang flexibel ist und aufgetrommelt vorliegt. Der Bohrstrang wird ebenfalls gemäß dem Coil tubing Verfahren während des Bohrfortschritts abgetrommelt. Am Ende des Bohrstrangs ist eine Bohrvorrichtung vorgesehen. Die Bohrvorrichtung ist im Bohrloch mit einem hydraulischen Antrieb versehen. Der Bohrstrang wird während des Bohrens vorgeschoben, bis die Zielposition oder die Lagerstätte erreicht ist. Coil-Tubing-Verfahren haben zwar einen Bohrstrang, der in einem Stück vorbereitet ist, dieser eignet sich aber nicht als Produktrohrleitung. Weiterhin ist der Durchmesser des Bohrstrangs begrenzt

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine grabenlose Verlegung von Druckrohrleitungen zu besonders ökologischen und ökonomischen Bedingungen möglich ist, und womit die zuvor genanten Nachteile im Wesentlichen überwunden werden.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gelöst durch ein Verfahren zum Verlegen von Rohren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch das einstückige Verlegen der Rohleitung, bei der es sich um die spätere Produktionsleitung handelt, kann im Vorfeld eine Qualitätsprüfung vorgenommen werden, da die Rohrleitung in Gänze fertig gestellt ist, bevor mit dem Verlegen begonnen wird. Es kann eine Druckprüfung und insbesondere eine Prüfung der Stöße wie der Umhüllung als auch eine Versiegelung der Stöße vorgenommen werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nun möglich, eine zertifizierte und geprüfte Produktleitung kostengünstig und schnell einzubringen.

Dadurch, dass der Außendurchmesser der Bohrvorrichtung gemäß Patentanspruch 2 größer ist, als die Rohrleitung wird zusätzlich gewährleistet, dass die Umhüllung der Rohrleitung möglichst wenig belastet wird.

Das Verfahren gemäß Patentanspruch 3 ermöglicht ein schnelles und damit kostengünstiges Verlegen, da Rüstzeiten, wie sie beispielsweise beim Microtunneling 50% der Betriebszeit einer Bohr- und Verlegeanlage ausmachen können, nahezu gänzlich vermieden werden.

Der Vorteil der Bohrvorrichtung gemäß Patentanspruch 4 ist, dass es durch den Schneidring möglich ist, im Fall eines Notwendigwerdens des Zurückziehens des Rohrleitungsstrangs während des Bohrens beispielsweise aufgrund von Gesteinsschwierigkeiten, Nachfall oder Durchmesserabsenkungen des Bohrlochs Beschädigungen der Rohrleitung zu vermeiden. Des Weiteren ermöglichen die in bevorzugter Weise separat vorgesehenen Vor-Ort-Antriebe des Schneidwerkzeugs und des Schneidrings ein optimales Anpassen der jeweiligen Vortriebsparameter in jede Richtung.

Eine Ausführungsform gemäß Patentanspruch 5 ermöglicht eine optimale Anordnung des Schneidrings an der Bohrvorrichtung und einen optimalen Einsatz des Schneidrings für die Verwendung bei einem Einsatz zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Patentanspruch 6 zeigt eine vorteilhafte Ausführung zum erreichen der Steuerbarkeit des Bohrkopfes. Der vorteilhafterweise integrierte Brecher gemäß Patentanspruch ermöglicht eine bessere Abfuhr des Bohrkleins, da das Bohrklein größenhomogenisiert nach dem Brechen zur Abförderung vorliegt. Der Einsatz von Hochdruckdüsen gemäß Patentanspruch 8 ermöglicht einen besonders effizienten und hinsichtlich material- und Verschleißkosten kostengünstigen Gesteinsabtrag während des Bohrens. Das Auffüllen des Ringraums zwischen Bohrlochwand und Rohrleitung bewirkt neben der Funktion des Offenhaltens des Bohrlochs auch eine Schmierung zwischen Bohrloch und Umhüllung der Rohrleitung, wodurch sich die Rohrleitung mit geringerem Kraftaufwand und damit kostengünstiger in die fortschreitende Bohrung verlegen lässt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Rohrleitung von einem Startpunkt unter einem Hindernis zu einem Zielpunkt verlegt, wobei die Erstellung des Bohrlochs und die Verlegung der an der Geländeoberfläche in einem Stück vorgefertigten Rohrleitung in einem Arbeitsschritt ausgeführt werden, sich am vorderen Ende der Rohrleitung eine steuerbare Bohrvorrichtung befindet, eine nahe dem Startpunkt angebrachte Schubvorrichtung von außen auf die Rohrleitung Schubkräfte ausübt und dadurch die Rohrleitung vom Start- zum Zielpunkt geschoben wird, wobei gleichzeitig die für den Bohrvorgang erforderlichen Andruckkräfte ausgeübt werden, der während des Bohrvorgangs von der Bohrvorrichtung gelöste Boden entnommen und über eine Förderleitung im Inneren der Rohrleitung hydraulisch aus dem Bohrloch gefördert wird und der während des Verlegevorgangs entstehende Ringraum zwischen Rohrleitung und Bohrlochwand kontinuierlich mit einer geeigneten Bohrspülung gefüllt wird.

Die Kombination dieser Merkmale wird von keinem der existierenden Verfahren erfüllt.

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit in einem Stück vorgefertigte (Druck)-Rohrleitungen zu optimierten ökologischen und ökonomischen Bedingungen im Boden verlegt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in

• Fig. 1 eine schematische Darstellung von prinzipiellen Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens, und zwar in Teil
  1. a) eine Bohrlinie von einer Baugrube unter einem Hindernis zu einer Baugrube
  2. b) eine Bohrlinie von einer Baugrube unter einem Hindernis zu einem Schacht
  3. c) eine Bohrlinie von einer Baugrube unter einer Uferlinie zu einem Zielpunkt am Gewässerboden
• Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Bohrlinie von einer Baugrube unter einem Hindernis zu einer Baugrube, und zwar in Teil
  1. a) prinzipielle Darstellung der Montage der Bohrvorrichtung an die vorbereitete Rohrleitung
  2. b) prinzipielle Darstellung der Verlegung der Rohrleitung
  3. c) prinzipielle Darstellung der Erreichung des Zielpunkts mit der Bohrvorrichtung
  4. d) prinzipielle Darstellung des Rückzugs der Demontage der Bohrvorrichtung sowie ggf. Einkürzung der Rohrleitung am Startpunkt
• Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Bohrlinie von einer Baugrube unter einer Uferlinie zu einem Zielpunkt am Gewässerboden, und zwar in Teil
  1. a) prinzipielle Darstellung der Montage der Bohrvorrichtung an die vorbereitete Rohrleitung
  2. b) prinzipielle Darstellung der Verlegung der Rohrleitung
  3. c) prinzipielle Darstellung der Erreichung des Zielpunkts mit der Bohrvorrichtung
  4. d) prinzipielle Darstellung des Rückzugs der Demontage der Bohrvorrichtung sowie ggf. Einkürzung der Rohrleitung am Startpunkt
• Fig.4 eine prinzipielle Darstellung der wesentlichen maschinentechnischen Komponenten des erfindungsgemäßen Verfahrens

Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie die dabei einsetzbaren Vorrichtungen für typische Anwendungsfälle beispielhaft und detailliert beschrieben.

Im ersten Beispiel (siehe Fig. 2a - 2d) befindet sich der Startpunkt 1 in einer Startbaugrube 2 und der Zielpunkt 3 in einer Zielbaugrube 4.

Zunächst wird in der Startbaugrube 1 eine Bohrvorrichtung 6 vorbereitet und mit der Rohrleitung 8 verbunden. Gleichzeitig wird die Schubvorrichtung 5 positioniert und verankert. Bei der Bohrvorrichtung 6 handelt es sich im Wesentlichen um eine übliche Microtunnel-Bohrvorrichtung bzw. Rohrvortriebs-Vorrichtung (Fig. 2a).

Unter Rohrleitung wird in dieser ganzen Anmeldung eine Leitung aus Rohren verstanden, die als ganze Leitung ein Produkt wie Gas oder Öl, auch unter Hochdruckbedingungen, leitet, im Gegensatz zu einer das Bohrloch stützenden Leitung wie beim Microtunneling oder Vortriebsrohren oder Bohrgestänge.

Mit Hilfe der Bohrvorrichtung 6 wird eine Bohrung entlang einer vorgegebenen Bohrlinie 7 unter einem Hindernis 9 aufgefahren, wobei die Bohrvorrichtung 6 von der Schubvorrichtung 5 über die Rohrleitung 8 mit der für den Bohrvorgang erforderlichen Andruckkraft beaufschlagt wird. Die Vermessung der Position der Bohrvorrichtung 6 und die Steuerung desselben entlang der vorgegebenen Bohrlinie 7 erfolgen ebenfalls gemäß den gängigen Techniken des gesteuerten Rohrvortriebs (Fig. 2b).

Der Bohrvorgang entlang der Bohrlinie 7 wird solange fortgesetzt, bis die Bohrvorrichtung 6 den Zielpunkt 3 in der Zielbaugrube 4 erreicht hat (Fig. 2c).

Nun werden in einem abschließenden Arbeitsschritt die Bohrvorrichtung 6 von der Rohrleitung 8 entfernt und die Schubvorrichtung 5 demontiert und entfernt. Falls erforderlich wird die Rohrleitung 8 im Bereich der Startbaugrube 2 eingekürzt (Fig. 2d).

Im zweiten Beispiel (siehe Fig. 3a - 3d) befindet sich der Startpunkt 1 in einer Startbaugrube 2 und der Zielpunkt 3 in einer Zielbaugrube 4.

Zunächst wird in der Startbaugrube 1 eine Bohrvorrichtung 6 vorbereitet und mit der Rohrleitung 8 verbunden. Gleichzeitig wird die Schubvorrichtung 5 positioniert und verankert. Bei der Bohrvorrichtung 6 handelt es sich im Wesentlichen um eine übliche Microtunnel-Bohrvorrichtung bzw. Rohrvortriebs-Vorrichtung (Fig. 3a).

Mit Hilfe der Bohrvorrichtung 6 wird eine Bohrung entlang einer vorgegebenen Bohrlinie 7 unter einem Hindernis 9 aufgefahren, wobei die Bohrvorrichtung 6 von der Schubvorrichtung 5 über die Rohrleitung 8 mit der für den Bohrvorgang erforderlichen Andruckkraft beaufschlagt wird. Die Vermessung der Position der Bohrvorrichtung 6 und die Steuerung desselben entlang der vorgegebenen Bohrlinie 7 erfolgen ebenfalls gemäß den gängigen Techniken des gesteuerten Rohrvortriebs (Fig. 3b).

Der Bohrvorgang entlang der Bohrlinie 7 wird solange fortgesetzt, bis die Bohrvorrichtung 6 den Zielpunkt 3 am Gewässerboden 10 erreicht hat (Fig. 3c).

Nun werden in einem abschließenden Arbeitsschritt die Bohrvorrichtung 6 von der Rohrleitung 8 entfernt und die Schubvorrichtung 5 demontiert und entfernt. Falls erforderlich wird die Rohrleitung 8 im Bereich der Startbaugrube 2 eingekürzt (Fig. 3d).

Im dritten Beispiel (siehe Fig. 4) sind die wesentlichen maschinentechnischen Komponenten des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wo in einer Startbaugrube 2 zunächst die aus einzelnen Modulen 13 bestehende Bohrvorrichtung 6 auf einem Führungsrahmen 22 montiert wird. Am vorderen Modul befindet sich ein Schneidrad 14 als Schneidwerkzeug mit Hochdruckdüsen und am hinteren Modul ein Schneidring 16, welcher zentrisch um ein Verbindungsmodul 15 angeordnet ist.

Am freien Ende des Verbindungsmoduls 15 wird anschließend die vorgefertigte und auf Rollenböcken 21 gelagerte Rohrleitung 8 zug- und druckfest angebracht. Nahe der Startbaugrube 2 befindet sich die Schubvorrichtung 5, die die für den Bohr- und Verlegevorgang erforderlichen Kräfte aufnimmt und ins Erdreich ableitet.

Die Versorgung und Steuerung der Bohrvorrichtung erfolgt über die Energie- und Steuerkabel 19, die Speiseleitung 18 (für die Zuleitung frischer Bohrspülung zum Schneidrad) sowie die Förderleitung 17 (zum Transport der mit Bohrklein beladenen Bohrspülung aus dem Bohrloch heraus). Alle diese Steuer- und Versorgungsleitungen bzw. -kabel verlaufen innerhalb der Rohrleitung 8 und werden aus der Rohrleitung 8 nach Erreichen des Zielpunkts 3 entfernt.

Außerhalb der Rohrleitung 8 werden die Energie- und Steuerkabel zum Steuerstand mit Energieversorgung 23 geführt. Die Speiseleitung 18 verbindet die Bohrspülungsmischanlage mit Pumpe 24 mit der Bohrvorrichtung 6 und leitet frische Bohrspülung zu, während die Förderleitung in der Bohrspülungsaufbereitungsanlage 26 endet. Dort wird die Bohrspülung vom Bohrklein gereinigt und über eine Verbindungsleitung 25 kann die nunmehr frische Bohrspülung wiederum der Bohrspülungsmischanlage mit Pumpe 24 zugeleitet werden (Bohrspülungskreislauf). Über Öffnungen, die am Verbindungsmodul 15 vorgesehen sind, wird frische Bohrspülung in den Ringraum zwischen Rohrleitung und Bohrloch gefüllt. Alternative kann auch Bohrspülung mit Bohrklein im Ringraum zurück zur Bohrspülungsaufbereitung geführt werden.

1

Startpunkt

2

Startbaugrube

3

Zielpunkt

4

Zielbaugrube

5

Schubvorrichtung

6

Bohrvorrichtung

7

Bohrlinie

8

Rohrleitung

9

Hindernis

10

Gewässerboden

11

Bohrlochwand

12

Bohrloch

13

Modul

14

Schneidrad

15

Verbindungsmodul

16

Schneidring

17

Förderleitung

18

Speiseleitung

19

Energie- und Steuerkabel

20

Widerlager

21

Rollenböcke

22

Führungsrahmen

23

Steuerstand mit Energieversorgung

24

Bohrspülungsmischanlage mit Pumpe

25

Verbindungsleitung

26

Bohrspülungsaufbereitungsanlage