Gebiet der Erfindung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen
und Vermessen von Düsenstrahlsäulen in einem Untergrund, umfassend ein Bohr- und Düsgestänge
zur Erzeugung eines Bohrlochs sowie einer Düsenstrahlsäule im Bereich des Bohrlochs.
Stand der Technik
[0002] Das Verfahren zum Herstellen von Düsenstrahlsäulen ist ein Verfahren des Spezialtiefbaus,
bei dem ein energiereicher Hochdruckstrahl aus Wasser und/oder Bindemittel aus einem
sich drehenden Bohr- und Düsgestänge austritt, dabei den umliegenden Boden in seiner
Lagerungsstruktur zerstört und anschließend durch Zugabe des Wassers und/oder des
Bindemittels vermörtelt.
[0003] Für das Lösen des Bodens und das Einbringen des Wassers und/oder des Bindemittels
werden verschiedene Verfahren angewendet, die sich beispielsweise in der Anzahl und/oder
Anordnung der Düsen in dem Bohr- und Düsgestänge sowie durch ein verwendetes Schneidmedium
unterscheiden. Welches Verfahren im Einzelfall von Vorteil ist, hängt von geologischen
Gegebenheiten wie Kornverteilung, Lagerungsdichte, Scherfestigkeit, Zustandsform,
organische Bestandteile und Druckfestigkeit des Bodens ab. Ein Bohr- und Düsenstrahlgestänge
ist beispielsweise aus der
DE 198 49 786 A1 bekannt.
[0004] Die Größe einer erzeugten Düsenstrahlsäule hängt neben der Beschaffenheit des Bodens
von einem Druck vor der Düse sowie von einem Durchmesser der Düse ab.
[0005] Je nach Anwendungsgebiet, werden mittels der Düsenstrahltechnik einzelne Düsenstrahlsäulen
oder mehrere, vorzugsweise einander überlappende, Düsenstrahlsäulen erzeugt. Die Größe
einer einzelnen Düsenstrahlsäule hängt von einer Vielzahl an Einflussgrößen ab, welche
nicht immer mit einer ausreichenden Genauigkeit vorhersagbar sind. Es ist daher bekannt,
sog. Probesäulen herzustellen, um bestimmte, den Durchmesser beeinflussende Parameter
zu bestimmen. Der in der Probesäule erzielte Durchmesser kann dann der Planung weiterer
Ausführungen zugrunde gelegt werden.
[0006] Um den Durchmesser der Probesäule und/oder allgemein einer Düsenstrahlsäule zu ermitteln,
sind verschiedene Verfahren bekannt, beispielsweise ein mechanischer Messschirm, ein
hydraulischer Messschirm, eine Kalibermesssonde, sowie nicht mechanische Messverfahren,
beispielsweise ein Pegelmessverfahren, eine Reichweitenmessung mit Hydrophonverfahren,
eine Reichweitenermittlung durch Laufzeitenmessung oder ein Schwimmkörperverfahren.
Diese Verfahren werden im Regelfall an einem noch nicht erhärteten Düsenstrahlkörper
durchgeführt. Daneben sind Überprüfungen an einer erhärteten Düsenstrahlsäule durch
Freilegen der Probesäule oder durch Erkundungsbohrungen bekannt.
[0007] Mechanische Messverfahren sind im allgemeinen aufgrund ihrer einfachen Bauweise sowie
ihrer geringen Störanfälligkeit zu bevorzugen. Zur Durchmesserbestimmung werden dabei
- nach einem Entfernen des Bohr- und Düsgestänges - Messeinrichtung in das Bohrloch
eingebracht. Der einfache mechanische Messschirm besteht beispielsweise aus drei Messarmen,
die sich durch einen Klappmechanismus an eine Bohrlochwandung anlegen. Die Größe des
Bohrlochs ist anhand des Klappwinkels bestimmbar. Der mechanische Messschirm wird
vorzugsweise unmittelbar nach dem Herstellen der Düsenstrahlsäule zusammengeklappt
durch das Bohrloch bis in die frische, noch nicht erhärtete Düsenstrahlsäule abgelassen.
Durch einen Seilzugmechanismus wird der Messschirm geöffnet: Der Öffnungswinkel des
Messschirms ist beispielsweise über den Weg des Seilzugs bestimmbar.
[0008] Daneben ist eine Messeinrichtung bekannt, welche ein flexibles Tastelement verwendet.
Das Tastelement wird nach dem Absenken der Messeinrichtung aus der Messeinrichtung
in einem Winkel von ca. 90° zu dieser ausgefahren bis es auf die Bohrwandung trifft.
Anhand der Reichweite des ausgefahrenen Tastelements ist der Durchmesser der Düsenstrahlsäule
erfassbar.
[0009] Die Verfahren haben jedoch den Nachteil gemeinsam, dass ein Bohr- und Düsgestänge
zunächst entfernt werden muss, um eine Messeinrichtung in das Bohrloch einzuführen.
Aufgrund des damit verbundenen Zeitaufwands ist eine kontinuierliche Überwachung der
Qualität einzelner Düsenstrahlsäulen nur in bestimmten Anwendungsfällen sinnvoll.
Zudem kann das Herausnehmen des Bohr- und Düsgestänges dazu führen, dass das Bohrloch
zusammenfällt und die anschließend eingeführte Messeinrichtung nicht bis zu der Düsenstrahlsäule
eingeführt werden kann.
[0010] Aus der
DE 196 22 282 A1 ist eine Verwendung eines Schallsenders zur Bestimmung eines Durchmessers einer Düsenstrahlsäule
bekannt. Da Reflexionseigenschaften des Boden-Suspensionsgemischs und des Bodens jedoch
sehr ähnlich sind, existiert keine messtechnisch eindeutige Grenzschicht, an welcher
die Schallwellen reflektiert werden. Die Messung mittels Schallwellen ist folglich
nicht für alle Einsatzarten geeignet.
[0011] Ferner offenbart die
EP 0 940 559 A2 eine gattungsgemäße Vorrichtung, bei der eine Messleine mit einem Schwimmkörper,
der von der Strömung eines Hochdruckinjektionsstrahles mitgerissen wird, so dass die
Länge der Messleine der wirksamen Länge des Hochdruckinjektionsstrahles entspricht.
Hieraus soll auf den Durchmesser einer hergestellten Düsenstrahlsäule geschlossen
werden. Die Vermessung der Düsenstrahlsäule kann somit nur während des Hochdruckinjektionsbetriebes
erfolgen, und das Messergebnis wird durch den gerade in dem Hochdruckinjektionsstrahl
herrschenden Druck beeinflusst. Dies führt zu einem wenig flexiblen und mit Messunsicherheiten
behafteten Vermessungsvorgang.
[0012] Ferner offenbart die
DE 199 49 393 C1, die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, eine Vorrichtung nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Darstellung der Erfindung
[0013] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Herstellen und Vermessen von Düsenstrahlsäulen in einem Untergrund zu schaffen,
wobei eine Qualität der Düsenstrahlsäulen flexibel und zuverlässig überwachbar und
damit auch besser sicherbar ist.
[0014] Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 17 gelöst.
[0015] Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zum Herstellen und Vermessen von Düsenstrahlsäulen
in einem Untergrund ein Bohr- und Düsgestänge zur Erzeugung eines Bohrlochs sowie
einer Düsenstrahlsäule im Bereich des Bohrlochs und eine Messeinrichtung zum Vermessen
der Düsenstrahlsäule, insbesondere des Durchmessers der Düsenstrahlsäule, wobei die
Messeinrichtung zumindest teilweise in das Bohr- und Düsgestänge integriert ist.
[0016] Ferner weist die Messeinrichtung erfindungsgemäß mindestens ein längssteifes Tastelement
auf, das zwischen einer in das Bohr- und Düsgestänge eingefahrenen Position und einer
ausgefahrenen Position verfahrbar ist ist. Der Begriff "längssteif" kennzeichnet dabei
Tastelemente, die anders als Seile oder dergleichen zur Übertragung einer gewissen
Druckkraft geeignet sind. Hierdurch wird ermöglicht, das Tastelement auszufahren,
ohne dass am vorderen (vorlaufenden) Ende des Tastelements gezogen werden muss. Vielmehr
ist dieses vordere Ende des Tastelements dazu vorgesehen, mit der Wandung einer hergestellten
Düsenstrahlsäule in Anlage gebracht zu werden.
[0017] In der eingefahrenen Position des Tastelements wird sichergestellt, dass dieses während
eines Erzeugen des Bohrlochs und einer Düsenstrahlsäule die Arbeit nicht störend beeinflusst.
Durch Ausfahren des Tastelements ist anschließend die Größe der hergestellten Düsenstrahlsäule
messbar. Das Tastelement wird vorzugsweise ausgefahren, solange die Düsenstrahlsäule
noch nicht erhärtet ist. Das Tastelement wird dabei radial durch die noch flüssige
Düsenstrahlsäule bewegt.
[0018] Eine überwiegend mechanische Messeinrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung
aufgrund ihrer geringen Störanfälligkeit von Vorteil. Die mechanische Messeinrichtung
kann jedoch mit einzelnen elektronischen Elementen kombiniert sein. Durch die Integration
der mechanischen Messeinrichtung in das Bohr- und Düsgestänge ist ein Vermessen der
Düsenstrahlsäule ohne Entnahme des Bohr- und Düsgestänges möglich. Die Düsenstrahlsäule
kann daher schnell und zuverlässig vermessen werden.
[0019] Erfindungsgemäß besteht das Tastelement zumindest abschnittsweise aus einem oder
einer Mehrzahl von CFK- und/oder GFK-Stäben.
[0020] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Tastelement zumindest abschnittsweise
biegesteif, jedoch flexibel, wobei die Flexibilität vorzugsweise derart ist, dass
das Tastelement innerhalb des Bohr- und Düsgestells um einen Winkel von annähernd
90° umgelenkt werden kann. Das flexible Tastelement verläuft dabei vorzugsweise in
der eingefahrenen Position im Wesentlichen entlang einer Achse des Bohr- und Düsgestänges.
Zum Vermessen tritt das Tastelement in einem Winkel von ca. 90° aus dem Bohr- und
Düsgestänge aus. Dadurch ist eine platzsparende Unterbringung des Tastelements in
dem Bohr-Düsgestänge möglich.
[0021] In einer weiteren Ausführungsform ist das Tastelement mit einem Sensor, insbesondere
einem Drucksensor und/oder einem Neigungsmesser, ausgestattet. Der Drucksensor ist
beispielsweise an einem die Wandung des Bohrlochs berührenden Ende des Tastelements
angeordnet. Dadurch ist die Bohrlochwandung auch bei einem verhältnismäßig lockeren
Boden sicher erkennbar. Mittels des Neigungsmessers kann die Ausrichtung des Tastarmes
währen eines Messvorganges erfasst bzw. kontrolliert und damit die Solllage des Tastelement
verifiziert werden.
[0022] Vorzugsweise weist das Bohr- und Düsgestänge mindestens eine Düsenstrahldüse und
mindestens eine Bohrkrone auf, wobei das Tastelement zwischen der Düsenstrahldüse
und der Bohrkrone angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist aufgrund eines erforderlichen
Bauraums und/oder einer Verbindung des Messelements mit dem Bohr- und Düsgestänge
besonders vorteilhaft.
[0023] In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung Betätigungsmittel für
das Tastelement. Durch die Betätigungsmittel wird das Tastelement ausgefahren, bis
beispielsweise der Widerstand aufgrund des Kontakts des Tastelements mit der Bohrlochwandung
der Bewegung entgegensteht und/oder ein Drucksensor ein Ende einer Bewegung signalisiert.
Durch die Betätigungsmittel ist eine besonders einfache Bewegung des Tastelements
möglich.
[0024] Die Betätigungsmittel können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf unterschiedlichste
Art und Weise ausgestaltet sein. Dabei hat sich eine Ausführungsform als vorteilhaft
erwiesen, bei der die Betätigungsmittel einen innerhalb des Bohr- und Düsgestänges
vorgesehenen Betätigungskolben aufweisen. Bei einer alternativen Ausführungsform weisen
die Betätigungsmittel einen innerhalb des Bohr- und Düsgestänges vorgesehenen Elektroantrieb
auf, der bevorzugt Antriebsmittel, insbesondere mindestens eine Antriebswalze, antreibt,
wobei besonders bevorzugt zwischen den Antriebsmitteln und dem Elektroantrieb ein
Getriebe vorgesehen ist.
[0025] In einer weiteren Ausführungsform weist die Messeinrichtung mindestens ein Messelement
zum Messen eines Verschiebungsweges und/oder einer Neigung des Tastelements und/oder
der Betätigungsmittel auf. Anhand des Verschiebungsweges und/oder der Neigung des
Tastelements ist ein Durchmesser der Düsenstrahlsäule ermittelbar. Die Messeinrichtung
kann beispielsweise einen Hochleistungsmagneten umfassen, der in ein Element zum Verschieben
des Tastelements integriert ist, wobei eine Erfassungseinrichtung parallel zum Hubbereich
des Verschiebeelements angeordnet ist, das auf ein Magnetfeld des Hochleistungsmagneten
reagiert. Im Falle eines Elektroantriebes mit Antriebswalze(n) kann die Messeinrichtung
beispielsweise auch eine Zähleinrichtung (z. B. Inkrementalgeber) aufweisen, welche
die Anzahl der Umdrehungen der Antriebswalze(n) erfasst.
[0026] Vorzugsweise weist das Bohr- oder Düsgestänge einen Druckfluidkanal, insbesondere
Druckluftkanal, auf, der mit mindestens einer Düsenstrahlluftdüse und/oder mit einer
Austrittsöffnung des Tastelements aus dem Bohr- und Düsgestänge und/oder mit mindestens
einer Seite des Betätigungskolbens in Verbindung steht. Hierdurch kann der Druckfluidkanal
mehrere Aufgaben erfüllen, zumal die Herstellung und das Vermessen der Düsenstrahlsäule
vorzugsweise nicht gleichzeitig stattfinden. Ein für die Düsenstrahlluftdüse verwendeter
Druckfluidkanal ist daher bevorzugt auch für ein Spülen der Austrittsöffnung des Tastelements
aus dem Bohr- und Düsgestänge und/oder ggf. eine Bewegung des Tastelements verwendbar.
Es ist jedoch auch denkbar, einen zusätzlichen Druckfluidkanal zum Spülen der Austrittsöffnung
des Tastelements aus dem Bohr- und Düsgestänge und/oder zur Bewegung des Betätigungskolbens
vorzusehen. Insbesondere kann für die Bewegung des Betätigungskolbens, falls vorhanden,
auch ein anderes Arbeitsfluid eingesetzt werden als für die Erzeugung der Düsenstrahlsäule.
[0027] Bei Verwendung eines gemeinsamen Druckfluidkanals ist vorzugsweise mindestens ein
Ventil vorgesehen, das derart angeordnet ist, um die Verbindung zwischen dem Druckfluidkanal
und dem Betätigungskolben und/oder die Verbindung zwischen dem Druckfluidkanal und
der Düsenstrahlluftdüse zu unterbrechen. Dadurch ist auf besonders günstige Weise
eine Nutzung eines gemeinsamen Druckfluidkanals durch den Betätigungskolben und die
Düsenstrahlluftdüse realisierbar. Es ist jedoch auch denkbar, das Ventil lediglich
zur Steuerung der Bewegung des Betätigungskolbens vorzusehen.
[0028] In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Druckfluidkanal über ein Umschaltmittel
abwechselnd an eine Pneumatik- und eine Hydraulikversorgung anschließbar. Dadurch
kann je nach Anwendung eine geeignete Versorgungsart, d.h. ein geeignetes Arbeitsfluid
wie beispielsweise Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit, ausgewählt werden.
[0029] In einer weiteren Ausführungsform weist die Messeinrichtung eine in das Bohr- und
Düsgestell integrierte Stromversorgung auf. Die Stromversorgung ist in dem Bohr- und
Düsgestänge gut gegen Störeinflüsse von außen geschützt. Die Stromversorgung speist
verschiedene Bauteile der Messeinrichtung wie beispielweise Sensoren, Magnetventile
oder dergleichen. Die Stromversorgung erfolgt beispielsweise mittels integrierter
Akkugeräte, so dass auf eine Verkabelung zumindest teilweise verzichtet werden kann.
[0030] In einer weiteren Ausführungsform weist die Messeinrichtung eine in das Bohr- und
Düsgestänge integrierte Datenspeichereinrichtung auf. Dadurch können beispielsweise
Daten, welche beim Vermessen der Düsenstrahlsäule erfasst wurden, in die Datenspeichereinrichtung
geschrieben werden. Diese Daten sind beispielsweise beim Ausfahren des Bohr- und Düsgestänges
auslesbar.
[0031] In einer weiteren Ausführungsform weist das Bohr- und Düsgestänge eine integrierte
Datenschnittstelle auf, die bevorzugt zur kontaktlosen Datenübertragung ausgelegt
ist, insbesondere mittels Infrarot, Bluetooth oder der dergleichen. Dadurch können
die von der Messeinrichtung erfassten Daten direkt an eine Oberfläche übermittelt
werden und dort mit geeigneten Geräten ausgewertet werden. Dies ermöglicht beispielsweise
auch eine direkte Nachbesserung ohne eine erneute Einführung des Bohr- und Düsgestänges.
[0032] In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Neigungssensor, wobei
mindestens die Neigung des Bohr- und Düsgestänges mittels des Neigungssensors lesbar
ist. Durch einen derartigen Neigungssensor kann auf geeignete Weise kann der tatsächliche
Bohrlochverlauf erfasst werden. Die Neigung kann beispielsweise auch in Relation zur
Nordrichtung aufgezeigt werden. Damit kann nicht nur ein tatsächlicher Bohransatzpunkt
und der erfindungsgemäß gemessene Durchmesser, sondern auch der vertikale Bohrlochverlauf
in eine Auswertung der Daten der Düsenstrahlsäule aufgenommen und miteinander ausgewertet
werden. Erfolgt keine direkte Übertragung der gemessenen Daten an die Oberfläche,
so ist es von Vorteil mit dem Neigungsmesser ein Neigungsprofil entlang des Bohrlochs
zu erfassen und zu speichern.
[0033] Das Verfahren zum Herstellen und Vermessen einer Düsenstrahlsäule in einem Untergrund
umfasst die folgenden Schritte: Erstellen eines Bohrlochs in einem Untergrund unter
Einsatz des erfindungsgemäßen Bohr- und Düsgestänges, Erstellen einer Düsenstrahlsäule
im Bereich des Bohrlochs unter Einsatz des Bohr- und Düsgestänges, Vermessen der Düsenstrahlsäule
unter Einsatz der (mechanischen) Messeinrichtung, ohne dass das Bohr- und Düsgestänge
zuvor aus dem Bohrloch herausgezogen worden ist. Durch das Vermessen ohne ein Herausziehen
des Bohr- und Düsgestänges ist eine schnelle und sichere Qualitätskontrolle möglich.
Ein Auswerten der Messdaten erfolgt entweder direkt durch eine Übertragung der Daten
an die Oberfläche (z. B. auch über Funk) und/oder indirekt durch ein Speichern der
Daten und ein Auslesen der Daten, nachdem das Bohr- und Düsgestänge aus dem Bohrloch
herausgezogen worden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0034] Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft
beschrieben. Für gleiche Bauteile werden dabei einheitliche Bezugszeichen verwendet.
In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1
- eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohr- und
Düsgestänges;
- Figur 2
- eine Vergrößerung des Bereichs A gemäß Figur 1;
- Figur 3
- eine Vergrößerung des Bereichs B gemäß Figur 1;
- Figur 4A
- eine Vergrößerung der Darstellung eines Bereichs C gemäß Figur 1;
- Figur 4B
- eine Schnittdarstellung entlang A-A gemäß Figur 4A;
- Figur 5
- eine vergrößerte Darstellung des Bereichs C gemäß Figur 1 in einem zweiten Zustand;
- Figur 6
- eine vergrößerte Darstellung des Bereichs D gemäß Figur 1;
- Figur 7
- eine vergrößerte Darstellung des Bereichs E gemäß Figur 1;
- Figur 8
- eine Illustration eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Düsenstrahlsäule;
- Figur 9
- eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bohr- und Düsgestänges;
- Figur 10
- eine Vergrößerung des Bereichs C gemäß Figur 9.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0035] Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bohr- und
Düsgestänge 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Bohr- und Düsgestänge umfasst
einen in Figur 2 im Detail dargestellten Bohrkranz 12, ein in Figur 3 im Detail dargestellten
Bereich mit einer Düse zum Aufbringen eines Düsenluftstrahls, ein in den Figuren 4A,
4B und 5 im Detail dargestellten Bereich für die Messeinrichtung 4, einen in Figur
6 im Detail dargestellten Anschlussbereich 5 sowie einen in Figur 7 im Detail dargestellten
Zwischenbereich.
[0036] Figur 2 zeigt schematisch die Bohrkrone 12, welche mit einem Übergangsteil 12' verbindbar
ist. Für die Verbindung zwischen Bohrkrone 12 und Übergangsteil 12' ist ein Normgewinde
22 mit Vater- und Mutterteil 24 vorgesehen. In der Bohrkrone 12 sowie dem Übergangsteil
12' befindet sich ein Bohrspüler 2. Die Bohrkrone 12 weist Öffnung 26 für den Bohrspüler
2 auf. Mittels eines Normgewindes 28 ist das Übergangsteil 12' mit dem anschließenden
Teil des in Fig. 1 dargestellten Bohr- und Düsgestänge 1 verbindbar. Selbstverständlich
sind anstelle von Normgewinden auch andere Gewinde und/oder andere Anschlusselemente
denkbar.
[0037] Figur 3 zeigt schematisch eine Düse 13 zum Aufbringen einer Hochdrucksuspension 3
unter Hochdruck. Das Arbeitsfluid für die Unterstützung der Hochdrucksuspension ist
vorzugsweise Luft. Das Arbeitsfluid befindet sich in dem Druckfluidkanal 30. Der Kanal
des Arbeitsfluids wirkt mit einer mehrteiligen Absperrebene 32, 34 zusammen. Der Kanal
des Arbeitsfluids wird in Abhängigkeit des Drucks in dem Druckfluidkanal 30 und einer
Feder 38 oder ggf. durch ein geeignetes Ventil geöffnet oder geschlossen. In dem Druckfluidkanal
30 befindet sich in Abhängigkeit eines Arbeitsschrittes Wasser oder Luft für eine
Hydraulik- oder Pneumatikversorgung. Dabei wird vorzugsweise eine Pneumatik zum Öffnen
und Schließen des Kanals des Arbeitsfluids eingesetzt. Bei hohen Drücken im Druckfluidkanal
30 wird der horizontale Auslass des Kanals mit Arbeitsfluid geschlossen. Der Druckfluidkanal
30 kann dann für eine Versorgung der Messeinrichtung 14 verwendet werden.
[0038] Figur 4A zeigt schematisch den Bereich C gemäß Figur 1 in welchem sich die mechanische
Messeinrichtung 14 befindet. Die Messeinrichtung 14 umfasst ein Tastelement 40, welches
mittels eines Betätigungskolbens 41 bewegbar ist. Das Tastelement 40 wird entlang
einer Wandung 42 umfassend eine Umlenkung 43 geführt. Dabei wird das Tastelement 40
um ungefähr 90° aus der Achsrichtung des Bohr- und Düsgestänges umgelenkt. Das Tastelement
40 tritt an einer Stelle 44 aus dem Bohr- und Düsgestänge aus. Die Öffnung 44 ist
vorzugsweise mit geeigneten Dichtungen ausgebildet, um ein Eintreten von Schmutz zu
verhindern. Unterstützend kann die Öffnung 44 mit dem Druckfluidkanal 30 in Verbindung
stehen, so dass das Tastelement 40 mit dem Druckfluid umspült wird, um einem Schutzeintrag
vorzubeugen,
[0039] Die Bewegung des Tastelements 40 mittels des Betätigungskolbens 41 erfolgt in der
vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise pneumatisch oder hydraulisch. Das Arbeitsfluid,
bevorzugt Druckluft, ist in dem Druckfluidkanal 30 eingebracht und wirkt in dem dargestellten
Arbeitsschritt auf den Betätigungsbolzen 41. Ist der Druck für eine Betätigung des
Betätigungskolbens 41 nicht ausreichend, so bleibt das Tastelement 40 in der eingefahrenen
Position. Durch Schließen eines Ventils 45 wirkt das Arbeitsfluid über den Druckfluidkanal
30 in umgekehrter Richtung auf den Betätigungsbolzen 41. Dadurch ist das Tastelement
40 aus einer ausgefahrenen Position in die eingefahrene Position fahrbar. Anstelle
einer aktiven Rückführung des Tastelements 40 ist auch eine passive Rückführung mittels
eines geeigneten Elements, beispielsweise mittels Federkraft denkbar.
[0040] Figur 4B zeigt einen Schnitt durch das Bohrgestänge entlang der Linie A-A gemäß Figur
4A. Wie in Figur 4B deutlich zu sehen ist ein Querschnittsbereich 46 vorgesehen, in
welchem beispielsweise eine Stromversorgung, ein Neigungsmesser, eine programmierbare
Steuerung für die Messeinrichtung oder ähnliches integrierbar ist. Die Stromversorgung
erfolgt vorzugsweise durch Akkuelemente.
[0041] Figur 5 zeigt schematisch die Messeinrichtung 14, wobei sich das Tastelement 40 in
einer zumindest teilweise ausgefahrenen Position befindet. Obgleich in Figur 5 als
Stahlfeder 400 dargestellt ist, besteht es erfindungsgemäß zumindest abschnittsweise
aus einem faserverstärkten Material, nämlich aus einem oder einer Mehrzahl von CFK-
und/oder GFK-Stäben. Das Tastelement 40 bewegt sich in der nicht dargestellten, nicht
ausgehärteten Düsenstrahlsäule. Das Tastelement 40 ist derart ausgelegt, dass die
Gewichtskraft des Tastelements 40 durch die Auftriebskraft zumindest teilweise kompensiert
wird. Beispielsweise kann das Material der Düsenstrahlsäule eine spezifische Wichte
aufweisen, die deutlich größer ist als diejenige von Wasser (z. B. größer als 1,5t/m
3). Bei einem Tastelement 40 wird dabei konstruktionsbedingt ein Absinken verhindert.
Das Tastelement 40 kann dabei beispielsweise bis zu 2m oder mehr ausgefahren werden.
[0042] Figur 6 zeigt schematisch einen Anschlussbereich 15 des Bohr- und Düsgestänges. Der
Anschlussbereich 15 umfasst einen Anschluss 51 zur Zufuhr einer Hochdrucksuspension
3. Der Anschlussbereich 5 umfasst weiter einen Schlauch 52 für eine Zufuhr der Bohrspülung
2. In dem Druckfluidkanal 30 befindet sich in Abhängigkeit eines Verfahrensstandes
als Arbeitsfluid entweder ein Hydraulikfluid, beispielsweise Wasser oder Druckluft,
zur Betätigung des in den Figuren 4a, 4b und 5 dargestellten Tastelements, oder Druckluft
zum Öffnen und Schließen der in Figur 3 dargestellten Düse 13. Mittels eines Umschaltmittels
53 ist der Druckfluidkanal 30 abwechselnd an eine Pneumatikversorgung 54 oder eine
Hydraulikversorgung 55 anschließbar. Aufgrund der unterschiedlichen Drücke, mit welchen
die Arbeitsfluide arbeiten, kann eine Versorgung des Öffnen- und Schließmechanismus
für die Düse 13 und des Tastelements 40 über den gleichen Druckfluidkanal 30 erfolgen.
[0043] Figur 7 zeigt schematisch einen Zwischenbereich E des Bohr- und Düsgestänges 1 gemäß
Figur 1. Wie in dem Zwischenbereich deutlich erkennbar, umfasst das Bohr- und Düsgestänge
einen Kanal in welchem, wie zuvor erläutert, die Hochdruckssuspension 3 geführt wird.
Das Bohr- und Düsgestänge umfasst weiter den Druckfluidkanal 30, welcher an eine Pneumatik-
oder eine Hydraulikversorgung angeschlossen ist. Zudem ist ein Kanal für die Bohrspülung
2 vorgesehen.
[0044] Figur 8 zeigt schematisch verschiedene Schritte I - VIII eines Verfahrens zum Herstellen
und Vermessen einer erfindungsgemäßen Düsenstrahlsäule in einem Untergrund. In einem
ersten Schritt I wird zunächst ein geeigneter Bohransatzpunkt vermessen. In einem
Arbeitsschritt II wird das Bohr- und Düsgestänge an dem neuen Bohransatzpunkt eingebracht.
In einem Arbeitsschritt III wird das Bohr- und Düsgestänge mittels Abbohren auf eine
gewünschte Tiefe abgesenkt, wobei bohrbegleitend der Bohrlochverlauf durch die eingebauten
Neigungssensoren gemessen werden kann.
[0045] Nach Erreichen der gewünschten Tiefe wird eine Düsenstrahlsäule im Bereich des Bohrlochs
in einem Arbeitsschritt IV erzeugt. In den Schritten V und VI wird der Durchmesser
der erzeugten Düsenstrahlsäule auf verschiedenen Höhen gemessen. Dabei wird das in
den vorhergehenden Figuren gezeigte Tastelement 40 in der noch nicht ausgehärteten
Düsenstrahlsäule bewegt. Das Tastelement 40 ist dabei vorteilhafterweise derart ausgelegt,
dass es aufgrund des Auftriebs, der Eigensteifigkeit und des Eigengewichts im Wesentlichen
waagrecht gehalten wird. In einem Schritt VII wird das Bohr- und Düsgestänge herausgezogen.
Dabei lassen sich Daten, welche während des Abbohrens und Vermessens in den Schritten
V und VI gespeichert wurden, auslesen. Anhand dieser Daten können geeignete Aussagen
über die Beschaffenheit des Bodens und die davon abhängige Beschaffenheit einer erzeugten
Düsenstrahlsäule gemacht werden. Diese lassen für ein auf den Arbeitsschritt 8 folgendes
Projekt in vorteilhafter Weise nutzen.
[0046] Daneben ist es auch denkbar, die Daten über eine geeignete Verbindung (z. B. auch
über Funk) während der Arbeitsschritte V und VI an die Oberfläche zu übertragen und
dort auszumessen. Anhand der Daten kann dann bedarfsweise mittels des Bohr- und Düsgestänges
eine Korrektur der Düsenstrahlsäule erfolgen.
[0047] Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist schematisch
in Fig. 9 und 10 gezeigt. Der Aufbau und der Betrieb dieser Ausführungsform entspricht
prinzipiell der oben beschriebenen Ausführungsform, soweit nachfolgend nicht anderweitig
angegeben. Die in Fig. 9 und 10 gezeigte Ausführungsform zeichnet sich insbesondere
dadurch aus, dass als Betätigungsmittel für das Tastelement 40 ein nicht näher gezeigter
Elektroantrieb vorgesehen ist, der das Tastelement 40 über zwei Antriebswalzen 41'
antreibt. Dabei können die Antriebswalzen 41' bzw. der zugehörige Elektromotor auch
nahe an der Austrittsöffnung 44 angeordnet sein, wodurch sich eine besonders stabile
Kraftübertragung zwischen Antriebswalzen 41' und Tastelement 44 ergibt.
[0048] Ferner ermöglicht die vorliegende Ausführungsform auf besonders einfache Weise, dass
die Austrittsöffnung 44 mit dem Druckfluidkanal 30 in Verbindung steht, sodass die
Austrittsöffnung 44 kontinuierlich mit Druckfluid durchspült wird, wodurch das Eintreten
von Verschmutzungen entlang des Tastelements 40 weitgehend vermieden werden kann.
[0049] Um den Verschiebungsweg des Tastelements 40 zu erfassen, können in der vorliegenden
Ausführungsform anstelle von unmittelbar mit dem Tastelement 40 verknüpften Messelementen
Zählelemente vorgesehen sein, welche die Umdrehungen der Antriebswalzen 41' erfassen.
Hierbei kann es sich beispielsweise um sogenannte Inkrementalgeber handeln.
[0050] Ferner ermöglicht der Einsatz eines Elektroantriebes, dass gegebenenfalls auf das
Vorsehen eines Drucksensors und Neigungssensors in dem Tastelement 40 verzichtet werden
kann, da während des Vorschubes des Tastelements aus einer Zunahme des durch den Elektroantrieb
aufgenommenen Stroms darauf geschlossen werden kann, dass das Tastelement die Wandung
erreicht hat.
1. Vorrichtung zum Herstellen und Vermessen von Düsenstrahlsäulen in einem Untergrund,
umfassend
ein Bohr- und Düsgestänge (1) zur Erzeugung eines Bohrlochs sowie einer Düsenstrahlsäule
im Bereich des Bohrlochs, und
eine Messeinrichtung (14) zum Vermessen der Düsenstrahlsäule, insbesondere des Durchmessers
der Düsenstrahlsäule, wobei die Messeinrichtung (14) zumindest teilweise in das Bohr-
und Düsgestänge (1) integriert ist, wobei
die Messeinrichtung (14) mindestens ein längssteifes Tastelement (40) aufweist, das
zwischen einer in das Bohr- und Düsgestänge (1) eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen
Position verfahrbar ist
dadurch gekennzeichnet, dass
das Tastelement (40) zumindest abschnittsweise aus einem oder einer Mehrzahl von CFK-
und/oder GFK-Stäben besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (40) zumindest abschnittsweise biegesteif, jedoch flexibel ist, wobei
die Flexibilität bevorzugt derart ist, dass das Tastelement (40) innerhalb des Bohr-
und Düsgestänges (1) um einen Winkel von annähernd 90° umgelenkt werden kann.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (40) mit mindestens einem Sensor (420) ausgestattet ist, insbesondere
einem Drucksensor und/oder einem Neigungsmesser.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohr- und Düsgestänge (1) mindestens eine Düsenstrahldüse (13) und mindestens
eine Bohrkrone (12) aufweist, wobei das Tastelement (40) zwischen der Düsenstrahldüse
(13) und der Bohrkrone (12) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung ferner Betätigungsmittel (41; 41') für das Tastelement aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsmittel einen innerhalb des Bohr- und Düsgestänges vorgesehenen Betätigungskolben
(41) aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsmittel einen innerhalb des Bohr- und Düsgestänges vorgesehenen Elektroantrieb
aufweisen, der bevorzugt Antriebsmittel, insbesondere mindestens eine Antriebswalze
(41') antreibt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (14) mindestens ein Messelement zum Messen des Verschiebungsweges
und/oder der Neigung des Tastelements (40) und/oder ggf. des Verschiebungsweges des
Betätigungskolbens aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohr- und Düsgestänge einen Druckfluidkanal (30) aufweist, der mit mindestens
einer Düsenstrahlluftdüse (13) und/oder mit einer Austrittsöffnung (44) des Tastelements
aus dem Bohr- und Düsgestänge und/oder mit mindestens einer Seite des Betätigungskolbens
(41) in Verbindung steht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Druckfluidkanal (30) mindestens ein Ventil (45) vorgesehen ist, das angeordnet
ist, um die Verbindung zwischen dem Druckfluidkanal (30) und dem Betätigungskolben
(41) und/oder die Verbindung zwischen dem Druckfluidkanal (30) und der Düsenstrahlluftdüse
(13) zu unterbrechen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckfluidkanal (30) über Umschaltmittel (53) abwechselnd an eine Pneumatik-
(54) und eine Hydraulikversorgung (55) anschließbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (14) eine in das Bohr- und Düsgestänge (1) integrierte Stromversorgung
aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (14) eine in das Bohr- und Düsgestänge (1) integrierte Datenspeichereinrichtung
aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (14) eine in das Bohr- und Düsgestänge (1) integrierte, programmierbare
Steuerung aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (14) eine in das Bohr- und Düsgestänge (1) integrierte Datenschnittstelle
aufweist, die bevorzugt zur kontaktlosen Datenübertragung ausgelegt ist, insbesondere
Infrarot, Bluetooth oder dergleichen.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Neigungssensor, durch den mindestens die Neigung des Bohr- und Düsgestänges (1) messbar und bevorzugt mit
Messungen aus den Durchmesserbestimmungen überlagerbar ist.
17. Verfahren zum Herstellen und Vermessen von Düsenstrahlsäulen in einem Untergrund unter
Einsatz einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
Erstellen eines Bohrlochs in einem Untergrund unter Einsatz des Bohr- und Düsgestänges
(1),
Erstellen einer Düsenstrahlsäule im Bereich des Bohrlochs unter Einsatz des Bohr-
und Düsgestänges (1),
Vermessen der Düsenstrahlsäule unter Einsatz der Messeinrichtung (14), ohne dass das
Bohr- und Düsgestänge (1) zuvor aus dem Bohrloch herausgezogen worden ist.
1. Device for producing and measuring nozzle jet columns underground, comprising a bore
and nozzle rod (1) for producing a borehole and a nozzle jet column in the area of
the borehole, and a measuring device (14) for measuring the nozzle jet column, in
particular the diameter of the nozzle jet column, wherein the measuring device (14)
is integrated at least partly into the bore and nozzle rod (1), wherein the measuring
device (14) has at least one longitudinally rigid sampling element (40) which can
be moved between a position moved into the bore and nozzle rod (1) and a moved-out
position, characterised in that the sampling element (40) consists at least in some sections of one or of a plurality
of CFP and/or GFP rods.
2. Device according to claim 1, characterised in that the sampling element (40) is rigid, but flexible at least in some sections, wherein
the flexibility is preferably such that the sampling element (40) within the bore
and nozzle rod (1) may be deflected by an angle of approximately 90°.
3. Device according to one of claims 1 to 2, characterised in that the sampling element (40) is equipped with at least one sensor (420), in particular
a pressure sensor and/or an inclinometer.
4. Device according to one of claims 1 to 3, characterised in that the bore and nozzle rod (1) has at least one nozzle jet nozzle (13) and at least
one drill bit (12), wherein the sampling element (40) is arranged between the nozzle
jet nozzle (13) and the drill bit (12).
5. Device according to one of claims 1 to 4, characterised in that the measuring device also has actuating means (41; 41') for the sampling element.
6. Device according to claim 5, characterised in that the actuating means have an actuating piston (41) provided within the bore and nozzle
rod.
7. Device according to claim 5, characterised in that the actuating means have an electric drive provided within the bore and nozzle rod
and which preferably drives drive means, in particular at least one drive roller (41').
8. Device according to one of claims 1 to 7, characterised in that the measuring device (14) has at least one measuring element for measuring the displacement
path and/or the inclination of the sampling element (40) and/or optionally the displacement
path of the actuating piston.
9. Device according to claim 5 or 6, characterised in that the bore and nozzle rod has a compressed fluid channel (30) which is connected to
at least one nozzle jet air nozzle (13) and/or to an outlet opening (44) of the sampling
element from the bore and nozzle rod and/or to at least one side of the actuating
piston (41).
10. Device according to claim 9, characterised in that at least one valve (45), which is arranged to interrupt the connection between the
compressed fluid channel (30) and the actuating piston (41) and/or the connection
between the compressed fluid channel (30) and the nozzle jet air nozzle (13), is provided
in the compressed fluid channel (30).
11. Device according to claim 9 or 10, characterised in that the compressed fluid channel (30) can be connected via switching means (53) alternately
to a pneumatic supply (54) and a hydraulic supply (55).
12. Device according to one of the preceding claims, characterised in that the measuring device (14) has a current supply integrated into the bore and nozzle
rod (1).
13. Device according to one of the preceding claims, characterised in that the measuring device (14) has a data storage device integrated into the bore and
nozzle rod (1).
14. Device according to one of the preceding claims, characterised in that the measuring device (14) has a programmable control integrated into the bore and
nozzle rod (1).
15. Device according to one of the preceding claims, characterised in that the measuring device (14) has a data interface integrated into the bore and nozzle
rod (1) and which is preferably designed for contact-free data transmission, in particular
infrared, Bluetooth or the like.
16. Device according to one of the preceding claims, characterised by an inclinometer, via which at least the inclination of the bore and nozzle rod (1)
can be measured and can be superimposed preferably with measurements from the diameter
determinations.
17. Process for producing and measuring nozzle jet columns underground using a device
according to one of the preceding claims, having the steps:
preparing a borehole underground using the bore and nozzle rod (1),
preparing a nozzle jet column in the area of the borehole using the bore and nozzle
rod (1),
measuring the nozzle jet column using the measuring device (14) without the bore and
nozzle rod (1) having been withdrawn beforehand from the borehole.
1. Dispositif servant à fabriquer et à mesurer des colonnes de jet dans un sous-sol comportant
une tige de sondage et d'injection (1) servant à générer un trou de sondage ainsi
qu'une colonne de jet dans la zone du trou de sondage, et
un dispositif de mesure (14) servant à mesurer la colonne de jet, servant en particulier
à mesurer le diamètre de la colonne de jet, le dispositif de mesure (14) étant intégré
au moins partiellement dans la tige de sondage et d'injection (1),
le dispositif de mesure (14) présentant au moins un élément tactile (40) ayant une
raideur longitudinale, lequel élément tactile peut être déplacé entre une position
rentrée dans la tige de sondage et d'injection (1) et une position sortie,
caractérisé en ce que
l'élément tactile (40) se compose au moins par section d'une barre en plastique renforcé
en fibres de carbone et/ou en plastique renforcé en fibres de verre ou d'une pluralité
de celles-ci.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément tactile (40) est au moins par section résistant à la flexion, mais toutefois
flexible, la flexibilité étant préférée de telle sorte que l'élément tactile (40)
puisse être articulé selon un angle d'approximativement 90° à l'intérieur de la tige
de sondage et d'injection (1).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'élément tactile (40) est équipé d'au moins un capteur (420), en particulier d'un
capteur de pression et/ou d'un inclinomètre.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tige de sondage et d'injection (1) présente au moins un injecteur de jet (13)
et au moins une couronne de sondage (12), l'élément tactile (40) étant disposé entre
l'injecteur de jet (13) et la couronne de sondage (12).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de mesure présente de plus des moyens d'actionnement (41 ; 41') pour
l'élément tactile.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement présentent un piston d'actionnement (41) prévu à l'intérieur
de la tige de sondage et d'injection.
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement présentent un moteur électrique prévu à l'intérieur de
la tige de sondage et d'injection, lequel moteur électrique entraîne de préférence
des moyens d'entraînement, en particulier au moins un tambour moteur (41').
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (14) présente au moins un élément de mesure servant à mesurer
le parcours de déplacement et/ou l'inclinaison de l'élément tactile (40) et/ou le
cas échéant le parcours de déplacement du piston d'actionnement.
9. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la tige de sondage et d'injection présente un canal de fluide sous pression (30),
lequel canal est en connexion avec au moins un injecteur de jet (13) et/ou avec une
ouverture de sortie (44) de l'élément tactile hors de la tige de sondage et d'injection
et/ou avec au moins un côté du piston d'actionnement (41).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'au moins une soupape (45) est prévue dans le canal de fluide sous pression (30), laquelle
soupape est disposée afin d'interrompre la connexion entre le canal de fluide sous
pression (30) et le piston d'actionnement (41) et/ou la connexion entre le canal de
fluide sous pression (30) et l'injecteur de jet (13).
11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le canal de fluide sous pression (30) peut être raccordé par l'intermédiaire de moyens
de commutation (53) en alternance à une alimentation pneumatique (54) et à une alimentation
hydraulique (55).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (14) présente une alimentation en courant intégrée dans la
tige de sondage et d'injection (1).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (14) présente un système de mémorisation des données intégré
dans la tige de sondage et d'injection (1).
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (14) présente une commande programmable intégrée dans la
tige de sondage et d'injection (1).
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (14) présente une interface de données intégrée dans la tige
de sondage et d'injection (1), laquelle interface est mise au point de préférence
pour le transfert de données sans contact, en particulier par infrarouge, par Bluetooth
ou similaire.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un capteur d'inclinaison, qui permet de mesurer au moins l'inclinaison de la tige
de sondage et d'injection (1) et qui permet de superposer de préférence cette inclinaison
avec des mesures issues des déterminations du diamètre.
17. Procédé permettant de fabriquer et de mesurer des colonnes d'injection dans un sous-sol
en utilisant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes,
comportant les étapes consistant à :
réaliser un trou de sondage dans le sous-sol en utilisant la tige de sondage et d'injection
(1),
réaliser une colonne d'injection dans la zone du trou de sondage en utilisant la tige
de sondage et d'injection (1),
mesurer la colonne d'injection en utilisant le dispositif de mesure (14), sans que
la tige de sondage et d'injection (1) n'ait été préalablement retirée du trou de sondage.