P A T E N T A N W Ä L T E

BOHRWERKZEUG UND VERFAHREN ZUM ERSTELLEN EINER BOHRUNG IM

BODEN

Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug zum Erstellen einer Bohrung im Boden, mit einem rohrförmigen Bohrschaft, mindestens einer Abtragseinrichtung, welche zum Abtragen von Bodenmaterial ausgebildet ist, einer Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Fluides durch den Bohrschaft durch mindestens eine Austrittsöffnung für das Fluid in die Bohrung, und mindestens einem sich radial zum Bohrschaft erstrecken den Mischelement, welches an dem Bohrschaft axial beabstandet zu der Abtragsein richtung angeordnet und zum Vermischen von Bodenmaterial mit dem Fluid ausge bildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Gattungsgemäße Bohrwerkzeuge werden insbesondere im Spezialtiefbau zur Erstel lung von Gründungselementen im Boden eingesetzt. Das Bohrwerkzeug kann dabei etwa mit einer Bohrschnecke ausgebildet sein, welche unter Abtrag von Bodenmate rial in den Boden abgebohrt wird. Das durch eine Abtragseinrichtung an der Bohrschnecke zerkleinerte Bodenmaterial kann nach oben in einen oberen Bereich der Bohrung abgefördert werden. Während des Bohrens kann über eine Austrittsöff nung am Bohrschaft eine aushärtbare Suspension eingeleitet werden, wobei durch Mischelemente am Bohrschaft die Suspension mit dem zerkleinerten Bodenmaterial zum in-situ-Herstellen eines sogenannten Bodenmörtels vermischt wird. Nach Errei chen einer Endtiefe wird das Bohrwerkzeug wieder aus der Bohrung rückgezogen, wobei gegebenenfalls unter weiterer Zuführung von Bohrsuspension und Drehung des Bohrwerkzeuges zum weiteren Vermischen ein fertiger Bodenmörtel hergestellt wird, welcher dann zu dem Gründungselement aushärten kann.

Für ein besonders gutes Mischergebnis ist es bekannt, mindestens einen radial ge richteten Leitungskanal am Bohrschaft vorzugsehen, so dass Suspension über einen größeren Durchmesserbereich der Bohrung eingeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden anzugeben, mit welchen eine besonders gute Einleitung von Fluid in die Bohrung erreicht werden kann.

Die Aufgabe wir zum einen durch ein Bohrwerkzeug mit den Merkmalen des An spruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhän gigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Austrittsöffnung im Bereich der Abtragseinrichtung und mindestens eine zweite Austrittsöffnung axial beabstandet zu der mindestens einen ersten Austritts öffnung angeordnet ist und dass an der Zuführeinrichtung mindestens eine Stellein richtung vorgesehen ist, mit welcher die mindestens eine erste Austrittsöffnung und/oder die mindestens eine zweite Austrittsöffnung sperrbar sind, wobei Fluid wahlweise über die mindestens eine erste Austrittsöffnung und/oder die mindestens eine zweite Austrittsöffnung in die Bohrung einleitbar ist.

Ein erster Grundgedanke der Erfindung liegt darin, mehrere Austrittsöffnungen ent lang des Bohrschaftes vorzusehen. Dabei ist es ein weiterer Grundgedanke der Er findung, dass eine Stelleinrichtung vorgesehen ist, mit welcher wahlweise mindes tens eine Austrittsöffnung sperrbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug kann somit gesteuert werden, Fluid gezielt zu bestimmten Zeitpunkten über bestimm te Austrittsöffnungen in die Bohrung einzuleiten.

So kann beispielsweise beim Abbohren Fluid im Bereich der Abtragseinrichtung ein geleitet werden, so dass das abgetragene Bohrklein unmittelbar an der Abtragsein richtung mit dem Fluid, insbesondere einer Bohrsuspension, vermengt werden kann. Hierdurch kann ein besonders gutes Mischergebnis schon beim Abbohren erzielt werden. Bei einem Rückziehen des Bohrschaftes aus dem Bohrloch kann eine weite re Zuführung von Bohrsuspension in dem Bereich des Abtragseinrichtung ein Mischergebnis verschlechtern, da bei einem nach-oben-Ziehen des Bohrwerkzeuges Bohrsuspension, welche am unteren Ende des Bohrwerkzeuges in das Bohrloch ein geleitet wird, kaum noch mechanisch verrührt werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug können beispielsweise untere erste Aus trittsöffnungen über die Stelleinrichtung gesperrt werden, während eine weitere Zu führung von Suspension über axial beabstandete obere zweite Austrittsöffnungen erfolgen kann. Bei einem Rückziehen des noch drehenden Bohrwerkzeuges kann die oben eingeleitete Suspension weiter durch das Bohrwerkzeug mit angeordneten Mischelementen und/oder der Abtragseinrichtung mit dem abgetragenen Bodenma terial vermengt werden. Auf diese Weise können eine besonders gute Mischung und insbesondere ein hochqualitativer und sehr gleichmäßiger Bodenmörtel effizient er stellt werden. So können besonders feste Gründungselemente im Boden hergestellt werden.

Grundsätzlich können über die mindestens eine Stelleinrichtung verschiedenste Konstellationen zur Zuführung eines Fluides in eine Bohrung eingestellt werden. So kann eine Zuführung nur über einzelne Auftrittsöffnungen oder gleichzeitig über meh rere Austrittsöffnungen erfolgen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Er findung besteht darin, dass durch die mindestens eine Stelleinrichtung die mindes tens eine erste Austrittsöffnung und die mindestens eine zweite Austrittsöffnung wechselweise sperrbar sind, wobei Fluid über die mindestens eine erste Austrittsöff nung und/oder die mindestens eine zweite Austrittsöffnung in die Bohrung einleitbar ist, während die mindestens eine zweite Austrittsöffnung beziehungsweise die min destens eine erste Austrittsöffnung gesperrt ist. Durch eine wechselbare Sperrbarkeit kann sichergestellt werden, dass nicht gleichzeitig über zwei axial beabstandete Aus trittsöffnungen eine Fluideinleitung erfolgt. Das Fluid kann ein strömungsfähiges Me dium sein, insbesondere eine Flüssigkeit oder eine Suspension.

Generell kann das Bohrwerkzeug nur an seinem unteren Endbereich eine Abtrags einrichtung zum Abtragen von Bodenmaterial aufweisen. Bei bestimmten Bodenver hältnissen kann es nach einer Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig sein, dass mindestens eine erste Abtragseinrichtung an einem unteren Endbereich des Bohr- Schaftes und mindestens eine zweite Abtragseinrichtung axial oberhalb der ersten Abtragseinrichtung angeordnet sind. So kann die zweite Abtragseinrichtung an einem oberen Endbereich des Bohrwerkzeugs vorgesehen werden, so dass gegebenenfalls auch beim Rückziehen des Bohrwerkzeugs eingefallenes Bodenmaterial entlang der Bohrlochwandung zuverlässig abgetragen werden kann. Die Austrittsöffnungen be finden sich vorzugsweise an und/oder zwischen den zwei Abtragseinrichtungen.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, dass zwischen der ersten Abtragseinrichtung und der zweiten Abtragseinrichtung das mindestens eine Mischelement angeordnet ist. Hierdurch kann sowohl beim Abbohren als auch beim Rückziehen von beiden Abtragseinrichtungen abgetragenes Bodenmaterial zuverlässig durch die Mischein richtung verrührt werden. Vorzugsweise sind mehrere Mischelemente entlang des Bohrschaftes angeordnet.

Ein besonders gutes Mischergebnis kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung dadurch erzielt werden, dass die Abtragseinrichtung mindestens eine sich radial zum Bohrschaft erstreckende Tragleiste aufweist, an welcher Abtragele mente zum Abtragen von Bodenmaterial angeordnet sind, und dass an oder in der Tragleiste ein erster Leitungskanal ausgebildet ist, entlang welchem ein oder mehre re Austrittsöffnungen vorgesehen sind. Somit kann über die Tragleiste der Abtrags einrichtung über den Durchmesser der Bohrung verteilt eine Fluideintragung erfol gen. Dies sorgt für eine besonders gute Verteilung und Durchmischung.

Ein besonders gutes Mischergebnis kann weiter nach einer anderen Ausführungs form der Erfindung dadurch erzielt werden, dass das Mischelement einen Tragarm aufweist und dass an oder in dem Tragarm ein zweiter Leitungskanal ausgebildet ist, entlang welchem ein oder mehrere Austrittsöffnungen vorgesehen sind. Das Misch element kann dabei nur aus dem Tragarm oder aus zusätzlichen Rühr- oder Misch gliedern an dem Tragarm ausgebildet sein. Durch einen sich in radialer Richtung vom Bohrschaft weg erstreckenden Tragarm des mindestens einen Mischelementes kann ebenfalls eine gute Verteilung und Vermischung über den Bohrungsdurchmes ser erfolgen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass mindes tens eine Austrittsöffnung unmittelbar am Bohrschaft angeordnet ist. Insbesondere können ein oder mehrere Austrittsöffnungen am unteren Endbereich des Bohrschaf tes nahe zur Abtragungseinrichtung vorgesehen sein, da dort durch den mechani schen Energieeintrag eine besonders starke Vermischung erfolgt.

Grundsätzlich kann die Stelleinrichtung in jeder geeigneten Weise ausgebildet sein, etwa mit elektrisch ansteuerbaren Stellventilen. Eine besonders zweckmäßige Aus gestaltung eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges liegt darin, dass die Stellein richtung mindestens ein bewegbares Stellelement umfasst, welches zwischen einer Verschlussstellung und einer Öffnungsstellung verstellbar ist. Die Stellelemente kön nen dabei Klappen oder Schieber sein, welche individuell durch Aktoren oder me chanisch durch ein zentrales Bestätigungsgestänge angesteuert werden können.

Generell können ein oder mehrere Stellelemente zentral in dem Bohrschaft angeord net sein, so dass beispielsweise eine Öffnung oder Freigabe eines Durchflusses zu einem unteren Bereich des Bohrschaftes ermöglicht wird. Das Stellelement kann da bei einen Durchgangskanal in dem Bohrschaft sperren oder freigeben. Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass jedem Leitungskanal ein Stellelement zugeordnet ist. Somit kann bei dem radial gerichteten Leitungskanä len eingestellt werden, ob über diese Fluid eingeleitet werden soll oder nicht. Durch ein Stellelement kann auch ein Teil des Bohrschaftes gesperrt oder geöffnet werden.

Eine besonders zuverlässige Ansteuerung des mindestens einen Stellelementes durch die Stelleinrichtung kann dadurch bewirkt werden, dass die Stelleinrichtung durch Änderung der Drehung des Bohrschaftes betätigbar ist. Hierdurch kann eine weiterhin einfache und robuste Gestaltung des Bohrwerkzeuges erreicht werden.

Insbesondere kann dies dadurch erreicht werden, dass das mindestens eine Stell element mechanisch durch einen Kulissenstellmechanismus verstellbar ist. So kann beispielsweise entlang des Bohrschaftes eine mechanische Steuerkulisse vorgese hen sein, entlang welcher ein Betätigungselement oder eine Betätigungsnocke des Stellelementes anliegt und geführt wird. Durch Änderung der Drehung des Bohr schaftes kann das Stellelement mit der Betätigungsnocke entlang der Kulisse ver schoben werden, wobei das Stellelement einerseits die Verschlussstellung oder an dererseits die Öffnungsstellung einnehmen kann. Hierdurch kann eine einfache me chanische Steuerung erzielt werden. Insbesondere kann so etwa beim Abbohren mit einer vorgegebenen Bohrdrehrichtung etwa eine Öffnung der mindestens einen unte ren Austrittsöffnung bewirkt werden, während bei einem Rückziehen des Bohrwerk zeuges aus dem Bohrloch mit entgegengesetzter Drehrichtung durch den vorgege benen Kulissenstellmechanismus automatisch die mindestens eine untere Austritts öffnung verschlossen wird.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden, wobei das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Bohrwerkzeug eingesetzt wird und ein Fluid wahlweise über mindestens eine erste Austrittsöffnung und/oder mindes tens eine zweite Austrittsöffnung in die Bohrung eingeleitet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die zuvor beschriebenen Vorteile beim Einsatz des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges erzielt werden.

Insbesondere beim Einsatz einer aushärtbaren Flüssigkeit oder Suspension kann eine zweckmäßige Verfahrensvariante dadurch realisiert werden, dass das Fluid beim Abbohren über die mindestens eine erste Austrittsöffnung eingeleitet wird, wel che in einem unteren Endbereich des Bohrschaftes angeordnet ist, und dass das Fluid über die mindestens eine zweite Austrittsöffnung oberhalb der ersten Austritts öffnung in die Bohrung eingeleitet wird, wobei das Bohrwerkzeug gedreht wird. Die ses Verfahren kann insbesondere zur Fierstellung eines qualitativ hochwertigen Bo denmörtels in der Bohrung eingesetzt werden.

Besonders zweckmäßig ist es nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass als Fluid eine aushärtbare Suspension eingeleitet wird, wobei in der Bohrung ein Gründungselement im Boden hergestellt wird. Nach dem Rückziehen des Bohrwerkzeugs kann der in der Bohrung aus dem abgetragenen Bodenmaterial und dem zugeleiteten aushärtbaren Fluid hergestellte Bodenmörtel zu einem Grün dungselement, insbesondere einem Gründungspfahl, aushärten.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann so ein besonders gut durchmischter Bodenmörtel und damit sehr homogener Bodenmörtel produziert werden, der zu ei nem hochqualitativen Gründungselement aushärtet. Die Gefahr der Bildung von Fehlstellen in dem Gründungselement wird erheblich reduziert oder sogar vollständig vermieden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges;

Fig. 2 Ansicht des Bohrwerkzeuges von Fig. 1 von unten;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Bohrwerkzeuges nach den Figuren 1 und

2; und

Fig. 4 eine vergrößerte Detaildarstellung entsprechend dem markierten Aus schnitt in Fig. 3 zur Stelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Bohr werkzeuges.

Ein erfindungsgemäßes Bohrwerkzeug 10 wird in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 erläutert. Das Bohrwerkzeug 10 umfasst einen rohrförmigen Bohrschaft 12 mit einem inneren Flohlraum 14. An einer Unterseite des Bohrschaftes 12 sind eine mit tige Pilotspitze 20 und eine nach unten gerichtete erste Abtragseinrichtung 21 ange ordnet. Die erste Abtragseinrichtung 21 weist eine kurze Bohrwendel 18 mit zwei Durchtrittsöffnungen 19 auf. Entlang von zwei sich in radialer Richtung erstreckenden ersten Tragleisten 24 sind zahnartige Abtragselemente 26 zum Abtragen von Bo denmaterial in grundsätzlich bekannter Weise angeordnet. Die ersten Tragleisten 24 sind hohl ausgebildet und bilden einen ersten Leitungskanal 32, welcher in radialer Richtung verläuft. Der erste Leitungskanal 32 ist mit einer mittigen Zuführeinrichtung 30 mit einer Mittenleitung 31 in dem hohlen Bohrschaft 12 zur Zuführung einer Flüs sigkeit oder von Suspension verbunden. Die Flüssigkeit oder die Suspension kann über erste Austrittsöffnungen 35 entlang der ersten Tragleisten 24 ausströmen.

An einem oberen Ende des Bohrschaftes 12 ist eine steckerartige Bohrrohrverbin dung 16 angeordnet, um das Bohrwerkzeug 10 mit einem nicht-dargestellten hohlen Bohrgestänge zu verbinden, welches in grundsätzlich bekannter Weise an einem vorzugsweise mobilen Bohrgerät drehbar gelagert und angetrieben ist. Von dem Bohrgerät kann über das Bohrgestänge Flüssigkeit oder Suspension der Zuführein richtung 30 in dem Bohrwerkzeug 10 zugeleitet werden.

Unmittelbar unterhalb der Bohrrohrverbindung 16 ist eine nach oben gerichtete zwei te Abtragseinrichtung 22 mit zahnartigen Abtragselementen 26 angeordnet. Die Ab- tragselemente 26 der zweiten Abtragseinrichtung 22 sind anders als die Abtragsele mente 26 der ersten Abtragseinrichtung 21 nach oben gerichtet, um bei einem dre henden Rückziehen des Bohrwerkzeuges 10 aus einem erstellten Bohrloch eventuell eingefallenes Bodenmaterial zu zerkleinern und ein zuverlässiges Rückziehen des Bohrwerkzeuges aus einer Bohrung im Boden zu gewährleisten.

Die zweite Abtragseinrichtung 22 kann ebenfalls zwei entgegengesetzte und radial gerichtete zweite Tragleisten 25 aufweisen, welche zum Bilden eines zweiten Lei tungskanales 33 hohl ausgebildet sind. Die zweiten Leitungskanäle 33 münden in der Mittenleitung 31 der Zuführeinrichtung 30, wie anschaulich in Fig. 4 dargestellt ist.

Zwischen der ersten Abtragseinrichtung 21 und der zweiten Abtragseinrichtung 22 sind an dem Bohrschaft 12 axial und/radial versetzte Mischelemente 40 mit radial gerichteten Tragarmen 42 ausgebildet, an welchen Mischblätter 44 angeordnet sein können.

Unterhalb der zweiten Abtragseinrichtung 22 ist an dem Bohrschaft 12 eine Stellein richtung 50 mit einem riegel- oder plattenförmigen Stellelemente 52 ausgebildet, durch welches die Mittenleitung 31 der Zuführeinrichtung 30 zwischen der ersten Ab tragseinrichtung 21 und der zweiten Abtragseinrichtung 22 abgesperrt oder geöffnet werden kann. In den Figuren 3 und 4 ist das Stellelement 52 in der Verschluss- oder Sperrposition dargestellt. Das Stellelement 52 ragt mit einem Ende aus dem Bohr schaft 12 heraus, wobei an dem nach außen ragenden Ende zum Bilden eines Kulis senstellmechanismus 54 ein radial nach oben gerichteter Nockenbolzen 56 vorgese hen ist.

Der Nockenbolzen 56 greift dabei in eine Führungsnut 59 in einer bogenförmigen Kulissenschiene 58 ein, welche an der Außenseite des Bohrschaftes 12 angeordnet ist. Die Führungsnut 59 verläuft in Umfangsrichtung und ist dabei etwa halbkreisför mig ausgebildet, jedoch mit einem sich verändernden Abstand zur Bohrachse. Somit ist der Kulissenstellmechanismus 54 gebildet, wobei durch eine Relativdrehung zwi schen der Kulissenschiene 58 mit der Führungsnut 59 zu dem Nockenbolzen 56 die ser in seiner Radialposition zur Bohrachse verändert wird. Durch die Verbindung zwischen dem Nockenbolzen 56 mit dem Stellelement 52 kann dieses so zwischen einer Verschlussposition und einer Öffnungsposition durch eine Relativdrehung ver stellt werden.

Zum Bewirken einer Relativdrehung kann die bogenförmige Kulissenschiene 58 an einer Lagerhülse 60 angebracht sein, welche drehbar an der Außenseite des Bohr schaftes 12 gelagert ist. An der Lagerhülse 60 kann auch die obere zweite Abtrags einrichtung 22 angeordnet sein. Bei einer Drehrichtungsänderung des Bohrwerkzeu ges 10 kann so eine Relativdrehung zwischen dem Bohrschaft 12 und der Lagerhül se 60 mit der Kulissenschiene 58 und gegebenenfalls der daran angebrachten zwei ten Abtragseinrichtung 22 bewirkt werden. Somit kann durch eine Änderung der Drehrichtung des Bohrwerkzeuges 10 die Stelleinrichtung 50 betätigt werden.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren kann so beim Erstellen und Abteufen einer Bohrung mit den Bohrwerkzeug 10 das Stellelement 52 in seine Öffnungsposi tion gebracht werden, so dass in dieser Stellung beim Abbohren Bohrflüssigkeit oder Bohrsuspension zu den unteren ersten Austrittsöffnungen 35 geleitet und unmittelbar an der ersten Abtragseinrichtung 21 in die Bohrung eingeleitet werden kann.

Wird hingegen das Bohrwerkzeug 10 mit umgekehrter Drehrichtung aus der erstell ten Bohrung wieder rückgezogen, wird durch den Kulissenstellmechanismus 54 eine Verstellung des Stellelementes 52 in eine Verschluss- oder Sperrposition bewirkt, so dass dann zugeleitete Flüssigkeit oder Suspension ausschließlich über die darüber liegenden zweiten Austrittsöffnungen 36 an der zweiten Abtragseinrichtung 22 in die Bohrung eingeleitet wird.

Durch das Einleiten am oberen Ende des Bohrwerkzeuges 10 wird beim Rückziehen sichergestellt, dass das drehende Bohrwerkzeug 10 die neu eingeleitete Flüssigkeit noch hinreichend intensiv mit der bereits bestehenden Suspension in der Bohrung vermengt.