DE19849786A1

DE19849786A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bodenkörpern im Baugrund

Info

Publication number: DE19849786A1
Application number: DE1998149786
Authority: DE
Inventors: Herbert Samol
Original assignee: Keller Grundbau GmbH
Current assignee: Keller Grundbau GmbH
Priority date: 1997-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2018-10-29
Also published as: ATA181797A; AT409007B; DE19849786B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bodenkörpern im Bau grund gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Bei bekannten Verfahren dieser Art wird mit Hilfe von Bohrungen, die bis auf die geplante Gründungssohle abgeteuft werden, Wasser, Luft und Suspension über ein mit seitlichen Düsenausgängen versehenes Bohr- und Spülgestänge verpreßt. Dabei wird der das Bohrloch umgebende Boden durch einen hochdruckgespann ten Schneidstrahl erodiert, aufgeschnitten, d. h. gelockert, und nachfolgend mit Suspension verfüllt. Die hierbei aus Boden, Wasser, Luft und Suspension, bei spielsweise Zementsuspension, entstehende breiige Mischung füllt die entstande nen Freiräume. Der Mischungsüberschuß fließt über den offenen Bohrloch ringraum zutage. Die Form der sich sodann erhärtenden Bodenkörper hängt von der Düsenstrahlbewegung ab. Beispielsweise entstehen säulenartige Bodenkör per, wenn das Gestänge während des Düsens rotiert und zugleich gezogen wird.

Die Leistungsfähigkeit der bekannten Verfahren ist im wesentlichen abhängig vom Wirkungsgrad der eingesetzten hydraulischen Energie, d. h. der Pumpenleistung, den bodenmechanischen Eigenschaften der zu erodierenden Bodenschichten und den gewählten Herstellungsparametern. Düsenstrahlreichweite und Erosionsbreite sind Bewertungsmaßstab für die effektive Erosionsleistung der Düsenstrahlverfah ren.

Nach dem heutigen Stand der Technik arbeiten die oben erwähnten Verfahren unter der international gebräuchlichen Bezeichnung JET-GROUTING mit Düsen schneidstrahlen, die aus Wasser oder Bindemittelsuspensionen bestehen. Die dabei aus Boden, Wasser bzw. Suspension sich bildende Mischung schränkt die Wirtschaftlichkeit der Verfahren ein, weil Reibungs- und Strömungsverluste einen Teil der eingesetzten Energie verbrauchen.

Nachteilig und daher verbesserungsbedürftig sind bei den bisher praktizierten Verfahren die bodenabhängigen, daher wechselnden, unbestimmbaren Erosions leistungen, die ungleichmäßige Verfestigungskörper mit den daraus resultierenden Unzulänglichkeiten, wie z. B. fehlerhafte Überschneidungen, zur Folge haben.

Mit den heutigen Herstellungsbedingungen ist eine leistungsabhängige kontrollie rende Steuerung der Düsenstrahlen während der Erosionsarbeit aufgrund des Fehlens geeigneter Meßverfahren zur Zeit nicht möglich. Daher werden empiri sche Herstellungsparameter eingesetzt, die von ausgewerteten Baustellenversu chen und Arbeitsausführungen gewonnen wurden. Die Feststellung der tatsächli chen Arbeitserfolge und die Kontrolle der erzielten Abmessungen der geschaffe nen Bodenkörper sind zur Zeit nur mit größerem zusätzlichen Aufwand durchführ bar.

Eine Analyse der angeführten Nachteile führt zur Erkenntnis, daß schon bei der Zerstörung des Bodengefüges die Wirksamkeit des flüssigen, fallweise luftum mantelten Schneidstrahles durch den sich bildenden Bodenmörtel stark beein trächtigt wird. Aufgrund dessen unbestimmbarer, heterogener Zusammensetzung und aufgrund der während der Düsenarbeit herrschenden Strömungsvorgänge sind Versuche und Bemühungen zur Erfassung relevanter Meßdaten in diesem Milieu erfolglos geblieben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vor richtung zur Herstellung von Bodenkörpern im Baugrund zu schaffen, mit denen es auf einfache Weise möglich ist, steuerbare sowie kontrollierbare Erosionsar beiten durchzuführen und mit Hilfe von Reichweitenmessungen den gegebenen Bodenverhältnissen anzupassen.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei der zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den jeweiligen Unteransprüchen an gegeben.

Der Erfindung liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, im erweiterten Arbeitsbe reich der Düsenstrahlen ein permanentes Luftkissen bzw. Druckluftkissen zu er zeugen. In diesem Druckluftkissen können einzelne oder auch mehrere Düsen schneidstrahlen unproblematisch und reibungslos die Bodenstruktur auflösen, weil alle Stoffe mit einer höheren Dichte als die der Luft, also Wasser, Suspension und Boden, in den zuvor ausgehöhlten Raum absinken und sedimentieren. Auf diese Weise kann der Arbeitsprozeß nahezu unter atmosphärischen Bedingungen un gestört ablaufen, wobei gleichzeitig höhere Erosionsleistungen möglich sind, die zudem über Reichweitenmessungen gesteuert werden können.

Durch das gleichzeitige Einpressen von Luft und Schneidflüssigkeit über die Dü seneinrichtung wird die Erzeugung des permanenten Luftkissens gewährleistet.

Durch die Erfindung wird somit auf vorteilhafte Weise die Herstellung von verfe stigten, wasserundurchlässigen Bodenkörpern in Sediment- und Lockergestein ermöglicht. Diese Bodenkörper können der Bodenstabilisierung dienen oder für Gründungs- und Unterfangungsmaßnahmen, jedoch auch als Abdichtungs- und Abkapselungskörper zur Anwendung gelangen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung im Längsschnitt und

Fig. 2 im Querschnitt gemäß Linie II-II nach Fig. 1.

In vorgegebenen Bodenschichten 1 wird eine Spülbohrung 2 mit einem an einem Triplex-Bohrgestänge 3 befestigten Bohrmeißel hergestellt, wobei eine filterku chenbildende Spülung verwendet wird. Der betreffende Spülungsstrom 4 fließt über das Gestängeinnere zum Bohrmeißel und befördert das Bohrklein über einen Bohrlochringraum 5 zutage.

In demjenigen Bereich des Bohrgestänges 3, in dem sich eine Düsenvorrichtung 6 befindet, ist ein koaxiales Tauchrohr 7 montiert, das nach dem pneumatischen Aufpumpen einer Gummimanschette 8 wie ein Ringraumpreventer (Ringraumpacker) wirkt und den Spülungsstrom 4 nur über einen koaxialen Ringraum 9 zwi schen Tauchrohr 7 und Bohrgestänge 3 fließen läßt.

Nach dem Erreichen der planungsgemäßen Bohrtiefe wird von der Arbeitsphase "Bohren" auf die Arbeitsphase "Düsen" umgestellt. Sie wird durch das mit Hilfe eines Kompressors erfolgende Einpressen von Luft über eine Luftzuleitung 10 eingeleitet.

Der für das Verfahren erforderliche Luftbedarf ist von der Durchlässigkeit der vor liegenden Bodenschichten 1 abhängig. Beispielsweise ergibt sich ein Luftbedarf von 3 m³/min Ansaugleistung des Kompressors bei einem Druck des Luftkissens 11 von 2 bar und einem Boden-Durchlässigkeitsbeiwert von 1 × 10^-4 m/s. Bei grö ßeren Luftverlusten können der Schneidflüssigkeit filterkuchenbildende Stoffe zu gemischt werden.

Beim Einpressen der Luft über die Zuleitung 10 zur Luftdüse wird der an die Luft zuleitung 10 angeschlossene Ringraumpacker 8 in Funktion gesetzt. Nach erfolg ter Abdichtung des Bohrlochringraums 5 im Bereich des Tauchrohres 7 baut die überschüssige Luft ein Luftkissen 11 auf. Die Unterkante 7a des Tauchrohres 7 bestimmt die Höhe der Ausdehnung des Luftkissens 11. Über den offenen Rin graum 9, gebildet aus Tauchrohr 7 und Bohrgestänge 3, sowie weiter aufsteigend über den Ringraum, gebildet aus Bohrlochwand 19 und Bohrgestänge 3, gelangt der Luftüberschuß zutage.

Nach hergestellter Umläufigkeit der eingepreßten Luft wird mit den Erosionsar beiten zur Herstellung des Verfestigungskörpers 22 begonnen. Hierzu wird Was ser mit beisp. 400 bar durch die Düsenvorrichtung 6 verpreßt, deren Düse einen Durchmesser von beispielsweise 2 mm aufweist. Der sich bildende Schneidstrahl 12 durchdringt den anstehenden Boden, beispielsweise Sand, und zerstört in sei nem Arbeitsbereich die Bodenstruktur, wobei eine fließfähige Mischung aus Was ser und Boden entsteht. Die hohe Rohwichte der Mischung bewirkt deren Tren nung von der gleichzeitig eingepreßten Luft, so daß die entstandene Mischung über den offenen Ringraum zutage gefördert wird. Der hohe Wasser-Einpreßdruck von 400 bar entsteht vor der Düse 6 und baut sich schnell auf den tiefenabhängi gen hydrostatischen Druck ab. Wird das Bohrgestänge 3 bei diesem Arbeitspro zeß gezogen, entsteht die beabsichtigte Aushöhlung 13 im Boden. Diese wird zy linderförmig, wenn das Bohrgestänge 3 rotierend gezogen wird. Die Aushöhlung 13 bleibt so lange luftgefüllt, wie es die Unterkante 7a des Tauchrohres 7 be stimmt. Erreicht die Trennflächenzone 14 die Unterkante 7a des Tauchrohres 7, wird zu diesem Zeitpunkt mit dem Eindüsen von Zementsuspension 16 über eine Zementsuspensions-Düse 20 begonnen.

Die Ausbildung des Luftkissens 11 im Arbeitsbereich des Düsenschneidstrahles 12 bis zur Unterkante 7a des Tauchrohres 7 erlaubt nun auch vorteilhafterweise kontinuierliche oder diskontinuierliche Reichweitenmessungen. Diese können in einer Ausführungsform der Vorrichtung mit Ultraschallmeßgeber 15, gesteuert durch Steuerungskabel 18, ausgeführt werden. Über eine Prozeßsteuerungsein richtung können nun auch die Herstellungsparameter, also Gestängeziehge schwindigkeit, Düsenrotation und Suspensionsmenge, den unterschiedlichen bo denmechanischen Bodenschichten 1 angepaßt werden.

Die erwünschten Reichweitenmessungen sind Distanzbestimmungen. Sie können unter den vorteilhaften Luftkissenbedingungen auch mit anderen Meßverfahren ausgeführt werden.

In die Vorrichtung sind außerdem Druckmeßdosen 17 eingebaut. Diese dienen der Differenzdruckmessung im Ausspülungs- sowie im Verfüllungsbereich zur Kon trolle der erosionsabhängigen Rohdichte der sich bildenden Bodenmischungen.

Mit Hilfe eines Zusatzmittels, das der Schneidflüssigkeit als Entschäumer zuge setzt wird, wird eine Schaumbildung im Luftkissen 11 ausgeschlossen.

Zur Herstellung von Bodenkörpern im Baugrund durch Bildung von Baugrundaus höhlungen mit nachfolgender Hohlraumverfüllung mit dem beim Erodieren sich bildenden Bodenmörtel wird demnach erfindungsgemäß ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens verwendet, wobei mit Hilfe eines Tauchrohres 7 ein Luftkissen 11 erzeugt wird. Dieses gestaltet caissonartige Ar beitsbedingungen derart, daß sowohl höhere als auch über Reichweitenmessun gen kontrollierbare und steuerbare Erosionsleistungen erzielt werden.

Die dadurch im Baugrund erzeugten Bodenkörper dienen der Bodenverfestigung und -abdichtung und sind beispielsweise für Bauwerksunterfangungen und Fun damentverstärkungen einsetzbar.

Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfin dung wird im übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung ein schließlich der nachfolgend aufgeführten, zur Zeichnung gehörigen Bezugszei chenliste verwiesen.

Bezugszeichenliste

1

Bodenschichten

2

Spülbohrung

3

Dreifachbohr- bzw. -düsgestänge

4

Zementsuspension

5

Bohrlochringraum

6

Düsenvorrichtung

7

Tauchrohr

7

a Tauchrohrunterkante

8

Gummimanschette als Ringraumpreventer (Ringraumpacker)

9

Ringraum zwischen Tauchrohr

7

und Bohrgestänge

3

10

Luftzuleitung zur Luftdüse/Luftkanal

11

Luftkissen

12

Düsenschneidstrahl

13

Bodenaushöhlung

14

Trennflächenzone zwischen Luftkissen

11

/Verfestigungskörper

22

15

Reichweitenmeßvorrichtung

16

Zementsuspension

17

Druckmeßdosen für Differenzdruckmessungen

18

Steuerungskabel

19

Bohrlochrand

20

Zementsuspensionsdüse

21

Bodenkante

22

Erodierter Boden mit Zementsuspension (Verfestigungskörper)

23

Äußeres Gestängerohr

24

Mittleres Gestängerohr

25

Inneres Gestängerohr

26

Wasserkanal

27

Luftstrahl(en)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Bodenkörpern im Baugrund durch Bil dung von Aushöhlungen und deren unmittelbar nachfolgender Verfüllung mit ei nem beim Erodieren mittels Düsenschneidstrahlen (12) gebildeten Boden- Bindemittelgemisch, das nach dem Erhärten einen verfestigten, wassersperrenden Bodenkörper bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenerosionsarbeiten der Düsenschneidstrahlen (12) in einem perma nent erzeugten Luftkissen (11) ausgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des permanent erzeugten Luftkissens (11) so bemessen wird, daß der Düsenschneid strahl (12) durch schnelle Separation der Mischungsphasen, Luft und Bodensus pension, nicht behindert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das er zeugte Luftkissen (11) in radialer Erstreckung durch die Reichweite der Erosion begrenzt und in vertikaler Erstreckung größer als 50 cm ausgebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Schneidflüssigkeit Zusatzstoffe zur Vermeidung von Luftverlusten und/oder Verstopfungsmittel, wie beispielsweise Bentonit oder andere Quellstoffe, zugesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Schneidflüssigkeit Entschäumer zur Vermeidung einer Schaumbil dung zugesetzt werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer koaxialen Rohrkombination be steht, die ein Spülgestänge (3), ein Tauchrohr (7) mit einem Ringraumpreventer (8) mit aufblähbarer Dichtungsmanschette und eine Düseneinrichtung (6) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung und Kontrolle der erzielten Reichweite wenigstens ein Distanzmeßgeber (15) im Gestänge (3) so integriert ist, daß das Meßergebnis während der Erosionsarbeiten über einen Steuermonitor angezeigt wird und diese Arbeiten kontrolliert sowie steuert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanz meßgeber (15) Echolote, Ultraschallmeßgeräte, Infrarotentfernungsmesser, La sergeräte und dgl. sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Messung und Kontrolle der erzielten Erosionsleistung über Differenzdruckmessungen mittels Druckmeßdosen (17) erfolgt, die auf dem Spül gestänge (3) im Ausspülungs- und Verfüllungsbereich montiert sind und den Kon takt zum Bohrlochringraum sicherstellen.