DE3737259C1 - Apparatus and method for high-pressure injection - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Hochdruckinjektion mit einem Kanalgestänge gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8. Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind bekannt.

Die Hochdruckinjektionstechnik wird im Tiefbau zur Herstel­ lung von Unterfangungskörpern und Dichtwänden eingesetzt. In Vortriebsrichtung oberhalb des Bohrkopfes befindet sich dabei mindestens eine quer zur Bohrerlängsachse ausgerich­ tete Injektionsdüse, die über das Kanalgestänge mit einer er­ härtenden Suspension versorgt wird. Nach Erreichen der Endteufe wird die Suspension über die Injektionsdüse unter Hochdruck aus­ gebracht, wo sie sich im Erdreich verfestigt. Durch Drehen des Gestänges beim Zurückziehen entstehen säulenförmige Injektionskörper. Deren Größe und Festigkeit kann durch die Wahl von Ziehgeschwindigkeit, Pumpendruck und Düsen­ durchmesser vorher bestimmt werden. Die gewünschte Form und Ausdehnung der Unterfangungskörper oder plattenförmi­ gen Injektionen für Sohldichtungen erhält man durch Ver­ bindung mehrerer derartiger Säulen.

Es ist ferner bekannt, das Bohrloch während des Abteufens auszuspülen, indem über die Injektionsdüse(n) eine Spül­ flüssigkeit ausgebracht wird, mit welcher gelöstes Erd­ reich nach oben befördert wird. Nachdem der Bohrvorgang beendet ist, erfolgt die Umschaltung auf die Suspension und der Spülvorgang muß eingestellt werden.

Um der Suspension einen möglichst großen Impuls zu ver­ leihen, damit es das Gefüge des anstehenden Bodens mög­ lichst zerstört und dann ersetzt, müssen relativ hohe Injektionsdrücke verwendet werden. Es muß dabei jedoch verhin­ dert werden, daß sich der Druck im Boden aufbaut, weil sonst an der Erdoberfläche Erhebungen auftreten, die ins­ besondere bei der Herstellung von Unterfangungskörpern absolut unerwünscht sind.

Damit ein Druckaufbau während der Injektion ausgeschlossen wird, verwendet man Bohrkronen, deren Durchmesser größer ist als der des Kanalgestänges, so daß zwischen Kanalgestän­ ge und Bohrloch ein mehr oder weniger großer Ringraum ver­ bleibt, über welchen überschüssige Suspension, die soge­ nannte Rücklaufsuspension, zur Erdoberfläche hin abfließen soll.

Es kann bei der Anwendung derartiger Hochdruckinjektions­ verfahren in feinteilreichen Böden beobachtet werden, daß sich die Rücklaufsuspension sehr stark mit Bodenfeinteilen auflädt, so daß sie sehr schwer und zähflüssig wird. Dies kann dazu führen, daß der Rücklaufstrom im Ringraum zum Erliegen kommt. Dabei besteht die Gefahr, daß der sich im Boden aufbauende Druck nicht abgebaut wird, was zu den un­ erwünschten Hebungen an der Erdoberfläche führt.

Die Verstopfungen wurden bisher so beseitigt, daß das Kanalgestänge im Bohrloch auf- und abbewegt wurde, wobei die Injektionsdüsen nurmehr mit geringem Druck beauf­ schlagt werden durften. Dieses "Freiwaschen" ist ins­ besondere dann sehr aufwendig, wenn das Kanalgestänge von einer kurzen Lafette aus stückweise auf- und abgeschraubt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckinjektionsvorrichtung und ein Hoch­ druckinjektionsverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit wel­ chen Verstopfungen des Ringraums zwischen Kanalgestänge und Bohrloch verhindert werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der genannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß das Kanalgestänge mit mindestens einem Spülmedium-Kanal und mit mindestens einer entgegen der Vortriebsrichtung gerich­ teten Spüldüse zur Beaufschlagung des zwischen dem Kanalgestänge und dem Bohrloch vorhandenen Ringraums mit dem Spülmedium versehen ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß unabhängig vom Ausbrin­ gen der Injektions-Suspension ein Spülmedium in den Ring­ raum ausgebracht werden kann. Das Spülmedium verdünnt die an die Erdoberfläche zurückfließende Suspension, setzt des­ sen Wichte herab und kann ferner insbesondere durch die entgegen der Vortriebsrichtung gerichtete Spüldüse den Rücklauf beschleuni­ gen, wenn die Austrittsgeschwindigkeit entsprechend ge­ wählt wird.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß über die gesamte Länge des Kanalgestänges verteilt Spüldüsen vorhanden sind. Das hat den Vorteil, daß der Rückfluß der Suspension kontinuierlich unterstützt wird.

Hierbei kann es zweckmäßig sein, daß der Abstand der Spül­ düsen mit abnehmender Entfernung von der Erdoberfläche verringert ist. Durch diese Maßnahme wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die Verdickung der Suspension mit zunehmender Annäherung an die Erdoberfläche zunimmt. Durch eine höhere Dichte der Spüldüsen ist die Zuführung einer entsprechend größeren Menge von Spülflüssigkeit möglich.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß mehrere Spüldüsen in Umfangsrichtung am Kanalgestänge angeordnet sind. Somit wird eine gleichmäßige Beaufschla­ gung des Ringraumes erreicht.

Die Spüldüsen werden vorteilhafterweise dadurch gebildet, daß das Kanalgestänge mit einer unter einem spitzen Win­ kel zur Gestängelängsachse verlaufenden Bohrung versehen sind.

Alternativ dazu können die Spüldüsen auch dadurch auf ein­ fache Weise hergestellt werden, daß auf dem Außenzylinder des Kanalgestänges jeweils ein nach oben geöffnetes Um­ lenkblech angeordnet ist, welches einer Düsenöffnung zuge­ ordnet ist.

Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zwei unabhängige Kanäle und entsprechende Spül­ düsen zur Zuführung und zum Ausbringen von unterschiedli­ chen Spülmedien vorhanden sind. Dies bietet den Vorteil, daß gasförmiges und flüssiges Medium in einer frei wähl­ baren Kombination zur Unterstützung des Suspensionsrück­ flusses ausgebracht werden kann.

Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren wird die Aufgabe ferner durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Verfahrensmäßig erweist es sich als besonders vorteilhaft, daß als Spülmedium ein Gas, im einfachsten Fall Luft, ver­ wendet wird. Ein gasförmiges Medium hat den Vorteil, daß die Rücklaufmenge durch das Spülmedium nicht vergrößert wird, so daß die Kosten für die Beseitigung des Rücklaufs relativ niedrig gehalten werden können.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung besteht verfahrens­ mäßig darin, daß dem Spülmedium ein Mittel beigegeben wird, welches das Anstreifen des in der Rücklaufsuspension ent­ haltenen Zements verzögert. Diese Maßnahme wirkt unter­ stützend bei der Verhinderung von Verstopfungen, da die flüssige Phase der Suspension möglichst lange erhalten bleibt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung weiter beschrieben.

Diese zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Vorrichtung, zur Hochdruckinjektion.

Die Vorrichtung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, ist unter Bildung eines Bohrloches 11 im Erdreich 12 abgeteuft. Die Vorrichtung besteht aus einem Kanalgestänge 2, an dessen unterem Ende ein Bohr­ kopf 13 angebracht ist. Da der Durchmesser des Bohrkopfes 13 größer ist als der Durchmesser des Kanalgestänges 2, befindet sich im Bohrloch 11, zwischen dem Kanalgestänge 2 und der Bohrlochwand ein Ringraum 5.

Das Kanalgestänge 2 besteht aus einem Hohlrohr mit einem Hochdrucksuspensionskanal 14, einem Spülmediumkanal 15 sowie in dem hier gezeigten Beispiel einem weiteren Spül­ mediumkanal 16. Grundsätzlich kann auch ausreichend sein, daß ein einziger Spülmediumkanal vorhanden ist, wobei das Kanalgestänge 2 doppelwandig ausgebildet sein kann und der Spülmediumkanal als Ringraum um den Hochdrucksuspen­ sionskanal ausgebildet ist.

Oberhalb der Bohrkrone 13 befindet sich ein Hochdruckinjek­ tions-Düsenkörper 1 mit mindestens einer senkrecht zur Gestängelängsachse ausgerichteten Injektionsdüse 6. Die über den Hochdrucksuspensionskanal 14 zugeführte Suspen­ sion wird unter großer Geschwindigkeit über die Injek­ tionsdüse 6 in das Erdreich injiziert, wobei durch Drehen und Zurückziehen der Injektionsvorrichtung 10 ein sich verfesti­ gender zylinderförmiger Injektionskörper 17 erzeugt wird.

Überschüssige Hochdrucksuspension gelangt über den Ring­ raum 5 an die Erdoberfläche, wo sie entsorgt wird.

Die Spülmediumkanäle 15, 16 sind jeweils mit Spüldüsen 3 versehen, die mit einem Spülmedium beaufschlagt werden. Die Spüldüsen 3 sind unter einem spitzen Winkel 4 bezüg­ lich der Kanallängsachse ausgerichtet, so daß das austre­ tende Spülmedium nach rückwärts in Richtung auf die Erd­ oberfläche gemäß Pfeilen 8 gerichtet wird. Das Spül­ medium wird der rücklaufenden Hochdrucksuspension beige­ mischt, wobei es diese verdünnt. Über die Austrittsge­ schwindigkeit des Spülmediums wird der Rück­ lauf der Suspension unterstützt und beschleunigt.

Die Figur veranschaulicht zwei unterschiedliche Varianten der Spüldüsen 3. Die beiden oben wiedergegebenen Spüldüsen 3 sind als Bohrungen realisiert, die im Zylindermantel des Kanalgestänges angebracht sind. Die beiden darunter wieder­ gegebenen Beispiele 3′ sind beispielhaft in der Weise reali­ siert, daß jeweils über einer Düsenöffnung 18 ein Umlenk­ blech 7 am Kanalgestänge 2 angebracht ist. Selbstverständ­ lich kann die Ausbildung auch auf eine einzige Variante beschränkt sein. Wenn - wie in dem dargestellten Beispiel - zwei unabhängige Spülmediumkanäle 15, 16 vorhanden sind, so ist es möglich, diese mit unterschiedlichen Spülmedien, beispielsweise flüssigen oder gasförmigen, zu beaufschlagen.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in der Figur darauf verzichtet, den oberflächenseitig vorhandenen Antrieb der Injektionsvorrichtung 10 sowie die Vorrats-, Pump- und Versor­ gungseinrichtungen zur Zuführung der Hochdrucksuspension und der Spülmedien darzustellen.

Claims (10)

1. Vorrichtung für eine Hochdruckinjektion mit einem Kanalgestänge, das einen Hochdrucksuspensionskanal und an seinem Ende einen damit verbundenen Hoch­ druckinjektions-Düsenkörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalgestänge (2) mit mindestens einem Spül­ medium-Kanal (15, 16) und mit minde­ stens einer entgegen der Vortriebsrichtung gerichteten Spüldüse (3) zur Beaufschlagung des zwischen dem Kanalgestänge (2) und dem Bohrloch (11) vorhandenen Ring­ raums (5) mit dem Spülmedium versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die gesamte Länge des Kanalgestänges (2) verteilt Spüldüsen (3) vorhanden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der Spüldüsen (3) mit abneh­ mender Entfernung von der Erdoberfläche verringert ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spüldüsen (3) in Umfangsrichtung am Kanalgestänge (2) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spüldüsen jeweils als Bohrungen im Kanalge­ stänge (2) ausgebildet sind, die unter einem spitzen Winkel zur Gestängelängsachse verlaufen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spüldüsen (3) jeweils aus einer Düsenöffnung (18) im Kanalgestänge (2) und aus einem nach oben ge­ öffneten Umlenkblech (7) auf dem Außenzylinder des Kanalgestänges (2) bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unabhängige Spülmediumkanäle (15, 16) und entsprechende Spüldüsen (3) zum Zuführen und zum Ausbringen von unterschiedlichen Spülmedien vor­ handen sind.

8. Verfahren für eine Hochdruckinjektion, bei welcher eine Suspen­ sion ins Erdreich injiziert wird, welche über mindestens eine am Ende eines Kanalgestänges (2) angeordnete Injektionsdüse (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Injektionsvorganges mindestens ein Spülmedium durch mindestens eine entgegen der Vortriebsrichtung gerichtete Spüldüse (3) in den zwischen dem Kanalgestänge (2) und dem Bohrloch (11) vorhandenen Ringraum (5) zum Ausspülen überschüssiger Suspension ausgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spülmedium ein Mittel beigegeben wird, wel­ ches das Ansteifen eines in der Rücklaufsuspension enthaltenen Zements verzögert.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülmedium gasförmig ist.