DE4016965A1 - Bohrkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf als Teil einer Bohrlanze für eine Vorrichtung zum Bohren eines unterirdischen Tunnels, mit einem Bohrkopf, welcher einen längs der Mittelachse der Bohrlanze verlaufenden Kanal aufweist und um die Mittelachse drehbar ist, mit wenigstens einer vorwärts gerichteten Düse am Bohrkopf, die mit dem Kanal kommuniziert und deren Austrittsöffnung außerhalb der Mittelachse orientiert ist.

Solche Bohrlanzen werden mit Vorrichtungen verwendet, die zum Bohren von unterirdischen Kanälen dienen. Aus der vorwärts gerichteten Düse tritt eine unter Druck stehende Flüssigkeit aus, beispielsweise eine Wasser-Bentonit-Schlämme. Ein gleichmäßiges Bohren in Vorwärtsrichtung durch weitgehend homogenes Erdreich wird erreicht, indem der Bohrkopf mit Bohrlanze mit einer gleichförmigen Rotationsgeschwindigkeit um die Mittelachse gedreht wird. Wenn Richtungsänderungen erforderlich sind, wird die Rotationsbewegung gestoppt, sobald die Düse des Bohrkopfs in etwa sich an der Stelle befindet, an der die Richtungsänderung beginnen soll. Durch den aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl wird Erdreich bevorzugt nur in einer Richtung abgetragen. Je nach erfolgtem Abtrag wird die gesamte Bohrlanze gedreht, bis die neue Richtung eingestellt ist. Diese hydromechanische Steuerung wird oftmals durch eine Steuerfläche unterstützt, die durch eine der Düse gegenüberliegende Anschrägung des Bohrkopfes gebildet ist. Dann wird die Rotationsbewegung des Bohrkopfes wieder aufgenommen, und eine Geradeausbohrung erfolgt in der neuen Richtung.

Ein derartiger Bohrkopf für eine ist aus der EP-01 95 559 A1 bekannt. Um den unterschiedlichen Bedingungen im Erdreich Rechnung zu tragen, insbesondere dessen Härte, wird danach eine unterschiedliche Anzahl von Düsen gewählt. Mit dieser Bohrlanze können hinreichend genaue Bohrungen durchgeführt werden, solange der Untergrund aus relativ weichem Erdreich besteht. Bei hartem Erdmaterial ergeben sich Schwierigkeiten beim Stabilisieren der Bohrlanze, da die Seite der Bohrlanze, die der Düsenanordnung gegenüberliegt, an das harte Gestein stößt, wodurch es bei dem relativ langsamen Vorschub zu Steuerproblemen der Lanze kommt.

Um hartes Erdreich dennoch bearbeiten zu können, wird gemäß der US-PS 23 24 102 vorgeschlagen, als Hochdruckflüssigkeit eine Chemikalie oder Säure zu verwenden, die das Gestein angreift. Sobald die eingesetzte Chemikalie das Gestein gelockert hat, fährt die Bohrlanze nach, wobei sie nun noch durch relativ weiches Material dringen muß. Diese Lösung ist oftmals nicht erwünscht, da sich dadurch Belastungen der Umwelt bzw. des Grundwassers ergeben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Bohrlanze zur Verfügung zu stellen, mit der richtungsgenaue Bohrungen sowohl in bündigen, sandigen und kiesigen Böden als auch in hartem Erdreich durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird von einer Bohrlanze der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Bohrkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß am Bohrkopf wenigstens eine rückwärts gerichtete Düse vorgesehen ist, deren Düsenkanal mit dem längs der Mittelachse der Bohrlanze verlaufenden Kanal kommuniziert.

Eine derart ausgerichtete Düse schafft der Bohrlanze Raum, damit sie bei Richtungsänderungen besser ausweichen kann. Dadurch wird die Steuerfähigkeit der Bohrlanze signifikant verbessert.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Bohrkopf eine Vielzahl von rückwärts gerichteten Düsen auf, die in bezug auf die Mittelachse im gleichen Winkelabstand voneinander vorgesehen sind, jedoch sind auch Ausgestaltungen mit unterschiedlichem Winkelabstand möglich. Es hat sich herausgestellt, daß bei bestimmten Bodenbedingungen drei im Abstand von 120° ausgerichtete Düsen ausreichend sind, um der Bohrlanze bei Richtungsänderungen jeglicher Art genügend Spielraum zu lassen. Andere Bodenbedingungen können eine andere Anordnung von vier oder mehr rückwärts gerichteten Düsen erfordern.

Es ist günstig, die Düsen unter einem Winkel von etwa 15° in bezug auf die Mittelachse der Bohrlanze rückwärts zu richten.

Obwohl prinzipiell eine vorwärts gerichtete Düse, die außerhalb der Mittelachse der Bohrlanze mündet, ausreichend ist, um auch richtungsändernde Bohrungen durchführen zu können, kann der Bohrkopf auch eine Vielzahl von vorwärts gerichteten Düsen aufweisen, die zu einer dieser Düsen in ihrem Winkelabstand symmetrisch angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung aus beispielsweise drei Düsen kann der Düsenabstand zu mittleren dieser Düsen jeweils 45° betragen. Dabei können die Düsen unter einem Winkel von etwa 10° bis 15° in bezug auf die Mittelachse der Bohrlanze vorwärts gerichtet sein, wobei die Austrittsöffnung der Düsen außerhalb der Mittelachse orientiert, aber parallel zu dieser angeordnet sind. Es ist besonders bevorzugt, wenn die Achse des Düsenkanals wenigstens einer rückwärts gerichteten Düse und die Achse des Düsenkanals einer vorwärts gerichteten Düse mit der Mittelachse in einer gemeinsamen Ebene liegen. Bei dieser speziellen Düsenanordnung, zusammen mit den genannten Winkelangaben, ist die benötigte Bentonitmenge für die Bohrung am geringsten, was in einigen Anwendungsfällen sinnvoll sein kann.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Beispiels einer Ausführungsform, wie in der beiliegenden Zeichnung dargestellt, näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Bohrkopf gemäß der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt,;

Fig. 2 eine Ansicht des Bohrkopfes von vorne;

Fig. 3 eine Ansicht des Bohrkopfes im Schnitt längs der Linie A-A aus Fig. 2;

Fig. 4 eine Ansicht des Bohrkopfes im Schnitt längs der Linie B-B aus Fig. 2;

Fig. 5 die teilweise angerissene Ansicht des Bohrkopfes, wobei der Anriß längs der Linie C-C aus Fig. 2 gezeigt ist; und

Fig. 6 eine Querschnittsansicht des Bohrkopfes längs der Linie D-D aus Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein Bohrkopf 1 dargestellt. Unter Hochdruck stehende Flüssigkeit tritt durch die kegelstumpfförmige Aufweitung 13 eines Mittelkanals 10 in den Bohrkopf 1 ein. Der Mittelkanal 10 erstreckt sich nahezu bis zur Frontfläche 14 des Bohrkopfes 1. Der Bohrkopf wird an die weiter zum Bohren erforderlichen Vorrichtungen angekoppelt, wobei ein Keil 3 als Drehsicherung vorgesehen ist. Der Bohrkopf 1 schließt mit einem Gewinde 12 ab, wodurch es ermöglicht wird, den Bohrkopf 1 an die weiteren zum Bohren erforderlichen Vorrichtungen anzuschrauben. Im Endbereich des Mittelkanals 10, nahe der Frontfläche 14 des Bohrkopfes 1, münden Düsenkanäle 21, 41 zweier Düsensysteme. Das erste Düsensystem besteht aus vorwärts gerichteten Düsen 2, welche in der Frontfläche 14 des Bohrkopfes 1 außerhalb der Achse des Mittelkanals 10 münden. Das zweite Düsensystem umfaßt rückwärts gerichtete Düsen 4, deren jeweilige Austrittsöffnung entgegen der eigentlichen Vorschubrichtung des Bohrkopfes 1 unter einem bestimmten Winkel zur Achse des Mittelkanals 10, der beispielsweise 15° betragen kann, gerichtet ist. Im Bohrkopf 1 ist eine Ausnehmung 43 vorgesehen, in der die Düse 4 versenkt angeordnet ist. Für beide Düsensysteme können an sich bekannte Düsen 2, 4 verwendet werden, die mit einer gehärteten Düsenblende 22, 42 versehen sind. Die Düsenkanäle 21 des ersten Düsensystems sind in einem Winkel von beispielsweise 11° gegen die Achse des Mittelkanals 10 ausgerichtet. Das erste Düsensystem befindet sich in dieser Darstellung im Bereich oberhalb der Achse des Mittelkanals 10. Der untere Bereich ist zur Frontfläche 14 zulaufend abgeschrägt und bildet eine Steuerfläche 11. Bei einer Richtungsänderung der Bohrung liegt diese Steuerfläche 11 am Erdreich an und trägt zur Stabilisierung der Bohrlanze bei.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Bohrkopfes von vorne. Drei Düsen 2, 2′, 2′′ münden in die Frontfläche 14 des Bohrkopfes 1. Zwei der Düsen 2′, 2′′ sind in einem Winkel von 45° gegenüber der zentral angeordneten Düse 2 versetzt. Die Ausbildung der Steuerfläche 11 bringt es mit sich, daß der Bohrkopf 1 im Querschnitt einen Ellipsenabschnitt als Anteil aufweist.

Fig. 3 zeigt den Bohrkopf der Lanze wie in Fig. 1, im Schnitt längs der Linie A-A aus Fig. 2. Die Schnittansicht zeigt deutlich, daß die Achsen der Düsenkanäle 21, 41 und die Achse des Mittelkanals 10 in einer Ebene liegen.

Fig. 4 zeigt die Bohrlanze im Schnitt längs der Linie B-B aus Fig. 2. Am Ende des Mittelkanals 10 mündet der Düsenkanal 41′ einer zweiten Düse 4′ des zweiten Düsensystemes, das in Vorschubrichtung rückwärts gerichtet ist. Der ellipsenabschnittförmige Querschnitt des Bohrkopfes 1 bedingt, daß in dieser Schnittrichtung die Steuerfläche 11 als steile abgeschrägte Fläche in Erscheinung tritt. Eine solche Ausgestaltung der Steuerfläche 11 bewirkt eine Vorzugsrichtung bei der Bohrung.

Fig. 5 zeigt die Bohrlanze, die teilweise im Aufriß dargestellt ist, wobei der Schnitt längs der Linie C-C aus Fig. 2 gelegt ist. Die Bohrlanze ist durch einen in einer Keilnut untergebrachten Keil 3 gegen Verdrehung gesichert.

Der Düsenkanal 21′, ebenso wie die Düsenkanäle des zugeordneten ersten Düsensystems, münden im unteren Bereich des Mittelkanales, 10, jedoch nicht an seinem Ende, in diesen.

Fig. 6 zeigt den Bohrkopf aus Fig. 3 im Schnitt längs der Linie B-B aus Fig. 2, wobei drei Düsen 4, 4′, 4′′ im winkelmäßigen Abstand von 120° voneinander an der Peripherie des Bohrkopfes 1 angeordnet sind. Diese Anordnung der drei Düsen 4, 4′, 4′′ reicht aus, um der Bohrlanze weitgehende Ausweichmöglichkeiten zu sichern, während eine Richtungsänderung erfolgt.

Bezugszeichenliste

 1 Bohrkopf
 2 Düse
 3 Keil
 4 Düse
10 Mittelkanal
11 Steuerfläche
12 Gewinde
13 kegelstumpfförmige Aufweitung
14 Frontfläche
21 Düsenkanal
22 Düsenblende
41 Düsenkanal
42 Düsenblende
43 Ausnehmung

Claims (8)

1. Bohrkopf für eine Vorrichtung zum Bohren eines unterirdischen Tunnels, welcher einen längs seiner Mittelachse verlaufenden Kanal aufweist und um die Mittelachse drehbar ist, mit wenigstens einer vorwärts gerichteten Düse, die mit dem Kanal kommuniziert und deren Austrittsöffnung außerhalb der Mittelachse orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine rückwärts gerichtete Düse (4, 4′, 4′′) vorgesehen ist, deren Düsenkanal (41) mit dem Kanal (10) kommuniziert.

2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von rückwärts gerichteten Düsen (4, 4′, 4′′) aufweist, die in bezug auf die Mittelachse in gleichem Winkelabstand voneinander vorgesehen sind.

3. Bohrkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er drei rückwärts gerichtete Düsen (4, 4′, 4′′) aufweist.

4. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (4, 4′, 4′′) unter einem Winkel von etwa 15° in bezug auf die Mittelachse des Bohrkopfes rückwärts gerichtet sind.

5. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von vorwärts gerichteten Düsen (2, 2′, 2′′) aufweist, die zu einer dieser Düsen (2) in ihrem Winkelabstand symmetrisch angeordnet sind.

6. Bohrkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er drei vorwärts gerichtete Düsen (2, 2′, 2′′) aufweist, wobei der Winkelabstand zweier Düsen (2′, 2′′) zur mittleren der Düsen (2) jeweils 45° beträgt.

7. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (2, 2′, 2′′) unter einem Winkel von etwa 10° bis 15° in bezug auf die Mittelachse der Bohrlanze vorwärts gerichtet sind, wobei die Austrittsöffnungen der Düsen (2, 2′, 2′′) außerhalb der Mittelachse (10) orientiert, aber parallel zu dieser angeordnet sind.

8. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Düsenkanals (41) wenigstens eine rückwärts gerichtete Düse (4) und die Achse des Düsenkanals (21) einer vorwärts gerichteten Düse (2) mit der Mittelachse (10) in einer gemeinsamen Ebene liegen.