Einführung in die Geotechnik
Geotechnische Bohrungen werden hauptsächlich als Teil des Untersuchungsprozesses vor Ort vor dem Bau eingesetzt und in der Regel von spezialisierten Auftragnehmern durchgeführt, die für den Betrieb qualifiziert sind Geotechnische Maschinen (Hanjin, Nordmeyer, Boart Longyear, Angabe, Pilcon, Bonne Esperance und viele mehr), außerdem wird die Bohrung von einem Geotechnikingenieur überwacht, der den Prozess überwacht, um sicherzustellen, dass die Bohrung den Anforderungen des Projekts entspricht.
Als Teil des Bauprozesses umfasst die geotechnische Bohrung die Vorbereitung von Fundamenten, Senkkästen und verschiedenen Stützen. Der leitende Ingenieur überprüft die Positionierung des Bohrers und stellt sicher, dass die Bohrung korrekt ausgeführt wird. Ein Loch an der falschen Stelle zu bohren oder falsch zu bohren, kann zu Problemen führen.
Typische Anwendungen geotechnischer Bohrungen sind Standortanalysen zur Projekteignung. Dazu gehören Bohrungen zur Entnahme von Gesteins- und Bodenproben sowie Bohrungen zur Bestimmung der Bodenstabilität und anderer interessanter Dinge.
Bei sehr großen Bauwerken ist die Standortanalyse von entscheidender Bedeutung. Unsichere Gesteins- oder Bodenbedingungen könnten einen Struktureinsturz auslösen oder bei einem Erdbeben oder einer Überschwemmung ein Gefahrenszenario verursachen.
Um zusätzlich zu Ihrem geotechnischen Unterfangen erfolgreich zu sein geotechnische Bohranlage Sie müssen über präzise Verfahren verfügen, die Sie befolgen müssen, um ein sicheres und effektives Bohren in allen Bodenverhältnissen zu ermöglichen. Unsachgemäße Verfahren und Methoden können das beabsichtigte Ergebnis beeinträchtigen und sogar die Bodeneigenschaften verschlechtern. Für jedes spezifische Projekt müssen eine Reihe von Techniken und technischen Aspekten berücksichtigt werden.
Die speziellen geotechnischen Bauprozesse wie Injektion, Verankerung, Mikropfähle, Bodenvernagelung und Bodenvereisung erfordern alle das Bohren von Löchern durch Abraum und/oder Gestein. Solche Löcher haben typischerweise einen Durchmesser von 75 bis 300 mm und sind selten tiefer als 60 m. Die Neigung der Löcher kann von vertikal nach oben bis vertikal nach unten variieren, wobei die meisten Löcher zum Verfugen, für Mikropfähle und zum Einfrieren innerhalb eines Winkels von 30° zur Vertikalen liegen und die meisten Löcher zum Verankern und Nageln innerhalb eines Winkels von 30° zur Horizontalen liegen. Obwohl Gesteinsmassen von Natur aus unterschiedliche Festigkeiten und Strukturen aufweisen, stellt Abraum – aus Bohrsicht – den Bohrunternehmer in der Regel vor weitaus größere Schwierigkeiten.
Abraum ist Gestein oder Boden, der über einer Minerallagerstätte, einer archäologischen Stätte oder einem anderen unterirdischen Merkmal liegt und gilt als nicht verfestigtes Material, das entweder von der Natur abgelagert/geformt oder vom Menschen platziert/erschaffen wurde. Dieses Material kann von weich und locker bis hart und dicht und von trocken bis gesättigt reichen. Abraum kann fremde und/oder atypische Einschlüsse oder Horizonte enthalten, deren Durchdringung problematisch ist – zum Beispiel Felsbrocken oder tiefe Fundamente im Boden. Solche Bedingungen stellen eine Herausforderung für den Bohrunternehmer dar, der die Löcher aus finanziellen Gründen immer so schnell wie möglich und mit möglichst minimalen „Footage“-Kosten bohren möchte.
Es gibt drei Methoden des Gesteinsbohrens für Produktionslöcher:
1a Rotierend Hohe Drehzahl, geringes Drehmoment und geringer Schub
Rotierend Hohe Drehzahl (über 600 U/min), niedriges Drehmoment und geringer Schub: relativ leicht geotechnische Bohrgeräte kann zur Entnahme von Kernproben bei Verwendung eines Kernrohrsystems verwendet werden oder kann auch einfach zum Bohren von „Aufnahmen“ mit „Blind“- oder „Plug“-, oberflächenbesetzten oder imprägnierten Bohrern mit Diamant- oder Wolframeinsatz verwendet werden. Die Methode wird typischerweise für Löcher mit einem Durchmesser von bis zu 75 mm und Tiefen von 50 bis 150 m verwendet.
Vorteile hoher Geschwindigkeit Drehbohrgeräte
• Die gleiche Ausrüstung kann sowohl für Untersuchungs- als auch für Produktionslochbohrungen verwendet werden.
• Eine kontinuierliche oder intermittierende Erkundung des Gesteins ist über die gesamte Länge des Bohrlochs möglich.
• Bohrungen können bis in relativ große Tiefen (300 m) durchgeführt werden.
• Relativ gerade Löcher können mit geringerer Abweichung gebohrt werden als beim Oberhammer-Rotationsschlagwerk.
• Keine oder nur begrenzte Verstopfung der Felsspalten.
• Es ist möglich, in allen Gesteinsarten zu bohren.
• Es ist möglich, die meisten Energiealternativen zum Antrieb der Ausrüstung zu verwenden (z. B. Luft, Strom, Diesel).
• Drehbohrer erzeugen glatte Lochwände, die den späteren Packereinbau bei Felsinjektionen erleichtern.
• In weichen Formationen können gute Eindringgeschwindigkeiten erreicht werden.
• Es werden keine Vibrationen auf die Felsformation und angrenzende Strukturen übertragen.
Trotz dieser Vorteile, die in bestimmten Anwendungen (z. B. in tiefen Mineralbergwerken) weithin genutzt werden, ist der Einsatz dieser Bohrmethode im geotechnischen Bauwesen rückläufig, vor allem aus wirtschaftlichen Gründen und insbesondere aufgrund der Konkurrenz durch Rotationsschlagbohren. Für Produktionsbohrungen werden Kernbohrmethoden nur selten eingesetzt, außer in Situationen, in denen zunächst stark armierter Beton durchdrungen werden muss.
1b Rotary Niedrige Drehzahl, hohes Drehmoment und Schub
Niedrige Drehzahl, hohes Drehmoment und hoher Schub: verwendet mit schwerere und leistungsfähigere Anlagen um Löcher mit größerem Durchmesser bis in beträchtliche Tiefen zu bohren. Die Eindringgeschwindigkeit hängt weitgehend von der auf den Bohrer ausgeübten Schubkraft ab. Es werden verschiedene hartmetallbestückte Dreikegelwalzen- oder Fingerbohrer verwendet, um über „Schleif- und Zertrümmerungs“-Mechanismen einzudringen. Drehbohrer, die mit Schnecken mit durchgehendem Schneckengang ausgestattet sind, werden üblicherweise zum Bohren unverrohrter Löcher in weiches Gestein oder Böden eingesetzt.
2 Rotary Percussive – Oberhammer – Im-Loch-Hammer
Im Allgemeinen bestimmt die Schlagenergie die Eindringgeschwindigkeit. Mit einem Top-Hammer-RigDabei werden die Bohrstangen vom Bohrkopf am Bohrgerät gedreht und geschlagen.
Bei einem Bohrhammer mit direkter Zirkulation im Bohrloch werden die Bohrstangen (mit größerem Durchmesser) nur vom Bohrkopf gedreht und die an den Stangen entlanggeführte Druckluft aktiviert den Schlaghammer, der direkt über der Bohrkrone montiert ist.
Hammerbohren von oben wird bei Rotationsgeschwindigkeiten von ca. 80 bis 160 U/min durchgeführt, um Lochdurchmesser von bis zu 102 mm zu ermöglichen. Die Bohrlochtiefe ist aufgrund der Stromverfügbarkeit und aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Bohrlochabweichung auf etwa 60 m begrenzt. Aufgrund des Weges, über den die Energie auf den Bohrer übertragen wird (dh über aufeinanderfolgende Stangenkopplungen), nimmt die Eindringgeschwindigkeit mit der Tiefe ab.
Das Bohren im Bohrloch erfolgt mit ca. 10 bis 60 U/min bei Bohrlochdurchmessern über 90 mm bis in Tiefen von über 100 m. Da der Schlageffekt unabhängig von der Lochtiefe direkt über dem Bohrer ausgeübt wird, ist die Eindringgeschwindigkeit mit der Tiefe und anderen gleichen Faktoren konstant.
Vorteile von schlaggebohrten Mörtellöchern umfasst:
• Höhere und gleichmäßigere Penetrationsraten als Rotationsmaschinen
• verhältnismäßig kleine, leichte und mobile Bohrgeräte kann verwendet werden
• niedrige Bohrkosten
• Das Bohren im Bohrloch bietet das Potenzial für minimale Lochabweichungen bei Produktionsraten von 5 bis 15 m/Stunde. Beim Down-the-hole-Bohren (DTH) gibt es derzeit vier Grundkonzepte
• Luftbetriebene DTH-Hämmer mit Direktzirkulation (DC), bei denen die zurückströmende Luft über die gesamte Länge des Bohrlochs in bündigem Kontakt mit den Seitenwänden steht.
• Reverse-Circulation-(RC)-DTH-Hämmer verwenden doppelwandige Bohrstangen und können auch Luft oder Luft mit Wassernebel verwenden. Das Spülmittel wird durch die innere Öffnung an die Oberfläche zurückgeführt und trägt so zur Sauberkeit des Bohrlochs bei, indem es das Loch vor Bohrspänen und Spülmedium schützt. Es ist darauf zu achten, dass ein Verstopfen der inneren Bohrstange stets vermieden wird.
Dual Fluid Drilling Systems (DFS) ist ein neues Konzept mit einem speziellen luftbetriebenen DTH-Hammer. Dieser verfügt über ein zentrales Rohr im Hammerkörper, das die Verwendung von Wasser als alleiniges Spülmedium ermöglicht. Die Antriebsluft wird zwischen dem äußeren Gehäuse und dem inneren Bohrstrang abgesaugt und kommt so nie mit dem Gestein in Berührung. Dieses System bietet das geringste DTH-Eindringungspotenzial.
• Wasser-DTH-Hämmer (WH) nutzen Wasser unter hohem Druck (ca. 20 MPa), um den Hammer zu aktivieren und das Loch zu spülen. Ein potenzieller technischer Nachteil besteht darin, dass die Formation diesen sehr hohen Drücken ausgesetzt wird, was zu lokaler Hydrofraktur führen kann. Grundsätzlich sollten die wichtigsten technischen Einflussfaktoren für die Wahl der Bohrmethode idealerweise die Geologie sowie die Bohrlochtiefe und -durchmesser sein.
Auch andere Überlegungen wie die Linearität der Bohrungen und Beschränkungen des Bohrzugangs können erhebliche Auswirkungen auf die Auswahl eines bestimmten Projekts haben.
3 Rotationsvibration (Schall)
Rotationsvibration (Schall) Diese Technik wurde Ende der 1940er Jahre entwickelt und erfreut sich immer größerer Beliebtheit dort, wo strenge Umweltauflagen gelten. Es handelt sich um ein Dual-Casting-System, das hochfrequente mechanische Vibrationen nutzt, um kontinuierlich Kernproben zu entnehmen oder einfach um Casings für andere Zwecke, wie zum Beispiel Tiefbrunnen oder Gefrierlöcher, voranzutreiben. Die Saite wird mit stufenlos einstellbaren Frequenzen zwischen 50 und 150 Hz vibriert und langsam in härteren Formationen rotiert, um Energie und Gebissverschleiß gleichmäßig zu verteilen. Die Frequenz wird so eingestellt, dass eine maximale Eindringrate erreicht wird, indem sie mit der natürlichen Resonanzfrequenz des Bohrstrangs übereinstimmt. Resonanz verleiht dem Bohrmeißel extrem hohe Energie und verdrängt im Boden die Partikel auch seitlich, was die Eindringgeschwindigkeit erheblich erleichtert. Die Penetration wird durch unterschiedliche Frequenz- und Schubparameter optimiert.
Vorteile
• Kann kontinuierliche Kerne im Boden (75 bis 250 mm Durchmesser) ohne Verwendung von Spülmedien mit sehr hohen Eindringraten erzeugen
• kann problemlos Hindernisse (natürliche und künstliche) durchdringen
• wurde bis zu einer Tiefe von 150 m eingesetzt
• Lässt sich problemlos auf andere Gesteinsarten oder Abraumbohrungen umrüsten
• erfordert keine Spülung im Abraum und nur geringe Mengen im Gestein. Bisher wurden mehrere große geotechnische Bauanwendungen registriert, darunter Projekte durch Dammdämme. Das Rotoschallsystem bietet unter bestimmten Kombinationen von Umständen ein außergewöhnliches Potenzial für Gesteins- und Bodenbohrungen.
Bohrausrüstung
Kurz gesagt gibt es mehrere Schlüsselfaktoren, die logischerweise zur Auswahl führen sollten beste Anlage für jedes Projekt:
• Leistung: muss den Einsatz der gewählten Bohrmethode mit maximaler Effizienz ermöglichen.
• Schub/Rückzug: muss während des Bohrens einen angemessenen Schub und einen ausreichenden Rückzug aus der maximalen Bohrtiefe bieten.
• Manövrierfähigkeit: Das Bohrloch muss in jedem Winkel und Azimut mit minimaler Verzögerung zwischen den Aufbauten gebohrt werden können.
• Stabilität: muss sicherstellen, dass der Mast während des Bohrens eine konstante Ausrichtung bei minimaler Vibration oder „Abdrift“ behält.
• Zugänglichkeit: Der Zugang zu allen Bohrstellen muss gewährleistet sein, auch bei geringer Bauhöhe, an Stellen mit engem Zugang oder an steilen Hängen.
• Lärmemission: muss den gesetzlichen Anforderungen genügen.
• Benutzerfreundlichkeit: Muss leicht und sicher von Personal bedient werden können, das möglicherweise nicht vollständig mit dem jeweiligen Gerätetyp vertraut ist.
Die Geräte sind in vielen Größen erhältlich, von sehr leichten, rahmenmontierten/handgeführten Galeriebohranlagen über die „Arbeitspferde“ der dieselhydraulischen Raupenbohranlagen mit 100 bis 150 PS bis hin zu großen, fast vollautomatischen Anlagen, bei denen alle Stangen und Gehäuse in Magazinen oder Karussells vormontiert sind.
Selbst sehr leistungsstarke Bohrgeräte können bei geringer Bauhöhe (weniger als 2.5 m) betrieben werden und können dank der modularen Bauweise oder „erweiterbaren“ Schienenbasen Bohrstandorte durch menschliche Einstiegsöffnungen (1 m breit) erreichen. Bohrinseln können häufig eine Vielzahl von Gesteins- und Abraumbohrsystemen sowie alle Spültypen verwenden. Abhängig von den Projektbeschränkungen können Bohrstangen-/Verrohrungslängen von nur 1 m oder bis zu 20 m berücksichtigt werden.
Bohrinseln können ohne Luft-, Diesel- oder Stromquellen an Standorten im Freien, an Klippen, in unterirdischen Galerien oder Tunneln betrieben werden. Speziell entwickelte Funktionen wie schwenkbare Bohrköpfe und hydraulische Gestänge- und Futterrohrbrecher reduzieren den menschlichen Aufwand, erhöhen die Sicherheit und fördern höhere Leistungen. Die Möglichkeit der Auftragnehmer, Kräne, Geländefahrzeuge, LKWs und Bagger sowie herkömmliche Raupenbasen zur Montage von Bohrsystemen zu nutzen, ist ein gemeinsamer Vorteil für alle Parteien und das Projekt selbst.
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