Eschke, F.; Vorhoff, W.: Moderne Richtbohrtechnik im Fels- und Spezialtiefbau WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(2004) Moderne Richtbohrtechnik im Fels- und Spezialtiefbau Einsatzbeispiele zum RSS-System Dipl.-Ing. Frank Eschke, Dr. Werner Vorhoff Smart Drilling GmbH, Essen www.smart-drilling.de Moderne, steuerbare Bohrverfahren haben in den letzten Jahren viele neue Anwendungsfelder erschlossen. Außer in den klassischen Bereichen Tiefbohrtechnik, Bergbau und Kavernenbau werden derartige Verfahren heutzutage sowohl im Felsbau als auch zunehmend in größerem Umfang oberflächennah im Spezialtiefbau eingesetzt. Die Beschaffenheit des zu durchbohren- den Untergrundes und die Aufgabenstellung eines Bohrprojekts sind die bestimmenden Krite- rien für die Auswahl des anzuwendenden Bohrverfahrens und somit auch der einzusetzenden Technik. In Sand-, Lehm- und Tonböden mit einem geringeren Gesteinsanteil haben sich im oberflächennahen Bereich das Spülbohrverfahren und das schlagunterstützte Spülbohrverfah- ren bewährt. Festgesteine und Fels werden mit mechanisch arbeitenden Werkzeugen drehend oder drehschlagend durchbohrt. Das gesteuerte Bohren wird durch Richtbohrsysteme wie die Bohrmotor-Knickstück-Kombination oder selbsttätig steuernde Bohrsysteme, sogenannte RSS (Rotary Steerable Systems), realisiert. Neueste Entwicklungen auf dem RSS-Sektor zielen auf kleinbauende Systeme für Bohrlochdurchmesser bis zu 6“. Ein in nahezu allen Boden- und Gesteinsformationen einsetzbares steuerbares Bohrverfahren ist das mittels Doppelgestänge arbeitende UNI-DRILL-Verfahren, das besondere Vorteile beim Einsatz in schwierigen Misch- böden aufzuweisen hat. Schwerpunkte dieses Beitrages sind die stichpunktartige Beschreibung der zum Einsatz kom- menden Techniken und Geräte sowie die Präsentation von exemplarisch ausgewählten Einsatzbeispielen aus der Praxis wie Pegelbohrungen in einer Staumauer, Herstellung vertika- ler und horizontaler Vereisungsbohrungen, horizontaler Erkundungsbohrungen in geplanter Tunnelachse und Einbau von Horizontalfilterbrunnen. Besondere Berücksichtigung finden neuartige Verfahren für eine schnellere Übertragung der im Bohrloch ermittelten Daten zum Bohrstand. Messsysteme, die diese Daten erfassen, werden zukünftig immer häufiger gefor- dert. Unter dem speziellen Aspekt der Qualitätssicherung und Nachweisführung können diese als Kontrollinstrument während einer Bohrung und zur Dokumentation des Bohrlochverlaufs eingesetzt werden. 1 Einleitung Steuerbare Bohrverfahren haben in den letzten Jahren viele neue Anwendungsfelder erschlossen. Während in den 70er Jahren gesteuerte Bohrungen fast ausschließlich in den Bereichen Tiefbohr- technik, Bergbau oder Kavernenbau zu finden waren, werden heute steuerbare Bohrverfahren auch im Felsbau und im großen Umfang oberflächennah zur Verlegung von Ver- und Entsorgungsleitungen eingesetzt. Der Einsatz von Bohrgeräten gehört zum Tagesgeschäft im Fels- und Spezialtiefbau. Beispiele hierfür sind die Bodenerkundung, die Grundwasserhaltung, die Baugrundverbesserung, das Injizieren und 1
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Eschke, F.; Vorhoff, W.: Moderne Richtbohrtechnik im Fels- und Spezialtiefbau WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(2004)
Moderne Richtbohrtechnik im Fels- und Spezialtiefbau Einsatzbeispiele zum RSS-System
Dipl.-Ing. Frank Eschke, Dr. Werner Vorhoff Smart Drilling GmbH, Essen www.smart-drilling.de
Moderne, steuerbare Bohrverfahren haben in den letzten Jahren viele neue Anwendungsfelder erschlossen. Außer in den klassischen Bereichen Tiefbohrtechnik, Bergbau und Kavernenbau werden derartige Verfahren heutzutage sowohl im Felsbau als auch zunehmend in größerem Umfang oberflächennah im Spezialtiefbau eingesetzt. Die Beschaffenheit des zu durchbohren-den Untergrundes und die Aufgabenstellung eines Bohrprojekts sind die bestimmenden Krite-rien für die Auswahl des anzuwendenden Bohrverfahrens und somit auch der einzusetzenden Technik. In Sand-, Lehm- und Tonböden mit einem geringeren Gesteinsanteil haben sich im oberflächennahen Bereich das Spülbohrverfahren und das schlagunterstützte Spülbohrverfah-ren bewährt. Festgesteine und Fels werden mit mechanisch arbeitenden Werkzeugen drehend oder drehschlagend durchbohrt. Das gesteuerte Bohren wird durch Richtbohrsysteme wie die Bohrmotor-Knickstück-Kombination oder selbsttätig steuernde Bohrsysteme, sogenannte RSS (Rotary Steerable Systems), realisiert. Neueste Entwicklungen auf dem RSS-Sektor zielen auf kleinbauende Systeme für Bohrlochdurchmesser bis zu 6“. Ein in nahezu allen Boden- und Gesteinsformationen einsetzbares steuerbares Bohrverfahren ist das mittels Doppelgestänge arbeitende UNI-DRILL-Verfahren, das besondere Vorteile beim Einsatz in schwierigen Misch-böden aufzuweisen hat.
Schwerpunkte dieses Beitrages sind die stichpunktartige Beschreibung der zum Einsatz kom-menden Techniken und Geräte sowie die Präsentation von exemplarisch ausgewählten Einsatzbeispielen aus der Praxis wie Pegelbohrungen in einer Staumauer, Herstellung vertika-ler und horizontaler Vereisungsbohrungen, horizontaler Erkundungsbohrungen in geplanter Tunnelachse und Einbau von Horizontalfilterbrunnen. Besondere Berücksichtigung finden neuartige Verfahren für eine schnellere Übertragung der im Bohrloch ermittelten Daten zum Bohrstand. Messsysteme, die diese Daten erfassen, werden zukünftig immer häufiger gefor-dert. Unter dem speziellen Aspekt der Qualitätssicherung und Nachweisführung können diese als Kontrollinstrument während einer Bohrung und zur Dokumentation des Bohrlochverlaufs eingesetzt werden.
1 Einleitung
Steuerbare Bohrverfahren haben in den letzten Jahren viele neue Anwendungsfelder erschlossen. Während in den 70er Jahren gesteuerte Bohrungen fast ausschließlich in den Bereichen Tiefbohr-technik, Bergbau oder Kavernenbau zu finden waren, werden heute steuerbare Bohrverfahren auch im Felsbau und im großen Umfang oberflächennah zur Verlegung von Ver- und Entsorgungsleitungen eingesetzt.
Der Einsatz von Bohrgeräten gehört zum Tagesgeschäft im Fels- und Spezialtiefbau. Beispiele hierfür sind die Bodenerkundung, die Grundwasserhaltung, die Baugrundverbesserung, das Injizieren und
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Ankern, das Unterfangen von Bauwerken sowie die Bodenvereisung. In den meisten Fällen handelt es sich um kürzere Bohrungen, deren Zielgenauigkeit entweder von untergeordnetem Interesse ist oder durch den Einsatz von ungesteuerten Bohrsystemen realisiert werden kann.
Gesteuerte Bohrungen werden ausgeführt, wenn höhere Ansprüche an die Genauigkeit des Bohrloch-verlaufs gestellt werden. Dies ist z.B. der Fall, wenn über eine größere Länge eine präzise Neigung eingehalten werden muss oder eine maximale Abweichung nicht überschritten werden darf. Mit dem bei gesteuerten Bohrungen eingesetzten Equipment ist man in der Lage, den Bohrlochverlauf zu mes-sen, aufzuzeichnen und zu dokumentieren. Somit kann ein Beitrag zur Qualitätsüberwachung und -sicherung geleistet werden.
Nachfolgend sollen die verschiedenen steuerbaren Bohrverfahren hinsichtlich ihrer technischen An-wendbarkeit abgegrenzt und einige exemplarisch ausgewählte Einsatzbeispiele aus dem Spezial-tiefbau vorgestellt werden.
2 Steuerbare Bohrverfahren - Überblick
Festgesteine und Fels werden in der Regel mit mechanisch arbeitenden Werkzeugen durchbohrt. Dabei wird der Bohrlochverlauf mittels sogenannter Richtbohrsysteme gesteuert.
Bei den aus der Tiefbohrtechnik bekannten klassischen Richtbohrsystemen wird die Steuerbarkeit durch eine, bezogen auf den Bohrstrang, geringfügig abgewinkelte Anordnung der Bohrkrone durch ein Knickstück realisiert. Angetrieben werden die Bohrwerkzeuge von Bohrmotoren durch Umwand-lung der Fließenergie des Spülungsstromes in eine Drehbewegung. Der Bohrstrang rotiert beim Bohren nicht, wird aber zur Korrektur des Bohrlochverlaufes gedreht, um das Knickstück entspre-chend der geplanten Bohrrichtung neu auszurichten. Diese Bohrmotor-Knickstück-Systeme werden heute auch verstärkt oberflächennah in felsigen Untergrund zur Leitungsverlegung eingesetzt.
Eine Alternative zu den klassischen Richtbohrsystemen stellen die von der Deutsche Montan Tech-nologie GmbH entwickelten aktiv steuernden Zielbohrgeräte ZBE dar. Dieses Rotary Steerable Sys-tem - kurz RSS genannt - wird unmittelbar hinter der Bohrkrone im Bohrstrang angeordnet, so dass Abweichungen vom Sollverlauf unmittelbar korrigiert werden. Das System besteht im wesentlichen aus einer inneren Welle, verbunden mit dem Meißel und dem Bohrgestänge sowie aus einem äußeren, nicht rotierenden Gehäuse mit vier radial beweglichen Steuerkufen. Diese werden gegen die Bohrlochwand gedrückt und leiten somit die Steuerbewegung ein. Gleichzeitig wird ein Mitdrehen des Gehäuses verhindert. Hinter diesen Kufen befinden sich in Kammern die Komponenten der Steuerhy-draulik, Sensorik und Elektronik. Die für die Mess- und Steuerelemente erforderliche elektrische und hydraulische Energie wird von einem Generator und einer Pumpe erzeugt. Der Generator nutzt die Relativbewegung zwischen drehendem Gestänge und nicht drehendem Gehäuse. Angetrieben wird die Bohrkrone entweder durch den rotierenden Bohrstrang oder durch einen Bohrmotor.
Die DMT verfügt seit vielen Jahren über RSS für Bohrdurchmesser von größer 8 ½”. Deren Hauptein-satzbereiche sind der Bergbau sowie der Felsbau bzw. Spezialtiefbau. Die aktuelle Entwicklung zielt auf RSS Bohrsysteme für kleinere Bohrlochdurchmesser, die auch in der Tiefbohrtechnik auf Erdöl/Erdgas eingesetzt werden sollen. DMT hat Prototypen für einen Bohrlochdurchmesser von 6” fertiggestellt und die Funktionstüchtigkeit bei Probeeinsätzen in unterschiedlichen geologischen For-mationen nachweisen können.
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Bild 1. Prinzipskizzen Richtbohrsysteme
Die oben beschriebenen Richtbohrsysteme wurden für den Einsatz in standfestem Untergrund konzipiert. Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit der Steuerung ist eine innere Festigkeit des zu durchbohrenden Materials, was die Anwendung dieser Systeme in nicht oder nur leicht bindigen Böden und Lockergesteinen bzw. Mischböden stark einschränkt bzw. ausschließt.
Für die schwierigen Einsatzbedingungen in Mischböden hat DMT das UNI-DRILL Bohrverfahren entwickelt. Damit sind gesteuerte, kurvengängige Bohrungen in allen Bodenarten möglich. Gearbeitet wird mit einem Doppelgestänge. Das Innengestänge mit der Bohrkrone leistet die Bohrarbeit (Bohr-loch-∅= 115 bis 120 mm), während das Außengestänge zum einen die Steuerfunktionen mechanisch ausführt und zum anderen als vorläufige Schutzverrohrung die Standsicherheit des Bohrloches ge-währleistet.
Bild 2: Prinzipielle Funktionsweise der Exentersteuerung
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Das Steuerungsprinzip beruht auf dem Zusammenspiel von Innen- und Außenbohrgestänge im Bereich unmittelbar hinter der Bohrkrone. In der als Außengestänge (D=108 mm) ausgeführten anti-magnetischen Steuerstange wird die erste ebenfalls antimagnetische Innenbohrstange (T45) exzen-trisch geführt. Bei einem Bohrkronendurchmesser von beispielsweise 115 mm und einer Exzentrizität von 5 mm entsteht auf der Exenterseite ein theoretischer Überschnitt von 8,5 mm und auf der gegenüberliegenden Seite ein theoretischer Unterschnitt von 1,5 mm wenn die Bohrarbeit ausschließlich vom Innengestänge geleistet wird und das Außengestänge ohne Rotation mit-geschoben wird. Das bedeutet, das permanent eine Steuerfunktion in Richtung der Exenterseite aus-geführt wird. In flachen Kammern im Außengestänge sind Neigungs- und Richtungselektronik sowie die Komponenten des Datenübertragungssystems angeordnet. Durch gezielte Verdrehung des Außengestänges kann die Richtung der Steuerfunktion verändert und der Bohrverlauf ggf. korrigiert werden.
3 Messtechnik
Voraussetzung für eine exakte Realisierung des geplanten Bohrlochverlaufes ist möglichst die genaue Kenntnis über den jeweiligen Ist-Verlauf der Bohrung. Hierfür stehen unterschiedliche Systeme zum Messen und Erfassen dieser Daten zur Verfügung.
Bei oberflächennahen Einsätzen erfolgt die Messung von Neigung, Tiefe und der Verrollung mit sogenannten Walk-Over-Systemen. Dabei handelt es sich um ein in den Bohrkopf integriertes Mess- und Sendesystem und einen auf der Geländeoberfläche manuell zu führenden Empfänger. Die han-delsüblichen Walk-Over-Systeme sind einsetzbar bis etwa 15m Tiefe. Bei größeren Tiefen werden gleichartige kabelgeführte Sonden verwendet. Diese Art der Bohrlochmesstechnik ist für den Fels- und Spezialtiefbau von untergeordneter Bedeutung.
Bei den klassischen Richtbohrsystemen werden im Prinzip funktionsgleiche Messtechnik und Kompo-nenten zur Messung von Bohrlochneigung, Bohrlochrichtung und Orientierung des Knickstückes bzw. der Verrollung des Systems verwendet.
Bei der Bohrmotor-Knickstück Kombination kommen in der Regel sogenannte Measurement While Drilling Systeme (MWD) zum Einsatz. Die Einbauposition des Magnetkompasses und der Neigungssensoren liegt dabei systembedingt ca. 6 – 10 m hinter der Bohrkrone. Bei den RSS-Systemen sind die Neigungs- und Richtungssensoren im Bohrsystem selber eingebaut.
Die Nachteile des MWD-Systems sind zum einen die begrenzte Systemgenauigkeit, resultierend aus der Messgenauigkeit des Magnetkompasses, und zum anderen die systemtechnisch bedingte Mess-position. Somit werden Bohrlochverlaufsabweichungen erst deutlich nach ihrem Eintreten registriert. Die Folge sind häufig notwendige Korrekturmaßnahmen und eine unregelmäßige Bohrlochkontur. Zum Steuern einer Bohrung mit einem Bohrmotor-Knickstück-System muss ständig ein Operator an-wesend sein. Bei einem geforderten engen Zielkreis sind abschnittsweise Zwischenvermessungen des Bohrloches mit einem kreiselgestützten Bohrlochvermessungssystem zwingend erforderlich.
Die RSS-Systeme der DMT erlauben das Herstellen von gerichteten Bohrungen mit höherer Mess-genauigkeit. Wesentliche Vorteile ergeben sich aus der unmittelbar hinter der Bohrkrone angeord-neten Messposition von Neigungs- und Richtungssensoren und der daraus resultierenden kontinuier-lichen und unmittelbaren aktiven Steuerung. Die Systemgenauigkeit der verwendeten Neigungssenso-rik ist mit +/- 0,1° sehr hoch; die Genauigkeit des eingesetzten Magnetkompasses beträgt ca. +/- 1°.
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Bei einem sehr engen Zielkreis können auch beim Einsatz der DMT RSS-Systeme zusätzliche Zwi-schenvermessungen mit einem Kreiselmesssystem notwendig sein.
Das UNI-DRILL Bohrverfahren bietet die Option, anstelle der üblichen Walk-Over-Systeme ein von DMT entwickeltes Navigationssystem mit Magnetkompass und Neigungssensoren zu integrieren. Die Systemkomponenten und deren Genauigkeiten entsprechen denen der DMT RSS-Tools. Mit diesem Navigationssystem können gesteuerte Bohrungen auch dort erstellt werden, wo konventionelle Or-tungssysteme aufgrund zu großer Geländeüberdeckungen oder unzugänglicher Oberflächenstruktur nicht mehr einsetzbar sind.
4 Datenübertragung
Beim Einsatz von Richtbohrsystemen erfolgt die Übertragung der Messdaten zur Geländeoberfläche standardmäßig mit Hilfe der Druckpulstechnik über die Spülungssäule.
Beim Druckpulsverfahren werden durch einen Impulsgeber kurzzeitige Verengungen im Spülkanal erzeugt, die einen Druckanstieg in Form kurzer, zeitcodierter Druckimpulse im Spülsystem über Tage erkennen lassen, d.h. nicht die Druckstoßhöhe sondern der Zeitabstand zwischen den einzelnen Im-pulsen ist das Maß für gemessene Werte. Über einen Differenzdruckaufnehmer werden Datensätze aus den Druckimpulsen auf der Übertageeinheit empfangen, in Stromimpulse gewandelt und durch ein Datenempfangsgerät ausgewertet. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass die Bohrlochdaten nur mit einer sehr niedrigen Übertragungsgeschwindigkeit und mit einer geringen Datenrate übertragen werden können.
Im Gegensatz zu dieser Druckpulstechnik erlaubt das von DMT neu entwickelt EM-Datenübertragungsverfahren die kabellose Datenübermittlung mit einer sehr hohen Informationsdichte in sehr kurzer Zeit. Hierbei handelt es sich um ein elektromagnetisches Verfahren, bei dem die Über-mittlung der Informationen über den Bohrstrang und das umgebende Erdreich erfolgt. Die Daten von Neigung, Richtung und Verrollung sowie weiterer Systemparameter werden mit einer Signalgeschwin-digkeit von 300 Baud nach Übertage zum Spezialempfänger an der Bohrmaschine gesendet. Das Zeitintervall zwischen zwei einzelnen Datensätzen ist je nach Anforderung frei definierbar und hat somit direkten Einfluss auf die Betriebszeit. Ein kompletter Datensatz pro Sekunde ist sicher erreichbar.
Das DMT EM-Datenübertragungsverfahren ist für den Einsatz in allen Richtbohr- und MWD-Systemen konzipiert und eignet sich besonders gut für die bidirektionale Datenübertragung. Die Spannungsver-sorgung erfolgt entweder über Akkus oder über die Spannungsquelle des Richtbohrgerätes.
5 Einsatzbeispiele der Richtbohrtechnik im Fels- und Spezialtiefbau
Vertikale Schachtbohrung – Abteufen eines Abwetterschachtes mit RSS-System
Für die langfristige Entwicklung und Sicherung der Förderung des Bergwerkes Ensdorf der Deutschen Steinkohle AG im Saarland war der Aufschluss des Baufeldes Primsmulde erforderlich. Zu den dafür notwendigen Maßnahmen gehörte das Abteufen des neuen Abwetterschachtes Primsmulde.
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Das Abteufen des Schachtes sollte mittels Einsatz einer Schachtbohrmaschine erfolgen. Dazu wurde ein Zielbohrloch mit einem Durchmesser von 13 ¾” mit dem RSS-System ZBE 4000 der DMT bis zur 20. Sohle, entsprechend –1260 m, hergestellt. Anschließend wurde das Pilotloch auf einen Durch-messer von 1,8 m mit einer Raise-Bore Anlage erweitert, damit später beim Einsatz der Schachtbohr-maschine das Bohrklein mittels Schwerkraftförderung nach unten abtransportiert werden konnte.
Die zulässige Abweichung des Pilotbohrloches war über die gesamte Länge auf max. 90 cm von der Senkrechten begrenzt. Am 9.5.2001 wurde mit dem Bohren des Pilotlochs begonnen, der Durchschlag erfolgte Mitte Juli 2001. Das Ergebnis war eine hervorragende Punktlandung: Die Abweichung lag Richtung Osten bei nur ca. 15 cm und Richtung Süden bei lediglich ca. 45 cm.
Schrägbohrungen bei einem Raise-Bore Projekt mit RSS-System
Im Rahmen der Leistungserweiterung und Modernisierung eines Wasserkraftwerkes im Norden Italiens wurden im Berginneren mehrere geneigte Pilotbohrungen für Tunnelverbindungen benötigt. Die Zielpunktgenauigkeiten waren mit einer maximal erlaubten Abweichung von 1% über die gesamte Bohrstrecke sehr hoch angesetzt und der Bohrlochverlauf musste absolut geradlinig sein.
Im Jahr 1995 wurde die erste Pilotbohrung von 226m Länge unter einem Winkel von 45 Grad Neigung mit einer Treffergenauigkeit von 0,1% Abweichung in 3,5 Tagen kontinuierlicher Bohrarbeit hergestellt. Die Leistung gelang mit dem System ZBE 4000. Nachdem bereits zwei konventionell abgeteufte Bohrungen das Ziel deutlich verfehlt hatten, wurde 1998 die zweite Bohrung mit 250 m Länge und 42 Grad Neigung ebenfalls mit dem ZBE 4000 System nach nur 6 Tagen ununterbrochener Bohrarbeit in gleicher Präzision hergestellt. Der Bohrdurchmesser in beiden Projekten betrug 12 ¼” (311 mm). Anschließend wurden die Pilotbohrlöcher durch den Einsatz einer Raise-Bore Maschine erweitert.
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Bild 5: Schematische Darstellung des Wasser-kraftwerks
Bild 6: Durchschlag mit der ZBE 4000
Das in diesem Projekt eingesetzte Navigationssystem bestand aus einem nordsuchenden Kreiselsys-tem und Neigungsgebern. Dieses System arbeitet zwar hochpräzise, wird aber aus Kostengründen und auf Grund der technischen Komplexität nicht mehr eingesetzt. Als Alternative zum Kreisel kommt heute ein in das RSS-Gerät integrierter Magnetkompass zum Einsatz. Notwendige Zwischenmessun-gen werden mit einer unabhängigen Kreiselmesssonde durchgeführt.
Vertikale Lotbohrungen in einer Staumauer mit RSS-System
Die Staumauer der vom Ruhrverband betriebenen Ennepetalsperre wurde in den Jahren 1997 bis 2000 umfassend saniert [1]. Wesentliches Element zur künftigen Vermeidung von Instabilitäten des Bauwerks war die Erstellung eines etwa 400 m langen Drainagestollens von 3 m Durchmesser im Kontaktbereich zwischen Staumauer und Felsgründung. Der Stollen wurde in den Jahren 1997 und 1998 mit einer Tunnelbohrmaschine aufgefahren. Neben der eigentlichen Sanierung wurde die Stau-mauer mit verschiedenen Messeinrichtungen versehen, um sicherzustellen, dass die Ennepetalsperre bei entsprechender Überwachung und Wartung langfristig einen wichtigen Beitrag zur Wasserver-sorgung der Region leisten kann.
Der Einbau von Loten in vertikale Bohrlöcher stellt eine hochpräzise Möglichkeit zur Ermittlung von Staumauerbewegungen dar. Von der Oberkante der Staumauer wurden mit dem ZBE 3000 System zwei je 75 m lange Bohrlöcher (Durchmesser 216 mm) in jeweils 1,5 Arbeitstagen bis in den Fel-suntergrund erstellt, die anschließend auf etwa 350 mm erweitert und abschließend verrohrt wurden. Diese Bohrlöcher querten den annähernd horizontalen Drainagestollen an der Luftseite der Stau-mauer in einem Abstand von etwa 2 m. Nach Fertigstellung der Bohrlöcher wurden vom Drainagestol-len, der etwa 40 m unter Staumaueroberkante liegt, Querhiebe zu den Bohrlöchern geschaffen, so dass dann in jedes Bohrloch zwei Lote eingebaut werden konnten. Zur Erfassung der Relativbewe-gungen innerhalb der Staumauer wurde im oberen Bohrlochabschnitt ein Pendellot und zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen Staumauerfuß und Felsuntergrund im unteren Bohrlochabschnitt ein Schwimmlot eingebaut.
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Bild 7: Sanierung der Staumauer Ennepetalsperre
Die von den Loten kontinuierlich erfassten Bewegungen werden von elektronischen Geräten auf-gezeichnet und dokumentiert. Die geforderte Maximalabweichung im Bohrlochverlauf, die sich an der Maximalauslenkung, also dem Messbereich der Lote orientierte, konnte durch den Einsatz der ZBE-Systeme sicher eingehalten werden.
Vertikale Vereisungsbohrungen in einem Zementdichtblock mit RSS-System
Das ZBE-Richtbohrsystem wurde in Berlin für die Erstellung von Vereisungsbohrungen eingesetzt.
Bild 8: Sanierung eines HDI - Dichtblockes durch Gefrierverfahren in Berlin
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Im Jahr 1997 war in einem Abschnitt des neuen Nord-Süd-Bahntunnels, der unter dem Tiergarten hindurch zum neuen Lehrter Bahnhof führen wird, plötzlich Grundwasser in einen 37 m langen und 55 m breiten Senkkasten, von dem aus eine Tunnelbohrmaschine das Teilstück zum Potsdamer Platz bohren sollte, eingedrungen [2]. Der rund 5 m dicke Dichtblock aus Zement, der den Senkkasten vor Grundwasser schützen sollte, war undicht geworden. Um den Schaden zu beheben und die Baustelle gegen das Grundwasser abzudichten, wurde der undichte Bereich vor dem Senkkasten auf einer Breite von 60 m, einer Dicke von 5 m und einer Tiefe von 16 m vereist. Wesentlich für die erfolgreiche Erstellung eines derart großen Vereisungskörpers war die exakte Anordnung der über 200 Vereisungslöcher, in die Kühlrohre eingebaut wurden. Nach Fertigstellung des Vereisungskörpers wurde ein Teil der Kühlrohre aus dem Boden gezogen, so dass die Tunnelbohrmaschine den Vereisungsblock an dieser Stelle durchfahren konnte. Bei diesem Einsatz konnte das ZBE-System (Bohrdurchmesser 216 mm), das ursprünglich nur für Bohrungen im Festgestein entwickelt worden war, seine Funktionstüchtigkeit auch bei gemischten Bodenverhältnissen im oberflächennahen Bereich unter Beweis stellen.
Horizontale Injektionsbohrungen mit dem UNI-DRILL Bohrverfahren
Die Problematik von oberflächennahen Hohlräume durch den Kohlebergbau ist im Ruhrgebiet seit langem bekannt. Als in Bochum im Januar 2000 ein ganzes Wohngebiet in Einsturzgefahr geriet, wur-den großflächige Erkundungen des Untergrundes auf Basis von alten bergmännischen Karten einge-leitet. So wurde man in Bochum-Höntrop auf Hohlräume unter der Sporthalle der Widar Waldorf-Schule aufmerksam.
Die Verantwortlichen der Stadt Bochum und des zuständigen Bergamts entschieden sich, diese Hohl-räume gezielt mit dem UNI-DRILL Verfahren von der Oberfläche aus anzubohren, Injektionsrohre in die Bohrung einzubauen und die Hohlräume abschließend zu verpressen. Im Vergleich zu einem Schachtbauwerk, aus dem die Bohrungen horizontal erfolgen sollten, erwies sich die gewählte Varian-te nach eingehender Kostenanalyse als die wesentlich günstigere Alternative. Um die Verbruchzonen in einer Tiefe von ca. 25 m unter der Halle im und am Flöz Dickebank treffen zu können, war auf Grund der maximal mit dem UNI-DRILL möglichen Radien eine Bohrlänge von 90 m notwendig. Die Bohrungen wurden mittels eines Walk-Over-Systems navigiert.
Drei Bohrungen waren insgesamt notwendig und ca. 1000 m³ Verfüllmaterial wurden erfolgreich zur Herstellung eines kompakten Untergrundes eingebracht. Die Turnhalle hat die Sanierungsarbeiten ohne Risse überstanden und konnte kurze Zeit später wieder von den Schülern benutzt werden.
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Bild 9: Sanierung des Untergrundes unter einer Turnhalle [5]
Horizontale Vereisungsbohrungen für Tunnelauffahrung mit dem UNI-DRILL Bohrver-fahren
Die Erstellung von horizontalen Vereisungsbohrungen zur Verfestigung von nicht standfestem Gebirge und zum Schutz gegen Wasserzuflüsse ist ein weltweit eingesetztes Verfahren beispielsweise bei Tunnelauffahrungen. Für die Standfestigkeit und die Wasserundurchlässigkeit des Gefrierschirmes ist es wesentlich, die Vereisungsbohrlöcher entsprechend einem vorgegebenen Bohrraster exakt zu platzieren, was bei kürzeren Bohrlängen auch durch den Einsatz nichtsteuerbarer Verfahren in ausrei-chendem Maße möglich ist. Bei längeren horizontalen Vereisungsbohrlöchern steigt die Gefahr des Verlaufens, so dass unter Umständen Bohrlöcher nur begrenzt nutzbar und gegebenenfalls zusätzliche Vereisungsbohrlöcher zum Schließen des Gefrierschirmes erforderlich sind.
Für die Herstellung längerer horizontaler Vereisungsbohrungen kann das UNI-DRILL-Verfahren eine technische Alternative darstellen. Die bohrtechnischen und messtechnischen Komponenten dieses steuerbaren Verfahrens bieten die Voraussetzungen für die zielgenaue Erstellung derartiger Bohr-löcher. Darüber hinaus besteht systembedingt die Möglichkeit, das beim Bohren verwendete Außengestänge als Schutz für das Bohrloch zu nutzen bis das Gefrierrohr z.B. mittels Über-waschtechnik eingebaut wird.
Im Oktober 2003 wurde von der „GBS Grundbau Bohrtechnik Spezialtiefbau GmbH & Co. KG“, Aschaffenburg, auf der Baustelle Irlahüll der ICE-Neubaustrecke Nürnberg-Ingolstadt im Bereich des Notausgangs 4 am Tunnelportal eine gesteuerte, horizontale Testbohrung mit dem UNI-DRILL Bohr-system inklusive der EM-Datenübertragung durchgeführt.
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Bild 10: Ansatzpunkt der horizontalen Testbohrung [4]
Ziel dieser Bohrung war es, die Bohr- und Steuertechnik sowie das Steuerungsverhalten und die damit erreichbaren Zielgenauigkeiten unter verschiedenen geologischen und baustellenspezifischen Rand-bedingungen zu testen und ggf. zu verbessern.
Die Bohrlochlänge der Testbohrung betrug 86 m. Es wurden im Verlauf der Bohrung sowohl ca. 25 m im Festgestein als auch ca. 61 m in bindigen Böden durchbohrt. Das UNI-DRILL Bohrverfahren konnte seine universelle Anwendbarkeit in den anstehenden wechselnden geologischen Formationen bestätigen. Durch vergleichende Messungen mit einer Interfels 3D-Sonde konnten die gemessenen Daten des Bohrlochverlaufs bestätigt werden.
Bild 11: Anzeigegerät für das DMT UNI-DRILL System [4]
Bild 12: Anzeigegerät für das DMT UNI-DRILL System [4]
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Die Ergebnisse zeigen, dass das UNI-DRILL Bohrverfahren in Kombination mit dem EM-Datenübertragungsverfahren die jeweils eingestellte Richtung bzw. Neigung umsetzen und halten konnte. Somit erscheinen gesteuerte horizontale Bohrungen in Locker- und Festgestein sicher möglich.
6 Bohrlochvermessungssysteme
Da die Dokumentation des Bohrlochverlaufs immer häufiger von den Auftraggebern zur Qualitäts-überwachung und -sicherung gefordert wird, obliegt dem Bohrunternehmer die Dokumentations- und Nachweispflicht. Die Einhaltung eines vorgegebenen Bohrlochverlaufs ist in vielen Fällen für den Er-folg der Baumaßnahme von großer Bedeutung.
Richtbohrgeräte und Bohrungen mit diesen Geräten sind sehr kostenintensiv und damit nicht bei jeder Baumaßnahme vertretbar. Eine Alternative dazu stellt die Integration von Mess-Sonden in den Bohr-strang dar. Dabei wird die Bohrung nicht aktiv gesteuert, sondern die Bohrlochdaten werden kontinu-ierlich zur Dokumentation entweder in der Sonde aufgezeichnet und/oder nach Übertage gesendet. Die aus nicht magnetisierbarem Stahl gefertigten Sonden messen die Richtung mit einem Magnet-kompass und die Neigung mit Beschleunigungsaufnehmern.
Bild 13: Mess-Sonde unterhalb eines HDI-Düsenstocks
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Bis vor kurzem war nur die Aufzeichnung der Bohrlochdaten in einem in der Mess-Sonde integrierten Speicher möglich. Die Daten wurden nach Fertigstellung der Bohrung und Ausbau des Bohrgestänges an der Tagesoberfläche mit Hilfe eines Laptops ausgelesen und ausgewertet. Eine Entscheidungs-findung über die Qualität des Bohrlochverlaufs war somit erst zu einem relativ späten Zeitpunkt möglich.
Mit der Entwicklung des DMT EM-Datenübertragungsverfahrens ist eine Online-Überwachung der Bohrungen möglich. Entscheidungen über eventuelle Korrekturen durch entsprechende Positionierung der folgenden Bohrungen können daher just-in-time gefällt werden und eine lückenlose Dokumenta-tion gegenüber dem Auftraggeber wird bereits während des Bohrens möglich.
Quellen
[1] Abteilung Information und Öffentlichkeitsarbeit des Ruhrverbandes: Ennepetalsperre In: Broschüre Ruhrverband (1997)
[2] N.N.: Ein „Eiswürfel“ schützt vor Grundwasser In: Berliner Zeitung vom 3.November 1998
[3] Unser Betrieb – Werkzeitschrift für die Unternehmen der Deilmann-Haniel-Gruppe Nr. 78 – Dezember 2001
![Fels, Ludwig - Pacatele Saraciei [CG 446] v1.0](https://static.unterlagen.site/doc/80x56/55cf8e9c550346703b93ebc5/fels-ludwig-pacatele-saraciei-cg-446-v10.jpg)