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Die Erfindung betrifft eine Rammvorrichtung zum Rammen bzw. Schlagen von Löchern im
Erdboden, insbesondere zur Nutzbarmachung geothermischer Energie, wobei die Ramme shrnsei- tig abgestuft und/oder pseudokegelig ausgebildet Ist
Eine derartige Rammvorrichtung ist aus der US 4 193 461 A bekannt. Diese Druckschrift offen- bart ein Bohrwerkzeug mit abgestuft-kegeliger Spitze und rotierendem Zentrum. Der Boden wird durch den Kegel im wesentlichen radial verdrängt und verdichtet. Mittels Hydraulikzylindern ist es möglich, Teile des abgestuften Kegels radial nach aussen zu drücken, um die Verdichtung des
Erdreichs zu erhöhen. Wenn das Bohrwerkzeug stumpf geworden ist, ist es notwendig, es aus dem bereits gerammten Loch zu heben und zu ersetzen.
Ein ähnliches Bohrwerkzeug ist aus der US 4 100 179 A bekannt, nämlich eine einstückige Krone, die mit Einzelzähne bzw. Schneiden versehen Ist, deren Kanten entlang konischer Erzeugender angeordnet sind. Auch dieses Bohrwerkzeug muss, wenn die Zähne bzw. Schneiden stumpf geworden sind, aus dem bereits geschaffenen Loch gezogen werden und durch ein neues Werkzeug ersetzt werden.
Aus der DE 37 24 619 A ist ein Rammbohrgerät bekannt, dessen Schlagspitze Schragstellungen gegenüber der Achse der Bohrkrone zulässt, wodurch es möglich wird, Bohrlöcher herzustellen, die nicht geradlinig verlaufen. Wenn die Schlagspitze oder allgemein die Bohrkrone stumpf geworden ist, ist es auch bei diesem Werkzeug notwendig, es zum Ersatz aus dem geschaffenen Loch zurückzuziehen und durch eine neue zu ersetzen.
Üblicherweise werden tiefreichende Löcher im Erdboden durch Bohren hergestellt. Beispiele dafür sind die Erdöl-bzw. Erdgasbohrungen, die mehrere Kilometer Tiefe erreichen können.
Es gibt auch kurze Bohrungen, beispielsweise bei der Schaffung von Stützwänden Im U-Bahnbau u. dgl., die durch das Einrammen von Rohren geschaffen werden. Dabei wird das im Rohrinneren verbleibende Erdreich ausgespült und es wird in der Folge eine Stahlarmierung in das Loch eingebracht und, mit dem umgebenden Erdreich als verlorener Schalung, mit Beton gefüllt. In der Folge wird auf einer der Seiten der dicht an dicht gesetzten ausbetonierten Kerne, die so eine Wand schaffen, das Erdreich abgetragen, wobei diese zuvor im vollen betonierte Wand das Nachrutschen des benachbarten Erdreiches verhindert.
Bel der Schaffung von Bohrungen nach herkömmlicher Methode für die Nutzung geothemischer Wärme ergibt sich das Problem, dass durch den Abtragungsvorgang des Materials mit Hilfe des Bohrmeissels die umliegenden Schichten so gestört werden, dass in der Folge die Wärmeleitung zum Bohrloch gestört ist.
Bei gerammten Löchern könnte dies durch die eintretende Materialverdichtung im Bereich des Bohrloches nicht oder nur in wesentlich geringerem Mass erfolgen, weshalb derartige Bohrwandungen auch als verlorene Schalung verwendet werden könnten. Zur Schaffung von den für die Gewinnung von geothermaler Energie notwendigen tiefen Locher gibt es derzeit aber keine Methode der Herstellung durch Rammung. Es wird daher mangels existierenden Fachausdruckes im folgenden auch dieser Herstellungsvorgang als "Bohren" bezeichnet und das so geschaffene Loch auch als "Bohrung".
Die Erfindung bezweckt diese Lucke zu schliessen und eine Rammvornchtung zu schaffen, die in der Lage ist, derartige Löcher zu schaffen.
Erfindungsgemäss ist eine Ramme zum Erreichen des Ziels dadurch gekennzeichnet, dass sie an der Stirnseite eine Mehrzahl axial hintereinander angeordneter Verschleisskronen aufweist und dass ein Satz zentrisch angeordneter Verschleisskronen und zumindest ein weiterer Satz einen ringförmigen Querschnitt aufweisenden Verschleisskronen vorgesehen sind.
Auf diese Weise erreicht man es, dass die jeweils vorderste Verschleisskrone, die die Verdichtungs-und Verdrängungsarbeit im Erdreich leistet, wenn ihre Kanten bzw. Zähne stumpf geworden sind, durch die dann folgende Überbeanspruchung rasch bricht und von der nachfolgenden Ver- schleisskrone die einzelnen Bruchstücke, so wie das Gestein, radial nach aussen verdrängt werden und einen weiteren Vortrieb erlauben, ohne dass es notwendig ist, die Krone aus dem Bohrloch zu nehmen.
Die Erfindung betrifft auch eine Verschleisskrone zur Verwendung mit einer erfindungsgemässen Rammvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Schneidkanten aufweist, die im wesentlichen in Ebenen normal zur Vortriebsachse verlaufen und dass im wesentlichen trapezförmige bzw. dreieckige, bevorzugt ebene Flankenraumnuten bilden, die ihren Grundkanten kegelig bezüglich
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der Vortriebsachse verlaufen.
Mit einer solchen Verschleisskrone ist es besonders leicht und effizient möglich, nicht nur das jeweils anstehende Erdreich zu verdrangen und zu verdichten, sondern auch beim Übergang der Schneidleistung von einer bereits stumpf gewordenen Verschleisskrone, deren Zerbrechen zu fördern und sie ebenfalls in die Wand des Bohrloches zu drücken.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verschleisskronen einen ringför- migen Querschnitt aufweisen. Damit erreicht man eine Verbesserung der Brucheigenschaften beim Stumpfwerden der Verschleisskrone.
In einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Verschleisskronen zumindest Im Bereich ihrer Druckseite gehärtet sind. Dadurch wird die Fähigkeit zur Übertragung der Rammkräfte erhoht und es wird das Brechen einer abgenutzten Krone durch diese Härtung auf der Druckseite leichter initiiert.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verschleisskronen im Bereich Ihrer Schneidkanten mit Hartmetall-, Keramik- oder Diamantpartikeln armiert sind. Auf diese Weise wird Standzeit und Leistungsfähigkeit der einzelnen Verschleisskronen erhöht und so die Gesamtzahl der zum Erreichen einer vorbestimmten Abteuftiefe notwendigen Verschleisskronen verringert.
In der beiliegenden Zeichnung Ist die Erfindung näher dargestellt Dabei zeigt die Fig 1 eine schematische Skizze des Rammstückes, d. i. die am unteren Ende des eingebrachten Vortriebsrohres befindliche und die eigentliche Rammarbeit leistende Spitze der Vorrichtung, die Figa. 2 und 3 zeige mehrere Varianten von Verschleisskronen und die Fig. 4 zeigt die Arbeitsplattform.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht das in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichneten Rammstück aus einer stufenförmig ausgebildeten Spitze 2 und einem im wesentlichen zylindrischen Hohlkorper 3. Am oberen, der Stirn abgewandten Seite des Körpers 3 ist das Rammstück 1 mit dem untersten Vortriebsrohr 4 verbunden, bevorzugt verschweisst.
Im hohlen Inneren des Rammstückes 1 und des Vortriebsrohres 4 sind verschiedene Einbauten dargestellt, die aber während des Niederbringens der Bohrung noch nicht vorhanden sind und daher erst weiter unten erläutert werden
Die Stirne 2 des Rammstückes 1 ist im Querschnitt stufenförmig ausgebildet, so dass sich nngförmige Absätze ergeben, auf die ebenfalls ringförmige bzw. ganz an der Front kreisförmige Ver- schleisskronen aufgebracht sind. Diese Verschleisskronen weisen bevorzugt kegelige Verdichtungsschrägen bzw. Verdichtungskanten auf, durch die das anstehende Material radial nach aussen gedrangt und dabei verdichtet wird.
Die zum Erdreich hin gewandte Oberfläche der Verschleisskronen ist gehärtet, die dem Erdreich abgewandte Seite ist so ausgebildet, dass sie auf der Verschleissseite der nachten Rammkrone sicher und mit so grosser Fläche anliegt, dass die Rammkräfte zuverlässig übertragen werden können.
Wenn es zum Verschleiss der geharteten Bereiche gekommen ist, wird durch die Belastung die restliche Krone rasch zerstört und in das umliegende Erdreich gepresst, wobei die nächste Rammkrone mit ihrem dem Erdreich zugewandte und nunmehr direkt mit dem Erdreich bzw. den Resten der vorderen Rammkrone in Kontakt kommenden Stellen, ihre Arbeit aufnimmt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist das Rammstück 1 einen grösseren Durchmesser auf als das nachfolgende Vortriebsrohr 4. Dies ist zur Verringerung der Mantelreibung und zur Verhinderung des Verschleisses der Vortnebsrohre günstig. Es wird damit sichergestellt, dass im wesentlichen die gesamte aufgebrachte Vortriebskraft für die Verdrängung des Erdreiches zur Verfügung steht. Es können die nachfolgenden Vortriebsrohr in gewissen Abständen mit Stützringen, oder, wegen der geringeren Reibung vorteilhafterweise mit axial verlaufenden Rippen, versehen sein, um ein Durchbiegen der Vortriebsrohre unter der Vortriebskraft zu verhindern und sicherzustellen, dass der Vortrieb ordnungsgemäss erfolgt.
Der Vortrieb selbst erfolgt bevorzugt auf folgende Weise : Es wird, wie in Fig 3 ersichtlich ist, das Rammstück 1 auf einer Arbeitsplattform 17 in Position gebracht und es wird das erste Vortriebsrohr 4 angeschweisst. An das obere Ende des Vortriebsrohres 4 wird die hydraulische Vibrationsvorrichtung 18 angebracht und es wird ein statischer Vortnebsdruck mit einer oszillierenden Druckschwankung überlagert. Unter der Wirkung dieser Vortriebskraft wird das Rammstück 1 in
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den Boden getrieben und das obere Ende des ersten Vortnebsrohres sinkt auf der Arbeitsplattform innerhalb des Geruste 19 tiefer und tiefer bis der maximale Hub der Hydraulikvorrichtung erreicht ist.
Es wird sodann die Hydraulik 18 von der Rückseite des Vortriebsrohres abgehoben und in die oberste Position gehoben und es wird das nächste Vortnebsrohr 4'am oberen, freien, Ende des vorhergehenden Vortriebsrohres 4 angeschweisst.
Die hydraulische Vortriebsvorrichtung 18 wird sodann abgesenkt, mit dem obersten Vortriebsrohr verbunden und wieder aktiviert bis auch der nächste Schuss 4'des Vortnebsrohres so tief abgesenkt ist, dass die Hydraulik 18 ihren maximalen Hub erreicht hat. Es wird auf diese Weise fortgefahren, bis die geothermal Zone erreicht ist und die zur Gewinnung der geothermischen Energie notwendigen Einbauten niedergebracht werden können.
Die wesentlichsten dieser Einbauten sind aus Fig 1 ersichtlich und sind mit ihrem unteren Ende, das im Hohlraum des Rammstückes 1 liegt, dargestellt :
Es handelt sich im wesentlichen um zwei konzentrisch zueinander angeordnete Rohre 5,6, die auf passende Weise mit Abstandsstücken 7 versehen sind, um ihre konzentrische Lage zu behalten und die an der Aussenseite des Aussenrohres eine an der Innenseite der Vortnebsrohre anliegende Isolierung aufweisen, die bis in die Bereiche reicht, In denen genügend geothermal Energie auftritt, um eine Isolierung überflüssig zu machen.
Es wird kaltes Wärmetauschermedium im Inneren des inneren Rohres 5 niedergebracht, gelangt durch die am unteren Ende des inneren Rohres vorgesehenen Perfonerungen 8, die in den Ringspalt zwischen dem inneren Rohr 5 und dem äusseren Rohr 6 und stromt durch diesen Ringspalt zurück an die Oberfläche.
Im Bereich des Rammstückes 1 wird vor dem Niederbringen der beiden konzentnschen Rohre 5,6 eine gutwärmeleitende Flüssigkeit eingebracht, durch die die aussen das Rammstück 1 erwärmende geothermisch Wärme zügig und möglichst ohne Widerstand zum äusseren Rohr 6 transportiert wird
Das untere Ende des äusseren Rohres 6 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine im wesentlichen halbkugelförmige Kalotte geschlossen, wobei das untere Ende des inneren Rohres 5 bis zur Kalotte reicht und dort passend fixiert 1St. Da es sich In diesem Bereich bereits um den Wärmetauschbereich handelt, muss an dieser Stelle die Verbindung zwischen dem inneren Rohr 5 und der Kalotte des äusseren Rohres 6 nicht dicht sein,
doch wird selbstverstandlich eine ausreichend starke mechanische Verbindung bevorzugt, um den auftretenden, durch die strömende Flüssigkeit bewirkten, Kräften widerstehen zu können.
Die Kalotte 9 liegt auf Stützblechen 10 auf, die bereits während des Niederbringens der Bohrung im Rammstück 1 angeordnet waren. Diese Stützbleche 10 weisen ausreichenden Abstand voneinander auf, um auch aus dem Stirnbereich 2 des Rammstuckes 1, das bei der dargestellten Ausführungsform hohl ausgebildet ist, die dort in die Wärmetauscherflüssigkeit gelangte Wärme zirkulieren zu lassen.
Es ist selbstverständlich möglich, auch die Innen- und/oder Aussenseite des inneren Rohres 5 mit einem isolierenden Überzug zu versehen, um zu verhindern, dass während des einander Entgegenstromens der bereits erwärmten und der noch kalten Wärmetauscherflüssigkeit das Innenrohr 5 als Wärmetauscher wirkt und so die Wirksamkeit des Energietransportes herabsetzt.
Mit den erfindungsgemässen Massnahmen ist es möglich, in einem Zug durch Rammen eine Bohrung niederzubringen und entsprechend auszukleiden, die durch das im Bereich der Bohrung verdichtete Erdreich über hervorragende Wärmetauscheigenschaften verfügt und so insbesondere zur Gewinnung geothermischer Energie geeignet ist.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. So ist die Anzahl der hintereinander aufgesetzten Verschleisskronen vom zu erwarteten Erdreich und von der geplanten Absenktiefe zu wählen. Es ist beim erfindungsgemassen Vortrieb nahezu ausgeschlossen, auf wirtschaftlich vertretbare Weise das einmal abgesenkte Rohr wieder einzuholen und am Rammstück 1 neue Verschleisskronen aufzusetzen. Dazu wäre ein Abtrennen der Vortriebsrohre in passendem Abstand notwendig, wobei dieser Abstand durch die Notwendigkeit auf die maximale Hubhöhe der Hydraulikzylinder Rucksicht zu nehmen, deutlich geringer ist als bei Bohrungen gemäss dem Stand der Technik.
Dieser Nachteil ist aber durch die erfindungsgemässe Verwendung aufeinander-folgend sich abnutzender und ersetzender Verschleisskronen kein ins Gewicht fallender Nachteil, da es möglich ist,
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eine nahezu unbegrenzte Anzahl solcher Verschleisskronen vorzusehen.
Beispiele solcher Verschleisskronen sind in den Figa. 2 und 3 dargestellt Dabei zeigt die Fig. 2 zwei ringförmige und die Fig. 3 zwei zylinderförmige Verschleisskronen jeweils in Draufsicht von vorne und im Schnitt.
Die Schneidkanten 14 der Verschleisskronen 11,12 verlaufen im wesentlichen in Ebenen normal zur Vortriebsachse 15, trapezförmige bzw. dreieckige ebene Flanken bilden Räumnuten, deren Grundkanten 13 kegelig bezüglich derVortnebsachse 15 verlaufen.
Auf diese Weise wird die gerade Führung des Vortriebes verbessert und dabei doch das zerkleinerte Material nach Aussen gedrangt, wodurch auch die Lochwand verdichtet wird.
Die Verschleisskronen 11 a, 12a, die dem Rammstück 1 am nachten liegt, weisen jeweils einen ebenen Boden 16 auf, der möglichst voll an einer ebenfalls ebenen Gegenfläche des Rammstückes 1 anliegt. Es können diese Verschleisskronen auch als Zwischenstücke ausgebildet sein, die keine Rammeigenschaften haben, um zu einem System zu kommen, bei dem alle (eigentlichen) Verschleisskronen 11,12 untereinander identisch sind.
Die weiteren Verschleisskronen 11,12 weisen auf ihren vom Rammstück 1 weg gerichteten Rammseiten, die beschriebenen Rammelemente auf, ihre zum Rammstück 1 hin gerichteten Druckseiten sind komplementär zur Rammseite ausgebildet und übertragen den Rammdruck auf die jeweils vorderste Verschleisskrone weiter.
Im Zuge des Vortriebes wird die jeweils vorderste Verschleisskrone abgenutzt und, insbesondere wenn ihre Rammseite gehärtet ist, wird sie nach der Abnutzung der gehärteten Schichte relativ rasch zerstört, sodass die bis dahin ihr zunächst liegende Verschleisskrone die nunmehr aktive Verschleisskrone wird. Um hier Verschleiss zwischen den einzelnen Verschleisskronen zu vermeiden, ist ein möglichst grossflächiges Aufeinanderliegen und damit ein möglichst geringer Anpressdruck und das Vermeiden von punktueller Krafteinleitung entscheidend.
Letzteres kann vermieden werden, wenn beispielsweise die Kanten 13'auf der Druckseite, die im Bereich der Grundkanten 13 zu liegen kommen, abgerundet oder stark gebrochen sind, um das Ausbilden keilförmiger Kräfte im Bereich der Grundkanten 13 zu verhindern.
Es ist nicht notwendig, dass die Schneidkanten 14 genau in einer Normalebene zur Vortriebsachse 15 liegen, eine leicht konische Ausbildung ist durchaus denkbar. Es ist auch möglich, die Schneidkanten 14 nur oder zusätzlich zur konischen Anordnung nicht genau radial zur Vortriebsachse 15 verlaufen zu lassen, um bei jedem Stoss zu einem Versatz in Drehrichtung zu kommen.
Es muss dabei auf eine möglichst freie Drehbarkeit zwischen den Verschleisskronen und dem Vortriebsrohr 4, das ja im Erdreich nicht drehbar ist, gesorgt werden. Der Vorteil dabei ist, dass besonders bei schwer zerkleinerbarem Gestein, der Angriff immer wieder leicht versetzt erfolgt, sodass ein Losbrechen von Steinen erleichtert wird.
Es ist selbstverstandlich möglich, die Schneidkanten 14 mit Hartmetallelementen oder Diamant zu bestücken, dies kann in Kenntnis des zu erwartenden Untergrundes auch nur bei solchen Ver- schieisskronen erfolgen, die in besonders anspruchsvollen Schichten zum Einsatz kommen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Rammvorrichtung zum Rammen bzw. Schlagen von Löchern im Erdboden, insbesondere zur Nutzbarmachung geothemischer Energie, wobei die Ramme stirnseitig abgestuft und/oder pseudokegelig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie an der Stirnseite eine Mehrzahl axial hintereinander angeordneter Verschleisskronen (11, 11 a, 12, 12a) auf- weist, und dass ein Satz zentrisch angeordneter Verschleisskronen (12, 12a) und zumindest ein weiterer Satz, einen ringförmigen Querschnitt aufweisender Verschleisskronen (11, 11 a) vorgesehen sind.