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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einbringen eines Gründungsrohres in den Meeresboden insbesondere für eine Offshore-Windenergieanlage.
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Für die Gründung von Windenergieanlagen offshore bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Eine besteht in einer sogenannten Schwergewichtsgründung, bei der ein Fundamentkörper auf den Meeresboden aufgesetzt und ggfs. in diesen eingearbeitet wird, wobei ein mit dem Fundamentkörper verbundener Schaft in Form eines Rohres oder eines Gittermastes nach oben über den Meeresspiegel hinaussteht. Auf einer Plattform des Schafts wird der Turm der Windenergieanlage aufgestellt. Eine andere Möglichkeit, zur Zeit die am häufigsten angewendete, ist die Pfahlgründung. Bei dieser werden zumeist drei Pfähle in Dreiecksanordnung in den Meeresboden eingetrieben. Ein Verbindungskreuz oder dergleichen, das oberhalb des Meeresspiegels angeordnet ist, dient als Aufstandsmittel für den Turm der Windenergieanlage. Eine Besonderheit bei der Pfahlgründung ist die sogenannte Einrohrgründung. Bei dieser wird ein Rohr mit sehr großem Durchmesser in geeigneter Weise in den Meeresboden eingetrieben.
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Pfahlgründungen weisen Nachteile auf. Einer besteht in der Umweltbeeinträchtigung während des Eintreibens in den Meeresboden. Die Rammschläge erzeugen starke akustische Störsignale, die eine Beeinträchtigung von Meeresbewohnern zur Folge hat. Ein Nachteil bei Dreipfahlgründungen besteht darin, dass ein Belastungsfall eintreten kann, bei dem zwei Pfähle auf Druck und ein Pfahl auf Zug beansprucht werden. Die Belastung auf Druck kann verformungsfrei aufgenommen werden. Der einzelne auf Zug beanspruchte Pfahl wird insbesondere bei zyklischer Beanspruchung nachgeben und mehr oder weniger weit gezogen werden, was zwangsläufig zu einer Schiefstellung des Fundaments führt. Pfahlgründungen können außerdem durch Setzungen zu einer Schiefstellung des Fundaments führen, welche nicht ohne weiteres im Fundament ausgeglichen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen eines Gründungsrohres in den Meeresboden für eine Gründung einer Offshore-Windenergieanlage anzugeben, bei dem ohne Lärm oder umweltschädliche Erschütterungen das Gründungsrohr auch in relativ feste Bodenschichten in kurzer Zeit eingetrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Hilfe mindestens eines Rüttlers auf das Gründungsrohr eine oszillierende Eintreibkraft ausgeübt. Mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs an einer Bohrstange, die durch den Rüttler hindurch von oben in das Rohr eingeführt wird, wird der Boden im Rohr gelockert. Während des Eintreibvorgangs kann auf das Gründungsrohr eine Vorspannung (Pull down) aufgebracht. Auch auf die Bohrstange kann eine Verspannung aufgebracht werden.
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Mit Hilfe besonders starker Rüttler, sogenannter „Tandem-Rüttler”, ist es möglich, auf das Gründungsrohr eine sehr große oszillierende Eintreibkraft aufzubringen, ohne dass es zu Lärm und sonstigen Störungen durch Erschütterungen oder dergleichen kommt. Das sehr hohe Gewicht der Rüttler erzeugt eine Vorspannung auf das Gründungsrohr. Es ist jedoch auch möglich, mit Hilfe weiterer Maßnahmen die Vorspannung zu vergrößern. Es ist die Anwendung auch anderer leistungsfähiger Rüttlertypen möglich, z. B. ein sogenannter Gürtelrüttler, der mit einem Gürtel das obere Ende des Rohrs umklammert.
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Schließlich wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren der Boden innerhalb des Gründungsrohres gelockert, um einer Pfropfenwirkung zu begegnen. Ein Pfropfen hat bekanntlich die Eigenschaft, eine sehr hohe Rohrreibung zu bewirken mit der Folge, dass erhebliche Kräfte erforderlich sind, das Rohr gegen die Pfropfenwirkung in den Boden einzutreiben. Gegebenenfalls kann mit der Rohrstange auch eine Schnecke gekoppelt sein, um einen Teil des Bodens im Rohr herauszubefördern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für Gründungsrohre im Einrohrgründungsverfahren geeignet als auch für Gründungen, die mit drei, vier oder fünf Gründungsrohren ausgestattet sind. Dabei sind vier oder fünf Gründungsrohre einer Dreirohrgründung wegen der oben erwähnten Schiefstellungsgefahr vorzuziehen. Im Übrigen gilt ohnehin, dass der Durchmesser der Gründungsrohre umso kleiner werden kann, je größer die Anzahl der Gründungsrohre ist. Ein kleinerer Durchmesser erlaubt naturgemäß ein leichteres und schnelleres Eintreiben in den Boden als ein Rohr mit größerem Durchmesser.
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Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens zwei Rüttler vorgesehen, die in geeigneter Weise angesteuert werden. Vorzugsweise werden sie bei gleicher Frequenz mit einer Phasenverschiebung betrieben, derart, dass eine pendelnde Querkraftkomponente auf das Rohr wirkt. Es hat sich gezeigt, dass bei gleichzeitig vertikaler oszillierender Kraftkomponente eine oszillierende oder pendelnde Querkraftkomponente das Eintreiben auch in sehr schwierigem Boden erleichtert. Ist der Boden relativ fest, sodass eine hohe Eintreibkraft erforderlich ist, kann der Rüttler auch derart betrieben werden, dass er mit einer deutlich geringeren Frequenz als seiner maximalen Frequenz betrieben wird.
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Nach Erreichen der Solltiefe sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Frequenz des Rüttlers so eingestellt wird, dass im Rohr und auch außerhalb eine Verdichtung des Bodens stattfindet. Dadurch wird die Haltekraft des Rohrs im Boden signifikant erhöht.
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Pfahlgründungen sind naturgemäß der Verkolkungsgefahr ausgesetzt. Daher wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung um das Gründungsrohr eine ringförmige Kolkschutzmatte herumgelegt, die auf dem Meeresboden aufliegt. Die Kolkschutzmatte ist aus einem geeigneten mehr oder weniger flexiblen Material gefertigt und kann randseitig belastet sein, um Abtragungen des Meeresbodens um das Rohr herum zu folgen. Bei einer Gruppe von Gründungsrohren ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, um diese herum eine ringförmige Kolkschutzmatte auf den Meeresboden aufzulegen und ggfs. auch innerhalb der Gruppe eine Kolkschutzmatte auf den Meeresboden anzuordnen. Die Kolkschutzmatte wird im Anschluss an das Eintreiben des Gründungsrohrs bzw. der Gründungsrohre eingebaut, bevor der Turm einer Windenergieanlage auf die Pfahlgründung aufgesetzt wird.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mit Hilfe der Zufuhr von Wasser und/oder Luft unter Hochdruck in das Rohrinnere die Reibung der Rohrinnenwand zum Boden reduziert. Diese Maßnahme kann zusätzlich zur Auflockerung des Bodens innerhalb des Rohres beim Eintreiben getroffen werden. Die Zufuhr von Wasser und/oder Luft kann durch die hohle Bohrstange erfolgen. Hierfür kann jedoch auch eine separate Lanze dienen, die von oben in das Rohr eingeführt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach Erreichen der Solltiefe der Boden innerhalb des Gründungsrohres verdichtet wird, ggfs. unter Zugabe von Grobkorn. Zusätzlich oder alternativ kann nach Erreichen der Solltiefe der Boden innerhalb des Gründungsrohres durch Einpressen von Bindemittel, z. B. Beton, verfestigt werden, um den Sitz des Rohres im Boden zu verbessern. Das Bindemittel kann über die hohle Bohrstange in das Rohr gepresst werden oder über eine separate Lanze oder dergleichen.
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Die Rüttler, etwa die Tandem-Rüttler, sind so angesteuert, dass diese sich in ihrer Wirkung verstärken. Rüttler, die im Hinblick auf Frequenz und Phase regelbar sind, sind an sich bekannt. Ferner sind Rüttler bekannt, die in ihrem Moment verstellbar sind. Vorzugsweise wird zum Eintreiben des Gründungsrohrs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit derartigen Rüttlern gearbeitet.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung sieht zwei regelbare Rüttler vor, die über einen Querträger verbunden sind und Mittel zum Einspannen der Rohrwandung aufweisen. Auf den Querträger stützt sich ein Bohrgetriebe für eine Bohrstange ab, die sich zwischen den Rüttlern nach unten erstreckt. An der Bohrstange ist ein Bohrwerkzeug anbringbar zum Lösen oder Lockern von Bodenmaterial. An der Bohrstange können zwei im axialen Abstand angeordnete kreisförmige Führungen angebracht sein, deren Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt in einer Seitenansicht eine Vorrichtung nach der Erfindung.
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2 zeigt die um 90° versetzte Seitenansicht der Vorrichtung nach 1.
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3 zeigt die Draufsicht auf die Vorrichtung nach 1.
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4 zeigt einen Schnitt durch die Darstellung nach 2 entlang der Linie 4-4.
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5 zeigt die Untersicht unter die Vorrichtung nach 2.
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In den 1 bis 5 sind zwei Rüttler 10, 12 über einen Verbindungsrahmen 14 miteinander verbunden. Dadurch ist ein sogenannter Tandem-Rüttler gebildet. Jeder Rüttler weist Einspannmittel 16 bzw. 18 auf zum Einspannen eines Rohres, das in den 1 und 2 strichpunktiert bei 20 angedeutet ist. Eine hohle Bohrstange 22 erstreckt sich durch den Rahmen 14 und zwischen den Rüttlern 10, 12 hindurch nach unten. Sie geht in einen Rohrabschnitt 24 über, der auch als Schnecke ausgebildet sein kann. Am unteren Ende des Rohrabschnitts 24 befindet sich ein Bohrwerkzeug 26 mit einem Außendurchmesser etwas kleiner als der Rohrinnendurchmesser. Das Bohrwerkzeug 26 ist geeignet, Boden innerhalb des Rohres 20 aufzulockern, wenn es mit Hilfe der Stange 22 und einem entsprechenden Vorschub im Rohr 20 nach unten vorbewegt wird. Das Bohrgetriebe für die Stange 22 ist bei 28 in 2 angedeutet. Der Vorschub erfolgt mit Hilfe von zwei Hydraulikzylindern 30, 32, die an den Stützen eines Portals 34 angeordnet sind, das sich auf der Plattform 14 abstützt. Die Drehung der Bohrstange bewirkt ein Drehtisch oder dergleichen. Einzelheiten werden hierzu nicht beschrieben. Sie sind an sich bekannt.
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Mit dem Rohrabschnitt 24 ist ein erster kreisförmiger Kasten 30 oder Zylinder und im Abstand ein weiterer Kasten 32 oder Zylinder verbunden. Der Außendurchmesser der Kästen 30, 32 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 20. Auf diese Weise wird die Bohrstange bzw. der Rohrabschnitt 24 innerhalb des Rohres 20 beim Vortrieb geführt. Wie aus 3 erkennbar, hat der Rahmen 14 eine mittige Öffnung 34 für die Hindurchführung der Bohrstange 22.
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Zum Eintreiben des Rohres 20 wird dieses zunächst auf den Meeresboden abgelassen, wobei die Tandem-Rüttleranordnung einschließlich der Bohrvorrichtung bereits auf das obere Ende des Rohrs 20 aufgesetzt sein kann bzw. an diesem verklemmt ist.
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Anschließend erfolgt durch den Betrieb der Rüttler 10, 12 und das Auflockern des Bodens innerhalb des Rohres durch das Bohrwerkzeug 26 ein Eintreiben des Rohres in den Meeresboden. Das Rohr 20 kann zusätzlich mit Vorkehrungen zum Auflockern des Bodens versehen werden in Form einer Zuführung von Wasser und/oder Luft unter Hochdruck.
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Während des Rüttelbetriebs werden die Rüttler 10, 12 vorzugsweise mit gleicher Frequenz betrieben, um die Eintreibwirkung zu maximieren. Es ist jedoch möglich und manchmal vorteilhaft, eine Phasenverschiebung vorzusehen. Dadurch ergibt sich eine Querkraftkomponente am Rohr, durch welche das Rohr während der Eintreibbewegung gleichzeitig pendelnd quer hin- und herbewegt wird. Mit dieser Wirkung wird das Eintreiben auch in festeren Boden erleichtert.
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Bei sehr festem Boden ist unter Umständen nicht zu vermeiden, eine Schlagwirkung einzusetzen. Diese wird dadurch erzielt, dass die Rüttler 10, 12 mit relativ niedriger Frequenz betrieben werden, die deutlich unterhalb der maximalen zulässigen Frequenz für die Rüttler liegt.
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Nach Erreichen der Solltiefe ist es zweckmäßig, den Boden um das Rohr zu verdichten. Dies kann ebenfalls mit Hilfe der Rüttler geschehen, die mit einer entsprechenden relativ niedrigen Frequenz betrieben werden, ohne dass noch ein weiteres Eintreiben stattfindet.
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Die hohle Bohrstange 22 kann etwa dafür verwendet werden, Wasser und/oder Luft in den unteren Bereich zu pressen, um eine Auflockerung des Bodens zu bewirken und damit eine Reduzierung der Reibung beim Eintreiben. Die hohle Bohrstange 22 kann jedoch auch dazu verwendet werden, nach Erreichen der Solltiefe ein Bindemittel in das Rohr einzupressen, um eine innige Verbindung des im Rohr befindlichen Materials mit der Rohrwandung herbeizuführen und damit einen festen Sitz des Rohrs im Baden.
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Im Ausführungsbeispiel ist ein sogenannter „Tandemrüttler” beschrieben. Es ist jedoch möglich, auch andere Rüttlertypen einzusetzen, beispielsweise ein sogenannter Gürtelrüttler, bei dem ein Gürtel das Rohr klemmend umschließt und auf diese Weise den Rüttler trägt. Auch hierbei wird die oszillierende Eintreibkraft auf das Rohr kraftschlüssig übertragen.