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Die
Erfindung betrifft ein Gestänge
zur Herstellung von Körpern
im Erdreich nach dem Düsenstrahlverfahren,
mit dem während
des Abbohrens online Messdaten von der Spitze des Düsenstrahlgestänges an
die Oberfläche
gebracht werden.
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Bei
der Herstellung von Abdichtungssohlen für Baugruben gegen drückendes
Wasser mit Hilfe des Düsenstrahlverfahrens
werden sehr hohe Anforderungen an die Bohrgenauigkeit gestellt.
Die dichte Düsenstrahlsohle
besteht aus zahlreichen, überschnittenen
Einzelsäulen.
Diese Säulen
werden in Tiefen von 20 m und mehr hergestellt. Um sicherzugehen,
dass zwischen den einzelnen Säulen
keine Fehlstellen aufgrund von mangelnder Überschneidung entstehen, wird
mit aufwendigen Messverfahren die Lage der einzelnen Bohrungen ermittelt.
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In
der
DE 198 46 137 ist
eine Vorrichtung beschrieben, bei der an der Bohrspitze Inklinometermesseinrichtungen
angeordnet sind, welche die Neigung des Gestänges aufnehmen. Die Messergebnisse
werden in einem Messwertspeicher festgehalten, der sich ebenfalls
in der Spitze der Vorrichtung befindet. Die Messdaten werden nach
Zurückziehen
des Bohrgestänges
an der Erdoberfläche
ausgelesen. Mit der Vorrichtung kann zwar die Lage der Bohrung vermessen
werden, dies erfolgt jedoch erst zu einem Zeitpunkt, bei dem die
Bohrung schon fertiggestellt ist. Eine Beeinflussung der Richtung
der Bohrung während
des Herstellvorgangs ist mit dieser Messtechnik nicht möglich.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
hat die Aufgabe, bereits während
des Abbohrvorgangs online Messdaten von der Spitze des Bohrgestänges an die
Erdoberfläche
zu bringen. Diese Messdaten können
beispielsweise die Neigungs- und Azimutwinkel des Bohrgestänges umfassen.
Die Onlinemessung gibt die Möglichkeit,
bereits beim Abbohrvorgang zu entscheiden, ob die Bohrung auch dazu
verwendet wird, eine Säule
nach dem Düsenstrahlverfahren herzustellen
oder ob eine Bohrung neu angesetzt wird. Dies ist insbesondere deshalb
von Vorteil, da das Düsen
der Säule
einen sehr hohen Zeitanteil des gesamten Herstellvorgangs darstellt.
Aus diesem Grund kann es zweckmäßiger sein,
eine schräg
verlaufende Bohrung nicht zu nutzen, sondern lieber eine Bohrung
neu anzusetzen. Ein weiterer Vorteil des Online-Messens liegt darin,
dass über
das ständige
Messen der Lage des Bohrkopfes Einfluss auf die Steuerung des Gestänges ausgeübt wird.
Durch Einsatz von steuerbaren Bohrköpfen kann auf diese Weise bereits
beim Abteufen des Gestänges
eine Richtungskorrektur vorgenommen werden.
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Eine
weitere Aufgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin,
dass das Bohrgestänge inklusive
der Online-Datenübertragung
auf schnelle Weise gekürzt
oder verlängert
werden kann. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das
Gestänge
zur Herstellung der Düsenstrahlkörper aufgrund
von geringer Raumhöhe
für das
Bohrgerät mehrmals
gestoßen
werden muss.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt entsprechend den Patentansprüchen.
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Die
Erfindung wird anhand der 1 und 2 näher erläutert.
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1 zeigt einen Längsschnitt
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
setzt sich aus einem unteren Teil 1 mit einer Bohrspitze 12 und
einem Anschlussgewinde 17 zusammen. Im Inneren des Gestängeteils 1 befinden sich
die Messeinrichtungen 4, ein Hochdruckkanal 10 mit
einer Hochdruckdüse 11.
Von den Messeinrichtungen 4 führen Kabel 13, 14 zu
einer Kabelkupplung 7. Die einzelnen Kabel 13, 14 führen jeweils
zu einem Kontaktring 5 an der Kabelkupplung 7.
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Weiter
besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung
aus einem oder mehreren Zwischenstücken 2. Im Rohr 21 befindet
sich ein konzentrisches Rohr 9 und an den Enden des Rohres 9 befinden
sich Kabelkupplungen 7 und 8. An der Kabelkupplung 8 befinden
sich Kontaktringe 6, die so angeordnet sind, dass sie zu
den Kontaktringen 5 der Kabelkupplung 7 passen,
wenn die beiden Kabelkupplungen 7 und 8 ineinander
gesteckt sind. In den Zwischenstücken 2 werden
die entsprechenden Kontaktringe 6, 5 mit Kabeln 15 verbunden,
die im Ringraum zwischen dem Rohr 21 und dem Rohr 9 verlaufen.
Die Rohre 21 sind mit Gewinden 17 und 18 ausgestattet,
welche ein Zusammenschrauben der Gewinde 17 und 18 der anderen
Rohre ermöglichen.
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Das
Zwischenstück 2 der
Vorrichtung ist durch den Schnitt 23 in stark verkürzter Form
dargestellt.
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Teil 3 der
Vorrichtung befindet sich am luftseitigen Ende der Vorrichtung,
welches während
des gesamten Bohrvorgangs oberhalb der Erdoberfläche verbleibt. Am äußeren Umfang
des Rohres 26 befinden sich Schleifkontaktringe 19.
Von den Kontaktringen 5 und 6 der Kabelkupplungen 7 oder 8 verlaufen Kabel 16 zu
den Schleifkontaktringen 19. Ein Stator oder Messwertabnehmer 20 umhüllt die
Schleifkontaktringe 19 und in diesem Stator oder Messwertabnehmer 20 sind
Schleifkontakte 22 so angeordnet, dass Signale von den
Schleifkontaktringen 19 abgegriffen werden können. Der
Messwertabnehmer 20 ist im Wesentlichen feststehend, während sich
das Rohr 26 mit den Schleifkontaktringen 19 in
Rotation befindet.
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2 zeigt den Schnitt 23 der
senkrecht zur Vorrichtungsachse geführt wird. Das konzentrische Rohr 9 ist über Abstandelemente 24 im
Rohr 21 unverschiebbar gehalten. Die Abstandelemente 24 sind bevorzugter
Weise über
den Umfang und über
die Länge
der Rohre 21 verteilt. Die Kabel 13, 14, 15, 16 werden
bevorzugter Weise im Ringraum zwischen dem Rohr 9 und dem
Rohr 21 geführt. 2 zeigt eine Ausführungsvariante
mit zwei konzentrisch angeordneten Rohren 9 und 21.
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Die
Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt in der Art der Übermittlung
von Messdaten von der Erdseite der Düsenstrahlvorrichtung an die
Luftseite. Um die Lage des Düsenstrahlgestänges und
dabei insbesondere die Lage der Schneiddüse 11 zu bestimmen,
befinden sich im Fußbereich
des Gestänges
Messeinrichtungen 4. Diese Messeinrichtungen sind bevorzugter
Weise Inklinometer, die in mehreren Achsen die Neigung des Gestänges messen.
Zusätzlich
werden Messmittel zur azimutalen Orientierung eingesetzt. Dies sind
z. B. Kompasse. Die Ergebnisse dieser Messungen werden in Strom-
oder Spannungssignale umgewandelt und diese über Kabel 13, 14, 15, 16 an
die Luftseite geführt.
Dort können
sie schon während
des Abbohrvorgangs ausgewertet werden und man kann die Abweichung
des Gestänges
erkennen und Gegenmaßnahmen
ergreifen.
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Die
Gestänge
für das
Düsenstrahlverfahren müssen aufgrund
der Baustellenanforderungen in unterschiedlichen Längen eingesetzt
werden. Eine weitere Anforderung ist dadurch gegeben, dass aufgrund
von beschränkten
Raumhöhen
für das
Trägergerät oder beschränkter Mählerlängen das
Gestänge nicht
einteilig einzusetzen ist, sondern aus einzelnen miteinander verbindbaren
Rohrstücken
zusammengesetzt werden muss. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn
die Düsenstrahlkörper von
einem Keller aus hergestellt werden müssen. Wenn man bereits während des
Abbohrvorganges Zugang zu den Messwerten der Messvorrichtungen 4 haben
will, bedarf es einer zuverlässigen
Verbindung der Messkabel zur Datenübertragung, damit der Bohrvorgang nicht
unnötig
verzögert
wird.
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Das
Ziel der Erfindung ist deshalb eine einfache, schnelle und sicher
zu handhabende Verbindung von Messkabeln, die ihre Lösung in
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Kabelkupplungen 7 und 8 findet.
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Düsenstrahlgestänge bestehen
in der Regel aus mehreren konzentrisch angeordneten Rohren. In 1 und 2 ist ein Düsenstrahlgestänge mit
zwei konzentrischen Rohren dargestellt. Weitere bevorzugte Ausführungen
sind Gestänge
mit drei konzentrischen Rohren, bei denen getrennt die Schneidsuspension,
die Spülsuspension
zum Abbohren und Druckluft zugegeben wird. Bevorzugter Weise wird als
Hochdruckkanal für
die Schneidsuspension mit Drücken
bis zu 600 bar das innerste Rohr 9 verwendet, da dieses
aufgrund des verhältnismäßig geringen
Durchmessers auch bei hohen Drücken
nur geringe Ringzugkräfte
erhält.
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Die
Verbindung von einzelnen Düsenstrahlgestängen mit
mehreren konzentrischen Rohren erfolgt so, dass die innenliegenden
Rohre druckdicht gesteckt sind, während die äußeren Rohre 21 mittels Gewinden 17, 18 miteinander
verbunden werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird bevorzugter Weise die erfindungsgemäße Kabelkupplung 7, 8 auf
einem der Innenrohre angebracht, die nur zusammengesteckt werden
und die kein Schraubgewinde haben. Wegen der Übersichtlichkeit der Patentzeichnungen
wird die Erfindung nur an einem Gestänge mit zwei Rohren erläutert. Die
Erfindung ist jedoch auch auf drei und mehr konzentrische Rohre übertragbar
und in diesem Fall können
die Kabelkupplungen 7, 8 auf beliebigen Innenrohren
angeordnet sein.
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Besonders
bevorzugt ist, dass die Kabelkupplungen 7, 8 auf
dem innersten Rohr 9, das zumeist als Hochdruckkanal verwendet
wird, befestigt werden. Die Kabelkupplungen 7, 8 sind
zumindest in den Bereichen, in denen sie zusammengesteckt werden,
rotationssymmetrisch. Dies ermöglicht,
dass die Kabelkupplungen 7, 8 sich im zusammengesteckten Zustand
ineinander drehen können.
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Im
Inneren der Kabelkupplung 7 und im Äußeren der Kabelkupplung 8 befinden
sich Kontaktringe 5 bzw. 6. Diese Kontaktringe
sind geometrisch so angeordnet, dass die Kontaktringe 6 in
zusammengesteckten Zustand die Kontaktringe 5 berühren. Die Dimensionierung
der Kontaktringe hat so zu erfolgen, dass bei Berührung der
Kontaktringe 5, 6 elektrische Ströme bzw.
Signale übertragen
werden können.
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Im
unteren Teil 1 des Düsenstrahlgestänges führen mehrere
Kabel 12, 13 von den Messaufnehmern 4 zu
mehreren Kontaktringen 5.
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Die
Kontaktringe sind aus elektrisch leitendem Material. Bevorzugter
Weise sind sie aus rostfreien Metallen, wie Kupfer, Messing, Gold
oder geeigneten Metalllegierungen.
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Die
Kabelkupplungen 7, 8 sind fest mit den Rohren 9 verbunden
oder mit dem Hochdruckkanal 10 im Bereich der Düse 11 des
Schneidstrahles.
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Die
Abdichtung der stromleitenden Kontaktringe 5 gegenüber den
Rohren 9, 10 erfolgt über marktübliche Abdichtungssysteme wie
Dichtringe oder Dichtungslippen. Diese verhindern, dass die Suspension
oder Schneidflüssigkeiten
im Inneren der Rohre 9, 10 in den Bereich der
Kontaktringe gelangt und dort zwischen den einzelnen Kontaktringen zu
einem elektrischen Kurzschluss führt.
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Die
Kontaktringe 5, 6 sind gegenüber den Gehäusen der Kabelkupplungen 7, 8 nach
dem Stand der Technik elektrisch isoliert.
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Wenn
die Kabelkupplungen 7, 8 aus elektrisch leitendem
Material gefertigt sind, so wird zwischen den Kontaktringen 5, 6 und
dem Gehäuse
der Kabelkupplungen 7, 8 ein nicht leitendes Isoliermaterial
eingefügt,
um Kurzschlüsse
zu vermeiden. Das sind z. B. Gummi oder Kunststoffe.
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Wird
nicht leitendes Material für
die Kabelkupplungen 7, 8 verwendet, kann auf Isoliermaterial verzichtet
werden.
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Die
zugfeste Verbindung der Vorrichtungsteile 1, 2 und 3 erfolgt
bevorzugter Weise über
die Gewinde 17, 18 an den äußeren Gestängen 21, 26.
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Die
Kabel 13, 14, 15, 16 werden
innerhalb der Ringräume
der konzentrisch angeordneten Rohre bevorzugter Weise durch zusätzliche,
in den Zeichnungen nicht dargestellte Schutzrohre geführt.
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Dies
ist insbesondere dann notwendig, wenn die Ringräume zur Förderung von Medien wie Druckluft
oder Bohrspülung
benutzt werden.
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In
den Zwischenstücken 2 sind
die Kontaktringe 6 der Kabelkupplung 8 mit den
Kontaktringen 5 der Kabelkupplung 7 über Kabel 15 verbunden.
Auch diese Kabel 15 werden bevorzugter Weise durch die konzentrisch
angeordneten Ringräume
geführt
und verlaufen bevorzugter Weise in zusätzlichen Schutzrohren.
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Die
einzelnen konzentrischen Rohre werden durch Distanzhalter 24 miteinander
kraftschlüssig verbunden
und gegen Verschieben gesichert.
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Die
Innenwandungen bzw. Außenwandungen
der Kabelkupplungen 7, 8 sind zumindest im Einsteckbereich
zylindrisch oder konisch ausgebildet.
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Die
konische Ausbildung kann kegelmantelförmig sein oder die konische
Ausbildung erfolgt durch Abstufungen im Innen- bzw. Außendurchmesser
der Kabelkupplungen 7, 8.
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Die
konische Wandung kann auch in mehreren Richtungen gekrümmt sein,
wie eine Kugel, ein Ellipsoid, Hyperboloid oder ähnliche Formen.
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Die
Kabelkupplungen 7, 8 sind auf den Rohren 9, 10 lagemäßig so befestigt,
dass spätestens nach
vollständigem
Zusammenschrauben der äußeren Gewinde 17, 18 sich
die Kontaktringe 5, 6 so berühren, dass Stromsignale über diese
Kontaktringe übertragen
werden können.
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Dabei
kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Kontaktringe 5, 6 innerhalb
gewisser Grenzen in ihrem Durchmesser elastisch verhalten. Das bedeutet, dass
sich der Durchmesser der Kontaktringe innerhalb gewisser, elastischer
Grenzen verkleinern oder vergrößern kann.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Kontaktringe 5, 6 keine
geschlossenen Ringe darstellen, sondern dass sie geschlitzt sind,
aus einem elastischen Material bestehen und gegebenenfalls vorgespannt
oder locker in die Kabelkupplungen eingebaut werden. Dies erhöht die Sicherheit
des elektrischen Kontaktschlusses im zusammengesteckten Zustand.
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Bevorzugter
Weise werden an den Teilen 2 unterschiedliche Kabelkupplungen
befestigt, d. h. eine männliche
Kabelkupplung 8 und eine weibliche Kabelkupplung 7.
Es sind aber auch Ausführungen denkbar,
bei der an einem Zwischenstück 2 immer zwei
gleiche Kabelkupplungen angeordnet sind und somit ein Zwischenstück 2 mit
nur männlichen
und ein Zwischenstück 2 mit
nur weiblichen Kabelkupplungen ausgestattet ist und diese im Wechsel
verwendet werden.
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An
der Luftseite des erfindungsgemäßen Düsenstrahlgestänges befindet
sich am Teil 3 ein Messwertabnehmer 20. Hier werden
die Kabel 16 von den Kontaktringen 5, 6 der
Kabelkupplung 8 bzw. 7 zu Schleifkontaktringen 19 geführt, die
an dem drehbaren Außenrohr 26 befestigt
sind.
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Die
Schleifkontaktringe 19 sind mindestens in der Anzahl angeordnet,
die der Zahl der Kontaktringe 5, 6 entspricht.
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Die
Kabelkupplungen 7, 8 enthalten mindestens einen
Kontaktring 5, 6. Bevorzugter Weise enthalten
die Kabelkupplungen jedoch 3 bis 5 Kontaktringe.
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Dadurch
kann neben der Übertragung
von Messsignalen auch die Stromversorgung der Messeinrichtungen 4 erfolgen.
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Als
zusätzliche Übertragungsmöglichkeit
von elektrischen Signalen kann auch das zusammengeschraubte Außengestänge 21, 26 verwendet
werden.
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Die
Schleifkontaktringe 19 bestehen aus handelsüblichen
Materialien für
Schleifringverbindungen. Sie bestehen bevorzugt aus elektrisch leitenden
Materialien wie Metallen und Metalllegierungen und sind gegen das
Rohr 26 elektrisch isoliert.
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Von
diesen sich drehenden Schleifkontaktringen 19 wird über Schleifkontakte 22 das
elektrische Signal abgegriffen und zu einer Auswerteeinheit über Kabel
geleitet. Ebenso erfolgt hier die Stromversorgung der Messvorrichtung.
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Der
Messwertabnehmer 20 ist am Rohr 26 drehbar befestigt
und ist bezüglich
der Kontaktringe 19, die am Rohr 26 befestigt
sind, in Richtung der Rohrachse im Wesentlichen nicht verschiebbar.
Das heißt,
bei Bewegungen in Achsrichtung des Gestänges macht der Messwertabnehmer 20 diese
Bewegungen mit.
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Vom
Messwertabnehmer 20 führen
Kabel zur Auswerteeinrichtung der Messsignale, die sich bevorzugter
Weise in der Kabine des Gerätefahrers befindet.
Damit sich diese Kabel nicht um das rotierende Gestänge wickeln,
hat der Messwertabnehmer 20 eine Drehbegrenzung, wie sie
vom Stand der Technik bei Spülköpfen bekannt
ist und diese liegt bei weniger als 360° Drehung. Bevorzugter Weise
erfolgt die Drehbegrenzung durch Anschläge am Turm der Lafette oder
am Schlitten des Drehantriebes für
das Gestänge.
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Neben
dem Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
dass man bereits während
dem Abbohrvorgang der Vorrichtung über eine Online-Verbindung
auf die Messwerte der Messvorrichtung 4 zugreifen kann,
besteht auch noch die Möglichkeit,
die Bohrrichtung der Vorrichtung zu beeinflussen. In diesem Fall
wird anstelle der Bohrkrone 12 eine besonders steuerbare
Bohrkrone befestigt. Dabei handelt es sich bevorzugter Weise um
asymmetrisch ausgebildete Bohrkronen mit besonders gestalteten Spül- oder
Schneiddüsen.
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Diese
besonderen Bohrkronen sind nach dem Stand der Technik für steuerbare
Kleinbohrungen bekannt.
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Kennt
man die Richtung des Gestänges
und die Lage des Bohrkopfes im dreidimensionalen Raum, so lässt sich
durch die Stellung des Bohrkopfes und die Betätigung der Schneid- oder Spüldüsen die
Richtung des Gestänges
beeinflussen.
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Durch
die Online-Messung während
des Abteufens lässt
sich so eine bessere Vertikalität
bei den Bohrungen erreichen und auf diese Weise sind weniger zusätzliche
Bohrungen nötig,
um die durch die Abweichungen entstandenen Lücken zwischen den einzelnen
Säulen
einer Sohlabdichtung zu schließen.