用于在地基中形成基础元件的方法和设备技术领域
本发明一方面涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于在地基、尤其在水体基底（Gew?ssergrumd）中形成基础元件（Gründungselement）的方法，其中借助于钻孔工具（Bohrwerkzeug）去除地基材料并且形成钻孔，将柱管（Pfahlrohr）和可硬化的介质置入该钻孔中。
本发明还涉及一种按权利要求10前序部分所述的用于在地基中形成基础元件的设备，其包括钻孔装置，该钻孔装置带有钻孔工具用于去除柱管下方的地基材料，该柱管作为基础元件的一部分能够置入地基中。
背景技术
从EP2322724A1中获知所述类型的方法以及所述类型的设备。借助于水下钻孔机构将柱状的基础元件置入水体基底中。在管状的基础元件处安置钻孔装置，该钻孔装置在管状的基础元件下方去除地基并且形成钻孔。被去除的地基材料可以从管状的基础元件中泵出并且将可凝固的钻探泥浆（Suspension）置入管中。
这种基础元件的承载能力在很大程度上取决于相对于周围的地基的表面摩擦。尤其在水体基底中会产生相对较小的摩擦系数，从而相应地将基础元件较深地并且由此费力地置入地基中。
从WO2010/015799A2中获知一种用于水下建基的方法，其中首先形成钻孔。可以将直径更小的基础管置入该钻孔中，该基础管在其内侧和外侧处嵌入可硬化的水泥块中。该水泥块就与管元件一起硬化成基础元件。
在所描述的方法中，被去除的地基材料从钻孔中排入周围的水中。这会损害周围环境。此外，需要大量水泥块用于形成基础元件。大量水泥块在水下的操作同样会引起不希望的对周围环境的损害。
发明内容
本发明的任务是说明一种用于在地基、尤其在水体基底中形成基础元件的方法和设备，用该方法和设备能够有效地并且同时尽可能对环境好地形成具有较高承载能力的基础元件。
该任务一方面通过具有权利要求1所述特征的方法得到解决并且另一方面通过具有权利要求10所述特征的设备得到解决。本发明的优选实施方式在相应的从属权利要求中进行说明。
按本发明的方法的特征在于：形成具有比柱管的外直径大规定数量的钻孔直径的钻孔，其中，在钻孔壁与柱管的外侧之间形成环形空间；将被去除的地基材料运送到柱管的内部空间中，而环形空间基本上保持没有去除的地基材料；并且为了将柱管锚固在地基中将可硬化的介质导入环形空间中。
本发明还基于以下认识，即为了实现较高的承载能力，将所述基础元件在周围的地基中借助于可硬化的介质、尤其水泥块进行锚固。对于这种较高的承载能力来说，在此不强制需要用可硬化的介质或块对整个柱管进行填充。更确切地说，将可硬化的介质基本上仅仅导入外部的环形空间中，该外部的环形空间在柱管的外侧与限定得更大的钻孔的孔壁之间形成。由此形成了连接罩，该连接罩以较高的摩擦系数将柱管锚固在周围的地基中。可硬化的介质的消耗会如此显著降低，这一方面是经济的并且另一方面是对环境好的。在该方法最后，可将可硬化的介质导入柱管的底部区域中，从而形成稳定的柱底部。位于其上的中间区域优选保持没有可硬化的介质。
在此，由钻孔工具去除的地基材料不需要完全从钻孔中除去。而是存在以下可能方案，即去除的地基材料的至少一部分留在柱管内部。本发明意义上的钻孔工具不仅仅理解为旋转驱动的钻孔工具，而且原则上也理解为铣削类的钻孔工具、通过高压喷射起去除作用的钻孔工具、这些钻孔工具的组合或者其它去除地基的工具。
按本发明的方法的优选实施方式在于，被去除的地基材料与流体、尤其水进行混合，该流体导入钻孔的下面区域内。在通过切碎以及与液体的混合使得去除的地基材料相应液化时，其很大程度上可以不用额外的运送装置、如运送螺旋线地在柱管内部向上升。原则上也存在以下可能方案，即由此借助于泵装置泵出置于能够流动的状态下的地基材料。在特定的情况下，所述流体也可以具有可硬化的介质。
在此优选的是，所述去除的以及混合的地基材料至少部分地通过柱管从钻孔运送出来。在水下钻孔时可以将地基材料通过卸料套管排到周围的水中（只要这是允许的并且兼容环境的）。然而通过相应的管道也能够将去除的地基材料输送到陆地处或者船体。在此有利的是，去除的地基材料不会被可硬化的介质污染。这允许简单的清除。
根据优选的实施方式提出，所述钻孔工具借助于钻杆旋转地进行驱动，该钻杆布置在柱管内部，并且通过钻杆将流体导入钻孔的下面的区域内并且/或者将去除的地基材料从中孔中导出。在此可以使用空心的钻杆，该钻杆在其下面的区域内具有一个或多个用于输送流体、尤其水的排出口。在此，也可以在压力条件下输送所述流体，从而这为地基去除和/或去除的地基材料的混合作出贡献。
此外，根据本发明的实施变型方案提出，可硬化的介质导入环形空间的下面的区域内。为此，可以沿着柱管、尤其沿着柱管的内侧设置一个或多个输送管道。所述输送管道通入环形空间的下面的区域内，从而能够从下面用可硬化的介质、尤其水泥块填充所形成的环形空间。
也可以围绕柱管的圆周并且沿着柱管的轴向高度设置其它通口。该柱管总体上带有下面的环形的突出部地如下构造，使得所述环形空间与所述柱管的内部空间（在该内部空间中容纳去除的地基材料）密封地隔绝。以这种方式避免了内部的去除的地基材料被可硬化的介质污染。同时，可硬化的介质经济地并且有效地用于填充环形空间。要指出的是，地基材料可以从孔壁或者在特定的周边中还从钻孔的下侧进入环形空间中，或者至少从不会完全排除这种进入。然而，可硬化的介质在数量方面在这样的周边中输送，使得即使在地基材料进入时也实现了锚固罩围绕柱管的足够的硬化。决定性的是，可硬化的介质不会进入柱管的内部并且因此不引起在柱管内部空间中的去除的地基材料的不希望的污染。
按本发明通过以下方法实现特别有效的方法，即同时进行置入柱管、去除地基材料、导入流体和/或导入可硬化的介质。总之能够如此实现钻孔的快速的掘进以及顺畅地设立基础元件。
此外，根据本发明的实施方式优选的是，为了去除地基材料在柱管内部将钻孔装置固定在柱管处，该柱管具有用于旋转地驱动钻孔工具的驱动装置。可固定在柱管处的钻孔装置例如可以具有支承架，该支承架借助于张紧或者夹紧装置可以固定在柱管处，并且在其中容纳了用于驱动钻杆的驱动装置或旋转马达。所述钻孔装置例如可以固定在柱管的内部的横截面内部，使得钻孔装置和柱管可以共同掘进。也可以设置可伸缩的钻杆或者相对于支承架可轴向调节地支承所述钻杆从而能够实现钻孔工具和柱管的相互独立的轴向前进。
特别经济的方法变型方案根据本发明如下来实现，即在锚固柱管之后，在地基中去除的地基材料留在柱管内部。在此，也就是所述去除的地基材料不会或者不会完全从柱管中导出。更确切地说，能够切碎的并且必要时能够与流体混合的去除的地基材料留在柱管内部。不需要使这种材料填充物固化，因为所述基础元件的承载能力在很大程度上取决于表面摩擦。如此能够避免用于输出地基材料的成本以及可能与之联系的环境损害。因为所述地基材料没有被可硬化的介质污染，所以其例如在水下-基础元件中也长期地不影响环境。
原则上为了形成直径更大的钻孔可以使用带有可径向布置的去除齿的特别的钻孔工具。这种钻孔工具能够在掘进钻孔之后沿径向翻折并且通过直径更小的柱管向上拉回。在使用成本昂贵的特殊船只用于水下钻孔方面，经济的替代方案在于，在掘进钻孔之后所述钻杆与钻孔工具在柱管的下面的端部处分开，其中，该钻孔工具作为丢弃的钻孔工具留在地基中。由此可使用简单的刚性的钻孔工具，其作为丢弃的钻头尖端在地基中留在基础元件的下侧处。
开头所述的任务进一步通过一种设备得到解决，该设备的特征在于，所述钻孔工具构造用于以比柱管的外直径大规定数值的钻孔直径形成钻孔，其中，在所述钻孔壁和柱管的外侧之间形成环形空间，环形空间相对于柱管的内部分开，并且设置用于可硬化的介质的输送装置，其中，所述输送装置通入环形空间中。用该设备能够实施前面所描述的方法并且实现所述优点。
通过柱管的连续的管体并且尤其通过在柱管下面的端部处的直径变宽（例如通过突出部）将在柱管外侧处的环形空间根据方法地与柱管的内部分开。由此实现了可硬化的介质不会从外面的环形空间进入柱管的内部中。同样可以避免地基材料进入环形空间中。但只要不显著损害在环形空间中所形成的连接水泥（Verbindungsm?rtel）的强度，这不会产生干扰。通过较好的分开确保了可硬化的介质在内部空间中有效的使用并且避免了在柱管内部的去除的地基材料的污染。所述输送装置仅仅通入环形空间中，然而没有通入柱管的内部中。
原则上所述钻孔工具能够以常规的方式通过在钻孔外部的例如在钻孔船只上的钻孔装置来运行。优选地根据本发明，所述钻孔装置具有用于旋转地驱动钻孔工具的旋转驱动装置并且钻孔驱动构造用于置入柱管中并且用于固定在柱管中。通过相应的张紧装置能够将钻孔驱动固定在柱管内部。该钻孔装置也可以是可沉入水体中的水下钻孔设备的部分。
根据本发明的另一实施方式提出，所述钻孔工具通过钻杆由钻孔驱动旋转地进行驱动，并且在钻孔工具与钻杆之间设置混合装置用于将由钻孔工具去除的地基材料切碎并且/或者与输送的流体、尤其水混合。所述钻孔工具和混合装置能够同时运行并且尤其旋转地进行驱动。可硬化的介质的输送同时地跟随钻孔工具的运行。此外，随着地基材料的去除以及钻孔工具的相应轴向的推进，柱管也沉入地基中。所述混合装置可以具有混合板（Mischbl?tter）或混合叶片（Mischflügel），其额外地切碎所去除的地基材料并且与输送的流体进行混合，使得去除的地基材料整体上实现能够流动的状态。
所述混合装置尤其也可以具有偏心布置的混合元件，由此能够增强混合以及切碎效果。
附图说明
下面根据优选的实施例进一步解释本发明，所述实施例示意性地在附图中示出。在附图中示出：
图1：按本发明的设备的示意性侧视图；
图2：图1的设备的纵剖面；
图3：按图1的剖面A-A的放大的横截面视图；以及
图4：按图2的下面区域的放大的详细视图。
具体实施方式
按本发明的设备1根据图1和2具有柱管10，该柱管基本上由柱形的基体12形成。在柱形的基体12的下面的端部处构造了直径更大的套状的突出部16，该突出部容纳混合空间18。
在所述柱管10的内部空间14中布置了钻孔装置50。该钻孔装置50可以相对于柱管10的内侧张紧。所述柱管10本身能够以已知的方式布置在钻孔设备处，尤其水下钻孔设备处。所述柱管10能够通过没有示出的钻孔设备抗扭地或者也旋转地进行驱动。在钻孔装置50运行期间，所述柱管10静止并且随后能够在形成钻孔的区段之后轴向向下推入钻孔中。
钻杆26从钻孔装置50沿轴向向下延伸到柱管10的自由端部。在柱管10的下方，钻孔工具20布置在钻杆26处。该钻孔工具20具有运送螺旋线24，在钻孔工具下面的端部处布置了多个从中间的基桩（Piloten）22出发沿着切割楞边径向布置的去除齿23。
在所述钻孔工具20和钻杆26之间中间联接了混合装置40，该混合装置接下来结合图3和4更详细地进行解释。
所述钻杆26具有内部的驱动柄（Antriebsschaft）28和同中心地包围所述内部的驱动柄的外部的驱动柄38。所述内部的驱动柄28经由驱动装置52的旋转驱动装置54旋转地进行驱动，其中，将在内部的驱动柄28前面的扭矩传递到钻孔工具20上。所述外部的驱动柄38能够独立于此通过混合驱动装置56以不同的旋转方向和/或转速进行驱动。在所述外部的驱动柄38的下面的端部处设置了混合装置40，通过该混合装置将去除的地基材料与输送的流体进行混合。
此外，所述内部的驱动柄28和外部的驱动柄38能够构造成空心的管元件，使得其能够使用于将流体置入钻孔中，如下面更详细地解释的那样。
用所述钻孔工具20形成具有大致相当于套状的突出部16在柱管10的下面的端部处的外直径的钻孔直径的钻孔。以这种方式能够将柱管10跟着导入钻孔中，而去除的地基材料的显著量能够向上流过套状的突出部16的外圆周旁边。
相对于直径更大的套状的突出部16，所述柱管10的柱形的基体12直径更小，从而在柱形的基体12的外侧与钻孔壁5之间形成环形空间8。可硬化的介质、尤其水泥块能够通过输送装置30导入环形空间8中并且由此对其进行填充。为此，所述输送装置30具有管道32，该管道从没有示出的泵沿着柱管10的柱形基体12的内侧延伸。所述输送管道32通过弯头（Krümmer）34通入环形空间8，如尤其从图4中可获知的那样。
参照图3和4更详细地描述所述设备1和柱管10的下面的端部区域。所述套状的突出部16通过径向的环形板17流体密封地邻接于柱管10的柱形的基体12的外圆周。由此，在钻孔壁5与连续的柱形的基体12的外圆周之间形成的环形空间8密封地与柱管10的内部空间14隔绝。
在所述套状的突出部16的下方以相同的外直径布置了具有运送螺旋线24和基桩22的钻孔工具20。该钻孔工具20通过内部的驱动柄28旋转地进行驱动。将地基材料去除并且通过运送螺旋线24向上运送到混合空间18中，该混合空间构造在套状的突出部16的内部。在混合空间18中布置了混合装置40。该混合装置40在所示出的实施例中包括三个以彼此相同的角度间隔布置的板状的内部的混合元件42，该混合元件安置在内部的驱动柄28处且随着该驱动柄旋转。
此外，所述混合装置40包括三个外部的同样以120°相互错开布置的板状的外部的混合元件44，该混合元件抗扭地与外部的驱动柄38连接。在此，外部的混合元件44具有通过轴向的连接元件45固定地相互连接的上面的径向杆46和下面的径向杆47。下面的径向杆47可相对于内部的驱动柄28旋转地来支承。在连接元件45的内侧处布置了径向向内伸出的剪切板48。
通过尤其彼此相反旋转的内部的混合元件42与外部的混合元件44的相对旋转进一步切碎由运送螺旋线24送入的被去除的地基材料并且与通过在钻杆26内部中的流体管道58导入的液体进行混合。在此，所述流体管道58尤其布置在内部的驱动柄28和外部的驱动柄38之间的中间空间中并且具有径向上侧向的以及指向下的用于喷入液体的排出口。同时可以通过在两个驱动柄之间的剩下的环形空间直接向下输入流体。额外地通过径向向内伸出的环形突起60改善了去除的地基材料的混合以及液化，通过所述环形突起使去除的地基材料被迫径向向内进入混合空间18中。如此切碎并且混合的地基材料通过运送螺旋线24的作用以及对液体的输送向上排到柱管10的内部空间14中。
在钻孔壁5与柱形的基体12之间的环形空间8密封地与内部空间14分开。这两个处理空间的彼此分开程度原则上还可以如下来提升，即通过控制相应的填充状态来控制在这两个处理空间中的压力。如此，通过在环形空间8的下面端部处的输送管道32和弯头34将可硬化的介质导入所述环形空间中。可硬化的介质、尤其水泥块在掘进钻孔并且将柱管10置入钻孔中之后进行硬化，从而由此为了形成基础元件而在钻孔壁5和柱管10之间形成固定的连接罩。
在内部空间14中的压力可以通过在内部空间14中去除的并且混合的地基材料的填充高度进行控制。该填充高度尤其可以借助于没有示出的泵进行调节。在此，在内部空间14中的压力原则上可以高于在环形空间18中的压力，从而特别可靠地避免了可硬化的介质从环形空间8溢出到内部空间14中。由此确保了内部空间14中去除的地基材料不会被可硬化的介质污染以及由此无须昂贵地清除掉。优选地，所述环形空间8中的压力高于内部空间14中的压力，由此抵制地基材料进入环形空间8中。
在环形空间8中的连接罩硬化之后，切碎的和/或液化的地基材料可在没有硬化的状态下留在柱管10的内部空间14中。因为甚至在水下基底中，松开的、没有被可硬化的块污染的地基材料不会损害环境。为了形成基础元件，所述柱管10和钻孔工具20留在地基中，而钻杆26包括混合装置40回收。