Gesteuerte Rohrverlegung. Pilotbohrverfahren als Alternative zum Microtunneling

20.03.2007

Das Pilotbohrverfahren hat durch ständige Weiterentwicklungen sein Einsatzspektrum Stück für Stück erweitert und stellt immer häufiger eine wirtschaftliche Alternative zu Microtunneling dar.

Die Pilotrohrvortriebe für den gesteuerten Leitungstunnelbau verdrängen immer mehr die Microtunneling-Anlagen. Waren bisher im Pilotbohrverfahren Längen von 50 -60 m üblich, so sind durch die Neuentwicklungen Längen bis 120 m und Durchmesser bis 1200 mm möglich. Auf Grund der im Vergleich zu den Pilotbohranlagen hohen Investitionskosten und der langen Rüstzeiten bei den Microtunneling-Anlagen, bieten sich in dem genannten Spektrum die Pilotbohranlagen immer häufiger als Alternative an. Der Einsatz des gesteuerten Pilotrohrvortriebs erfordert vom auszuführenden Unternehmen eine gute Kenntnis der vorhandenen Geologie und eine sorgfältige Planung für den Vortrieb, damit das richtige Verfahren mit den geeigneten Werkzeugen eingesetzt werden.
Pilotieren
Beim gesteuerten Pilotrohrvortrieb wird ein Pilotrohr verdrängend ins das Erdreich gepresst. Dabei muss auch eine gewisse Überdeckung  vorhanden sein (8 - 10-mal Pilotdurchmesser), damit keine Oberflächenstörung auftritt. Das Pilotrohr  hat an seiner Spitze eine Steuerschräge und im Rohr befindet sich eine Diodenzieltafel. Durch die optische Gasse im Gestänge und im Antrieb wird das Licht auf die Kamera, welche sich vor, der Rückwand der Baugrube befindet, übertragen. Die Kamera überträgt das Signal auf einen Monitor,  so dass man die Richtung sofort korrigieren kann. Die Abweichungen für eine 100m Pilotierung liegen in der Regel  bei ±  20mm. Das Korrigieren erfolgt dadurch, dass die Steuerspitze in die zu steuernde Richtung gedreht und ohne drehen eingepresst wird. Am Monitor kann man die Reaktion der Steuerung sofort beobachten.
Nach der Pilotbohrung wird aufgeweitet und das Produktrohr kann verlegt werden. Das Einpressen der Pilotgestänge in das Erdreich funktioniert in der Regel nur in leicht verdrängbaren Bodenarten. Die geologischen Verhältnisse lassen eine normale Verdrängung nicht immer zu. Ebenso gibt es vom Auftraggeber bestimmte Vorgaben die eingehalten werden  müssen. Daher gibt es verschiedene Möglichkeiten für das Einbringen der Pilotbohrung. Bei normalen lehmhaltigen und sandigen Böden wird das Pilotgestänge bei leichter Drehung trocken in das Erdreich gepresst. Die Pilotspitze erzeugt durch das Verdrängen einen Hohlraum in der die nachfolgenden Stangen geführt werden. Bei diesem Verfahren werden normale Pilotstangen verwendet. Die optische Gasse beträgt 60 mm Durchmesser.
Ist der  Ton- und Lehmboden  nass und klebrig, ist das Einpressen schon aufwändiger. Entweder muss das Drehmoment der Anlage erhöht werden, oder das Verfahren muss geändert werden. Die einfachste Methode ist das  Überbohrrohr-Verfahren, bei diesem Verfahren ist  an der Pilotspitze ein Zuglager angebracht,  und ein zusätzliches Rohr wird über die vorhandenen Pilotgestänge mit eingezogen. Die Pressenkräfte reichen in der Regel aus, und das Drehmoment wird nur noch für die Pilotspitze aufgebracht. Der gesamte Pilotrohrstrang liegt im Überbohrrohr und hat keine Reibung mit dem Erdreich. Durch das Einbringen des Überbohrohres ist auch der Außendurchmesser größer, und wir haben einen tragfähigeren Rohrstrang. Deshalb wird auch bei schluffigen und sehr wasserhaltigem Untergrund  das Überbohrrohrverfahren eingesetzt. Was bisher mit dem gesteuerten Pilotrohrverfahren nicht möglich war, waren Pilotbohrungen in allen nichtverdrängbaren Böden, dazu gehören  unter anderem, trockene Tonböden, verwitterte Sandsteinböden, Kreideböden,  Schotter und Kiesböden, sowie reiner Fels.
Für die vorgenannte Bodenart wurde die Pilotstange mit Doppelwandgestänge entwickelt, so dass die Möglichkeit besteht vorn an der Pilotspitze ein Medium auszubringen. Welches Medium verwendet wird, gibt wiederum die Geologie vor. Für trockenen Tonboden wird Wasser eingesetzt, für verdichteten Sand und Kies Bentonit, bei quellendem Ton wird dem Wasser Polymer zugegeben, um ein Aufquellen des Tones zu verhindern. Mit dem Wasser oder Bentonit wird mit einem Druck bis 100 bar gearbeitet, so dass der austretende Strahl den Boden aufweicht bzw. auch schneidet und so die Pilotierung möglich macht. Mit dem Einsatz von Bentonit werden die Pilotrohre auch geschmiert, und die Reibung am Rohr erfährt eine große Minderung. Die Pilotierungslängen konnten so von bisher 50 m auf bis zu 120 m gesteigert werden. Damit hat sich die Pressbohrtechnik auch neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen und ist vielseitig einsetzbar. Für das Einsetzen von Bentonit muss die Bohranlage mit einem Spülkopf ausgerüstet werden, der eine optische Gasse besitzt und  in dem Ringraum der Pilotstangen das Bentonit zur Pilotspitze fördern kann.
Für reinen Fels kann das Doppelwandgestänge auch verwendet werden, jedoch wird an der Spitze ein Imlochhammer mit einer speziell geformten Schlaghammerkrone eingesetzt. Die Krone besitzt auch eine Steuerschräge, so dass die Steuerbewegungen genau wie beim Pilotieren, ausgeführt werden können. Hinter dem Imlochhammer befindet sich die Zieltafelaufnahme. Durch die große Länge vom Hammer und der Zieltafelaufnahme muss beim Steuern besonders sorgfältig gearbeitet werden. Da ein Ausweichen des Hammers verspätet angezeigt wird, muss  bei der kleinsten Abweichung korrigiert werden. (der Fels verzeiht keine Fehler).
Für die Druckluftversorgung sorgt ein Kompressor. Die benötigte Druckluft wird über den Spülkopf und die Doppelwandgestänge zum Imlochhammer geleitet. Die ausströmende Luft sorgt für den Bohrklein- Transport von der Ortsbrust zur Startbaugrube. Bei Arbeiten mit dem Imlochhammer ist es notwendig, den Bohrstaub über eine Wasserberieselung gering zu halten. Mit dieser Technik hat die Entwicklung der Pressbohrtechnik einen großen Sprung getan. Dadurch, dass die Ausrüstung zum Pilotieren für alle Pressbohranlagen, welche im Antrieb eine Hohlwelle haben, eingesetzt werden kann, ist es für viele Besitzer von Pressbohranlagen möglich, auch gesteuerte Bohrungen durchzuführen.
Messtechnik
Die entsprechende Messtechnik ist ein sehr wichtiger Faktor beim Pilotieren mit ihr steht und fällt alles. Die Messtechnik hat sich auch sehr stark entwickelt, so dass es auf Grund neuer Entwicklungen erst möglich geworden ist, diese großen Längen zu erreichen. Die Diodenzieltafel liefert durch die optische Gasse ihr Licht an die in der Startbaugrube stehende Optik mit elektronischer Kamera Die Auflösung der Kamera kann auch elektronisch vergrößert werden, so dass man noch bis 150 m Entfernung ein gut zu handhabendes Bild hat. Eine Neuentwicklung ist die Optik, welche leichter zu bedienen und zu kontrollieren ist. Diese Optik hat einen integrierten Neigungssensor. Die Neigung wird ebenfalls auf dem Bildschirm angezeigt (in 0,1mm pro m), damit der Bediener immer die Kontrolle über das aufzufahrende Gefälle hat. Dadurch ist auch die Aufzeichnung entsprechend der ATV genauer, weil man das Bild und die Neigung des Pilotenstranges aufgezeichnet hat.
Aufweitungen
Auch die Aufweitung erfordert durch den jeweiligen Boden, entsprechende  Lösungen und Verfahren.

Beim Dreistufenverfahren (Pilotieren, Aufweiten, Produktrohr einpressen) wird für kleine Aufweitdurchmesser bis 600 mm Durchmesser eine Aufweitstufe mit nachfolgenden wieder verwendbaren Pressbohrrohren an das Pilotrohr gekoppelt. Die Aufweitstufe hat eine Verbindung vom Pilotrohr zum Pressbohrrohr in Form von Stegblechen und ist stirnseitig mit Schneidkanten versehen. In der Aufweitstufe mit den Pressbohrrohren befindet sich ein Bohrkopf mit nachfolgender Förderschnecke. Das Erdreich an der Ortsbrust wird in die Aufweitstufe  gepresst und mit der darin befindlichen Förderschnecke zur Startbaugrube gefördert. Zur gleichen Zeit  werden die Pilotrohre in der Zielbaugrube ausgebaut. Diese Art von Aufweitung  wird in allen verdrängbaren Böden eingesetzt.
Bei größeren Durchmessern wird ganz normal mit einem wieder verwendbaren Pressbohrrohr aufgeweitet, wie soeben beschrieben. Nach der ersten Aufweitung  wird eine Zwischenaufweitung  eingesetzt,  die das Pressbohrrohr mit dem größeren Stahlrohr verbindet. In der Zwischenaufweitung befindet sich wiederum ein Bohrkopf und eine Förderschnecke, welche das Bohrgut zur Startbaugrube weiter transportiert. Mit dieser Methode werden Bohrungen bis 1400 mm Durchmesser und Längen bis 100 m durchgeführt. Nach der Aufweitung  erfolgt das Nachschieben der Produktrohre (Steinzeug, Beton, Polymerbetonrohre  PVC usw.)
Bei harten und schwerverdrängbaren Böden muss die Aufweitung der Geologie angepasst werden. Das heißt, an die Pilotstange werden ein Drucklager, sowie Führungsstangen angekoppelt und daran anschließend ein Klappbohrkopf mit den entsprechenden Schneidwerkzeugen. Der Klappschneidenbohrkopf schneidet das Rohr frei, damit es ohne Reibung nachgeschoben werden kann und baut den Boden an der Ortsbrust ab. Die nachfolgende Schnecke transportiert den Boden wieder zur Startbaugrube. Die Druckübertragung auf das Pilotgestänge, welches auch zur Zielbaugrube aus gepresst wird, erfolgt über die Förderschnecke, und das Drucklager sorgt dafür, dass die Pilotstangen sich nicht drehen. Bei schwereren Böden und Längen wird der Bohrkopf am Rohrende gelagert, und kann so die Druckkraft auf die Pilotstangen übertragen, ohne dass die Förderschnecken axial zu stark belastet werden.
Mit dieser Art der Aufweitung können auch Schneidrollen eingesetzt werden, welche auch für harte Bodenarten gut geeignet sind. Der entsprechende Andruck auf die Rollen wird vom Rohr über die Lagerung auf die Rollen übertragen Eine zweite Art der Aufweitung ist das Zweistufenverfahren (Pilotieren und Aufweiten bei gleich zeitigem Produktrohr Einschub). Bei dieser Methode wird die Aufweitstufe, wie beim Dreistufenverfahren, an das Pilotrohr gekoppelt, wobei das Produktrohr auch gleich mit angeschlossen wird, und die wieder verwendbaren Rohre als Förderrohre ins Produktrohr gelegt werden, so dass keine Beschädigungen im Produktrohr entstehen können. Das hat den Vorteil, dass die wieder verwendbaren Rohre für das Dreistufenverfahren und das Zweistufenverfahren verwendet werden können und die Investitionskosten sich somit reduzieren. Auch das Aufweiten mit Drucklager und gelagerten Bohrkopf findet beim Zweistufenverfahren Anwendung. Im großen Durchmesserbereich wird auch wieder mit normalen Pressbohrrohren aufgeweitet, und die Aufweitung für das Produktrohr wird mit einer Zwischenaufweitung durchgeführt.
Neue Entwicklungen auf dem Markt haben dazu geführt, dass in der Zwischenaufweitung ein eigener Bohrantrieb installiert wurde, der das Bohrgut über die bereits eingebrachten Rohre zur Zielbaugrube fördert. Das hat den Vorteil, dass in den Produktrohren keine Förderrohre und keine Förderschnecken eingelegt werden müssen. Durch die Produktrohre werden lediglich nur die Hydraulikleitungen für den Antrieb durchgeführt. Das Bohrgut wird in diesem Fall zur Zielbaugrube gefördert, die Pressbohrrohre und Förderschnecken werden in der Zielbaugrube entnommen. Das ergibt einen weiteren Kostenvorteil, da das Bohrgut aus der Zielbaugrube entfernt werden kann. Während der Pressvorgang weitergeht, wird die Rüstzeit enorm verkürzt.
Die Aufweitung in sehr festen Bodenarten, wie Sandstein, gestaltete sich bisher als sehr schwierig. Durch Neuentwicklungen können Aufweitungen mit den verschiedenen Verfahren auch in schwierigen Böden bis zu Festigkeiten von 250 MPa durchgeführt werden. Bei sehr festen Böden wie Granit usw. wird eine Aufweitung mit einem größeren Imlochhammer durchgeführt. Das geschieht folgendermaßen: Nachdem die Pilotbohrung mit dem Imlochhammer gemacht wurde, wird an  das Pilotrohr ein Aufnahmerohr angesetzt, welches dann zur Führung der nachfolgenden Aufweitung dient.  Die Aufweitung mit dem Imlochhammer wird in der Regel bis zu einem Durchmesser von 600 mm durchgeführt. Damit der Hammer im Pressbohrrohr auch gut geführt wird, gibt es eine Anfangsschnecke, welche den Hammer in sich aufnimmt. Die Schneckenflügel dienen der Führung und müssen dementsprechend im Durchmesser auch sehr eng gefertigt sein. An der Hammerspitze wird eine Modulbaukrone angebaut,  die aus vier Elementen besteht und zwar: den Hammerschaft, die Modulkrone, die Vorbohrkrone mit der Führungsaufnahme und der Führungsstange. Die Führungsstange fährt beim Aufweiten in das Aufnahmerohr. Die Modulbaukrone ist in etwa 10- 20 mm größer als das einzubringende Stahlrohr, das dazu dient, dass das Pressbohrrohr sich in dem Felsen nicht verklemmen kann.
Bei dieser Aufweitung in felsigen und sehr harten Bodenarten ist natürlich die Staubentwicklung enorm, so dass das Personal eine Staubmaske tragen muss, und eine Berieselung mit Wasser erfolgen sollte. Auch bei der Aufweitung ist, wie beim Pilotieren, das Bedienpersonal gefordert. Es darf nicht zu schnell gedreht werden damit der Kronenverschleiß sich in Grenzen hält, wobei der Vorschub der Härte des Gesteins angepasst werden muss. Diese Art von Aufweitungen mit dem Imlochhammer ist mit fast allen auf dem Markt befindlichen Bohranlagen durchzuführen. Waren in der Vergangenheit Bodenarten mit Schotter oder rolligem Kies bei den Auftragnehmern gefürchtet, so ist  die soeben beschriebene Aufweitung eine echte Alternative.
Die Investitionskosten für eine Aufweitung mit dem Hammer sind nicht gering, daher gibt es noch andere Möglichkeiten, eine Aufweitung in Felsboden durchzuführen. Vor allen Dingen wird bei größeren Durchmessern nach der ersten Aufweitung eine Aufweitung mit Doppelkopfantrieb eingesetzt. Das Produktrohr ist gleich hinter dem Doppelkopfantrieb angeschlossen, da sich in der Aufweitstufe zwei Antriebe befinden. Der erste Antrieb hat lediglich die Aufgabe das Bohrgut, welches an der Ortsbrust abgebaut  wurde, nach vorn zur Zielbaugrube zu transportieren, während der zweite und stärkere Antrieb das Abbauwerkzeug (Schneidrad)  welches mit Schneidrollen bestückt ist, antreibt, und für den Bodenabbau an der Ortsbrust sorgt. Die Energieversorgung erfolgt vom vorhandenen Aggregat. Die Hydraulikleitungen werden auch durch das Produktrohr nach vorn zum Doppelkopfantrieb geführt. Durch die Verwendung der Antriebe und der Pressbohrrohre zur Förderung des Bohrgutes, ist es ohne weiteres möglich,  andere Durchmesser  aufzufahren, ohne, dass  die Investitionskosten zu groß werden. Lediglich die Aufweitstufe und das Schneidrad müssen dem Durchmesser angepasst werden.
Auch wenn wir davon sprechen, Aufweitungen in felsigen Böden durchzuführen, so darf man nicht vergessen, dass es auch sehr schwierig ist, in weichen schluffigen und wasserführenden Schichten zu bohren. In diesen Bodenarten wird die Pilotbohrung mit einem Überbohrrohr durchgeführt, wie bei Punkt 2 beschrieben. Beim anschließenden Aufweiten wird eine normale Aufweitstufe mit nachfolgender Schneckenschleuse eingesetzt. Die Schneckenschleuse hat eine Mehrgängige Schnecke welche natürlich auch die Kammern bilden. Beim Einlass und beim Auslass hat sie eine 120° Öffnung die dafür sorgt,  dass die Schneckenkammer während sie beim Einlass offen ist beim Auslass geschlossen ist. So kann Sie bei Drehung wechselseitig die Kammern öffnen und schließen. Das Fördern von Bohrgut erfolgt nur bei der Drehbewegung. Die Schneckenschleuse kann ohne weiteres bis 4 m Grundwasser eingesetzt werden. Eine besondere Art der Aufweitung ist das Aufweiten ohne Zielbaugrube
Diese Methode wird sehr viel in Moskau eingesetzt. Bei Presslängen von 100 m und Baugrubentiefen von bis zu 20 m bietet sich diese Art von Aufweitung an. Hat man beim Pilotieren die vorgeschriebene Länge erreicht, so wird, wie beim normalen Pressbohren, das Stahlrohr mit innenliegender Hohlbohrschnecke und Ringbohrkrone, vorgetrieben. Dafür dient das Pilotgestänge zur Führung für die Ringbohrkrone mit nachfolgender Hohlbohrschnecke. Sollte wider Erwarten beim Aufweiten der Rohrstrang auf ein Hindernis stoßen, so kann an dieser Stelle die Zielbaugrube erstellt werden. Die Kosten bei so tiefen Baugruben können reduziert werden. Diese Art der Aufweitung wird für kleine Durchmesser im Hausanschlussbereich durchgeführt und für den unterirdischen Anschluss an den Sammler genutzt.
Die beschriebenen Pilotrohrsysteme und Aufweitungen können auch untereinander kombiniert werden, so dass nicht unnötige Investitionen getätigt werden müssen. Alle Pilotsysteme und Aufweitungen können für alle Pressbohranlagen entsprechender Größe eingesetzt werden, Voraussetzung ist allerdings, dass die optische Gasse durch den Antrieb auch gewährleistet ist. Die Entwicklungen sind bei weitem noch nicht abgeschlossen, da es immer wieder neue Aufgaben und Bohrprobleme gibt. Es ist für den Anwender schon schwierig, die richtigen und  kostengünstigsten Verfahren und Anwendungstechniken einzusetzen.  Hier ist wieder der Hersteller gefordert innovative Lösungen für die bestimmten Tiefbauaufgaben zur Verfügung zu stellen.

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