混凝土钻孔形成法及钻孔时向钻机柱供混凝土与气的装置

摘要

本发明涉及一种用于在形成混凝土钻孔时向钻孔设备的钻杆柱内馈送混凝土和气体的馈送装置，其具有用于连接至钻杆的一种钻杆柱连接部、用于连接至混凝土输送设备的一种混凝土连接部、用于连接至压力气体源的一种气体连接部、一种使混凝土连接部和气体连接部与钻杆柱连接部相连通的管路布置、一种设在管路布置中的能使混凝土连接部和钻杆柱连接部之间的连通关闭的混凝土阀、以及一种设在管路布置中的能使气体连接部和钻杆柱连接部之间的连通关闭的气体阀。由此提出，混凝土阀包括用于对气体阀进行致动的机械致动元件，由此该机械致动元件布置成当混凝土阀打开时使气体阀关闭。本发明同样涉及一种借助于上述馈送装置形成混凝土钻孔的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在形成混凝土钻孔期间向钻孔设备或钻机(drillingunit)的钻杆柱(drill string)内馈送混凝土和气体的馈送装置，如权利要求1的介绍性分句所述。这样一种馈送装置设计成具有至少一个用于连接至钻杆柱的钻杆柱连接部、一种用于连接至混凝土输送设备的混凝土连接部、一种用于连接至压力气体源的气体连接部、一种使混凝土连接部和气体连接部与钻杆柱连接部相连通的管路布置、一种设置于管路布置中的、能使混凝土连接部与钻杆柱连接部之间的连通关断的混凝土阀、以及一种设在管路布置中的、能使气体连接部与钻杆柱连接部之间的连通关断的气体阀。

本发明还涉及到一种用于形成混凝土钻孔的方法，如权利要求15的介绍性分句所述。这种方法中，钻杆柱借助于钻孔驱动器而钻进地面，钻杆柱进而被牵引拔出，以使由此释放形成的钻孔能够经由钻杆柱而被填充入混凝土，由此则在所述钻杆柱的钻进进行时，通过向所述钻杆柱馈入气体而使得所述钻杆柱被设置处于气体过压力之下。

背景技术

为了产生混凝土桩，已知的是，可利用连续螺旋钻来钻出一钻孔，并且当经由连续螺旋钻的内管来牵引该连续螺旋钻时，该桩可被灌注混凝土。接下来，在内管中的用于混凝土的地面侧出口孔通常不被关闭，可得知在钻进期间内管的内部被设置为处于空气过压力下(大约5至15巴)。这具有优点，即，地下水不会渗透穿过内管、混凝土管路不会被污染。另外，过压力可以支持在连续螺旋钻的螺旋线上输送钻井材料，从而通过向钻杆柱中注入空气，可以实现较高效率的输送。此外，当空气被注入时，该空气围绕着将要被输送走的钻井材料而流动并且所述钻井材料可因此在输送时已经干燥，因而，这些钻井材料强固程度较低地粘贴到连续螺旋钻的螺旋线。这导致有所改进的钻井材料排出。另外，经过预干燥的钻井材料通常不会如潮湿的钻井材料那样污染较多的施工区域。

为了能够利用空气的支持而执行所描述的混凝土连续螺旋钻钻进，包含有一种用于向连续螺旋钻的钻杆柱中馈送混凝土和气体的馈送装置的钻孔设备是已知的。该馈送装置由此设置有用来连接至相对应的输送设备的混凝土连接部和气体连接部。其还包括阀布置(valve arrangement)，阀布置允许钻孔设备在不同钻进阶段向钻杆柱内引入气体或混凝土。

发明内容

本发明的一个目的是指出一种用于在形成混凝土钻孔时向钻孔设备的钻杆柱馈送混凝土和气体的馈送装置以及一种用于形成混凝土钻孔的方法，利用这些设备和方法，可以用特别简单和可靠的方式产生出具有很高品质的混凝土钻孔、或者说是混凝土桩。

利用一种向钻杆柱中馈送混凝土或气体的馈送装置和一种用于形成混凝土钻孔的方法实现了该目标，所述馈送装置具有权利要求1描述的特征，所述用于形成混凝土钻孔的方法具有权利要求15所述的特征。在从属权利要求中指出优选的实施例。

本发明的馈送装置的特征在于，混凝土阀包括用于对气体阀进行致动的机械致动件，由此该机械致动元件被布置成当混凝土阀打开时使气体阀关闭。

本发明认识到，出于上述原因，在由钻杆柱进行钻孔时向钻杆柱内提供气体是有利且理想的，另一方面这在随后对钻孔进行混凝土凝结时可能有不利的影响。确实，在灌注混凝土时气体的混入可能影响混凝土的品质，并且例如在已完工的孔桩内引入不需要的气体。在此基础上，本发明认为，混凝土灌注时气体的供应应该被可靠地加以切断。本发明介入于此处并且提供一种阀布置，在该阀布置中，混凝土阀与气体阀以机械方式交互作用，从而使得当混凝土阀打开且混凝土可以流进钻杆柱时气体阀能自动关闭、并且因此钻杆柱中的气体供应被阻止。为此，混凝土阀包括机械致动元件，该机械致动元件布置和设定成在混凝土阀打开时使气体阀关闭。

在一种装置的情况下，其具有由驱动器而得以被彼此无关地加以操作的两个独立阀、且其中随着不引人注意的对气体阀和混凝土阀的同时开启而可能发生错误的操作；与之形成对照的是，根据本发明，气体阀是取决于混凝土阀的位置而得以被自动地致动的，从而在灌注混凝土时可以避免错误的操作、且因而确保了实现高品质的孔桩。另外，一种具有根据本发明的馈送装置的钻孔设备使用特别简单，因为为了实现灌注混凝土的目的，驱动器仅需要打开混凝土阀、由此使气体阀同时得以关闭。

馈送到钻杆柱的气体通常是空气。钻杆柱适宜地为螺丝钻(特别是连续螺丝钻)的内管。混凝土输送装置可以是混凝土泵，且压力气体源可以是气体压缩机。至少一个连接部通常包括一个连接部法兰或/和一个管座(pipe socket)，用以分别连接至输送管路或/和连接至钻杆柱。馈送装置有效地被结合到位于钻杆柱上端处的混凝土供给管路中。

特别有利的是，将该机械致动元件布置成在混凝土阀关闭时打开气体阀。由此可以确保，当驱动器将内管关闭时，在内管中自动地产生过压力，其由钻杆柱形成，以在钻进时灌注混凝土，此时当混凝土阀关闭的时候同时开启空气供给。因此，业已在钻孔钻进期间，可防止早期的、不期望的对混凝土的渗透发生。

根据本发明的一种特别优选的实施例，混凝土阀为具有滑动元件的滑动阀。已经展示出的是，在利用一种滑动阀的情况下，即，如此一种其中所具有关闭体为滑动元件的阀，则有可能在制造资源有所减少的情况下实现对于流动以及对于混凝土的可靠控制，而不管混凝土粘合性如何。关于构建资源，特别有利的是，滑动元件被形成为滑动板。但是，原则上，滑动元件也可以设计为呈楔形。多板式布置也是有可能的。只要在混凝土阀被形成为滑动阀的情况下，馈送装置也可以被设计为混凝土可互换式滑动件，同时馈送装置的阀设计为交替地允许气体通过、或者允许混凝土通过以去往钻杆柱连接部。

生产了一种馈送装置，其具有特别简单的构造、该构造同时也是可靠的，该馈送装置中，其机械致动元件为推动器，推动器优选地是布置在混凝土阀上，特别是在混凝土阀的关闭体上。这样一种推动器可以用特别简单的方式将混凝土阀的关闭体的直线运动传递给气体阀的关闭体，从而使得当混凝土阀进行切换时，气体阀经由推动器而自动地进行切换。

机械致动元件通常固定到混凝土阀，特别是固定到混凝土阀的关闭体。但是，致动元件原则上也可以固定到气体阀，特别是固定到气体阀的关闭体。也构思了一种布置，其中致动元件可以相对于混凝土阀和气体阀这两种阀的关闭体而移动，并且该致动元件抵靠着阀而安置、仅仅以时间关系为基础进行对气体阀的切换。

特别有益的是，机械致动元件布置在滑动元件上，特别是在滑动元件的一个狭窄侧上。例如，考虑到一种特别紧凑的构造，特别有用的是将致动元件布置在滑动元件的混凝土阀内表面狭窄侧上，其优选地面对着气体阀。在此情况下，致动元件可以位于滑动元件的平面上和/或位于滑动元件在打开和关闭期间进行运动的平面上。为了接纳致动元件，于是可以设置与该滑动元件对齐的孔，这特别易于制造。

考虑构建资源，更进一步特别有利的是，气体阀是座阀。座阀可以理解为特别是这样一种阀：其中的关闭体例如是圆锥形的，该关闭体在关闭时与阀壳体内的环状座相接触。座阀通常是圆锥形座阀。作为该阀座的代替，原则上也有可能提供一种活塞型的阀或者滑动阀作为气体阀。

根据本发明的又一种优选实施例，提供一种张紧机构，其保持气体阀处于关闭状态。在这点上，该张紧机构例如可以包括一种弹簧，特别是螺旋弹簧，其压迫气体阀的关闭体进入阀座。然而，通过气体连接部流入气体阀的气体也能够作为一种张紧机构，并且保持所述气体阀处于关闭状态。气体阀的关闭体优选地形成为呈蘑菇状外形，由此，除其他方面以外尤为重要的是，为充当张紧机构的气体产生了一种特别合适的接触表面。只要在张紧机构存在着的情况下，仅仅是打开气体阀所需要的作用力必须通过混凝土阀的机械致动元件施加，但是气体阀的关闭可以通过张紧机构自动进行。因而，当气体阀经由机械致动元件打开时，混凝土阀只根据气体阀进行动作。

特别有利的是，气体阀的关闭体包括用于机械致动元件的接触表面。根据这个实施例，机械致动元件直接作用于关闭体，从而产生一种在构造方面特别简单的布置。特别是，用于机械致动元件的接触表面被布置成在气体阀的流动通道中和/或面对着气体阀的出口通道。在这种情况下，机械致动元件可以布置在气体阀的出口通道中，由此，这更进一步减少了构建资源消耗。确实，在这种情况下，除了出口通道、没有必要存在额外的孔用于致动元件。可提出的是，致动元件仅偶尔抵靠着接触表面，特别是用于打开气体阀。

根据本发明，特别有利的是，机械致动元件被布置成至少当气体阀打开时位于气体阀的出口通道中。由此，为致动元件提供额外的接收孔的需求可能得以避免。特别是，机械致动元件可以与出口通道同轴地排列。这允许实现可靠的气流、并避免致动元件抵靠着出口通道发生不需要的摩擦。为了接收机械致动元件的目的，气体阀的出口通道通常位于滑动元件在打开和关闭时发生运动的平面上。

根据本发明的又一个合适的实施例，为了将气体馈送到钻杆柱连接部，则在混凝土的关闭体中、特别是在滑动元件上设置一气体通道。根据这个实施例，滑动元件执行双重的功能，一方面关闭混凝土的流动，且另一方面输送压力气体。这促成了特别有效的气体流动分布状况(gas flow profile)，并且促成实现了馈送装置的一种特别简单和紧凑的结构。

气体通道有用的是包括至少一个气体入口孔，该气体入口孔优选地布置于滑动元件的一个狭窄侧上。特别是，气体入口孔可以布置在滑动元件的混凝土阀内表面的面朝着气体阀的狭窄侧上，以允许实现简单的机构。

更优选的是，气体通道包括一气体出口孔，该气体出口孔布置在滑动元件的一平坦侧上。所述平坦侧可以理解为滑动元件上的、布置成与待关闭的管路走向(line progression)近似垂直的一侧。该平坦侧还可以描述为滑动元件的密封侧。在该平坦侧上的气体出口孔布置的情况下，可以确保的是，当气体阀打开时，气体流过并在滑动元件的一点处离开，滑动元件上的这一点的位置与当混凝土阀打开时混凝土经过混凝土阀而流出的点的位置是至少大致相同的。这在流体技术方面特别有利。

更进一步特别有用的是，机械致动元件布置在滑动元件的气体通道的至少一个气体入口孔的区域中。由此，密封资源消耗可以有所减少，因为气体入口孔的密封可以同时用来对接近布置的致动元件进行密封。在流动布置方面，因此特别有益的是，机械致动元件将会被气体入口孔围绕。根据这一实施例，致动元件因而布置在至少两个气体入口孔之间，气体入口孔例如可以布置在围绕着致动元件的环上。

特别有利的是，滑动元件包括一更优选的圆形通道开口，用以在混凝土连接部与钻杆柱连接部之间实现沟通。根据这一实施例，设置了一种有孔的滑动元件，该滑动元件在提升运动期间释放通道开口。这一实施例可以便利实现特别良好的密封效果。

根据一种优选实施例可以产生一种特别紧凑的结构，其也允许随后简单地添加额外的钻孔设备，其中使混凝土连接部和钻杆柱连接部布置在混凝土阀的阀壳体的相对着的两侧上。特别是，混凝土连接部和钻杆柱连接部可以彼此同轴地布置。气体阀有用地设置为呈放射状、与混凝土连接部和/或钻杆柱连接部相关，这就是说，气体阀的纵向轴线优选地垂直于管路管段的纵向轴线而延伸，该管路管段可以利用滑动元件加以关闭，并且如果存在，则垂直于滑动元件中的通道开口的纵向轴线而延伸。气体阀适宜地布置在滑动元件的位移面中。

特别优选的是，设置阀驱动器用以对混凝土阀进行致动。这允许经由远程控制来对混凝土阀进行致动。因为气体阀根据本发明而与混凝土阀相联接，则原则上仅需要一个按照本发明的简单的阀驱动器，因此，这就降低了生产成本。特别是，阀驱动器可以是液压驱动器。无论如何地设置于钻孔设备上的液压源随后也可以用来对混凝土阀进行致动。

特别有用的是，阀驱动器包括两个液压缸，两个液压缸布置在滑动元件的两侧上。一方面，便利了实现一种特别紧凑的结构、并且同时由此便利了将作用力特别对称地导入到滑动元件中，从而有可能实现特别可靠的操作。这就可以实现一种特别简单的结构，其中两个液压缸经由布置着滑动元件处的轭架而得以连接。

本发明还涉及一种钻孔设备，该钻孔设备具有携载工具，用于驱动钻杆柱的钻孔驱动器布置在该携载工具上。根据本发明的钻孔设备的特征在于，提供一种根据本发明的馈送装置，用于在钻杆柱中馈送混凝土和气体。

根据本发明用于形成混凝土钻孔的方法的特征在于，根据本发明的馈送装置设置在钻孔设备上，并且当混凝土被引入到钻杆柱内时，使得借助于该馈送装置向钻杆柱中供应气体的进程被中断。

附图说明

本发明在下面参考优选实施例而加以更详细的说明，这些实施例在附图中加以示意图示，附图中：

图1以透视主视图示出根据本发明的馈送装置的一个实施例，其中混凝土阀被打开；

图2以截面后视图示出图1所示馈送装置，其中混凝土阀被打开；

图3示出图1所示的馈送装置的剖视图，在滑动元件的高度处混凝土阀被打开；

图4示出对应于图3的剖视图，其中混凝土阀被关闭；

图5示出图1所示馈送装置的透视图，其中混凝土阀被关闭；

图6示出图1所示的馈送装置在钻孔设备上的布置。

具体实施方式

根据本发明的馈送装置1的一个实施例如图1至3所示，具有打开的混凝土阀60。

馈送装置1包括混凝土阀60，该混凝土阀60形成为滑动阀且其具有箱型阀壳体63。在阀壳体63的正面平坦侧，设置有钻杆柱连接部3，其形成为法兰元件，经由此钻杆柱连接部可以产生与连续螺旋钻钻孔设备的管路连接，仅在图6中示意性地示出。相反地，在阀壳体63的后面平坦侧设置有混凝土连接部6，该混凝土连接部形成为管座，经由此混凝土阀可以产生与混凝土泵的管路连接(图2)。混凝土连接部6和钻杆柱连接部3因此至少在阀壳体63的两个相对着的方向上实际为同轴布置。在混凝土连接部6的管座上的外侧上设置保持扣环，用于特别可靠地连接至混凝土软管。

在混凝土阀60的阀壳体63中形成有槽67(图3)，滑动元件61布置在槽67中(该滑动元件61形成为滑动板)，从而使其可在竖直方向上加以调整。此滑动元件61构成混凝土阀60的关闭体。在板状滑动元件61中设置有圆形通道开口62。通道开口62由此布置在滑动元件61的上部的、阀内侧区域中。如图1至3所示，在混凝土阀60处于打开状态的情况下，使滑动元件61向下移动脱离阀壳体63，从而使得：滑动元件61中的通道开口62至少在若干区域内与钻杆柱连接部3和混凝土连接部6相对齐、且因而便利了混凝土的通道从混凝土连接部6进入钻杆柱连接部3进而进入钻杆柱12。

为了调整槽67中的滑动元件61，从而移动滑动元件61使之进入、退出阀壳体63，设置一种具有两个液压缸31、31′液压阀驱动器。该两个液压缸在阀壳体63的两侧上、沿着阀壳体63自上而下彼此平行地延伸。液压缸31、31′一端固定于阀壳体63的上部区域中、且另一端固定于共同的轭架33上，轭架33在阀壳体63下方延伸、并且如图所示滑动元件61被固定到(在所示实施例中是以螺纹方式拧紧到)连接套33上。连接套33包括两个轭架元件34、34′，滑动元件61布置于这两个轭架元件之间(图1)。轭架元件34、34′，在水平方向上彼此平行地延伸，并且都分别固定到两个液压缸31、31′的活塞杆。通过移动液压缸31、31′使它们进出，则连接于此的轭架33和滑动元件61相应地移动，并且由此使滑动元件61相对于阀壳体63被移动进入或退出。

图1至3示出混凝土阀60打开时滑动元件61的移出状态，而图4、5示出滑动元件61的移入状态。当滑动元件61移动进入阀壳体63时，通道开口62横向地相对于连接部3、6发生位移，并且混凝土阀通道在连接部3、6之间通过滑动元件61的平坦侧65、65′得以关闭，所述平坦侧位于连接部3、6之间。

为了供应空气，气体连接部7作为管座而形成，其被设置在馈送装置1的顶部侧上，所述气体连接部被设置用于连接到压力空气源。气体连接部7经由管弯曲部20连接到气体阀70，气体阀70布置在混凝土阀60的阀壳体63的顶部侧上。气体阀70因此形成为一个座阀，且具有一个竖直管路走向，该竖直管路走向是与管路管段68成直角地延伸的(图5)(其中该管路管段68可利用滑动元件而加以关闭)，因而也与在钻杆柱连接部3和混凝土连接部6之间的连接管路成直角地延伸。尽管在气体阀70上的竖直管路布置，由于管弯曲部20导致90°的管路弯曲，则在气体连接部7上产生了水平管路走向。这便利了实现通往气体连接部7的一种特别简单的软管连接。

气体阀70包括具有蘑菇外形的关闭体71，关闭体71被布置成可沿纵向在气体阀70的阀壳体73中位移(图3、4)。为了打开气体阀70，在混凝土阀60的滑动元件61上设置机械致动元件80。致动元件80被形成为汽缸推动器，并且从滑动元件61的后侧的、阀内表面的狭窄侧69突伸出，该狭窄侧69水平地延伸并且面朝着气体阀70。当混凝土阀60关闭时，也就是说当滑动元件61移入时，致动元件80变为位于气体阀70的关闭体71的接触表面78上，并由此压迫关闭体71使之远离其阀座，从而使气体的通道有可能穿过气体阀70。图4示出这种状态。

接触表面78设置在具有蘑菇外形的关闭体71的展宽侧上的端面上。致动元件80当滑动元件61移入时穿过气体阀70的出口通道79，并且通过该出口通道79作用于接触表面78和关闭体71。气体阀70的出口通道79引至混凝土阀60的阀壳体63里的槽67之中。

为进一步将经过打开的气体阀70(图4)进入的气体输送到混凝土阀60的阀壳体63内，在混凝土阀60的滑动元件61上设置气体通道50。气体通道50起始于混凝土阀内表面狭窄端69上，并且包括气体入口孔51、51′，气体入口孔51、51′围绕着致动元件80，并且当滑动元件61移入时变为位于气体阀70的出口通道79的前方，从而使得离开气体阀70的出口通道79的气体经由气体入口孔51、51′到达气体通道50。

在背离气体入口孔51、51′的端部处，气体通道50包括布置在滑动元件61的平坦侧65中的气体出口孔52，气体出口孔52面朝着钻杆柱连接部3(图5)。气体出口孔52由此设置为相对于通道开口62向下偏移，并且当滑动元件61移入时与钻杆柱连接部3同轴地对齐。

若滑动元件61因而移入混凝土阀60的阀壳体63，气体就可以从气体连接部7经由被致动元件80打开的气体阀70以及经由气体入口孔51、51′进入气体通道50，从这里，气体在气体出口孔52处离开并且到达钻杆柱连接部3，从而到达钻杆柱12。另一方面，混凝土连接部6与钻杆柱连接部3之间的沟通是由这种状态的滑动元件61切断的，从而，在滑动元件61处于移入状态时，气体可以排他地到达钻杆柱连接部3，从而到达钻杆柱12(图4)。

另一方面，若滑动元件61移出阀壳体63(图3)，则同时使固定于滑动元件61上的致动元件80移动远离气体阀70的关闭体71(图3)。此时，关闭体71可以下降到气体阀70的阀壳体73的阀座上，并关闭通往气体通道的气体阀70(图3中，在关闭体71关闭之前不久，关闭体71被图示为仍然处在打开状态)。关闭体71的关闭可以是例如依据着气体连接部7处的压力而发生的。但是，例如也可以设置螺旋弹簧作为张紧机构，由此所述螺旋弹簧围绕着蘑菇外形关闭体71的轴杆。

当滑动元件61移出时，因为致动元件80不再作用于气体阀70的关闭体71，所述气体阀70可以关闭，从而中断了气体连接部7与钻杆柱连接部3之间的气体供应。同时，混凝土连接部6和钻杆柱连接部3之间的通道可能形成，因为通道开口62变为处于在连接部6和连接部3之间的这个位置。因而确保了当将混凝土引入到钻杆柱12时，关闭经由气体连接部7的气体供应。

当滑动元件61移动离开时，气体入口孔51、51′与气体阀70的出口通道79间隔开。但是，因为在这种状态下气体阀70关闭，仍然不会有不希望的气体损失。

气体通道50由三部分形成。其包括了沿着滑动元件61的移动方向竖直地走向而经过通道开口62的第一部段54。与此处成直角相连的是第二部段54′，第二部段54′沿着滑动元件61的平坦侧65、65′、与滑动元件61的运动方向垂直地在水平方向上延伸。与之成直角连接的是第三部段54″，该第三部段在水平方向上延伸，与滑动元件61的运动方向垂直，并与平坦侧65、65′垂直，并且在该第三部段上布置有气体出口孔52(图5)。部段54、54′、54″分别形成为孔。

在馈送装置1运行期间，液压缸31、31′被致动，并且由此使形成混凝土阀60关闭体的滑动元件61移离混凝土阀60的阀壳体63、或移入所述的阀壳体63。由此，通道开口62释放开混凝土连接部6与钻杆柱连接部3之间的通道、或者将其阻塞。从而，经由致动元件80关闭或释放气体阀70，用于关闭或者打开气体连接部7与钻杆柱连接部3之间的气体流通。因为致动元件80布置在滑动元件61上，因此确保了混凝土阀60和气体阀70同步地以相反方式进行切换，从而使得混凝土连接部6或者气体连接部7之一与钻杆柱连接部3相连通，但该二者不会同时与钻杆柱连接部3连通。

图6示出在携载工具10的桅式支架杆头上的图1至5所示的馈送装置1，为清楚起见图中仅示出桅式支架。此处，在携载工具10的桅式支架上设置着钻孔驱动器11，钻孔驱动器11用于对仅示意性示出的钻杆柱12进行旋转驱动。馈送装置1布置于钻孔驱动器材11上方。处于静止状态的馈送装置1的处于静止状态的钻杆柱连接部3与旋转钻杆柱12经由旋转馈通元件(rotationfeedthrough element)15而成线路连通，旋转馈通元件15设置在钻孔驱动器11上方。图6也示出混凝土软管16，其与混凝土连接部6通过法兰连接，用以产生与混凝土泵的线路连接。