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Aufweitbohren durch Felsgestein mit dem AXIS Horizontalbohrsystem

Sep-2011

Für die erfahrenen Spezialisten für grabenlose Rohrverlegung von Midwest Mole sind herausfordernde Projekt keine Seltenheit. Seit seiner Gründung 1982 hat sich das in Indianapolis ansässige Unternehmen einen guten Ruf für innovative Installationslösungen erworben und dabei zahlreiche Hindernisse überwunden und vorherrschende Gegebenheiten bewältigt. Daher zögerten die Spezialisten für grabenlosen Leitungsbau auch nicht, ein weiteres herausforderndes Projekt anzunehmen, obwohl Sie genau wussten, dass dies mit einigen unbekannten und unerwarteten Schwierigkeiten verbunden sein würde.

Midwest Mole wurde vom Generalunternehmer Dudley Construction im Namen des Auftraggebers Northern Kentucky Sanitation District No. 1 (SD1) mit der Projektdurchführung beauftragt. SD1 ist für die Sammlung und Aufbereitung von Abwasser im Norden des US-Bundesstaates Kentucky sowie das regionale Niederschlagswassermanagement zuständig. Er ist der zweitgrößte kommunale Abwasserversorgungsbetrieb dieses Bundesstaates. Das Versorgungsgebiet des Bezirks erstreckt sich über eine Fläche von ca. 570 km² in drei Landkreisen im Norden Kentuckys. Versorgt werden mehr als 30 Gemeinden und mehrere nicht eingemeindete Gebiete. SD1 unterhält über 2575 km Kanalisationsleitungen, über 140 Abwasserpumpstationen, mehrere Abwasseraufbereitungsanlagen und ungefähr 17.800 Niederschlagswasserkanäle.

Dieses Projekt außerhalb von Florence, Kentucky, sah die Verlegung einer DR11 HDPE-Rohrleitung (Ø 45,7 cm) über einen 154,2 m langen Abschnitt vor, durch die man eine Pumpstation schließen und eine bestehende Abwasserleitung von einer Druckleitung in eine Freispiegelleitung umwandeln könnte. Die Rohrleitung sollte eine Steigung von 1,3 Prozent aufweisen und als Installationsmethode war die Schneckenbohrung vorgesehen. Die größte Herausforderung stellte weder die Steigung, das Material noch der beschränkte Zugang zur Baustelle dar, der die Durchquerung von hügeligem, dicht bewaldetem Gebiet erforderlich machen würde, sondern die Bodenbeschaffenheiten. Nach der Überprüfung des Installationsplans, hatte David Howell, Projektleiter bei Midwest Mole, eine Idee für einen alternativen Ansatz.

„Die Rohrverlegung sollte durch ein auf einer Anhöhe liegendes Wohnviertel mit hohem Baumbestand führen, mit stark eingeschränktem Zugang und einem Untergrund aus Festgestein“, erklärt Howell. Der Plan von SD1 sah vor, mithilfe der Schneckenbohrung durch den Hügel zu bohren. Wir hatten das AXIS-Horizontalbohrsystem von Vermeer bereits bei einem früheren Projekt eingesetzt und dachten, es wäre auch für diese Rohrverlegung ideal geeignet. Unser einziges Bedenken war die Aufweitbohrung durch Felsgestein.“

Funktionsweise
Das AXIS-System besteht aus einer Vakuumpumpe, einem Vakuumtank und dem Lafettenantrieb sowie einem Bohrstrang mit Bohrkopf. Außerhalb der Eintrittsgrube befindet sich eine leistungsstarke Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe, die das Aushubmaterial aus der Bohrung entfernt. Nachdem das Aushubmaterial die Eintrittsgrube erreicht hat, wird es vom Bohrstrang über einen Schlauch mit einem Durchmesser von 15,2 cm in einen Vakuumtank befördert.

Außerhalb der Grube befindet sich auch ein unabhängiger Lafettenantrieb. Dieser ist mit einem 104,4 kW Dieselmotor und Hydraulikpumpen ausgestattet, die an die in der Eintrittsgrube befindliche Lafette angeschlossen werden. Er treibt Rotation, Vorschub und Rückzug des Bohrkopfes und des Bohrstrangs an.

Die Bedienerkonsole vereint mehrere Steuerelemente an einer zentralen Stelle und bietet dadurch eine einfache und benutzerfreundliche Schnittstelle. Die Konsole ist mit einem Anzeigebildschirm, einer Parameteranzeige, der Bohrkopflenkung sowie einem Vorschub-/Rückzug- und dem Rotationsschalter ausgestattet. Die Bohrstrangsegmente sind 2 m lang und werden in den Lafettenschlitten eingebracht. Sie verfügen über einen Lasersichtkanal und einen Vakuumkanal zum Entfernen des Aushubmaterials.

Das Richtungssteuerungssystem ist mit einem Laser ausgestattet, der die Gerade und Steigung der Bohrung bestimmt und dadurch eine steigungsgenaue Bohrung während des gesamten Verfahrens ermöglicht. Der Bohrkopf verwendet einen Bohrmeißel mit glatter Oberfläche und kann in Verbindung mit dem Laserverfahren zur Richtungssteuerung steigungsgenaue Bohrungen mit präzisen Genauigkeitsgrenzen durchführen. Außerdem kann er durch das anstehende Erdreich während der Verlegung zurückgezogen werden, um den Bohrmeißel auszutauschen und ihn an die sich ändernden Bodenbedingungen anzupassen.

Eliminierung eines Schrittes erhöht die Effizienz
Das Gestein bestand aus 2,5 bis 12,7 cm dicken Schiefertonschichten, die mit Kalksteinadern durchzogen waren und einen Druck von bis zu 827,4 bar aufwiesen. Eine Oberleitung und eine bestehende Pumpstation in unmittelbarer Nähe der Stelle, an der die Eintrittsgrube ausgehoben werden sollte, waren ebenfalls Faktoren, die es zu berücksichtigen galt. Nachdem jedoch die Lage der Abwasserleitungen, die derzeit zur Pumpstation hin- bzw. wegführen, überprüft und die endgültigen Messungen zur Positionierung der verschiedenen Komponenten des AXIS-Systems abgeschätzt wurden, war Howell zuversichtlich, dass diese lasergesteuerte Bohrmethode tatsächlich die beste Vorgehensweise war. Außerdem stimmten die zuständigen Vertreter von SD1 dieser Ansicht zu.

„Trotz der übereinstimmenden Meinung, dass die Durchführung des Projekts sicherlich auch mit der Schneckenbohrung möglich gewesen wäre, konnten wir mehrere Vorteile ermitteln, die den Einsatz des AXIS-Systems begünstigten. Diese Punkte haben wir dann den zuständigen Vertretern unseres langjährigen Kunden SD1 vorgelegt. Diese waren mit dieser Methode nur wenig vertraut. Da wir jedoch schon an mehreren früheren Projekten zusammengearbeitet haben, vertrauten sie unserer Empfehlung und gaben uns schließlich grünes Licht, um mit dem Projekt zu beginnen.“

Howell führte drei wichtige Faktoren an, die den entscheidenden Ausschlag für den Einsatz des AXIS-Systems gaben. Als erstes nannte er das Gestein. Die unregelmäßige Gesteinsformation und die Variationen in den Kalkstein- und Schiefertonschichten erschweren die Aufrechterhaltung der Geraden und Steigung bei der Schneckenbohrung. Laut Howell ist die Aufrechterhaltung einer präzisen Steigung von oftmals weniger als 1 Prozent ein Hauptvorteil des AXIS-Systems, da das lasergesteuerte System eine konstante Überwachung der Bohrung und eine sofortige Korrektur ermöglicht, wenn der Bohrkopf infolge einer veränderten Dichte und Härte des Felsgesteins auch nur geringfügig vom Kurs abweicht.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des AXIS-Systems ist dessen Fähigkeit, die Installation in einem Durchgang durchzuführen. Was sich in Anbetracht des felsigen Geländes im Norden Kentuckys und der im Rahmen des Florence-Projekts zu verlegenden Rohrleitungen mit kleinerem Durchmesser bewährt hat.

„Bei der Schneckenbohrung wären zwei Durchgänge notwendig gewesen“, erklärte Howell. „Als erstes hätte das Futterrohr verlegt werden müssen, in das dann das Produktrohr geschraubt worden wäre. Außerdem wäre bei diesem Ansatz wahrscheinlich die Stabilisierung der Rohre durch Einbringen von Einpressgut erforderlich gewesen. Beim AXIS-System hingegen konnte das Produktrohr direkt in den Bohrweg eingezogen werden, ohne dass die Verlegung eines Stahlschutzrohres notwendig war. Wir haben im Wesentlichen einen Arbeitsschritt eliminiert und dadurch die Arbeitszeit verkürzt und die Kosten gesenkt.“

Midwest Mole verwendete zur Erstellung der Pilotbohrung einen Tri-Cone-Bohrmeißel mit einem Durchmesser von 34,3 cm, der sich mit einer durchschnittlichen Förderrate von 4,3 m pro Stunde durch diese komplexe Gesteinsformationen bohrte. Der HDPE-Rohrstrang war inzwischen zusammengeschweißt und zum Einziehen bereit. Jetzt mussten wir uns dem Unbekannten stellen und mit der Aufweitphase des Projekts beginnen.

Da man bisher nur bei früheren Installationen ein Produkt durch den Bohrweg gezogen hatte, wusste man nicht, ob mit dem AXIS-System eine effiziente Aufweitbohrung durch die schwierigen Kalkstein-, Schieferton- und Felsformationen mit hoher Dichter möglich wäre. Howells Mannschaft wählte zur Durchführung der 154,2 m langen Bohrung einen Tri-Cone-Bohrmeißel (Ø 48,9 cm) mit Kegelrollen. Diese Bestückungskonfiguration wird als besonders wirksam beim Entfernen von Fels und Positionieren des Aufweitkopfes während des Rückzugs erachtet.

„Da das AXIS-System erstmals zum Aufweiten von Fels eingesetzt wurde, mussten wir experimentieren,“ erklärte Howell. „Wir nahmen während des Bohrens einige Justierungen vor, um den Abstand der Bohrmeißel auf den richtigen Überschnitt einzustellen, damit der Aufweitkopf die beste Leistung erzielt. An der Rückseite des Aufweitkopfes wurde ein Ziehkopf mit Drehgelenk angebracht, was das Austragen des Bohrguts aus der Bohrung unterstützt. Wir haben also das Produktrohr eingezogen, während die Bohrung gleichzeitig erweitert wurde. Dazu verwendeten wir einen standardmäßigen Aufweitkopf von Vermeer, der mit Kegelrollenmeißeln anwendungsspezifisch bestückt wurde.“

Nervenaufreibendes Projekt erfolgreich abgeschlossen und ein Stückchen Geschichte geschrieben
Howell räumte ein, dass es vor dem Rückzug einige nervenaufreibende Momente gab. „Obwohl wir das Projekt so sorgfältig wie möglich durchdacht hatten, gab es angesichts der näher rückenden Aufweitbohrung einige angespannte Nerven“, erklärt Howell. „Vermeer war vor Ort und hat uns unterstützt. Natürlich ist die erstmalige Durchführung eines Verfahrens immer mit Aufregung und Nervosität verbunden, aber alles in allem lief es ganz gut. Wir mussten zwar einige Änderungen vornehmen, aber letztendlich verlief die Aufweitbohrung ziemlich problemlos und wir waren mit dem System sehr zufrieden. Wir haben in einer Stunde durchschnittlich 2,4 m aufgeweitet.“

Howell und seine Mannschaft freuen sich schon auf die nächste Gelegenheit, in Sachen grabenlose Rohr- und Leitungsverlegung Neuland zu betreten und Geschichte zu schreiben. Bis dahin sind die Könner von Midwest Mole mit dem erfolgreichen Abschluss einer weiteren historischen Bohrung sowie der kontinuierlichen Intensivierung der Kundenbeziehung zufrieden.

„Wir sind stolz auf die vielen von uns erfolgreich durchgeführten Verlegungsprojekte“, erklärt Howell. „Noch stolzer sind wir jedoch auf das Vertrauen und die Glaubwürdigkeit, die wir mit Kunden wie SD1 aufbauen konnten. Wir sind bei diesem Projekt schon ein gewisses Risiko eingegangen. Glücklicherweise ist alles gut verlaufen und SD1 ist mit den Ergebnissen sehr zufrieden. Der Auftraggeber hat sogar einen kurzen Bericht über das Projekt und den Einsatz des AXIS-Systems geschrieben. Was uns besonders beeindruckte war die Tatsache, dass sie sofort erkannt haben, dass das Projekt per Schneckenbohrung nur mit minimaler Effizienz und Geschwindigkeit durchführbar war. Und hierin zeichnet sich das AXIS-System wirklich aus.“