Rollenkegel-Kernrohre

Rollercone-Kernrohre sind spezialisierte rotierende Bohrwerkzeuge, die entwickelt wurden, um repräsentative Gesteinskernproben aus Anwendungen im Bereich der Tiefgründungen zu entnehmen, hauptsächlich zur Bewertung von Gesteinsverankerungen und zur Charakterisierung des Untergrunds in Tiefbaumaßnahmen und Bodenverbesserungsprojekten. Diese Werkzeuge bestehen aus einem zylindrischen Rohr mit einem inneren Kernrohr und einer rotierenden Kopfbaugruppe, die mit Rollenkegelbohrern ausgestattet ist – typischerweise drei rotierende Kegel aus gehärtetem Stahl oder mit Wolframkarbid beschichtete Kegel, die mit Wolfram- oder Diamant-Einsätzen versehen sind. Das Kernrohr bildet die strukturelle Schnittstelle zwischen der Bohrgestänge und dem Schneidkopf, wodurch das extrahierte Gesteinsmaterial erfasst und intakt für geologische und geotechnische Analysen zurückgewonnen werden kann. Rollercone-Kernrohre werden in verschiedenen Tiefgründungsverfahren eingesetzt: beim Bau von Schlitzwänden, wo die Bestimmung der Tiefe und Qualität des Felsuntergrunds die Unterstützung der Aushubarbeiten und die Tragfähigkeit der Pfahlverankerungen bestimmt; bei Sekanten- und Tangentenpfahlwänden, um die Tiefe der Gesteinsverankerung und die Eigenschaften der tragenden Schichten zu überprüfen; bei Sperrvorhängen und Maßnahmen zur Eindämmung von Durchlässigkeit, um die Durchlässigkeit und die Injektionszonen in potenziellen Injektionshorizonten zu bewerten; und bei vorläufigen Standortuntersuchungen, die vor größeren Aushub- oder Unterfangungsarbeiten durchgeführt werden. Ihre Hauptfunktion besteht darin, eine kontrollierte Kernentnahme mit dokumentierter Rock Quality Designation (RQD), uniaxialen Druckfestigkeitsprüfungen und der notwendigen Bruchcharakterisierung für die Entwurfsüberprüfung und die Qualitätssicherung im Bau zu gewährleisten. Das Betriebsprinzip beruht auf dem auf das Bohrgestänge angewendeten Drehmoment, das die Rollenkegel dazu bringt, sich um die Achse des Kernrohrs zu drehen, während sie gegen die Felsoberfläche gedrückt werden. Die Schneidaktion erfolgt hauptsächlich durch Mahlen und Zerkleinern – einzelne Kegelzähne brechen schrittweise das Gesteinsmaterial unter dem Rollenkegelbohrer, wodurch das gebrochene Material in das innere Kernrohr fällt. Während des Bohrvorgangs erfasst der sich vorwärts bewegende Rohrabschnitt schrittweise die Gesteinskolonne, die von einem durch Schwerkraft betätigten Kernfänger (Ball- oder Korbtyp) am Rohrfuß gehalten wird. Sobald die gewünschte Kernlänge erreicht ist (typischerweise 3–10 Meter pro Durchgang), wird die gesamte Baugruppe zurückgeholt und der Kern wird sorgfältig entnommen, gemessen, protokolliert und gemäß den ISRM (International Society for Rock Mechanics) Standards für Labortests vorbereitet. Die Ausrüstungsvarianten umfassen Standard-Wireline-Systeme (NQ, HQ, PQ Durchmesser, die den Kern-Durchmessern von 47,6, 63,5 und 85 mm entsprechen) und konventionelle, stangenabhängige Rohre. Die Designs der Rollenkegelbohrer variieren je nach Gesteinsfestigkeitsklassifikation: weichere Formationen verwenden mit Hartmetall beschichtete Einsätze mit größerem Kegelabstand, während extrem hartes oder abrasives Gestein Wolframkarbid-Knopfbohrer mit dichterer Knopfverteilung erfordert. Verlängerte Rohre für dicke Schichten, geteilte Rohre zur Verbesserung der Probenkonservierung und spezialisierte orientierte Kernsysteme zur Bewertung der strukturellen Geologie stellen gängige Varianten dar. Die Auswahl der Konfigurationen von Rollercone-Kernrohren hängt von der erwarteten Gesteinsfestigkeit (UCS-Bereich), den in den geotechnischen Untersuchungen festgelegten Anforderungen an die Kernentnahme, den Budgetbeschränkungen für das Bohren und der Kompatibilität mit der Leistung des Rigs ab. Bohrer müssen die Qualität der Entnahme gegen die Bohrgeschwindigkeit abwägen – aggressives Füttern erhöht die Eindringtiefe, birgt jedoch das Risiko einer Störung und Reduzierung der Kernproben; eine konservative Technik minimiert die Frakturierung, verlängert jedoch den Projektzeitrahmen. Anwendbare Standards umfassen ISO 13311-1 (orientierte Kern- und Gesteinsmasseneigenschaften), DIN 4095 (deutscher Standard für Bohr- und Kernverfahren) und API (American Petroleum Institute) Richtlinien, die für Anwendungen im Bauwesen angepasst wurden. Die RQD-Bewertung erfolgt gemäß den ISRM-Empfehlungen, wobei die Kernfotografie und die Aufbewahrung der Kernboxen gemäß den ISO 14689 Standards dokumentiert werden.