Überwindung der Bohrlochinstabilität während des Bohrens: Strukturelle Lösungen für eine stabile PV-Solarpfahlinstallation

Die rasche Ausweitung großflächiger PV-Solarpfahlinstallationen in Mitteleuropa erfordert von Entwicklern zunehmend die Nutzung marginaler Flächen. Zu den anspruchsvollsten Geologien in Regionen wie Norddeutschland, Polen und der Tschechischen Republik gehört der Geschiebemergel.

Diese Formationen bestehen aus einer unsortierten, ungeschichteten Sedimentmischung, die von stark abrasivem feinem Ton und Schluff bis hin zu dichtem Kies und massiven Hartgesteinsblöcken reicht.

Bei der Ausführung standardmäßiger bodenmontierter Photovoltaik-Solar-Spiralpfahlprojekte in diesen Böden stoßen Auftragnehmer während des Bohrens häufig auf eine starke Bohrlochinstabilität.

Ohne entsprechende bauliche Gestaltung und technische Eingriffe stürzen lose Sandschichten in der Kasse ein, Kiesabschnitte brechen nach innen und unerwartet harte Steine ​​lenken das Bohrwerkzeug ab, was zu falsch ausgerichteten Fundamenten oder kompletten Installationsfehlern führt.

Die Mechanik der Bohrlochinstabilität während des Bohrens

Die Bohrlochinstabilität beim Bohren in Geschiebemergeln ist in erster Linie auf den Mangel an Kohäsion in kohäsionslosen Sandlinsen und die hohen mechanischen Vibrationen zurückzuführen, die beim Auftreffen auf eingebettete Felsbrocken entstehen.

Wenn ein Standard-Drehbohrkopf auf plötzliche geologische Übergänge stößt, verursacht die plötzliche Drehmomentverschiebung starke Vibrationen. Diese Vibrationen lösen die fragilen Wände des nicht ausgekleideten Bohrlochs auf.

Darüber hinaus verliert der umgebende Boden seine strukturelle Integrität, wenn der Boden durch unzureichendes Drehmoment oder falsche Werkzeugauswahl gestört wird. Dies führt zu „Hohlstellen“, bei denen das tatsächliche Volumen des ausgehobenen Lochs den geplanten Durchmesser deutlich übersteigt.

Bei einer stabilen PV-Solarpfahlinstallation bedeutet ein eingestürztes Loch, dass die Erdungsschraube oder der Bohrpfahl nicht die kritische Mantelreibung und seitliche Tragfähigkeit erreichen kann, die erforderlich sind, um europäischen Wind- und Schneelasten standzuhalten.

Strukturelle Lösungen: Multifunktionale Bohrmethoden

Um die Instabilität des Bohrlochs während des Bohrens zu verringern, müssen Auftragnehmer von Einzweck-Schlagschraubern Abstand nehmen und stattdessen multifunktionale Hydraulikgeräte mit hohem Drehmoment einsetzen, die sich in Echtzeit an wechselnde Gesteinsschichten anpassen können.

Integriertes Luft-DTH-Hammer- und Schlammpumpen-Rotationsbohren

Bei der Bearbeitung dichter Kies- und Hartgesteinsbrocken, die in Geschiebemergel eingebettet sind, muss ein Bohrgerät die Dual-Mode-Verarbeitung unterstützen. Bei lockeren, feuchten oberen Schichten zirkuliert das Bohren mit einer Bohrschlammpumpe Bohrflüssigkeiten, um einen vorübergehenden „Filterkuchen“ entlang der Bohrlochwand zu bilden, der lose Körner zusammenhält und so ein Kollabieren verhindert.

Beim Auftreffen auf Hartgesteinshindernisse mit einem Protodyakonov-Härtekoeffizienten von $F=6-20$ muss das System nahtlos auf Luft-Down-the-Hole-Bohren (DTH) umschalten.

Unter Verwendung von Druckluft mit mittlerem Druck (0,7–1,6 MPa) oder hohem Druck (1,6–2,46 MPa) und Luftverbrauchsraten von 10–26 m³/min zertrümmert der DTH-Hammer harte Felsbrocken sofort, ohne zerstörerische seitliche Vibrationen auf die umgebende ungeschichtete Bodenmatrix zu übertragen, wodurch die Integrität der Bohrlochwand erhalten bleibt.

Methoden für Flugschnecken mit großem Durchmesser

Für trockenere Geschiebemergelprofile ist die Ausführung einer Bohrpfahlfundamentierung mit einem Schneckenrohr mit großem Durchmesser äußerst effektiv. Der Einsatz einer kontinuierlichen Schnecke mit einem maximalen Schneckendurchmesser von 400 mm und einer Arbeitstiefe von bis zu 30 Metern ermöglicht eine kontinuierliche Bodenextraktion bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der strukturellen seitlichen Unterstützung durch die Schneckenflügel selbst.

Durch diese Methode entfällt das Zeitfenster zwischen dem Bohren und dem Einbringen des Pfahls, in dem typischerweise der Großteil der Bohrlocheinbrüche auftritt.

Leitfaden zur Geräteauswahl: Entscheidende technische Parameter

Die Bewältigung dieser herausfordernden europäischen Bodenbedingungen erfordert die Auswahl von Raupenmaschinen, die auf eine parametrisierte Leistung ausgelegt sind. Nachfolgend finden Sie die wichtigsten technischen Spezifikationen, die zur Gewährleistung einer stabilen Installation erforderlich sind.

Wirtskraft- und Drehmomentarchitektur

Um zu verhindern, dass sich der Bohrstrang beim Navigieren in den Ton-Kies-Übergängen von Geschiebemergeln verklemmt, ist eine hohe hydraulische Leistung erforderlich. In diesen Regionen eingesetzte Bohrinseln sollten über eine Wirtsleistung von mindestens 56 kW verfügen.

Dieser Leistungsmaßstab stellt sicher, dass das Hydrauliksystem auch bei extremen Widerständen eine optimale Drehzahl von 0–70 U/min aufrechterhält. Eine hohe Wirtsleistung garantiert eine konstante Drehmomentabgabe und ermöglicht ein kontinuierliches rotierendes Schneiden durch klebrige Tonschichten ohne Strömungsabriss, was eine Hauptursache für Bohrlochverschlechterung ist.

Mastausgleich und Bodenstützstabilisierung

Die physikalische Stabilisierung der Maschine während des Betriebs ist entscheidend, um eine Verformung des Bohrlochs zu verhindern. Die Ausrüstung muss über eine einstellbare Mastausgleichsfunktion verfügen. Während des Bohrzyklus muss der Mast nach unten ausgefahren werden, um direkt auf der Bodenoberfläche zu arretieren und abzustützen.

Diese Bodenverankerungskonfiguration überträgt die Reaktionen des Gesamtgewichts der Maschine von 4360 kg direkt auf die Erde und dämpft gefährliche hochfrequente harmonische Schwingungen, die andernfalls zu Rissen und Brüchen in den fragilen Bohrlochwänden führen würden.

Mehrachsige geometrische Flexibilität

Die mitteleuropäische Topographie verbindet häufig Gletscherablagerungen mit unebenem oder geneigtem Gelände. Rigs müssen mit präzisen mechanischen Einstellmechanismen ausgestattet sein, um trotz Oberflächenunterschieden eine vertikale Ausrichtung sicherzustellen.

Eine robuste Neigungsmöglichkeit der Kufe von bis zu 100 Grad, gepaart mit einem Schwenkwinkel von insgesamt 40 Grad (links und rechts), ermöglicht es dem Bediener, Oberflächenabweichungen präzise auszugleichen. In Kombination mit einer 35-Grad-Steig- und Geländefähigkeit können schienengebundene Plattformen bei steilen Gefällen in die optimale Position manövrieren, ohne die Ausrichtungsgenauigkeit des Solarfundaments zu beeinträchtigen.

Best Practices für europäische Solarunternehmen

Bei der Durchführung eines Photovoltaik-Solar-Spiralpfahlprojekts in nachgewiesenen Geschiebemergelzonen hängt die Erzielung fehlerfreier Installationen von der Einhaltung eines strengen Betriebsprotokolls ab:

1. Lithologiekartierung vor dem Bau: Führen Sie alle 50 Meter auf dem Gelände kontinuierliche Kernproben oder Standard-Penetrationstests (SPT) durch, um versteckte Felsbrockenzonen und Sandlinsen zu identifizieren.

2. Dynamische Werkzeuganpassung: Rüsten Sie die Feldmaschinen mit hochfesten Standard-Bohrrohren mit einem Durchmesser von 76 mm oder 89 mm aus und halten Sie sowohl 130–410-mm-Schraubrohrwerkzeuge als auch DTH-Hämmer auf dem Service-Tender bereit.

3. Kontrollierte Einzelförderungszyklen: Begrenzen Sie den Vorschubhub auf kontrollierte Einzelförderungsschritte von 2000 mm. Die langsame, gezielte hydraulische Kraft nach unten verhindert übermäßigen Aushub und strukturelle Wandstöße und sorgt für saubere, stabile Bohrlöcher, die für die sofortige Pfahlverankerung bereit sind.