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Tunnelfräsvorrichtung zum Herstellen von im Querschnitt kreisförmigen Tunneln
Die Erfindung betrifft eine Tunnelfräsvorrichtung zum Herstellen von im Querschnitt kreisförmigen Tunneln mit einem Grundrohr und einem auf dieses aufgesetzten Fräskopf, welcher einen mit Axialrol-
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bar gehalten ist und auf seinem Umfang einen Zahnkranz aufweist, auf den von einer sich am Grundrohr abstützenden Antriebseinrichtung ein Drehmoment übertragen wird.
Es ist bereits eine Tunnelbaumaschine bekannt, bei der an einem Grundrohr ein Ringfräser ange- bracht ist, welcher einen mit Axialrollen des Grundrohres zusammenwirkenden Stirnring und einen sich in das Innere des Grundrohres erstreckenden Innenzylinder aufweist. Dieser ist durch am Umfang des Grundrohres angebrachte Rollen in einer Mittellage drehbar gelagert. Der Innenzylinder weist einen sich uber den Umfang erstreckenden Zahkranz auf, der durch zwei Motoren über Ritzel angetrieben wird.
ZumAntrieb der bekanntenTunnelbauvorrichtung sind zwei Elektromotoren von erheblicher Leistung erforderlich. Ausserdem ist zur Herabsetzung der Drehzahl im allgemeinen die Einschaltung kostspieliger und mit erheblichem Gewicht behafteter Getriebe erforderlich. Die gesamte Vortriebskraft wird allein auf jeweils zwei Zähne des am Fräskopf angebrachten Zahnkranzes übertragen, so dass eine erhebliche Belastung der einzelnen Zähne gegeben ist.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Tunnelfräsvorrichtung der eingangs genannten Gattung, welche die Nachteile der bekannten Tunnelbaumaschine nicht aufweist und mit geringeren Leistungen auskommt, wobei die einzelnen Zähne des Zahnkranzes nicht übermässig beansprucht werden.
Hiezu sieht die Erfindung vor, dass die Antriebseinrichtung aus rund um das Grundrohr angeordneten hydraulischen Pressen besteht, deren Stosskolben jeweils beim Ausfahren in Eingriff mit dem Zahnkranz stehen, wobei hinter dem Fräskopf Mittel zur Abförderung des abgebauten Materials vorgesehen sind. Durch diese Ausbildung wird die Antriebskraft auf eine grössere Anzahl von Zähnen des Zahnkranzes verteilt, so dass die Belastung des einzelnen Zahnes wesentlich herabgesetzt ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Tunnelfräsvorrichtung besteht darin, dass zum Antrieb keine drehendenMotoren verwendet werden und dass die Einschaltung von Getrieben nicht erforderlich ist.
Bekanntlich lassen sich mit hydraulischen Pressen ganz erhebliche Kräfte erzielen, so dass bei der Tunnelfräsvorrichtung gemäss der Erfindung keine Schwierigkeiten bestehen, jedes erforderliche Drehmoment auf den Fräskopf zu übertragen.
Es ist auch schon eine Einrichtung zum Vortreiben eines Tunnels unter Verwendung eines mit Abbaugeräten versehenen Vortriebsschildes bekannt, der sich auf schraubenlinienförmigen Führungsbahnen von aus Formsteinen gebildeten Auskleidungsringen abstützt und durch eine ihm erteilte Drehbewegung vorwärts bewegt wird. Bei dieser Einrichtung sind an der Rückseite des Schildes tangential gerichtete, die Drehbewegung bewirkende Hauptwinden angeordnet.
Bei dieser bekannten Einrichtung zum Vortreiben eines Tunnels wird zwar ebenfalls auf umlaufende Motoren verzichtet, doch kann beim Aufbau der Tunnelauskleidung aus eine eingängige Schraube bildenden Formsteinen nur eine einzige Winde zum Vortrieb verwendet werden. Sollen mehrere Winden
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verwendet werden, müssen mehrgängige Schrauben benutzt werden.
Im allgemeinen können also bei der bekannten Einrichtung nur ein oder zwei Hauptwinden zum Vortrieb verwendet werden, was eine sehr grosse Leistungsfähigkeit der einzelnen Winde erfordert und eine hohe Belastung für die Kraftübertragungsglieder bedeutet.
Ausserdem hat die bekannte Einrichtung den schwerwiegenden Nachteil, dass pro Umdrehung des Färskopfes immer ein ganz bestimmter Vorschub zwangsläufig erfolgt. Dadurch ist die Möglichkeit ausgeschlossen, beispielsweise bei dem Ausfräsen von festem Gestein den Vorschub relativ zur Drehgeschwindigkeit des Fräskopfes zu verlangsamen.
Bei dertunnelfräsvorrichtung gemäss der Erfindung ist demgegenüber der Antrieb desFräskopfesvöl- lig unabhängig von dem durch andere Mittel bewirkten Vorschub, so dass eine Drehung des Fräskopfes sogar ohne jeden Vorschub der Vorrichtung erfolgen kann. Auf Grund der erfindungsgemässen Konstruktion können überdies auf dem Umfang der Fräsvorrichtung sehr viele hydraulische Pressen angeordnet werden, so dass einerseits die Leistungsfähigkeit der einzelnen hydraulischen Pressen relativ gering sein kann und anderseits die einzelnen Kraftübertragungsglieder keine allzu grossen Belastungen aufnehmen müssen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Fräskopf ausserdem einen das Ende des Grundrohres aussen übergreifenden, mit aussen am Grundrohr befestigten Radialrollen zusammenwirkenden Aussenzylinder mit einem Innenzahnkranz aufweist, mit dem die Stosskolben von am Grundrohr befestigten hydraulischen Pressen jeweils beim Ausfahren in Eingriff stehen. Diese Ausführungsform gestattet eine noch bessereFührung desFräskopfes und eine noch bessere Verteilung der Kraft auf die Zähne der beiden vorhandenen Zahnkränze. Um eine möglichst grosse Anzahl hydraulischer Pressen anordnen zu können, sind die beiden Zahnkränze der vorstehend genannten Ausführungsform und die zugeordneten hydraulischen Pressen in axialer Richtung des Grundrohres gegeneinander versetzt.
Bevorzugt ist dasGrundrohr ein doppelwandiges Roht, das mit Ausschnitten versehen ist, durch welche sich die hydraulischen Pressen zur gegenüberliegenden Rohrwand erstreckten, wo sie befestigt sind.
Diese Ausfuhrungsform zeichnet sich durch besondere Stabilität aus.
Um die Stosskolben der hydraulischen Pressen ständig in Eingriff mit dem Zahnkranz bzw. den Zahnkränzen zu halten, sind die hydraulischen Pressen vorzugsweise gelenkig am Grundrohr befestigt und stehen unter dem Druck von Schraubenfedern, welche die Pressen gegen die Zahnkränze drücken.
Um eine stetige Drehbewegung des Fräskopfes zu erzielen, können je zwei Stosskolben gegenphasig arbeiten.
Um eine gute seitliche Führung desFräskopfes zu erzielen, sind bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in Achsrichtung des Grundrohres sowohl vor als auch hinter den hydraulischen Pressen Radialrollen angeordnet.
Zur Abförderung des abgabauten Materials kann bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass hinter dem Fräskopf ein in gleicher Weise über hydraulische Pressen und einen Zahnkranz angetriebeneTrommel an demGrundrohr drehbar gelagert ist, welche mit Muldenblättern zur Beförderung des abgebauten Materials auf eine Rutsche und weiter auf ein Förderband ausgestattet ist.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigen : Fig. l eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht der in Betrieb befindlichen Vortriebsmaschine gemäss der Erfindung, Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt der in Betrieb befindlichen Vortriebsmaschine gemäss der Erfindung, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III in Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 2.
Nach denFig. l und 2 umfasst die Vortriebsmaschine gemäss der Erfindung ein Grundrohr 11, des- senAussendurchmesser den Innendurchmesser der ausbetonieitenTunnelröhre 30 bestimmt. Das Grundrohr 11 ist z. B. aus einzelnen Stahltübbings zusammengesetzt. Es kann jedoch gemäss Fig. l auch aus zwei durch Querstege verbundenen Metallzylindern bestehen.
Am Kopf des Grundrohres 11 sitzt ein Ringfräser 12, welcher bei dem beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiel aus einem um seine Mittelachse drehbaren Doppelzylinder 20 mit einem äusserenTeil- zylinder 20b und einem inneren Teilzylinder 20a sowie daran angebrachten Fräswerkzeugen 18 besteht. Die beiden Teilzylinder sind durch einen kopfseitigen Ringsteg 19 festmiteinanderverbunden. Am hinteren Ende ist zwischen den beiden Teilzylindern eine Ringöffnung gelassen, durch welche das vordere Ende des Grundrohres 11 hindurchtritt, um den Doppelzylinder zu tragen und bei seiner Drehung zu führen.
Die Lagerung des Doppelzylinders an dem Grundrohr erfolgt über an der Innen- und Aussenseite des Grundrohres 11 angebrachten Rollen 24, welche mit den Innenflächen des aufgestulpten Doppelzylinders in Berührung stehen und auf diesen abrollen können. Die Rollen 24 dienen
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dabei zur radialen Halterung des Doppelzylinders 20. An der Vorderkante des Grundrohres sind ausserdem nach vorn vorstehende Rollen 25 angeordnet, welche den Doppelzylinder 20 in axialer Richtung abstützen und die Vortriebskraft übertragen.
An dem Doppelzylinder 20 sind die eigentlichen Fräswerkzeuge 18 befestigt, welche nach vorn vorstehen. Die Aussenkante der Fräswerkzeuge 18 bestimmt die Wandung der ausgefrästen Bohrung. Die Innenkante der Färswerkzeuge verläuft vorzugsweise schräg nach innen.
Der Antrieb des Ringfräsers 12 ist am besten aus den Fig. 3 und 4 in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 zu erkennen.
An den Innenflächen der Teilzylinder 20a und 20b ist jeweils ein ringförmiger Sägezahnkranz 21a bzw. 21b befestigt. Die beiden Zahnkränze 21 und 21b sind gemäss Fig. 2 gegeneinander versetzt. An dem Grundrohr 11 sind gegenüber den Zahnkränzen hydraulische Pressen 22a bzw.
22b mit Stosskolben 23a, 23b angelenkt, deren Stosskolbenenden mit den Zähnen der Zahnkränze zusammenpassen. Sie sind durch Federn 27a bzw. 27b in der Weise vorgespannt, dass ihreStosskol- ben 23a bzw. 23b mit den Sägezahnkränzen 21a bzw. 21b in Eingriff stehen. In Fig. 3sindsämtli- che Federn 27b, der Übersichtlichkeit halber jedoch nur einige der Federn 27a dargestellt.
Die hydraulischen Pressen sind doppelt wirkend und können in der einen oder andern Richtung durch Anschlussan eine geeignete steuerbareDruckmittelquelle betätigt werden. Werden die Stosskolben 23a bzw. 23b ausgestossen, so erfolgt eine Drenbewegung des Doppelzylinders 20 und damit der Fräswerkzeuge 18 relativ zum Grundrohr 11.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Pressenpaare derart an die Druckmittelquelle angelegt und gesteuert, dass, wenn die eine Gruppevon Stosskolbenpaaren ausgestossen werden, die übrigen Stosskolbenpaare eingezogen werden, wobei sie über die Zähne der Sägezahnkränze ratschen. Auf diese Weise kann eine stetige Drehbewegung erzielt werden, wobei immer die eine Hälfte der Stosskolbenpaare ausgefahren, die andere Hälfte eingezogen wird. In Fig. 4 ist diese Arbeitsweise dadurch veranschaulicht, dass der linke Stosskolben 23a im ausgestossenen, der rechte 23b im eingefahrenen Zustand dargestellt ist.
Durch die Federn 27a, 27b werden die Enden der Stosskolben 23a, 23b fortwährend in Eingriff mit den Zahnkränzen gehalten.
In Fig. 4 sind im übrigen noch die beiden Druckmittelleitungen 28a, 28b eingezeichnet, welche das Ausstossen bzw. das Einziehen der Stosskolben bewirken. Dadurch, dass der Antrieb des Ringfräsers auf dem hydraulischen Prinzip beruht, ist die Übertragung grosser Kräfte, wie sie z. B. zum Ausbrechen von Fels notwendig sind, möglich. Die beschriebene Anordnung hat aber noch den weiteren Vorteil, dass sie sehr platzsparend ist. Bei bekannten Vortriebsmaschinen ist der gesamte Querschnitt der Maschine von Antriebselementen, wie Motoren u. dgl. ausgefüllt.
Um den für die Anbringung der hydraulischen Pressen 22 erforderlichen Raum zu vergrössern, sind gemäss den Zeichnungen Ausschnitte 26 in der Aussen-und Innenwand des vorzugsweise doppelwandig ausgebildeten Grundrohres 11 vorgesehen.
Die auf den inneren Schrägzahnkranz 21a wirkenden Pressen 22a erstrecken sich durch die Ausschnitte 26 zu der Aussenwandung des Grundrohres 11, wo sie angelenkt sind. Die mit dem äusseren Sägezahnkranz 21b zusammenwirkenden Pressen 22b erstrecken sich ebenfalls durch die Ausschnitte 26 zur Innenwandung des Grundrohres 11.
Unmittelbar hinter demRingfräser 12 sitzt auf dem Grundrohr 11 ein mit diesem fest verbundenes Führungsrohr 13 auf. Dieses ist wesentlich kürzer als das Grundrohr und hat vorzugsweise die halbe Länge des Grundrohres 11. Der Aussendurchmesser des Führungsrohres 13 ist im wesentlichen gleich demDurchmesser derausgefrästenTunnelbohrung. DasRohr 13 dient zur Führung der Vortriebsmaschine innerhalb der Tunnelbohrung.
Zwischen dem hinteren Teil des Führungsrohres 13 und dem Grundrohr 11 sind weitere hydraulische Pressen 14 angeordnet, welche durch Leitungen 34 mit Druck versorgt werden und deren Stosskolben 17 nach hinten aus demFührungsrohr 13 herausragen. An den Enden der Stosskolben 17 sind Kreissegmente 16 befestigt, welche aneinander liegen und zusammen einen sich um das Grundrohr 11 erstreckenden Ring bilden. Hinter den Kreissegmenten 16 sind auf einem Umfangskreis des Grundrohres 11 zahlreiche Öffnungen 15 zum Einbringen des Betons vorgesehen.
Am Boden des Grundrohres 11 ist hinter dem Führungsrohr 13 eine Kiellamelle 31 befestigt, welche die Aufgabe hat, das beim Betrieb des Ringfräsers 12 auftretende Gegendrehmoment auf den Beton und über diesen auf das Gebirge 10 zu übertragen. Die Kiellamelle 31 kann natürlich auch an jeder andern Stelle des Grundrohres 11 angebracht sein. Sie hinterlässt einen rillenartigen Kanal
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im Beton, welcher entweder nachträglich geschlossen werden kann oder zum Verlegen von Leitungen oder zur Ableitung von Flüssigkeiten dienen kann.
Nach den Fig. 2 und 5 ist der äussere Zylinder des Grundrohres 13 durch ein sich verjüngendes Schliessblech 13a nach innen verlängert, um einen vollständig dichten Ringraum zum Einpressen des Betons zu schaffen.
Zum Austragen des abgebauten Materials kann unmittelbar hinter demRingfräser 12 eine um die Längsachse der Anordnung drehbare Trommel 34 über Rollen an dem Grundrohr 11 gelagert sein.
Innen an der Trommel 34 sind mehrere Muldenbehälter 37 befestigt, welche bei der Drehung der Trommel unten das abgebaute Material aufnehmen. Im Bereich ihrer höchsten Lage fällt das Material aus dem Muldenbehälter 37 auf eine Rutsche 38, von wo es auf ein Förderband od. dgl. gelangt.
Der Drehantrieb der Trommel 34 erfolgt ähnlich wie der des Doppelzylinders 20. Aussen auf der Trommel 34 ist ein ringförmiger Zahnkranz 36 befestigt, welcher mit den Stosskolben von durch Ausnehmungen im Grundrohr 11 greifenden, am Führungsrohr 13 angelenkten hydraulischen Pressen 35 zusammenwirkt. Die hydraulischen Pressen sind wieder durch nicht dargestellte Federn in Eingriff mit dem Zahnkranz gebracht.
Die Vortriebsmaschine gemäss der Erfindung arbeitet wie folgt :
Nach Rückziehung der Stosskolben 17 wird in den entstehenden Ringraum flüssiger Beton durch die Öffnungen 15 in den Zwischenraum zwischen dem Grundrohr 11 und dem Gebirge 10 gespritzt, so dass er an dem bereits verpressten Beton 30 haftet. Alsdann werden die hydraulischen Pres- sen 14 unter Druck gesetzt. Dadurch wird einerseits eine Vortriebskraft auf den umlaufenden Ringfräser 12 übertragen, anderseits bewirkt die Reaktionskraft, dass der eingespritzte Beton verpresst wird.
Nach einem Vorschub von 5 bis 30 mm werden die Stosskolben 17 dann wieder um dieses Stück eingezogen, worauf weiterer Beton eingespritzt wird und die Pressen 14 wieder unter Druck gesetzt werden. Da das Rückziehen der Kolben 17 und das Einspritzen des Betons in den relativ kleinen Ringraum relativ schnell vor sich gehen, ist die Arbeitsweise der Vorrichtung quasi kontinuierlich.
Das von den Fräswerk-/eugen 18 ausgebrochene oder bei Sandboden ausgeschaufelte Material fällt in die Muldenbehälter 37, von wo es über die Rutsche 38 auf ein Förderband 32 gelangt. Der Beton kann durch geeignete Fahrzeuge an die Arbeitsstelle befördert werden.
Die innerhalb eines Viertelkreissektors liegenden Pressen 14 sind vorzugsweise an eine gesonderte steuerbare Druckmittelquelle angeschlossen, so dass vier Gruppen von gesondert steuerbaren Pressen vorliegen. Indem nun die verschiedenen Pressengruppen mit verschieden grossen Drücken beaufschlagt werden, kann das Fräsen einer Kurve in einer Horizontal-, Vertikal- oder sonstigen Zwischenebene veranlasst werden. Selbstverständlich ist der Krümmungsradius einer zu fräsenden Kurve auf einen minimalen Wert begrenzt. In zahlreichen Fällen, z. B. beim U-Bahnbau reicht der erzielbare minimale Krümmungsradius jedoch fur alle Bedürfnisse aus.
Die Vortriebsmaschine gemäss der Erfindung gestattet also ein gleichzeitiges Ausfräsen und Ausbetonieren von Tunnels, wobei die beim Vortrieb des Fräsers zwangsläufig auftretende Reaktionskraft in vorteilhafter Weise zum Verpressen des hinterfüllten Betons ausgenutzt wird. Die erfindungsgemässe Antriebsvorrichtung erfordert wenig Platz, obwohl ein beträchtliches Drehmoment erzielt wird.
Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass, falls der von der Betonpumpe gelieferte Druck nicht
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Flansch ausgerüstet sind, der beim Ausstossen der Kolben 17 die Öffnungen 15 verschliesst.
Die Länge des Schleifbleches 13a ist so gross, dass der Beton 30 beim Betrieb der Maschine an der Hinterkante des Schleifbleches gerade noch verformbar ist, um sich an die Bohrungswand anzuschmiegen.
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