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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Veränderung der Lage von Tübbingringen in einem Tunnelquerschnitt während des Tunnelvortriebs, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Tunnelbohrmaschinen, wie sie bei der Auffahrung unterirdischer Hohlräume in wasserführendem Gebirge mit einschaligem Tübbingausbau eingesetzt werden, bestehen in der Regel aus einem vorderen Teil, dem eigentlichen Vortriebsschild, einem Tübbing versetzgerät für die Errichtung der Tübbingringe, einen Leitstand mit Steuerrechner und einem Nachläufer. Der Einbau der Tübbingringe erfolgt dabei im Schutz des Vortriebsschildes unmittelbar vor dem Hub der Maschine. Im Zug des Hubes verlässt der Schild einen zwischen Tübbingring und Gebirge ausgebildeten Spalt. Der Spalt wird anschliessend hinterfüllt.
Aufgrund des sich auf den Tübbingring auswirkenden Gebirgsdruckes ist eine messtechnische Überwachung der Tübbingschale erforderlich, um eine dauerhafte Schädigung des Ausbaues zu vermeiden. Verschiedene Messmethoden wurden bisher eingesetzt, jedoch weisen alle verschiedene Eigenschaften auf, die nur zu einer eingeschränkten Akzeptanz geführt haben:
- zu lange Messdauer (teilweise grösser als 5 Minuten)
- manuelle Durchführung
- Montage von geeigneten Zielmarken erforderlich (Montage, Beschädigungsgefahr)
Aus der DE 42 37 689 C2 ist ein Verfahren zum Ermitteln des radialen Abstandes zwischen der Innenfläche des rückwärtigen Teils eines Vortriebsschildes und der Aussenfläche einer Tübbingauskleidung bekannt. Die Vermessung des Ringspaltes, also des Abstandes zwischen dem Schild und dem Tübbing, hat insbesondere den Zweck, die Dichtung zu kontrollieren.
Es wird dabei nicht die Geometrie zwischen den einzelnen Tübbingen, sondern zwischen Tübbing und Schild gemessen. Zur Messung des Ringspaltes werden mindestens drei fix installierte Entfernungsmesser eingesetzt und zwar für jeden zu messenden Radialwert einen. Der Ringspalt wird nur zu einem einzigen Zeitpunkt ermittelt, es erfolgt somit eine Momentaufnahme ohne spätere Wiederholung. Eine Wiederholungsmessung zu einem späteren Zeitpunkt nach Einbau des nächsten Tübbingringes wäre mit dem bekannten Verfahren auch nicht möglich, da die Sensoren stationär montiert sind, nur einen fixen Messstrahl aufweisen und der für die Berechnung erforderliche Teil des Schildes durch den Tübbing verdeckt ist und daher nicht mehr messbar ist.
Weiters ist aus der DE 101 03 711 AI ein Verfahren zur Vermessung des Abstandes zwischen der Schildaussenfläche und dem Gebirge bekannt, um das Volumen bestimmen zu können. Auch hier handelt es sich um eine Bestandsaufnahme zu einem einzigen Zeitpunkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem mit geringem Aufwand eine messtechnische Überwachung der Tübbingschale ermöglicht wird.
Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch folgende Schritte
- Bereitstellen zumindest einer Scannereinrichtung, vorzugsweise eines Laserscanners, zum berührungslosen Abtasten zumindest einer definierten Messzone am Innenmantel benachbarter Tübbingringe;
- Berührungsloses dreidimensionales Abtasten der Messzone und Ermittlung zumindest einer Sehnenlänge zumindest einer Tübbingringsehne zumindest eines Tübbingringes zu einem ersten Zeitpunkt;
- Berührungsloses dreidimensionales Abtasten der Messzone und Ermittlung der Sehnenlänge dieser Tübbingringsehne zu einem zweiten Zeitpunkt;
- Ermittlung der Veränderung aus der Differenz der zu den beiden Zeitpunkten erfassten Sehnenlängen.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Erfassung der Sehnenlänge unmittelbar vor jedem Hub nach Einbau des Tübbingringe erfolgt.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es möglich, bei jedem Scanvorgang mehrere Tübbingringe gleichzeitig zu erfassen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Berechnung der Sehnenlängen durch eine automatische Erkennung der jeweiligen Messzonen auf der inneren Mantelfläche der Tübbingringsegmente beideits einer Trennfuge zwischen einem First-Tübbingsegment und einem UlmTübbingsegment erfolgt.
Auf die Montage von geeigneten Zielmarken kann verzichtet werden, wenn idente Flächen für die Folgemessungen anhand der den Tübbingsegmenten eigenen Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit identifiziert werden.
Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung vorgesehen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass durch die dreidimensionale berührungslose Abtastung dreidimensionale Koordinaten der Messzone und/oder die Reflexions intensität der Oberfläche der Messzone erfasst werden, und wobei die Scaneinrichtung entgegen der Vortriebsrichtung auf zumindest eine definierte Messfläche auf der Innenseite der Tübbingringe gerichtet ist,
wobei vorzugsweise die Scaneinrichtung über einen Steuerrechner am Leitstand der Tunnelbohrmaschine gesteuert wird.
Bisherige Messverfahren arbeiten mit zu installierenden Zieleinrichtungen auf den Tübbingringen und geometrischer Einmessung mittels eines Vermessungsinstrumentes oder durch direkte Längenmessung mittels Massband oder Laserentfernungsmesser, welche an entsprechend gekennzeichneten Punkten manuell angehalten werden.
Das vorliegende Verfahren arbeitet mit einem Laserscanner, welcher von einer fixen Position aus die Tübbingflächen in einem dichten Raster dreidimensional berührungslos erfasst.
Die dabei gewonnenen Messdaten sind einerseits dreidimensionale Koordinaten, andererseits die Reflexionsintensität der Oberfläche, wodurch zusätzlich eine Bildinformation vorliegt.
Anhand der Bildinformation werden unter Anwendung von Methoden der digitalen Bildverarbeitung die Begrenzungslinien (Fugen) zwischen den einzelnen Tübbingsegmenten erkannt. Die erkannten Begrenzungslinien dienen in weiterer Folge für die Berechnung der exakten 3D-Positon von verschiedenen signifikanten Punkten auf den Tübbingflächen, zwischen denen dann Strecken berechnet werden können. Messungen verschiedener Aufnahmezeitpunkte können somit durch die Erkennung der Kanten und daraus abgeleiteten signifikanten Punkten eindeutig, d.h. bezüglich physikalisch identer Punkte an den Tübbingflächen verglichen werden.
Der Vergleich dieser Messergebnisse liefert dadurch die gewünschten Veränderungen der Tübbingsehne und der Tübbinglage.
Durch die vollflächige automatische Messung mittels berührungslosen und bildhaften Sensoren kann eine digitale und automatische Auswertung der Messdaten erfolgen.
Falls Sichtbehinderungen zwischen der Scaneinrichtung und den zu messenden Tübbingringen vorliegen, kann eine zweite Scaneinrichtung im Bereich des Nachläufers der Tunnelbohrmaschine vorgesehen sein, wobei die zweite Scaneinrichtung in Vortriebsrichtung auf zumindest eine definierte Messzone an der inneren Mantelfläche der Tübbingringe gerichtet ist.
Eine zweite Scaneinrichtung ist auch vorteilhaft, um generell das Verhalten der Sehnenänderungen in einem längeren räumlichen und zeitlichen Abstand zu erfassen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. - -
Es zeigen schematisch Fig. 1 eine Vortriebsmaschine mit einer erfindungsgemässen ersten Scaneinrichtung in einer Aufrissdarstellung, Fig. 2 den Tunnel in einem Querschnitt, Fig. 3 ein Diagramm, welches die erfasste ringbezogene Verformung zeigt und Fig. 4 ein Diagramm mit einer erfassten zeitbezogenen Verformung.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Tunnel 1 mit einer Tunnelbohrmaschine 2. Die Tunnelbohrmaschine 2 weist an ihrer Front ein Schneidrad 3 und ein Schild 4 auf, in welchem eine Scaneinrichtung 5 angeordnet ist.
Mit Bezugszeichen 6 ist der Arbeitsbereich eines Tübbingversetzgerätes 14 für die Errichtung der Tübbingringe 7 bezeichnet, welche mit nO, n-1, n-2, n-3, n-4, n-5,... durchnumeriert sind. Dem Arbeitsbereich 6 des Tübbingerversetzgerätes 14 folgt der Leitstand 8 mit dem Steuerrechner 9. Daran anschliessend weist die Tunnelbohrmaschine 2 einen Nachläufer 10 auf.
Jeder Tübbingring 7 besteht aus mehreren Tübbingsegmenten, von welchen in Fig. 2 das First-Tübbingsegment 7a und zwei Ulm-Tübbingsegmente 7b eingezeichnet sind. Zwischen dem First-Tübbingsegment 7a und den Ulm-Tübbingsegmenten 7b sind Trennfugen 11 ausgebildet. Weitere Trennfugen 12 befinden sich zwischen den Ulm-Tübbingsegmenten 7b und dem in Fig. 2 nicht dargestellten Sohl-Tübbingsegmenten 7c.
Die Trennfugen 11, 12 zwischen den Segmenten benachbarter Tübbingringe 7 können - wie in Fig. 1 dargestellt - in Richtung der Tunnelachse fluchtend oder versetzt zueinander ausgebildet sein.
Die 3D-Saneinrichtung 5 ist in einem nicht weiter ersichtlichen Schutzgehäuse angeordnet, welches im Bereich der vorderen Plattform der Tunnelbohrmaschine 2 in der Höhe der Trennfugen 11 zwischen First- und Ulm-Tübbingen 7a, 7b montiert ist. Der Steuerrechner 9 im Leitstand 8 kann mit einem Touchscreen zur Bedienung und zur graphischen Ergebnisdarstellung ausgestattet sein. Der Stromanschluss des 3D-Scanners 5 erfolgt im Leitstand 8.
Zwischen der Scanvorrichtung 5 und dem im Leitstand 8 angeordneten Steuerrechner 9 sind Steuer- und Stromleitungen ausgebildet.
Die Messung erfolgt zu einem festen Zeitpunkt innerhalb des Arbeitszyklus beispielsweise vor jedem Hub und nach Einbau des Tübbingringes 7. Andere Messzeitpunkte sind grundsätzlich möglich und können manuell gestartet werden. Mit jeder Messung werden mehrere Ringe beispielsweise nO bis n-3 erfasst, wobei nO der zuletzt eingesetzte Tübbingring 7 ist. Sollten die Ringe n-2 und n-3 durch Sichtbehinderungen und sonstige Störungen schwer erfassbar sein, so bietet sich die optionale Installation einer zweiten Scan Vorrichtung an einer geeigneten Stelle im Bereich des Nachläufers 10 an. An dieser Stelle könnte gegebenenfalls auch generell das Verhalten der Sehnenänderungen in y[delta] einem längeren räumlichen und zeitlichen Abstand erfasst werden.
Nach Abschluss der Messung kann unmittelbar der Start des nächstes Hubes der Tunnelbohrmaschine 2 erfolgen.
Die Ringnummer des aktuellen Ringes nO wird einmal bei Systemstart eingegeben und bei jedem Messdurchgang automatisch um eins erhöht. Manuell gestartete Messungen erfordern auch die manuelle Eingabe der jeweiligen Ringnummer.
Die Berechnung der Sehnenlängen sl, s2,... etc. erfolgt durch eine automatische Erkennung der jeweiligen Messzonen 13 auf der Tübbingoberfläche ober- und unterhalb der Trennfuge 11 getrennt für jeden Ring 7 und nach folgender Berechnung der 3D-Koordination des Schwerpunktes jeder Zone.
Die Ergebnisdaten werden für eine langfristige und nachhaltige Verwendbarkeit strukturiert gespeichert.
In Fig. 2 sind schematisch die Sehnenlängen sl zwischen zwei Ulm-Tübbingsegmenten 7b und die Sehnenlänge s2 für die First-Tübbingssehne eingezeichnet.
Zu jedem Zeitpunkt kann am Steuerrechner 9 der aktuelle Status der Verformung jedes einzelnen Tübbingringes 7 dargestellt werden.
Dies erfolgt durch eine einfache Zeit-Verformungsgrafik und auch durch eine stationsbezogene Darstellung der jeweiligen Maximalverformungen.
Das Ergebnis der Messung kann beispielsweise die ringbezogene oder die zeitbezogene Verformung der Tübbingringe 7 sein.
In Fig. 3 ist die ringbezogene Verformung V über den Ringnummern n für eine 0Messung Tl, sowie für Folgemessungen T2, T3 und T4 dargestellt.
Fig. 4 zeigt die Verformung V in Millimeter über der Zeit T für die Tübbingringe ni bis n7aufgetragen.
Über die mit dem Schild 4 mitfahrende als Laserscanner ausgebildete Scaneinrichtung 5 werden die Messzonen 13 der Tübbingringe 7 in einem dichten Raster dreidimensional berührungslos erfasst.
Die dabei gewonnenen Messdaten sind einerseits dreidimensionale Koordinaten, andererseits die Reflexionsintensität der Oberfläche, wodurch zusätzlich eine Bildinformation vorliegt.
Anhand der Bildinformation werden unter Anwendung von Methoden der digitalen Bildverarbeitung die Trennfugen 11 zwischen den einzelnen Tübbingsegmenten 7a, 7b erkannt. Die Begrenzungslinien dienen in weiterer Folge für die Berechnung der exakten 3D-Position von verschiedenen signifikanten Punkten auf den Tübbingflächen, zwischen denen dann Strecken berechnet werden können. Messungen verschiedener Aufnahmezeitpunkte können somit durch die Erkennung der Kanten und daraus abgeleiteten signifikanten Punkten eindeutig verglichen werden. Der Vergleich dieser Messergebnisse liefert dadurch die gewünschten Veränderungen der Tübbingsehne und Tübbinglage.
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The invention relates to a method for determining the change in the position of tubbing rings in a tunnel cross-section during tunneling, as well as a device for carrying out the method.
Tunnel boring machines, such as those used in the excavation of underground cavities in water-bearing mountains with einschaligem segmental lining, usually consist of a front part, the actual tunneling shield, a Tübbing staggering device for the construction of tubbing rings, a control room with control computer and a trailer. The installation of the tubbing rings takes place in the protection of the tunneling shield immediately before the stroke of the machine. In the course of the stroke, the shield leaves a gap formed between the tubbing ring and the mountains. The gap is then backfilled.
Due to the effect on the tubbing ring rock pressure is a metrological monitoring of the tubbing shell required to avoid permanent damage to the expansion. Various measuring methods have been used so far, but all have different properties that have only led to a limited acceptance:
- too long measurement time (sometimes more than 5 minutes)
- manual execution
- Installation of suitable targets required (installation, risk of damage)
From DE 42 37 689 C2 a method for determining the radial distance between the inner surface of the rear part of a tunneling shield and the outer surface of a tubing lining is known. The measurement of the annular gap, so the distance between the shield and the tubbing, in particular has the purpose to control the seal.
It is not the geometry between the individual segments, but measured between tubing and shield. At least three permanently installed rangefinders are used to measure the annular gap, specifically for each radial value to be measured. The annular gap is determined only at a single time, so there is a snapshot without later repetition. A repeat measurement at a later time after installation of the next tubbing ring would not be possible with the known method, since the sensors are mounted stationary, have only a fixed measuring beam and the part of the shield required for the calculation is covered by the tubbing and therefore no longer is measurable.
Furthermore, from DE 101 03 711 AI a method for measuring the distance between the shield outer surface and the mountains is known to determine the volume can. Again, this is an inventory at a single time.
The object of the invention is to develop a method with which a metrological monitoring of the tubbing shell is made possible with little effort.
According to the invention, this is achieved by the following steps
- Providing at least one scanner device, preferably a laser scanner, for non-contact scanning at least one defined measuring zone on the inner shell of adjacent tubbing rings;
- Non-contact three-dimensional scanning of the measuring zone and determination of at least one chord length of at least one tubbing ring chord of at least one tubbing ring at a first time;
- Non-contact three-dimensional scanning of the measuring zone and determination of the chord length of this tubbing ring tendon at a second time;
Determination of the change from the difference of the chord lengths acquired at the two times.
Preferably, it is provided that the acquisition of the chord length is done immediately before each stroke after installation of tubbing rings.
With the method according to the invention, it is possible to detect several segment rings simultaneously during each scan. It is particularly advantageous if the calculation of the chord lengths by an automatic detection of the respective measuring zones on the inner circumferential surface of the tubbing segments takes place on both sides of a parting line between a first-segment segment and a UlmTübbingsegment.
The installation of suitable target marks can be dispensed with if identical areas for the subsequent measurements are identified on the basis of the segment geometry and surface texture.
For carrying out the method, a device is provided, which is characterized in that the three-dimensional contactless scanning three-dimensional coordinates of the measuring zone and / or the reflection intensity of the surface of the measuring zone are detected, and wherein the scanning device against the advancing direction on at least one defined measuring surface is directed to the inside of the tubbing rings,
wherein preferably the scanning device is controlled by a control computer at the control station of the tunnel boring machine.
Previous measuring methods work with target devices to be installed on the tubbing rings and geometric measurement by means of a surveying instrument or by direct length measurement by means of a measuring tape or laser rangefinder, which are manually stopped at correspondingly marked points.
The present method works with a laser scanner, which detects the tubbing surfaces in a dense grid three-dimensionally without contact from a fixed position.
On the one hand, the measured data obtained are three-dimensional coordinates, on the other hand the reflection intensity of the surface, which additionally provides image information.
Based on the image information, the boundary lines (joints) between the individual segment segments are detected using methods of digital image processing. The detected boundary lines subsequently serve for the calculation of the exact 3D position of various significant points on the tubbing surfaces, between which distances can then be calculated. Measurements of different acquisition times can thus be unambiguously identified by the detection of the edges and significant points derived therefrom. with respect to physically identical points on the tubbing surfaces.
The comparison of these measurement results thereby provides the desired changes in the tubal tendon and the tubbing position.
The full-surface automatic measurement by means of non-contact and pictorial sensors enables a digital and automatic evaluation of the measured data.
If there are visual obstructions between the scanning device and the tubbing rings to be measured, a second scanning device can be provided in the region of the tunnel boring machine follower, wherein the second scanning device is directed in the advancing direction to at least one defined measuring zone on the inner circumferential surface of the tubbing rings.
A second scanning device is also advantageous in order to generally detect the behavior of the tendon changes in a longer spatial and temporal distance.
The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. - -
1 shows a tunneling machine with a first scanning device according to the invention in an elevational view, FIG. 2 shows the tunnel in a cross section, FIG. 3 shows a diagram showing the detected ring-related deformation, and FIG. 4 shows a diagram with a time-related deformation detected.
Fig. 1 shows a longitudinal section through a tunnel 1 with a tunnel boring machine 2. The tunnel boring machine 2 has at its front a cutting wheel 3 and a shield 4, in which a scanning device 5 is arranged.
Reference numeral 6 designates the working range of a tubbing displacement device 14 for the construction of the tubbing rings 7, which are numbered n0, n-1, n-2, n-3, n-4, n-5,... The work area 6 of the Tübbingerversetzgerätes 14 follows the control station 8 with the control computer 9. Subsequently, the tunnel boring machine 2 has a trailer 10.
Each tubbing ring 7 consists of several tubbing segments, of which the first tubule segment 7a and two ulm tubule segments 7b are shown in FIG. Between the first-segment segment 7a and the Ulm-segment segments 7b joints 11 are formed. Further parting lines 12 are located between the segmental segmental segments 7b and the segmental segmental segments 7c (not shown in FIG. 2).
The parting lines 11, 12 between the segments of adjacent segmental rings 7 can - as shown in Fig. 1 - be aligned or staggered in the direction of the tunnel axis.
The 3D Saneinrichtung 5 is arranged in a not further apparent protective housing which is mounted in the region of the front platform of the tunnel boring machine 2 in the height of the parting lines 11 between ridge and Ulm segments 7a, 7b. The control computer 9 in the control station 8 can be equipped with a touchscreen for operation and for graphical presentation of results. The power connection of the 3D scanner 5 takes place in the control station 8.
Control and power lines are formed between the scanning device 5 and the control computer 9 arranged in the control station 8.
The measurement takes place at a fixed time within the work cycle, for example before each stroke and after installation of the tubbing ring 7. Other measuring times are basically possible and can be started manually. With each measurement, a plurality of rings, for example nO to n-3, are detected, where nO is the last inserted tubbing ring 7. If the rings n-2 and n-3 are difficult to detect due to visual obstructions and other disturbances, then the optional installation of a second scanning device at a suitable location in the region of the post-rotor 10 offers itself. At this point, the behavior of the tendon changes in y [delta] could also be detected in general over a longer spatial and temporal distance.
After completion of the measurement, the start of the next stroke of the tunnel boring machine 2 can take place immediately.
The ring number of the current ring nO is entered once at system startup and automatically increased by one each time the measurement passes. Manually started measurements also require manual entry of the respective ring number.
The calculation of the chord lengths sl, s2, etc. takes place by an automatic detection of the respective measuring zones 13 on the tubbing surface above and below the parting line 11 separately for each ring 7 and following calculation of the 3D coordination of the center of gravity of each zone.
The result data are stored structured for a long-term and sustainable usability.
In Fig. 2, the chord lengths sl between two Ulm Tübbingsegmenten 7b and the chord length s2 are schematically drawn for the first Tübbingssehne.
At any point in time, the current status of the deformation of each individual segmental ring 7 can be displayed on the control computer 9.
This is done by a simple time-deformation graph and also by a station-related representation of the respective maximum deformations.
The result of the measurement can be, for example, the ring-related or the time-related deformation of the tubbing rings 7.
FIG. 3 shows the ring-related deformation V over the ring numbers n for a 0 measurement T1, as well as for follow-up measurements T2, T3 and T4.
Fig. 4 shows the deformation V in millimeters over the time T for the tubbing rings ni to n7 applied.
The measuring zones 13 of the tubbing rings 7 are detected in a three-dimensional contactless manner in a three-dimensional manner via the scanning device 5 which moves along with the plate 4 and is designed as a laser scanner.
On the one hand, the measured data obtained are three-dimensional coordinates, on the other hand the reflection intensity of the surface, which additionally provides image information.
Based on the image information, the separation joints 11 between the individual tubbing segments 7a, 7b are detected using methods of digital image processing. The boundary lines are then used to calculate the exact 3D position of various significant points on the tubbing surfaces, between which distances can then be calculated. Measurements of different recording times can thus be clearly compared by detecting the edges and the significant points derived therefrom. The comparison of these measurement results thus provides the desired changes in the segmental tendon and Tübbinglage.