CN113597492B - 用于在地面上开设孔洞的土壤去除装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于借助去除工具在地面上开设孔洞的土壤去除装置和方法，该去除工具被设计和能被驱动用来去除土壤材料。根据本发明，在所述去除工具上设置了至少一个图像检测单元，该图像检测单元被设计用来在所述去除工具引入土壤中时，且在去除土壤材料的同时，产生现有土壤的图像。

Description

用于在地面上开设孔洞的土壤去除装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助去除工具在地面上开设孔洞的土壤去除装置，该去除工具被设计和能被驱动用来去除土壤材料。

本发明还涉及一种用于在地面上开设孔洞的方法。

背景技术

为了有效去除土壤材料，非常重要的是，了解要处理的土壤类型。每种类型的土壤都有一定的强度，针对该强度需要在土壤去除装置上分别设定特别是有关切削速度和进给的适当的去除参数。特别是当在地面上垂直开设孔洞时，问题在于，地面通常由不同的土壤层构成。例如，如果针对沙土或粘土设定了机器参数，则这些参数在去除岩石土壤层时可能不利。尤其是，如果去除齿的切削速度或进给设定得太大，则去除工具可能会出现过度磨损。

由EP3536900A1已知一种用于土壤处理的方法和施工设备，其中，土壤处理工具被旋转驱动。通过声音测量机构，检测在处理土壤时产生的声音。通过控制和评估单元，借助所检测的声音值来确定土壤类型。这可以用于控制施工设备。

由DE102007005560A1已知另一种通过针对隧道钻孔机进行声音测量来处理土壤和确定土壤类型的方法。

根据在作用于土壤时的声辐射确定土壤类型是对土壤类型的间接确定。在这种情况下，确定土壤类型的先决条件是，进行先前的测量，借助这些测量来确定出各种土壤类型的声辐射行为。然而，例如有关土壤层含水量、土壤层深度的微小的土壤变化，或者还有机器加工参数或还有去除部件本身的微小变化，就已经会对土壤的声辐射产生影响。由此难以可靠地且快速地识别土壤。

此外已知具有观察玻璃的压入探头，这些压入探头可以压入土壤中。透过观察玻璃，可以借助摄像头装置观察周围的土壤。通过在此所检测到的图像，可以对土壤结构做出判断。

由KR20150139108A或EP3428388A1已知隧道钻孔，其例如用于建造地铁隧道或公路隧道。它们具有带大量牙轮钻头的钻孔护罩，其中这些牙轮钻头可以具有高达10米及更大的直径。可以在钻孔护罩上设置摄像头单元。

由CN207847535和CN204371102已知具有集成摄像头的钻孔头，其中，可以视觉地检查由钻孔工具产生的钻孔表面。在CN207847535中，在透明外壳中在钻孔尖端上方设置了一个全景相机，该全景相机可以检测大地层的穿孔层，并将其无线传输到地表。在CN207847535中，不能在去除时直接检测现有土壤，即在一个或多个去除工具的区域内进行检测。

CN204371102公开了一种用于勘探钻孔的激光切割头，其中，可以通过摄像机来检测激光切割过程。激光切割过程在堵塞后和在机械切割头停止时启动。在此，首先打开激光切割机构和观察机构的保护盖。激光切割装置轴向地从钻头伸出，以便破碎位于钻孔底部的岩石结构。在此过程中，机械钻头静止不动，并且在激光切割装置缩入并关闭防护罩以移除钻底后才会再次旋转。也就是说，使用该检测装置也无法在去除土壤材料时对现有的土壤进行直接检测，因为在机械钻孔时保护盖的确是关闭的。

发明内容

本发明的目的是，提出用于在地面上开设孔洞的土壤去除装置和方法，其能实现特别有效地去除土壤材料。

根据本发明，该目的一方面通过一种根据本发明的土壤去除装置来实现，另一方面通过一种根据本发明的方法来实现。本发明具有多个优选实施方式。

根据本发明的土壤去除装置的特征在于，在去除工具上设置了至少一个图像检测单元，该图像检测单元用于在去除土壤材料时直接检测现有的土壤，该图像检测单元被设计用来在去除工具引入土壤中时，在去除土壤材料的同时，产生现有土壤的图像。

可以看出，本发明的基本构思在于，提出一种用于在去除土壤材料即粉碎和输出土壤材料的同时在地面上开设孔洞的土壤去除装置，在去除工具本身上设置有至少一个图像检测单元，在去除工具引入到土壤中时且在挖出孔洞时利用该图像检测单元产生一个或多个图像，这些图像也可以形成影像。由此在去除土壤材料期间就已经可以检测现有的土壤。在此，对现有土壤进行直接的立即的检测。现有土壤的图像允许立即特别是推断出土壤类型、土壤中的成分和/或土壤特性。

原则上，影像检测单元可以检测所去除的土壤材料。但特别优选的是，至少一个图像检测单元在去除工具上布置在紧邻土壤之处。通过检测尽可能未经处理的土壤，可以进行特别精确的土壤识别。在此，图像检测单元可以布置在去除工具的外侧，特别是布置在下部区域或旁侧区域中。在此，图像检测单元可以具有一个或多个能够实现电子图像检测的电子的图像检测传感器，尤其是CCD传感器。光敏传感器可以直接布置在去除工具上或与其间隔开地布置，其中，在后者情况下，可以通过光学器件检测图像并利用光导传送至传感器。附加地，可以在图像检测单元上设置照明部件。该照明部件可以发出适合于图像检测和评估的自然光或特殊光，如彩色光和/或偏振光。所检测的图像可以优选地无线地或通过数据线传送给土壤去除装置上的相应的评估单元。

本发明的一种优选实施方式在于，去除工具被设计为具有钻孔轴线的钻孔工具，钻孔工具可围绕该钻孔轴线被驱动旋转，并且钻孔工具可沿着该钻孔轴线推进。在此，钻孔轴线可以基本上竖直地布置，从而可以从地表竖直向下钻出钻孔，例如用来在地面上建造基础桩。为了驱动，可以设置旋转驱动器，必要时设置进给驱动器。钻孔工具可以是螺旋钻、箱钻或其它的钻孔工具。

在此特别有利的是，钻孔工具在下端设计有导向尖端，并且至少一个图像检测单元布置在导向尖端的区域中。导向尖端也称为定心尖端，且通常相对于钻孔轴线居中地布置在钻具下端。在此，导向尖端是钻具的最下面的区域或最前面的区域，该区域进入到大部分尚未处理的土壤中。使用在导向尖端区域中的图像检测单元，于是可以以高可靠性产生直接现有的土壤的图像。

可以看出，本发明的一种特别有利的改进在于，导向尖端具有杆，在杆的下端设置了至少一个去除部件，并且至少一个图像检测单元设置在该杆上。由此，图像检测单元不位于导向尖端的前部区域中。该前部区域由一个或多个去除部件特别是去除切削刃或去除尖端形成。在钻孔前进方向的后方，至少一个图像检测单元布置在导向尖端的优选圆柱形的杆上。在此，图像检测单元优选地被透明的保护部件覆盖和保护。透明的保护部件尤其可以是硬化的矿物玻璃。在此，杆具有相应的用于整个图像检测单元或其一部分的容纳空间，其中，图像检测单元可松开地保持在导向尖端上。

根据本发明的一种替代的设计变型规定，去除工具具有至少一个铣削轮，并且至少一个图像检测单元布置在至少一个铣削轮和/或齿轮护罩上，至少一个铣削轮可驱动旋转地安置在该齿轮护罩上。在此，图像检测单元的至少一部分可以优选地在铣削轮的外侧布置在铣削轮的轮毂区域中。在此，轮毂区域可以是静止的，或者与被驱动旋转的铣削轮一同旋转。替代地或附加地，图像检测单元也可以布置在土壤去除装置尤其是沟壁切割机的齿轮护罩上，至少一个铣削轮可旋转地安置在该齿轮护罩上。优选地，在齿轮护罩上，至少一对铣削轮或者总共两对铣削轮可转动地安置在齿轮护罩的两侧。

根据本发明的另一种设计变型规定，去除工具包括挖具的挖具铲斗。优选地，至少一个图像检测单元可以设置在抓具框架的外部区域上。

根据本发明，土壤去除装置被设计为钻机、沟壁切割机或沟壁挖具，它们分别包括可移动的承载设备。承载设备可以特别地具有履带轨道，钻孔工具、铣刀或挖具优选可沿着柱杆竖直移动地安置在该履带轨道上。

本发明的另一优选的设计在于，设置了计算机单元，该计算机单元与至少一个图像检测单元连接，并且被设计用于评估已经由图像检测单元获取的图像，并且基于此确定出土壤类型、土壤中的成分和/或土壤特性。计算机单元设置有相应的评估软件，该评估软件可以例如检测土壤颜色、土壤的稠度、孔隙大小、土壤成分的粒度以及成分的分布。通过这种方式，例如可以直接检测沙层、砾石层、粘土层或岩石土壤层。也可以容易地由相应的评估软件检测和确定沙子或砾石的比例及其粒度。基于此，还可以确定层是含水的、阻水的还是粘着的。还可以确定土壤的其他的物理特性和化学特性。在此，该软件可以具有数据库，该数据库包含现有图像和所属土壤类型、土壤中的成分和/或土壤特性，从而在必要时通过与存储的数据进行比较来实现特别精确地确定土壤。

根据本发明，实现了一种特别优选的改进，其方式为，计算机单元与控制器连接，通过该控制器可根据评估的图像来控制土壤去除装置的至少一个驱动器。例如，如果通过计算机单元确定出存在从土壤中的沙层到岩石土壤层的过渡，则可以通过控制器，借助评估的图像来改变土壤去除装置的驱动器，并根据新土壤予以调整。在钻机的情况下，例如可以降低钻孔工具的转速，并且可以降低作用到钻孔工具上的进给力或进给速度。在此，通过控制器来设定相应的值，这些值存储在相应土壤类型的数据库中。

根据本发明的方法的特征在于，使用前述根据本发明的土壤去除装置，其中，借助在去除工具上的至少一个图像检测单元，在去除工具引入土壤中并且去除土壤材料时，检测现有土壤的一个或多个图像。

在去除土壤材料时，对现有土壤进行立即检测。由此可以实现实时控制，从而在去除土壤材料时可以立即对土壤层的变化做出反应。

本发明的一种优选的方法变体在于，把由至少一个图像检测单元检测的图像传送至计算机单元，该计算机单元评估所检测的图像，并且基于所检测的图像确定土壤类型、土壤中的成分和/或土壤特性。在此，计算机单元可以优选地在地面上的孔洞之外布置在承载设备上。

为了直接控制土壤去除装置，根据本发明的一种改进规定，计算机单元与控制器连接，该控制器根据评估的图像来控制土壤去除装置的至少一个驱动器。

可以看出，另一有利的方法变体在于，通过计算机单元，基于评估的图像，沿着去除深度产生土壤剖面图。在此，土壤剖面图可以存储在计算机单元中，并在附近区域中开设其它孔洞时加以考虑。这种存储的土壤剖面图在随后的土壤处理时尤其简化了对土壤层之间的过渡的识别。

根据本发明的一种改进，可以实现对评估的进一步改善，其方式为，通过输入含有所属土壤类型、土壤中的成分和/或土壤特性的图像，预先校准计算机单元。这种校准尤其可以通过现有的和先前输入的数据库来实现。此外，可以在处理地点开设第一测试孔洞，然后为其产生土壤剖面图，其中，相应的土壤类型、土壤中的成分和/或土壤特性被分配给图像。

根据本发明，土壤去除装置可以基本上简化为去除工具，或者它可以包括具有驱动单元的设备。

附图说明

下面借助优选的实施例进一步描述本发明，该实施例在附图中示意性地示出。在这些图中：

图1示出根据本发明的土壤去除装置的立体图；

图2示出图1的土壤去除装置的下部区域的放大图；

图3以放大的比例示出图1的土壤去除装置的侧视图；

图4示出图3的土壤去除装置的横剖视图。

具体实施方式

根据本发明的土壤去除装置10根据图1以最简单的形式设计为去除工具20，该去除工具在所示实施例中为钻孔工具21。去除工具20在其上侧具有连接机构26，利用该连接装置可建立与未示出的钻杆的连接，该钻杆可以由基本已知的钻机的旋转驱动器驱动。未示出的钻杆和未示出的钻机可以是根据本发明的钻孔装置10的一部分。

在去除工具20的下端设置了具有向下突出的导向尖端30的基底40，该导向尖端在图2～4中更详细地示出。

钻孔工具21被设计为基本已知的箱钻，该箱钻也称为钻斗。钻斗具有圆柱形容纳体22，基底40通过旋转活节44可枢转地安置在容纳体的下侧。

在根据图2至4的视图中，基底40处于关闭或锁定的位置。为了锁定，设置了锁定机构46，该锁定机构可以通过仅部分示出的松开机构48从去除工具20的顶侧松开。在松开状态下，基底40可以向下枢转，以便使得容纳体22清空所去除的土壤材料。

基底40具有可锁定的基板41，在该基板上可旋转地安置了旋转基底42，旋转基底可在关闭位置和打开位置之间旋转。在打开位置，开口43被打开，从而由安置在基底上的去除齿45去除的土壤材料可以经由开口43进入容纳体22的内部空腔中。当达到一定的填充程度时，旋转底座42可以旋转，从而可以关闭开口43。在该关闭状态下，填充的钻孔工具21可以从钻孔中拉出并且移动到排空位置。容纳体22在其顶侧用盖板24封闭，连接机构26安置在该盖板上。

在基底40的下侧设置了导向尖端30。导向尖端30具有基本上圆柱形的杆32，在杆下端处构造了去除部件34，在所示实施例中，这些去除部件与去除齿45一样被设计为去除凿子。

在导向尖端30的杆32的区域中设置了图像检测单元50的至少一部分。图像检测单元50在此基本上径向地朝向，以便优选产生现有土壤的彩色图像，并将这些图像传送至未示出的与去除工具20间隔开的计算机单元，以便检测并确定土壤类型、土壤中的成分和/或土壤的特性。

Claims (15)

1.用于借助去除工具(20)在地面上开设孔洞的土壤去除装置，该去除工具被设计和能被驱动用来去除土壤材料，

其中，所述土壤去除装置(10)被设计为钻机、沟壁切割机或沟壁挖具，它们分别包括可移动的承载设备，

其特征在于，

在所述去除工具(20)上设置了至少一个图像检测单元(50)，该图像检测单元用于在去除土壤材料时直接检测现有的土壤，该图像检测单元被设计用来在所述去除工具(20)引入土壤中时，在去除土壤材料的同时，产生现有土壤的图像，从而对尽可能未经处理的土壤进行检测，以了解要处理的土壤的类型、成分和/或特性。

2.如权利要求1所述的土壤去除装置，其特征在于，所述至少一个图像检测单元(50)在所述去除工具(20)上布置在紧邻土壤之处。

3.如权利要求1或2所述的土壤去除装置，其特征在于，所述去除工具(20)被设计为具有钻孔轴线(28)的钻孔工具(21)，所述钻孔工具(21)可围绕该钻孔轴线被驱动旋转，并且所述钻孔工具(21)可沿着该钻孔轴线推进。

4.如权利要求3所述的土壤去除装置，其特征在于，所述钻孔工具(21)在下端设计有导向尖端(30)，并且所述至少一个图像检测单元(50)布置在所述导向尖端(30)的区域中。

5.如权利要求4所述的土壤去除装置，其特征在于，所述导向尖端(30)具有杆(32)，在该杆的下端设置了至少一个去除部件(34)，并且所述至少一个图像检测单元(50)设置在所述杆(32)上。

6.如权利要求1至2中任一项所述的土壤去除装置，其特征在于，所述去除工具(20)具有至少一个铣削轮，并且所述至少一个图像检测单元(50)布置在所述至少一个铣削轮和/或齿轮护罩上，所述至少一个铣削轮可驱动旋转地安置在该齿轮护罩上。

7.如权利要求1至2中任一项所述的土壤去除装置，其特征在于，所述去除工具(20)包括挖具的挖具铲斗。

8.如权利要求1至2中任一项所述的土壤去除装置，其特征在于，所述钻机、所述沟壁切割机或所述沟壁挖具具有可沿着柱杆竖直移动地安置的钻孔工具、铣刀或挖具。

9.如权利要求1至2中任一项所述的土壤去除装置，其特征在于，设置了计算机单元，该计算机单元与所述至少一个图像检测单元(50)连接，并且被设计用于评估已经由所述图像检测单元(50)获取的图像，并且基于此确定出土壤类型、土壤中的成分和/或土壤的特性。

10.如权利要求9所述的土壤去除装置，其特征在于，所述计算机单元与控制器连接，通过该控制器可根据评估的图像来控制所述土壤去除装置(10)的至少一个驱动器。

11.用于在地面上开设孔洞的方法，其特征在于，使用根据权利要求1～10中任一项所述的土壤去除装置(10)，其中，借助在去除工具(20)上的至少一个图像检测单元(50)，在所述去除工具(20)引入土壤中并且去除土壤材料时，检测现有土壤的一个或多个图像。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，把由所述至少一个图像检测单元(50)检测的图像传送至计算机单元，该计算机单元评估所检测的图像，并且基于所检测的图像确定土壤类型、土壤中的成分和/或土壤的特性。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述计算机单元与控制器连接，该控制器根据评估的图像来控制所述土壤去除装置(10)的至少一个驱动器。

14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，通过所述计算机单元，基于评估的图像，沿着去除深度产生土壤剖面图。

15.如权利要求12～13中任一项所述的方法，其特征在于，通过输入含有所属土壤类型、土壤中的成分和/或土壤的特性的图像，预先校准所述计算机单元。