DE102007060264A1 - Impulsgenerator, insbesondere zur Anregung seismischer Wellen - Google Patents

Impulsgenerator, insbesondere zur Anregung seismischer Wellen Download PDF

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DE102007060264A1
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Markus Well
Andreas Jurczyk
Rüdiger Giese
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    • G01V1/147Generating seismic energy using mechanical driving means, e.g. motor driven shaft using impact of dropping masses

Abstract

Ein Impulsgenerator (100), der zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper (70) eingerichtet ist, umfasst eine seismische Masse (10), die zwischen einer Ausgangsposition (A) und einer Schlagposition (B) beweglich ist und einen Antriebskolben (11) und eine Schlagmasse (12) umfasst, einen Druckzylinder (20), der zum Antrieb des Antriebskolbens (11) eingerichtet ist, und einen Auflagebereich (30), der auf den festen Körper (70) aufsetzbar ist, wobei der Druckzylinder (20) auf beiden Seiten des Antriebskolbens (11) mit einem Druckgas beaufschlagbar ist, und der Druckzylinder (20) einen ersten Druckraum (21), der durch eine Seite des Antriebskolbens (11) begrenzt ist, und einen zweiten Druckraum (22) umfasst, der durch die andere Seite des Antriebskolbens (11) begrenzt ist und in dem die Schlagmasse (12) beweglich ist. Es werden auch eine mit dem Impulsgenerator ausgestattete Tunnelbohrmaschine und ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper (70) beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Impulsgenerator zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in festen Körpern, insbesondere einen Impulsgenerator zur Erzeugung von impulsartigen P- oder S-Wellen in der Erdkruste oder in Bauwerken, wie z. B. einen Schwingungsgenerator für seismische Erkundungen. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen, insbesondere unter Anwendung des genannten Impulsgenerators. Die Erfindung ist für Anwendungen z. B. bei der Untersuchung oder Erkundung von festem Gestein oder Erdboden oder bei der Untersuchung von Bauwerken vorgesehen.
  • Zur Erzeugung seismischer Wellen in der Erdkruste für Forschungs- und Erkundungsaufgaben sind verschiedene Techniken bekannt. Übersichten werden z. B. in DE 23 34 996 und von Miller et al. in "Geophysics" (Bd. 57, Nr. 5, S. 693 ff) gegeben. Spezielle Techniken umfassen die Erzeugung impulshaltiger Anregungen durch Implosionen ( DE 22 02 289 ), eine hydraulische Schwingungserzeugung ( DE 19 50 91 22 ) und seismische Gasexplosionen ( DE 19 53 924 ). Ein genereller Nachteil der herkömmlichen Techniken besteht in der beschränkten Einstellbarkeit und Reproduzierbarkeit der Impulsparameter. Sind jedoch insbesondere der zeitliche Verlauf und die Energie der erzeugten seismischen Schwingungen nur ungenau oder gar nicht bekannt, so wird auch die Genauigkeit der Auswertung von Schwingungsmessungen eingeschränkt.
  • Ein generelles Problem bei der Impulserzeugung durch bewegte Massen besteht darin, dass nach dem Aufschlag einer bewegten Masse auf einen festen Körper ein Rückimpuls auf den Impuls geber ausgeübt wird. Dadurch kommt es zu Nachschlägen, welche die Impulsanregung und damit auch die Auswertung der seismischen Messung verfälschen. Um diesem Problem zu begegnen, wird in DE 32 24 624 ein Impulsgeber mit bewegter Masse beschrieben, der eine hydraulische Bremse mit einer Fangvorrichtung für die Masse aufweist. Dieser Impulsgenerator zeichnet sich jedoch durch einen komplizierten Aufbau aus, so dass eine Anwendung in der Praxis, insbesondere der untertägige Einsatz, erschwert ist.
  • In EP 1 085 347 A2 wird zur Lösung der genannten Probleme vorgeschlagen, einen Impulsgenerator zur Erzeugung seismischer Schwingungen bereitzustellen, bei dem eine Schlagmasse mit einem Antriebskolben betätigt wird, der in einem mit Druckgas beaufschlagten Druckzylinder bewegt wird. Die Schlagmasse ist über eine Kolbenstange mit dem Antriebskolben verbunden. Vorteilhafterweise können durch die Einstellung des Druckzylinders (insbesondere Arbeitsdruck, Verschiebeweg des Antriebskolbens) die Schwingungsparameter der mit der Schlagmasse erzeugten Schwingung genau und reproduzierbar eingestellt werden. Von Nachteil ist jedoch, dass die Kolbenstange von einem Zylinderraum des Druckzylinders in ein Führungsrohr, in dem sich die Schlagmasse bewegt, durch eine Dichtung geführt werden muss. Durch die Dichtung und Schlankheit der benötigten Kolbenstange wird die Robustheit und Zuverlässigkeit der herkömmlichen Vorrichtung beschränkt. Von Nachteil kann ferner sein, dass durch die Kombination des Führungsrohrs mit dem Druckzylinder eine Baulänge resultiert, die für praktische Anwendungen, zum Beispiel im Tunnelbau, kritisch ist. Dieses Problem wird noch durch den Platzbedarf einer Sperreinrichtung verschärft, die zwischen dem Führungsrohr und dem Druckzylinder angeordnet ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen anzugeben, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermindert oder ausgeschlossen werden und die sich insbesondere durch eine vereinfachte, robuste und kompakte Bauform der bewegten Teile auszeichnet und durch eine verringerte Gesamtlänge mit dem untertägigen Einsatz, insbesondere an Tunnelbohrmaschinen mit geringen Bohrdurchmessern, kompatibel ist. Die Vorrichtung soll insbesondere dazu geeignet sein, in festen Körpern reproduzierbare Impulssignale in frei wählbarer Richtung zu erzeugen. Die Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen anzugeben, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermindert oder ausgeschlossen werden.
  • Diese Aufgaben werden durch einen Impulsgenerator und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, einen Impulsgenerator (oder: Schwingungsgenerator) mit einer seismischen Masse, umfassend eine Schlagmasse und einen Antriebskolben, und mit einem Druckzylinder zur Bewegung des Antriebskolbens so weiterzubilden, dass der Druckzylinder ein doppelt wirkender Pneumatikzylinder ist. Der Antriebskolben im Druckzylinder kann beidseitig mit einem Druckgas beaufschlagt werden. Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung umfasst der Druckzylinder einen ersten Bereich, in dem der Antriebskolben beweglich und eine Verriegelungseinrichtung angeordnet ist, und einen zweiten Bereich, in dem die Schlagmasse beweglich ist. Der im Druckzylinder bewegliche Kolben trennt diese Bereiche in unterschiedliche Druckräume, die entsprechend als erster und zweiter Druckraum bezeichnet werden. Der erste Druckraum ist auf einer rückwärtigen Seite des Antriebskolbens gebildet, während der zweite Druckraum auf der entgegengesetzten, vorderen Seite des Antriebskolbens gebildet ist.
  • Die Bereitstellung der seismischen Masse mit der Schlagmasse und dem Antriebskolben, die in den Druckräumen des Druckzylinders beweglich sind, liefert mehrere Vorteile. Erstens kann durch die Beaufschlagung des zweiten Druckraums mit einem Gasdruck ein Rückprall der Schlagmasse vermieden werden, so dass die Signalform der seismischen Welle mit erhöhter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eingestellt werden kann. Des Weiteren kann der Aufbau des Impulsgenerators erheblich vereinfacht werden, da im Unterschied zu der in EP 1 085 347 A2 beschriebenen Vorrichtung kein Führungsrohr für die Schlagmasse erforderlich ist. Somit kann der erfindungsgemäße Impulsgenerator mit einer kompakteren Bauform gebildet werden als der herkömmliche Impulsgenerator. Der erfindungsgemäße Impulsgenerator kann insbesondere leichter an die beengten Platzverhältnisse im Untertagebau, insbesondere beim Tunnelbau angepasst werden.
  • Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, auf an sich bekannte Art mit einer linear bewegten Masse einen Schlagimpuls zu erzeugen, wobei die Nachteile dieser Methode in Bezug auf die Einstellung der Signalform durch den Rückprall der Masse, die Veränderung des Signals durch etwaige unzulässige Veränderungen im Untergrund und die eingeschränkte Wahl der Impulsrichtung bzw. deren Reproduzierbarkeit durch einen mit einer definierten Kraft pneumatisch vorgespannten Auflagebereich verhindert wird.
  • Vorzugsweise sind der erste Druckraum und der zweite Druckraum unmittelbar miteinander verbunden, das heißt die verbun denen Druckräume sind an ihrer Verbindung frei von Druckunterschieden. Zwischen den Druckräumen ist keine trennende Dichtung erforderlich. Insbesondere durch die Integration von Schlagmasse und Antriebseinheit werden eine robuste und kompakte Bauform des Impulsgenerators erreicht. Des Weiteren werden Reibungsverluste, die bei dem herkömmlichen Impulsgenerator zwischen der Kolbenstange und einer Dichtung des Druckzylinders auftreten können, erfindungsgemäß vermieden. Somit kann eine erhöhte Effizienz der Energieumwandlung von der im Druckzylinder gespeicherten Energie des Druckgases in die Schlagenergie der bewegten Schlagmasse erreicht werden.
  • Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal bilden die Schlagmasse und der Antriebskolben die Führung der seismischen Masse im Druckzylinder. Es ist ausreichend, wenn die Schlagmasse und der Antriebskolben die einzige Führung bilden. Weitere Führungen, insbesondere in dem Bereich zwischen der Schlagmasse und dem Antriebskolben sind nicht erforderlich. Somit können die Kompaktheit des Impulsgenerators und die Effizienz der Energieumwandlung weiter verbessert werden.
  • Da der erfindungsgemäß verwendete Druckzylinder ein doppelt wirkender pneumatischer Zylinder ist, sind mindestens zwei Druckgasöffnungen vorgesehen, die entlang der axialen Länge des Druckzylinders auf entgegengesetzten Seiten des Antriebskolbens angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine erste Druckgasöffnung mit dem ersten Druckraum und eine zweite Druckgasöffnung mit dem zweiten Druckraum verbunden ist. Die erste Druckgasöffnung ist vorzugsweise an einem Ende des ersten Druckraums, welches dem zweiten Druckraum entgegengesetzt ist, oder an einem an dieses Ende des ersten Druckraums angrenzenden dritten Druckraum angeordnet. Die zweite Druckgasöffnung ist vorzugsweise an einem Ende des zweiten Druckraumes angeordnet, das an den ersten Druckraum angrenzt. Somit kann vorteilhafterweise der erste Druckraum in jeder Position des Antriebskolbens auf beiden Seiten von diesem mit einem Betriebsdruck beaufschlagt werden. Des Weiteren kann durch eine Beaufschlagung des zweiten Druckraums durch die zweite Druckgasöffnung mit Druckgas effektiv sowohl der Rückprall der Schlagmasse als auch eine Rückwärtsbewegung des Antriebskolbens bewirkt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Impulsgenerator mit einer Verriegelungseinrichtung ausgestattet, die zur Fixierung des Antriebskolbens im Druckzylinder vorgesehen ist. Die Verriegelungseinrichtung ist im Unterschied zur herkömmlichen Vorrichtung gemäß EP 1 085 347 A2 an einer Seite des Antriebskolbens angeordnet, die zu der Schlagmasse entgegengesetzt ist. Die Verriegelungseinrichtung ist an der Seite des Antriebskolbens angeordnet, die zur Vorwärtsbewegung von der Ausgangsposition in die Schlagposition mit Druckgas beaufschlagt wird. Die Verriegelungseinrichtung ersetzt die bei der herkömmlichen Vorrichtung gemäß EP 1 085 347 A2 vorgesehene Klemmeinrichtung zwischen der Schlagmasse und dem Kolben. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kompaktheit des Impulsgenerators und eine störungsfreie Bewegung der seismischen Masse (erhöhte Effizienz der Energieumwandlung) aus.
  • Die Verriegelungseinrichtung wirkt vorzugsweise mit einer Auslöseeinrichtung zusammen, die am rückseitigen Ende des ersten Druckraums vorgesehen ist. Die Auslöseeinrichtung ist so ausgebildet, dass die seismische Masse mit der Verriegelungseinrichtung in einem stabilen verriegelten Zustand gehalten werden kann, insbesondere während im ersten Druckraum der Betriebsdruck des Impulsgenerators aufgebaut wird, und die seismische Masse aus dem verriegelten Zustand freige geben werden kann, insbesondere wenn die Vorwärtsbewegung der seismischen Masse zur Erzeugung der mechanischen Schwingung ausgelöst worden ist.
  • Vorzugsweise umfasst die Verriegelungseinrichtung einen Zapfen, der sich vom Antriebskolben axial in den ersten Druckraum erstreckt und einen Sperrring trägt. Der Sperrring bildet einen Vorsprung, der den Zapfen auf seinem gesamten Umfang azimutal umgibt. Der Sperrring ermöglicht vorteilhafterweise eine Zusammenwirkung mit der Auslöseeinrichtung unabhängig von einer eventuellen Verdrehung des Antriebskolbens.
  • Wenn der Zapfen der Verriegelungseinrichtung im verriegelten Zustand, das heißt in der Ausgangsposition des Antriebskolbens, in einem Axiallager des Druckzylinders fixierbar ist, so ergeben sich Vorteile für die Halterung und Ausrichtung der seismischen Masse im Druckzylinder.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Impulsgenerator mit einer pneumatischen Steuereinrichtung ausgestattet, die mindestens ein elektrisch betätigbares Wegeventil umfasst und dazu eingerichtet ist, mindestens einen der Druckräume des Druckzylinders mit Druckgas zu beaufschlagen. Die pneumatische Steuereinrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine genaue Einstellung der Energie des Druckgases im ersten Druckraum und des Bewegungsablaufs der seismischen Masse. Vorzugsweise weist die pneumatische Steuereinrichtung ein Haupt-Wegeventil auf, mit dem ausschließlich der erste oder zweite Druckraum oder sowohl der erste als auch der zweite Druckraum mit mindestens einer Druckgasquelle verbunden werden kann. Vorteilhafterweise kann mit der Steuerung des Haupt-Wegeventils der gesamte Betrieb des Impulsgenerators vom Laden des ersten Druckraums über die Vorwärtsbewegung der seismischen Masse bis zur Rückwärtsbewegung des Antriebskolbens kontrolliert werden.
  • Wenn die pneumatische Steuereinrichtung des Weiteren ein Umsteuer-Wegeventil aufweist, über das der zweite Druckraum mit Druckgas oder atmosphärischem Umgebungsdruck beaufschlagt werden kann, wird die Steuerung des Impulsgenerators vereinfacht und die Effizienz der Energieumwandlung bei der Erzeugung der seismischen Schwingung verbessert. Vorzugsweise ist das Umsteuer-Wegeventil über ein Druckreduzier-Wegeventil mit der mindestens einen Druckgasquelle verbunden, so dass im zweiten Druckraum ein verminderter Gasdruck für die Rückwärtsbewegung des Antriebskolbens eingestellt werden kann.
  • Vorteilhafterweise kann mit der pneumatischen Steuereinrichtung auch die Auslöseeinrichtung betätigt werden. Hierzu weist die pneumatische Steuereinrichtung ein Auslöse-Wegeventil auf, das mit einem Auslösezylinder der Auslöseeinrichtung verbunden ist. Bei Betätigung des Auslöse-Wegeventils kann der Auslösezylinder mit Druckgas aus der mindestens einen Druckgasquelle beaufschlagt werden, um die seismische Masse vom verriegelten Zustand in den freien Zustand freizugeben.
  • Der erfindungsgemäße Impulsgenerator kann insbesondere wegen seiner kompakten Bauform einfach an einem Zusatzgerät befestigt werden, mit dem der Impulsgenerator gegen den festen Körper, in dem die seismische Schwingung erzeugt werden soll, angepresst werden kann. Vorzugsweise ist der Impulsgenerator zur Erzeugung und/oder Einstellung einer Vorspannkraft mit einer Vorspanneinrichtung ausgestattet, mit welcher der Impulsgenerator mit der gewünschten Vorspannkraft auf den festen Körper gepresst werden kann. Die Vorspanneinrichtung weist vorzugsweise mindestens einen pneumatischen Vorspannzy linder auf, der mit einer Außenwand des Druckzylinders des Impulsgenerators fest verbunden ist. Es kann beispielsweise ein einziger Vorspannzylinder vorgesehen sein, der einseitig am Druckzylinder befestigt ist (serielle Ankopplung). Alternativ können mehrere Vorspannzylinder vorgesehen sein, die an dem Druckzylinder, insbesondere an einem teleskopartig verschiebbaren Teil des Druckzylinders befestigt sind (parallele Ankopplung). Die serielle Ankopplung hat den Vorteil, dass ein relativ großer Verschiebeweg der Vorspanneinrichtung realisiert werden kann, ohne dass der Arbeitshub der seismischen Masse vom Verschiebeweg der Vorspanneinrichtung abhängig ist. Die parallele Ankopplung hingegen hat den Vorteil, dass sich Beschleunigungskräfte bei der Auslösung der seismischen Masse nur unwesentlich auf die Vorspannkraft des Impulsgenerators auswirken.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die pneumatische Steuereinrichtung auch dazu eingerichtet, die Vorspanneinrichtung zu steuern. Hierzu weist die pneumatische Steuereinrichtung ein Vorspann-Wegeventil auf, das mit dem mindestens einen Vorspannzylinder der Vorspanneinrichtung verbunden ist. Bei Betätigung des Vorspann-Wegeventils kann der mindestens eine Vorspannzylinder mit Druckgas beaufschlagt werden, um die gewünschte Vorspannkraft einzustellen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch die allgemeine technische Lehre gelöst, ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator gemäß dem oben genannten ersten Aspekt bereitzustellen. Das Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus.
  • Zunächst wird der Impulsgenerator auf dem Körper an einer vorbestimmten Position angeordnet. Hierzu wird der Impulsgenerator mit dem Auflagebereich auf einer Oberfläche des Körpers aufgesetzt. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund der kompakten Bauform des Impulsgenerators dieser auf der Oberfläche so aufgesetzt werden kann, dass die Längsrichtung des Impulsgenerators einen frei wählbaren Winkel mit der Oberflächennormalen des Körpers bildet. Die Richtung der mechanischen Schwingungen im Körper kann daher leichter ausgewählt werden, als dies mit dem herkömmlichen Impulsgenerator möglich war.
  • Anschließend folgt ein Vorspannen des Auflagebereiches relativ zum Körper, vorzugsweise indem die Vorspanneinrichtung des erfindungsgemäßen Impulsgenerators betätigt wird. Der Impulsgenerator kann vorteilhafterweise mit einer einstellbaren Vorspannkraft an den Körper gepresst werden. Dies ermöglicht eine genaue Einstellung von Schwingungsparametern der mechanischen Schwingungen im Körper. Danach erfolgen der Rückzug und das Verriegeln der seismischen Masse in der Rückzugsposition sowie der Druckaufbau im ersten Druckraum des Druckzylinders. Der erste Druckraum wird mit Druckgas aus der Druckgasquelle beaufschlagt, bis ein bestimmter Betriebsdruck auf der von der seismischen Masse abgewandten Seite des Antriebskolbens erreicht ist. Anschließend erfolgt die Freigabe der seismischen Masse, so dass sich diese in die Schlagposition bewegt.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung eines doppelt wirkenden Druckzylinders bietet den Vorteil, dass der Antriebskolben nach der Freigabe der seismischen Masse auf seiner Vorderseite mit einem Druck beaufschlagt werden kann, um einen Rückprall der seismischen Masse zu vermindern und/oder um den Antriebskolben rückwärts in die Ausgangsposition zu bewegen. Es ist ein Druckaufbau im zweiten Druckraum des Druckzylinders vorgesehen, um den Druck für die Rückwärtsbewegung zu bilden. Vorzugsweise erfolgt der Druckaufbau im zweiten Druckraum mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach der Freigabe der seismischen Masse.
  • Besonders bevorzugt wird der Druckaufbau im Druckzylinder, insbesondere der zeitliche Ablauf der Beaufschlagung der Druckräume mit Betriebsdruck, mit der pneumatischen Steuereinrichtung gesteuert. Vorteilhafterweise wird der Betrieb des erfindungsgemäßen Impulsgenerators erheblich vereinfacht, wenn beide Druckräume des Druckzylinders mit Druckgas aus einer einzigen Druckgasquelle beaufschlagt werden.
  • Der erfindungsgemäße Impulsgenerator ist insbesondere zur Erzeugung impulsartiger Schwingungen in harten Untergründen oder in Bauwerken (insbesondere Großbauwerke wie Brücken, Staumauern oder dergleichen) ausgelegt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet vorzugsweise einen Schwingungsgenerator zur Erzeugung seismischer Schwingungen in felsartigen Gesteinen in tiefer liegenden Schichten der Erdkruste für Forschungs- und Erkundungszwecke, insbesondere beim Gebirgstunnelbau oder bei ausgebauten Tunnelwänden, wie z. B. Schalenelementen, Tübbingen.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1: eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators;
  • 2: eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators;
  • 3: eine vergrößerte Schnittansicht mit Einzelheiten einer Verriegelungseinrichtung des erfindungsgemäßen Impulsgenerators;
  • 4: eine schematische Illustration der pneumatischen Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Impulsgenerators;
  • 5: ein Zeitschema des Betriebs der pneumatischen Steuereinrichtung gemäß 4; und
  • 6: eine schematische Illustration einer Tunnelbohrmaschine, die mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator ausgerüstet ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen des Impulsgenerators beschrieben, die für seismische Erkundungen und/oder Untersuchungen eingerichtet sind. Es wird betont, dass der erfindungsgemäße Impulsgenerator analog zur Erzeugung mechanischer Schwingungen für andere Anwendungen, zum Beispiel in der Bautechnik anwendbar ist. Einzelheiten pneumatischer Zylinder, der zugehörigen Druckleitungen und Ventile sind dem Fachmann an sich bekannt, so dass sie hier nicht beschrieben werden.
  • 1 illustriert eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators 100, die sich insbesondere durch einen Druckzylinder 20 mit einer starren Zylinderwand und einer Vorspanneinrichtung 60 mit einer seriellen Ankopplung auszeichnet. 2 illustriert eine abgewandelte Ausführungsform, die sich insbesondere durch einen Druckzylinder 20, dessen Länge teleskopartig veränderlich ist, und eine Vorspanneinrichtung 60 mit paralleler Ankopplung auszeichnet.
  • Beiden Ausführungsformen ist gemeinsam, dass der Druckzylinder 20 doppelt wirkend ist, das heißt beidseitig des Antriebskolbens mit Druckgas beaufschlagt werden kann.
  • Gemäß 1 umfasst der Impulsgenerator 100 die seismische Masse 10 mit dem Antriebskolben 11 und der Schlagmasse 12, den Druckzylinder 20 mit dem ersten Druckraum 21 und dem zweiten Druckraum 22, den Auflagebereich 30, mit dem der Impulsgenerator 100 auf Gestein 70 aufsetzbar ist, die Verriegelungseinrichtung 40, die zur Fixierung der seismischen Masse 10 in einer Ausgangsposition eingerichtet ist, und die Vorspanneinrichtung 60, mit welcher der Auflagebereich 30 mit einer vorbestimmten Vorspannkraft auf das Gestein 70 gepresst werden kann. Die seismische Masse 10 ist im Druckzylinder 20 zwischen einer Ausgangsposition A (in 1 gestrichelt gezeigt) und einer Schlagposition B (in 1 illustriert) beweglich. Der Impulsgenerator 100 erstreckt sich in einer Längsrichtung, die gleich der axialen Richtung des Druckzylinders ist. Das Ende mit dem Auflagebereich 30 wird als Vorderseite (vorderseitiges Ende) des Impulsgenerators 100 bezeichnet, während das entgegengesetzte Ende als Rückseite (rückseitiges Ende) des Impulsgenerators 100 bezeichnet wird.
  • Der erste Druckraum 21, in dem sich der Antriebskolben 11 bewegt, und der zweite Druckraum 22, der von dem ersten Druckraum durch den Kolben 11 getrennt ist und in dem sich die Schlagmasse bewegt, bilden einen gemeinsamen Zylinderraum (Pneumatikzylinder). Die einzelnen Druckräume 21, 22 sind nicht durch Dichtungen oder Führungen voneinander getrennt. Der Druckzylinder 20 kann an der Rückseite mit einem dritten Druckraum 26 ausgestattet sein, der mit dem ersten Druckraum 21 verbunden und zur Aufnahme von Teilen der Auslöseeinrichtung vorgesehen ist (siehe unten). Durch Variation dieses Druckraumes ist die Schlagenergie veränderbar. Die Wand des Druckzylinders 20 bildet am rückseitigen Ende des ersten Druckraumes 21 eine Anschlagfläche 27 für den am Antriebskolben 11 befindlichen Anschlag 114. In der Ausgangsposition A liegt der Antriebskolben 11 mit dem Anschlag 114 an der Anschlagfläche 27 des ersten Druckraumes 21.
  • Der erste Druckraum 21 kann über eine erste Druckgasöffnung 23 mit Druckgas beaufschlagt oder entlüftet werden. Beim dargestellten Beispiel ist die erste Druckgasöffnung 23 an dem dritten Druckraum 26 vorgesehen. Alternativ kann die erste Druckgasöffnung direkt auf der Rückseite des Antriebskolbens 11, insbesondere am rückseitigen Ende des ersten Druckraums 21, vorgesehen sein. Der zweite Druckraum 22 ist mit einer zweiten Druckgasöffnung 24 ausgestattet, durch die der zweite Druckraum 22 im Bereich zwischen dem Antriebskolben 11 in Stellung B und dem Auflagebereich 30 mit einem Druckgas beaufschlagt oder entlüftet werden kann.
  • Beim Impulsgenerator 100 sind beispielsweise die folgenden Maße gegeben. Die Masse der seismischen Masse 10 beträgt rund 16 kg. Die axiale Länge des Druckzylinders 20 beträgt rund 75 cm. Der Innendurchmesser des Druckzylinders 20 beträgt rund 10 cm. Der Druckzylinder 20 ist für einen Gesamthub von rund 16 cm bei einem Arbeitshub von rund 15 cm ausgelegt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die einzelnen Druckräume 21, 22 (und ggf. 26) des Druckzylinders 20 als Baugruppen aus gleichen oder verschiedenen Materialien (zum Beispiel Aluminium, Aluminiumlegierung, Stahl, Edelstahl) aufgebaut und gasdicht miteinander verbunden. Alternativ können die Druckräume einstückig mit einem durchgehenden Rohr hergestellt sein, das an seinen Enden durch die Verriegelungseinrichtung 40 und die Auflageeinrichtung 30 gasdicht verschlossen ist. Vorzugsweise bestehen der Antriebskolben 11 und der Mantel des Raumes 21 aus unmagnetischen Materialien. In diesem Fall kann die Kolbenposition durch außerhalb des Druckzylinders 20 angeordnete Magnetschalter bestimmt werden, wobei es möglich ist, zumindest teilweise im Schaltbereich der Zylinderwand unmagnetisches Material einzusetzen.
  • Die seismische Masse 10 umfasst den Antriebskolben 11 und die Schlagmasse 12, die über ein Verbindungsstück 13 verbunden sind. Der Antriebskolben 11 weist einen Führungsring 111 und Kolbendichtungen 112 auf. Im Inneren des Antriebskolbens 11 befindet sich ein Magnetring 113, der für eine Erfassung der Position des Antriebskolbens 11 und/oder für Schaltzwecke vorgesehen ist. Die Schlagmasse 12 weist Rollenlager 121 auf, welche den vorderen Teil der seismischen Masse im zweiten Druckraum 22 führen. Am vorderen Ende der Schlagmasse 12, das heißt an deren zum Auflagebereich 30 weisenden Ende, ist eine Schlagfläche 122 vorgesehen, die zum Beispiel aus gehärtetem Stahl besteht. In der Stirnfläche 34 ist der Schlagkopf 31 mit der Dichtung 32 befestigt. Am hinteren Ende der Schlagmasse 12 ist ein Flansch 122 vorgesehen, an dem das Verbindungsstück 13 angeschraubt ist.
  • Das Verbindungsstück 13 umfasst ein sich in axialer Richtung des Impulsgenerators 100 durch die ersten und zweiten Druckräume 21, 22 erstreckendes Bauteil, auf dem mit einem Abstand von der Schlagmasse 12 der Antriebskolben 11 befestigt ist und das an seinem hinteren Ende einen Zapfen 42 mit einem Sperrring 43 aufweist, die Teil der Verriegelungseinrichtung 40 sind (siehe unten). Das Verbindungsstück 13 besteht zum Beispiel aus Stahl.
  • Die Auflageeinrichtung 30 umfasst einen in der Stirnfläche 34 mit Dichtungen 32, 33 gelagerten Schlagkopf 31, wobei mit den Dichtungen 32, 33 der zweite Druckraum 22 an der Vorderseite des Impulsgenerators 10 gasdicht verschlossen ist. Der Schlagkopf 31 besteht zum Beispiel aus gehärtetem Stahl. Beim Aufprall der seismischen Masse 10 auf den Schlagkopf 31 erfolgt eine Impulsübertragung mit einer Schwingungsanregung im Gestein 70. Die angeregten P-Wellen breiten sich im Gestein 70 in Längsrichtung des Impulsgenerators 10 aus.
  • Die Verriegelungseinrichtung 40 umfasst eine Auslöseeinrichtung 41, die an der Rückseite des Druckzylinders 20 vorgesehen ist, und die Kombination aus Zapfen 42 und Sperrring 43 am hinteren Ende des Verbindungsstücks 13. Die Auslöseeinrichtung 41, die vergrößert in 3 illustriert ist, umfasst einen Auslösezylinder 44 mit einem Zylinderstößel 453 und einen Auslösehebel 45, der um eine Achse 451 verschwenkbar in der Verriegelungseinrichtung 40 angebracht ist. Der Auslösehebel 45 weist an einem Ende eine Verriegelungsrolle 452 auf, die sich über eine Achse 451 auf dem Hebel 45 abstützt. Der Auslösehebel 45 ist am anderen Ende mit einer Spiralfeder 454 verbunden, die im dritten Druckraum 26 angeordnet ist. Die Verriegelungseinrichtung 40 ist mit einem separaten Endstück 46, einem Ausdrückgewinde 47 und einer Verdrehsicherung 48 illustriert. Diese Komponenten dienen der Demontage des Axiallagers 25, zum Beispiel bei Verschleiß.
  • Im Ausgangszustand des Impulsgenerators 100 ist die seismische Masse 10 im Druckzylinder 20 zurückgezogen und an der Verriegelungseinrichtung 40 fixiert. Im Ausgangszustand erfolgt die Beladung des ersten Druckraums 21 mit Druckgas. Der Zapfen 42 am hinteren Ende des Verbindungsstücks 13 ist in diesem Zustand in einem Axiallager 25 des Druckzylinders 20 angeordnet. Unter der Wirkung der Spiralfeder 454, des Innendruckes und der Selbsthaltekraft ist der Auslösehebel 45 so verkippt, dass er den Sperrring 43 fixiert. Nach Erreichen des erforderlichen Betriebsdrucks im ersten Druckraum 21 wird der Auslösezylinder 44 betätigt. Der Zylinderstößel 453 ver schwenkt gegen die Kraft der Spiralfeder 454 den Auslösehebel 45, so dass der Sperrring 13 freigegeben wird. Sobald die Freigabe erfolgt ist, bewegt sich die seismische Masse 10 unter der Wirkung des Druckgases im ersten Druckraum 21 beschleunigt, bis die Schlagfläche 122 am Ende der Schlagmasse 12 auf den Schlagkopf 31 trifft. Im ersten und zweiten Druckraum stehen der Betriebsdruck und der Arbeitsdruck in einem derartigen Verhältnis zueinander, dass im Moment des Auftreffens der Schlagfläche 122 auf den Schlagkopf 31 am Antriebskolben keine oder nur geringe Gasdruckkräfte wirken.
  • Die Vorspanneinrichtung 60 umfasst einen Vorspannzylinder 61, der mit dem Druckzylinder 20 fest verbunden ist. Die Vorspanneinrichtung 60 ist in Abhängigkeit von der Anwendung des Impulsgenerators 100 an einer Maschine, zum Beispiel einer Tunnelbohrmaschine, oder einem weiteren Gerät, wie zum Beispiel einem Stativ oder einem Fahrzeug befestigt, wie dies von herkömmlichen Vorrichtungen zur Schwingungserzeugung bekannt ist. Die in 1 gezeigte serielle Ankopplung des Vorspannzylinders 61 ermöglicht einen Verschiebeweg von zum Beispiel 20 cm. Alternativ sind anwendungsabhängig größere Verschiebewege, zum Beispiel im Bereich über 50 cm realisierbar.
  • Die pneumatische Steuerung des Druckzylinders 20, des Auslösezylinders 44 (3) und des Vorspannzylinders 61 erfolgt mit einer pneumatischen Steuerungseinrichtung 50, die unten unter Bezug auf 4 erläutert wird.
  • 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators 100 mit der seismischen Masse 10, dem Druckzylinder 20, dem Auflagebereich 30, der Verriegelungseinrichtung 40 und der Vorspanneinrichtung 60. Die Komponenten 10, 30 und 40 sind so aufgebaut, wie dies oben unter Bezug auf die 1 und 3 beschrieben wurde.
  • Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 umfasst gemäß 2 der Druckzylinder 20 zwei Zylinderteile 201, 202, welche jeweils entsprechend die ersten und zweiten Druckräume 21, 22 einschließen. Das vordere Zylinderteil 202 ist mit einer beweglichen radialen Außendichtung 203 versehen und im vorderen Ende des hinteren Zylinderteils 201 verschiebbar angeordnet. Das Gehäuse des Druckzylinders 20 hat bei dieser Ausführungsform einen Teleskopaufbau. Durch eine Verschiebung der Zylinderteile 201, 202 relativ zueinander kann der Impulsgenerator 100 mit dem Schlagkopf 31 auf das Gestein 70 gepresst werden.
  • Die Vorspanneinrichtung 60 umfasst bei der in 2 gezeigten Ausführungsform mehrere, vorzugsweise mindestens drei Vorspannzylinder 61, die auf der Außenseite des Vorderendes des hinteren Zylinderteils 201 befestigt und dazu eingerichtet sind, die Vorspannkraft auf das vordere Zylinderteil 202 aufzubringen. Mit dieser parallelen Ankopplung der Vorspanneinrichtung 60 wird ein Verschiebeweg von rund 25 mm realisiert. Damit wird zwar eine geringfügige Änderung des Verschiebewegs der seismischen Masse 10 bewirkt. Allerdings hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass sich Beschleunigungskräfte bei der Auslösung der seismischen Masse 10 nur unwesentlich auf die Vorspannkraft des Schlagkopfes 31 auswirken.
  • Zur Erzeugung mechanischer Schwingungen wird der Impulsgenerator 100, z. B. gemäß 1 oder 2, durch die Vorspanneinrichtung 60 soweit verschoben, dass der Schlagkopf 31 auf das Gestein 70 mit einer definierten Vorspannkraft aufliegt. In der Ausgangsposition befindet sich die bewegliche seismische Masse 10 in einer Position, in welcher der Anschlag 114 und die Anschlagfläche 27 aufeinander aufliegen. In dieser Position ist der Antriebskolben 11 durch den Sperrring 43, der vom Auslösehebel 45 der Verriegelungseinrichtung 40 blockiert ist, formschlüssig blockiert. Dabei befindet sich der Zapfen 42 im Axiallager 25. Wird über die erste Druckgasöffnung 23 Druckgas, z. B. Pressluft eingebracht, bestimmen der im System vorhandene Zylinderraum und der mit dem Druckgas aufgebaute Druck die im System enthaltene Energie. Beim Erreichen eines vorbestimmten, eingestellten Druckes öffnet die Verriegelungseinrichtung 40, so dass diese Energie in Bewegungsenergie der seismischen Masse 10 umgesetzt wird. Nach dem Aufschlagen der Schlagfläche 122 der seismischen Masse 10 auf den Schlagkopf 31 strömt über die zweite Druckgasöffnung 24 Luft ein und unterbindet das Nachschlagen der seismischen Masse 10. Gleichzeitig wird die seismische Masse 10 in die Ausgangsposition zurückgeführt.
  • 4 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten pneumatischen Steuereinrichtung 50, die zur Beaufschlagung mindestens der Druckräume 21, 22 und 26 des schematisch dargestellten Druckzylinders 20, vorzugsweise jedoch auch des Auslösezylinders 44 und des mindestens einen Vorspannzylinders 61 mit Druckgas eingerichtet ist. Hierzu weist die pneumatische Steuereinrichtung 50 vorzugsweise einen Eingang 51 zur Verbindung mit einer Druckgasquelle 80 (zum Beispiel ein Kompressor) auf. Vorteilhafterweise kann der gesamte Impulsgenerator 100 erfindungsgemäß mit einer einzigen Druckgasquelle 80 betrieben werden. Alternativ können mehrere Druckgasquellen vorgesehen sein, zum Beispiel um mindestens einen der genannten Zylinder von den anderen getrennt mit Druckgas zu beaufschlagen.
  • Die pneumatische Steuereinrichtung 50 weist ein Haupt-Wegeventil 513 auf, mit dem Druckgas von der Druckgasquelle 80 wahlweise zu den Druckräumen 21, 26 und/oder dem Druckraum 22 des Druckzylinders 20 zugeführt wird. Des Weiteren weist die pneumatische Steuereinrichtung 50 ein Umsteuer-Wegeventil 514 auf, mit dem im geöffneten Zustand der zweite Druckraum 22 entlüftet werden kann (Beaufschlagung mit atmosphärischem Umgebungsdruck) oder im geschlossenen Zustand der zweite Druckraum 22 mit Druckgas beaufschlagt werden kann. Zur Einstellung des Druckes im zweiten Druckraum 22 ist zwischen dem Haupt-Wegeventil 513 und dem zweiten Druckraum 22 ein Druckreduzier-Ventil 515 angeordnet.
  • Die pneumatische Steuereinrichtung 50 weist des Weiteren ein Auslöse-Wegeventil 511 auf, das zwischen dem Eingang 51 und dem Auslösezylinder 44 der Auslöseeinrichtung 41 angeordnet ist. Schließlich ist ein Vorspann-Wegeventil 512 zwischen dem Eingang 51 und den Vorspannzylindern 61 vorgesehen. Die genannten Wegeventile 511, 512, 513 und 514 sind elektrisch ansteuerbare Ventile, zum Beispiel 2/5-Pneumatik-Wegeventile (z. B. vom Typ 0820038153, Hersteller Bosch). Die pneumatische Steuereinrichtung 50 ist mit einem Steuerkreis (nicht dargestellt), wie z. B. einem Steuerrechner, ausgestattet, mit dem die Funktion der Steuereinrichtung 50 kontrolliert und eingestellt wird.
  • Die pneumatische Steuereinrichtung 50 wird vorzugsweise so betrieben, wie im Folgenden unter Bezug auf die 4 und 5 erläutert ist. Zur Erzeugung mechanischer Schwingungen wird der Druckraum 21 (ggf. mit 26) in der Ausgangsposition A (siehe 1) mit Druckgas beaufschlagt. Die Größe des Druckraums 21, 26 kann durch einen vom Kolben 11 betätigten Magnetschalter 540 kontrolliert werden, der außerhalb des Druckzylinders 20 angeordnet ist. Diese Energie wird in Form von Druckluft über den Eingang 51 und das Haupt-Wegeventil 513 dem Druckraum 21, 26 zugeführt. Die Kontrolle des Druck gases erfolgt durch einen Druckschalter 530, der bei Erreichen des eingestellten Druckes mit Hilfe des Auslöse-Wegeventils 511 den Auslösezylinder 44 betätigt, so dass die Betätigungsenergie definiert und reproduzierbar ist. Das Haupt-Wegeventil 513 hat des Weiteren die Aufgabe, mit einer definierten zeitlichen Verzögerung umzusteuern und dem zweiten Druckraum 22 Druckgas zuzuführen, was sowohl zur Vermeidung des Nachschlagens als auch zur Rückführung der seismischen Massen 10 in die Ausgangsposition A dient. Für diese Funktion wird Druckgas geringeren Druckes verwendet, das mit Hilfe des Druckreduzier-Ventils 515 bereitgestellt wird. Das Umsteuer-Wegeventil 514 wird verwendet, um in der Ausgangsposition A einen definierten Druck im Druckraum 22 sicherzustellen und gleichzeitig im Umsteuerzeitpunkt des Haupt-Wegeventils 513 zu schließen.
  • Die Vorspannzylinder sind beispielhaft mit den Bezugszeichen 61, 62, 63 gezeigt. Das Vorspann-Wegeventil 512, das ebenfalls über den Eingag 51 mit Druckgas versorgt wird, betätigt die Vorspannzylinder 61, 62, 63. Zur Bildung der Vorspannkraft werden die Vorspannzylinder 61, 62, 63 zum Vorschub mit Druckgas beaufschlagt. Zur Einstellung der gewünschten Vorspannkraft wird ein Druckschalter 520 verwendet. Durch die Umsteuerung des Vorspann-Wegeventils 512 wird der Druck der Druckgasquelle 80 zum Rückzug der Verschiebezylinder verwendet und der Anpressdruck über Leitungen 591 entspannt.
  • In 5 ist die elektronische Steuerung der Funktionen der pneumatischen Steuerungseinrichtung 50 schematisch dargestellt. Die Ventile 511 bis 514 besitzen jeweils zwei Schaltstellungen, wobei in der Ruhestellung, d. h. Transport-, Montage-, Lagerungszustand oder Bereitschaft des Impulsgenerators 100 eine dominante Ventilposition gegeben ist. Die unterschiedlichen Schaltstellungen sind durch „a" und „b" dar gestellt. Wird die Bereitschaft hergestellt, d. h. die Signalgebung vorbereitet, wird der Impulsgenerator 100 an das Gestein 70 angepresst. Hierzu leitet das Vorspann-Wegeventil 512 Druckgas in die Vorspannzylinder 61 bis 63. Gleichzeitig schaltet das Umsteuer-Wegeventil 514 von Zylinderentlüftung „b" auf Druckluftzuleitung „a" und ermöglicht, den Antriebskolben im Druckzylinder 20 in die Ausgangsposition A zu schieben. In der Ruheposition des Haupt-Wegeventils 513 wird das Druckgas zum Umsteuer-Wegeventil 514 geleitet und dadurch der Antriebskolben in die Ausgangsposition A bewegt. Um die Ausgangsposition A leichter zu erreichen, entsperrt das Auslöse-Wegeventil 511 den Auslösezylinder 44, wobei der Auslösehebel 45 mit der Rolle 452 angehoben wird, damit der Sperrring 43 besser passieren kann. Die Zeit zum Erreichen des Bereitschaftszustandes ist begrenzt und wird durch den Steuerkreis der Steuereinrichtung kontrolliert.
  • Ist der Bereitschaftszustand erreicht, wird mit einem Signal des Steuerkreises das Haupt-Wegeventil 513 umgesteuert. Der Druckraum 21, 26 wird mit Druckgas beaufschlagt. Erfasst der Druckschalter 530 den eingestellten Wert, wird die Auslöseeinrichtung 41 mit dem Auslöse-Wegeventil 511 betätigt. Gleichzeitig schaltet das Umsteuer-Wegeventil 514 um. Mit einer Verzögerungszeit t1 wird auch das Haupt-Wegeventil 513 umgesteuert, so dass der Druckraum 22 mit Druckgas beaufschlagt wird, was ein Nachschlagen der seismischen Masse 10 verhindert und dieselbe in ihre Ausgangsposition A zurückführt, die nach einer Zeit t2 wieder erreicht ist. Während der Rückführung der seismischen Masse 10 in Position A wird das Umsteuer-Wegeventil 514 umgeschaltet, um den Rückführzyklus materialschonend zu steuern.
  • 6 illustriert schematisch eine Tunnelbohrmaschine (TBM) 200, mit welcher der erfindungsgemäße Impulsgenerator 100 be vorzugt angewendet wird. Die Tunnelbohrmaschine 200 bohrt im Gestein 70 (Felsgestein). Ein Trägerteil 210 der Tunnelbohrmaschine 200 ist mit seitlichen Abstützungen 220 gegenüber dem Gestein 70 abgestützt. In Abhängigkeit von der Art der seismischen Untersuchung, zum Beispiel zur seitlichen Erkundung oder zur Vorauserkundung, kann mindestens ein Impulsgenerator am Bohrkopf 230 oder einer der seitlichen Abstützungen 220 oder an anderen geeigneten Positionen angeordnet sein.
  • Die in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln oder in Kombination für die Umsetzung der Erfindung von Bedeutung sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (21)

  1. Impulsgenerator (100), der zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper (70) eingerichtet ist, umfassend: – eine seismische Masse (10), die zwischen einer Ausgangsposition (A) und einer Schlagposition (B) beweglich ist und einen Antriebskolben (11) und eine Schlagmasse (12) umfasst, – einen Druckzylinder (20), der zum Antrieb des Antriebskolbens (11) eingerichtet ist, und – einen Auflagebereich (30), der auf den festen Körper (70) aufsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Druckzylinder (20) auf beiden Seiten des Antriebskolbens (11) mit einem Druckgas beaufschlagbar ist, wobei – der Druckzylinder (20) einen ersten Druckraum (21), der durch eine Seite des Antriebskolbens (11) begrenzt ist, und einen zweiten Druckraum (22) umfasst, der durch die andere Seite des Antriebskolbens (11) begrenzt ist und in dem die Schlagmasse (12) beweglich ist.
  2. Impulsgenerator gemäß Anspruch 1, bei dem – der erste Druckraum (21) und der zweite Druckraum (22) einen Zylinderraum bilden und eine Verbindung zwischen dem ersten Druckraum (21) und dem zweiten Druckraum (22) frei von Dichtungen ist.
  3. Impulsgenerator gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem – die Schlagmasse (12) und der Antriebskolben (11) eine Führung der seismischen Masse (10) im Druckzylinder (20) bilden.
  4. Impulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – der erste Druckraum (21) und der zweite Druckraum (22) über getrennte Druckgasöffnungen (23, 24) jeweils mit Druck beaufschlagt werden können.
  5. Impulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – der Antriebskolben (11) auf einer von der Schlagmasse (12) weg weisenden Seite eine Verriegelungseinrichtung (40) aufweist, und – eine Auslöseeinrichtung (41) vorgesehen ist, mit der die Verriegelungseinrichtung (40) aus einem verriegelten Zustand in einen freien Zustand freigegeben werden kann.
  6. Impulsgenerator gemäß Anspruch 5, bei dem – die Verriegelungseinrichtung (40) einen Zapfen (42) mit einem Sperrring (43) umfasst.
  7. Impulsgenerator gemäß Anspruch 6, bei dem – der Zapfen (42) in der Ausgangsposition (A) in einem Axiallager (25) des Druckzylinders (20) fixierbar ist.
  8. Impulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die umfasst – eine pneumatische Steuereinrichtung (50), die konfiguriert ist, mindestens einen der Druckräume (21, 22) mit Druckgas zu beaufschlagen.
  9. Impulsgenerator gemäß Anspruch 8, bei dem – die pneumatische Steuereinrichtung (50) ein Haupt-Wegeventil (513) aufweist, das dazu eingerichtet ist, mindestens einen der beiden Druckräume (21, 22) mit dem Druckgas aus einer Druckgasquelle (80) zu beaufschlagen.
  10. Impulsgenerator gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem – die pneumatische Steuereinrichtung (50) ein Umsteuer-Wegeventil (514) aufweist, das dazu eingerichtet ist, den zweiten Druckraum (22) mit Druckgas oder atmosphärischem Umgebungsdruck zu beaufschlagen.
  11. Impulsgenerator gemäß Anspruch 10, bei dem – das Umsteuer-Wegeventil (514) über ein Druckreduzier-Ventil (515) mit der Druckgasquelle (80) verbunden ist.
  12. Impulsgenerator gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem – die pneumatische Steuereinrichtung (50) ein Auslöse-Wegeventil (511) aufweist, das dazu eingerichtet ist, einen Auslösezylinder (44) der Auslöseeinrichtung (41) mit Druckgas zu beaufschlagen.
  13. Impulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die umfasst – eine Vorspanneinrichtung (60) mit mindestens einem Vorspann-Zylinder (61, 62, 63), mit dem der Auflagebereich (30) mit einer vorbestimmten Kraft auf den festen Körper (70) anpressbar ist.
  14. Impulsgenerator gemäß Anspruch 13, bei dem – die pneumatische Steuereinrichtung (50) ein Vorspann-Wegeventil (512) aufweist, das dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Vorspann-Zylinder (61, 62, 63) der Vorspanneinrichtung (60) mit Druckgas zu beaufschlagen.
  15. Tunnelbohrmaschine (200), die mit einem Impulsgenerator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestattet ist.
  16. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper (70) mit einem Impulsgenerator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den Schritten: – Positionieren des Impulsgenerators (100), wobei der Auflagebereich (30) auf den Körper (70) an einer vorbestimmten Position aufgesetzt wird, – Vorspannen des Auflagebereiches (30) relativ zum Körper (70) durch Betätigen der Vorspanneinrichtung (60), – Rückzug und Verriegeln der seismischen Masse (10) in der Rückzugsposition (B), – Druckaufbau im ersten Druckraum (21) des Druckzylinders (20), und – Freigabe der seismischen Masse (10), so dass sich diese in die Schlagposition (B) bewegen.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, mit dem Schritt – Druckaufbau im zweiten Druckraum (22) des Druckzylinders (20) mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach der Freigabe der seismischen Masse (10), so dass sich diese in die Ausgangsposition (A) bewegen.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem – der Druckaufbau im Druckzylinder (20) mit der pneumatischen Steuereinrichtung (50) gesteuert wird.
  19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem – beide Druckräume (21, 22) des Druckzylinders (20) mit Druckgas aus einer einzigen Druckgasquelle (51) beaufschlagt werden.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem – die Schwingungserzeugung im Gebirgsgestein eines Gebirgstunnels erfolgt.
  21. Verwendung eines Impulsgenerators (100) oder eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur seismischen Untersuchung oder Erkundung von Gebirgsgestein, zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen in festem Gestein oder in Bauwerken, mit Tübbingen ausgebauten Tunnelwänden oder für Bodenuntersuchungen.
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