DE19723101C2 - Grippervorschubmodul zum Verspannen und Verschieben einer Tunnelbohrmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Grippervorschub­ modul zum Verspannen und Verschieben einer Tunnel­ bohrmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die im Tunnelbau eingesetzten Vortriebsinstallationen umfassen grundsätzlich einen Abbaubereich, in welchem das Gestein ausgebrochen wird, einen Sicherungsbereich, in welchem die Felsdecke gestützt wird und einen Nachläufer­ bereich, mit welchem das Bohrklein weggefördert und die Versorgung für die vorgehenden Bereiche sichergestellt werden soll. Die technische Entwicklung im Tunnelbau hat zu immer leistungsfähigeren Tunnelbohrmaschinen und ent­ sprechend ausgebauten Nachläuferinstallationen geführt. So sind im Laufe der Zeit bspw. die Leistungen der Tun­ nelbohrmaschinen um das 5-fache, deren Gewicht um das 3,5-fache, der Andruck pro Meissel um das 4-fache und das Drehmoment um das 2,5-fache erhöht worden. Ermöglicht wurden diese Steigerungen im wesentlichen durch metallur­ gische Entwicklungen bei den Rollenmeisseln. Weitere Ent­ wicklungen bei den Tunnelbohrmaschinen betreffen die Füh­ rung der Rollenmeissel, insbesondere die Anwendung der Hinterschneidetechnik für den Gesteinsabbau. Diese neuen Techniken führen zu Löseleistungen, die um das 6,5-fache einer herkömmlichen Tunnelbohrmaschine gesteigert sind. Mit derartigen Maschinen können Vortriebsgeschwindig­ keiten von über 6 m/h resp. über 100 m/Tag erreicht wer­ den.

Leider zeigt es sich heute aber, dass diese Vortriebsge­ schwindigkeiten nur selten und nur kurzfristig realisiert werden können, da diese Hochleistungsmaschinen keine oder nur ungenügende Konsolidierungsmöglichkeiten unmittelbar hinter dem Bohrkopf erlauben. Die Vortriebsgeschwindig­ keit wird heute durch die aufwendigen Arbeiten im Sicherungsbereich der Vortriebsinstallationen bestimmt. Insbesondere wird die Tunnelführung heutzutage immer weniger von der geologischen Schichtung abhängig gemacht, und die Tunnels verlaufen immer häufiger durch Gesteine der Felsklassen 4-6, oder mehr. Bei diesen Gesteinen besteht eine akute Einsturzgefahr und vermindern die des­ halb erforderlichen Konsolidierungsarbeiten die Vor­ triebsgeschwindigkeiten auf bis zu 0-3 m/Tag.

Es besteht deshalb das Bedürfnis, den Sicherungsbereich der Vortriebsinstallationen so nah wie möglich an den Abbaubereich zu bringen und die aufwendigen Konsolidie­ rungsarbeiten so effizient wie möglich zu gestalten, um die Leistung der Tunnelbohrmaschine nicht zu beeinträch­ tigen. So ist bspw. aus der WO 83/04068 eine Tunnel­ bohrmaschine bekannt, deren Verspannpratzen, im folgenden auch Gripper genannt, nicht erst hinter den Antriebs­ motoren des Abbauaggregats angebracht sind, sondern bereits im Bereich zwischen Bohrkopf und Antriebseinheit angreifen.

Leider erweisen sich auch bei diesen verkürzten Tunnel­ bohrmaschinen die Möglichkeiten, einen schlechten Felsen zu sichern als ungenügend. So werden heute bereits im Bohrmaschinenbereich zwischen Bohrkopf und Gripper unter erschwerten Arbeitsbedingungen Verankerungen und Armierungen gesetzt. Das Ausspritzen der Gesteinswand mit Spritzbeton ist in diesem engen, mit beweglichen Maschinenteilen gefüllten Bereich jedoch nicht oder nur schlecht möglich. Damit bleibt das Risiko eines Berg­ einsturzes in diesem Bereich, insbesondere bei quell­ fähigen Gesteinen, weiterhin bestehen. Darüberhinaus müs­ sen die Sicherungsarbeiten jedesmal unterbrochen werden, wenn die Bohrmaschinengripper weiter in den Berg versetzt werden.

Weiter ist aus der DE 31 21 244 C2 ein Grippervorschubmodul der gattungsgemäßen Art zum Verspannen und Vorschieben einer Tunnelvortriebsmaschine mit einem in einem Antriebsgehäuse drehbar gelagerten Bohrkopf bekannt, wobei das Grippervor­ schubmodul entlang dem Antriebsgehäuse der Tunnelbohrmaschine verschiebbar gelagerte Gripperringe aufweist, die über eine Anzahl von Schreitzylindern miteinander verbunden sind. Die Gripperringe tragen eine Anzahl von Vorschubzylindern, die am Antriebsgehäuse der Tunnelbohrmaschine angreifen. Die Grip­ perringe sind über Hydraulikpressen und über Schildmesser (entsprechen den Verspannplatten) gegen das Gebirge verspann­ bar, wobei jede Hydraulikpresse mit einem Schildmesser verse­ hen ist, derart, dass mehreren Hydraulikpressen ein gemeinsa­ mer Schildmesser zugeordnet ist.

Ein ähnliches Grippermodul ist in der DE 39 28 342 A1 be­ schrieben und dargestellt.

Schließlich ist aus der US 4 120 165 eine Tunnelvortriebsma­ schine bekannt, in der ein an sich bekanntes Vortriebsschild mit Antriebsteilen, die auf einem Rahmen gelagert und geführt sind, verwendet wird. Mit den Antriebsteilen sind rückwärtige Verlängerungsteile verbunden, vorzugsweise durch Einheiten, die eine relative Verlängerung dazwischen gestatten. Diese rückwärtigen Verlängerungsteile bilden einen rückwärtigen Schild zum Aufnehmen von Stützen und Verstärkungen für eine permanente Auskleidung des Tunnels.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Grippervorschubmodul der gattungsgemäßen Art für eine Tunnelbohrmaschine zur Verfügung zu stellen, das einen kontinuierlichen Vortrieb und eine so­ fortige Konsolidierung der freien Gebirgsflächen hinter dem Bohrkopf erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Auf diese Weise wird durch die Erfindung eine vorschiebbare Grippervorrichtung zur Verfügung gestellt, die es erlaubt, den Fels kontinuierlich abzubauen und diesen sofort hinter dem Bohrkopf zu konsolidieren, d. h. insbesondere mit Spritz­ beton zu sichern.

Das kann demgemäß mit einem bohrmaschinenunabhängigen Modul mit einer Mehrzahl von auf zwei gegeneinander verschiebbaren Gripperringen angeordneter Gripperplatten, welche sich je­ weils individuell vorschieben und verspannen lassen, gesche­ hen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Gripper­ platten abwechslungsweise über einen hydraulischen Grip­ perzylinder mit dem ersten oder zweiten Gripperring ver­ bunden sind. Ist das Grippervorschubmodul mit den ersten Gripperplatten gegen den Berg verspannt, lässt sich der zweite Gripperring an den ersten Gripperring mit Hilfe von Schreitzylindern heranfahren. Nach Aktivierung der auf dem zweiten Gripperring angebrachten Gripperzylinder, werden die Gripperzylinder des ersten Gripperrings gelöst und mit denselben Schreitzylindern bergwärts vorge­ schoben. Auf diese Weise kann das gesamte Gripper­ vorschubmodul im Berg sowohl nach vorne wie nach hinten kontinuierlich bewegt werden. An beiden Gripperringen angebrachte Vorschubzylinder erlauben es, das Antriebs­ gehäuse mit dem Bohrkopf kontinuierlich in den Berg vor­ zuschieben.

Die Vorteile eines solchen Grippervorschubmoduls sind für den Fachmann unmittelbar erkennbar und ergeben sich im wesent­ lichen aus den unmittelbar hinter dem Bohrkopf ange­ ordneten und ein Schutzschild bildenden Gripperplatten, die kontinuierlich vorgeschoben werden können. Diese An­ ordnung erlaubt es, den Fels kontinuierlich abzubauen, und die Sicherungsarbeiten unmittelbar hinter dem Bohrkopf in der erforderlichen Weise vollständig und kontinuierlich vornehmen zu können. Darüberhinaus lässt sich das erfin­ dungsgemässe Grippervorschubmodul unabhängig von der im Einsatz stehenden Tunnelbohrmaschine einsetzen, d. h. ist als unabhängige Einheit mit konventionellen Tunnelbohr­ maschinen kompatibel.

Weiterbildungen des erfindungsgemässen Grippervorschub­ moduls ergeben sich aus dem mit Hilfe der Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiel und den Unteran­ sprüchen.

Im folgenden soll die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Hilfe der Figuren näher er­ läutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vortriebsinstal­ lation mit einem erfindungsgemässen Grippervor­ schubmodul;

Fig. 2 einen Längsschnitt und eine Seitenansicht durch das erfindungsgemässe Grippervorschubmodul in Arbeitsstellung;

Fig. 3 einen Längsschnitt und eine Seitenansicht des erfindungsgemässen Grippervorschubmoduls in War­ tungsstellung;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemässe Grippervorschubmodul in der Ebene seiner Vor­ schub- und Schreitzylinder;

Fig. 5 einen Querschnitt durch das erfindungsgemässe Grippervorschubmodul;

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform eines mit dem erfindungsgemässen Grip­ pervorschubmoduls zusammenwirkenden Bohrkopf­ schildes.

Die in Fig. 1 dargestellte Vortriebsinstallation weist bergseitig im Abbaubereich 1 einen Bohrkopf 2 mit aus­ wechselbaren Bohrmeisseln 3 auf. Dieser Bohrkopf 2 ist in einem zentralen Teil des Antriebsgehäuses 4 drehbar gelagert. Die Antriebsmotoren 6 sind über ein Getriebe (nicht dargestellt) mit dem Bohrkopf 2 verbunden. Unmit­ telbar hinter dem durch diese Bohrmaschine besetzten Ab­ baubereich 1 schliesst der Sicherungsbereich 5 an, in welchem Verankerungen und Armierungen gesetzt werden kön­ nen und die Gesteinswand mit Spritzbeton 10 ausgekleidet werden kann. Dazu kann ein drehbarer Arbeitstisch 7 an das Antriebsgehäuse 4 herangefahren werden. Fördermittel 8, 9 zum Ver- und Entsorgen des Sicherungs- 5 und Abbau­ bereiches 1 im Tunnel können zentral geführt werden. Ein Nachläuferbereich 11 kann in bekannter Weise ausgestaltet sein. Diese Figur macht deutlich, dass der Sicherungs­ bereich 5 nicht mit Bohrmaschinengrippern verstellt ist, und sich bis in den Abbaubereich 1 erstreckt. Das erfin­ dungsgemässe Grippervorschubmodul 12 liegt direkt hinter dem Bohrkopf 2 und stemmt sich mit seinen Grippern 13 gegen die Bergwand 14.

Fig. 2 zeigt in seiner oberen Hälfte einen Längsschnitt durch das erfindungsgemässe Grippervorschubmodul 12. Dieses ist über ein Antriebsgehäuse 4 geschoben, in wel­ chem die Antriebsmotoren 6 der Tunnelbohrmaschine ge­ lagert sind. Das Bohrkopfgehäuse 15 ist über eine Getriebeeinheit 16 mit diesen Antriebsmotoren 6 verbunden und wird von diesen um eine Zentralachse 17 gedreht. Die Bohrmeissel 3 sind von innen auswechselbar. Ein zentral geführtes Förderband 18 nimmt das Bohrklein auf und führt dieses in den Nachläuferbereich 11 zur Entsorgung mittels der Fördermittel 9. Zwischen dem erfindungsgemässen Grip­ pervorschubmodul 12 und dem drehbar gelagerten Bohrkopf 2 ist ein Bohrkopfschild 19 fest mit dem Antriebsgehäuse 4 verbunden. Zwischen Antriebsgehäuse 4 und Bohrschildge­ häuse 19 ist ein Lagergehäuse 20 vorgesehen, in welches Vorschubzylinder 21 des Grippervorschubmoduls 12 ein­ greifen. Das Grippervorschubmodul 12 ist im wesentlichen aus einem ersten Gripperring 22 und einem zweiten Grip­ perring 23 aufgebaut. Diese Gripperringe 22, 23 sind mit Hilfe mehrerer Schreitzylinder 24 gegeneinander ver­ schiebbar und gleiten auf nicht näher dargestellten Füh­ rungsschienen 25 (Fig. 5) des Antriebsgehäuses 4. Auf den Gripperringen 22, 23 sind zueinander versetzt angeordnete Gripperzylinder 26 angebracht, welche jeweils eine Verspannplatte 27 tragen, welche sich über das ge­ samte Grippervorschubmodul 12 erstreckt. In verspanntem Zustand können Vorschubzylinder 21, 29, die in das Lager­ gehäuse 20 eingreifen, den gesamten Bohrkopf 2 bergwärts vorschieben.

Im Betrieb werden vorerst nur die Gripperzylinder 26 des ersten Gripperrings 22 aktiviert. Damit wird das Gripper­ vorschubmodul 12 mit den Verspannplatten 27 gegen den Berg verspannt. Die Gripperzylinder 28 des zweiten Grip­ perrings 23 sind in dieser Darstellung gelöst. Die am ersten Gripperring 22 angreifenden Vorschubzylinder 21 können damit den Bohrkopf 2 bergwärts vorschieben. Gleichzeitig wird der zweite Gripperring 23 mit Hilfe von Schreitzylindern 24 an den ersten Gripperring 22 heran­ gezogen. Nach einer vorgegebenen Vorschubstrecke werden die Gripperzylinder 28 des zweiten Gripperrings 23 aktiviert und werden die mit diesen verbundenen Gripper­ platten 27 gegen den Berg gepresst. Gleichzeitig werden die Gripperzylinder 26 des ersten Gripperrings 22 gelöst und die am zweiten Gripperring 23 angreifenden Vorschub­ zylinder 29 aktiviert, um den Bohrkopf 2 weiter vorzus­ chieben. Die zwischen den beiden Gripperringen 22, 23 angebrachten Schreitzylinder 24 schieben den ersten Grip­ perring 22 zusammen mit dem Lagergehäuse 20 vor. Dadurch kann das Grippervorschubmodul 12 in kontinuierlicher Weise versetzt werden, ohne die Verspannung lösen und den Vorschub unterbrechen zu müssen. Die in der unteren Hälfte der Fig. 2 dargestellte Seitenansicht zeigt die nebeneinander angeordneten Verspannplatten 27 und deren Verbindung mit den jeweiligen Gripperzylindern 26, 28.

Fig. 3 zeigt das erfindungsgemässe Grippervorschubmodul 12 in einer Wartungsstellung, d. h. ist vom Antriebsge­ häuse 4 der Tunnelbohrmaschine getrennt. Die besondere Konstruktion des Bohrkopfes 2 ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und wird deshalb nicht näher er­ läutert. Deutlich dargestellt ist ein am Antriebsgehäuse 4 fest angebrachtes Lagergehäuse 20. In dieses Lagerge­ häuse 20 können die mit einem Lagerfutter 30 versehenen Kugelgelenke 31 der Vorschubzylinder 21, 29 eingreifen. Auch in dieser Stellung sind die Gripperzylinder 26 des ersten Gripperrings 22 aktiviert und halten die Bohr­ maschine an den Führungsschienen (nicht dargestellt). Die Steuerung der einzelnen Hydraulikzylinder wird von einer im Nachläuferbereich 11 positionierten Steuervorrichtung vorgenommen. In einer bevorzugten Weiterbildung des er­ findungsgemässen Grippervorschubmoduls ist das Bohrkopf­ schild 19 mit Schutzplatten 33 ausgerüstet, die direkt unter die Verspannplatten 27 greifen und verhindern, dass Gestein zwischen das Bohrkopfschild 19 und den ersten Gripperring 22 fällt.

Der in Fig. 4 dargestellte Schnitt zeigt den ersten Gripperring 22 und den zweiten Gripperring 23. Diese beiden Gripperringe sind über einen Schreitzylinder 24 miteinander verbunden, derart, dass die beiden Ringe gegeneinander verschoben werden können. Beidseits der für die Verspannung vorgesehenen Gripperzylinder 26 sind Vor­ schubzylinder 21, 29 vorgesehen, wobei jeweils ein Vor­ schubzylinder 21 mit dem ersten Gripperring 22 und ein Vorschubzylinder 29 mit dem zweiten Gripperring 23 zusam­ menwirkt. Diese Vorschubzylinder 21, 29 weisen endseitig ein Kugelgelenk 31 auf, das in einem Lagerfutter 30 ge­ lenkig gelagert ist. Dadurch kann erreicht werden, dass bei geeigneter Aktivierung der Gripperzylinder 26 das Bohrgehäuse 15 der Tunnelbohrmaschine geneigt werden kann. Die Lagerfutter 30 stecken verdrehsicher je in einem Lagergehäuse 20 des Antriebsgehäuses 4 und können gleitend aus diesem herausgezogen werden.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch das erfindungs­ gemässe Grippervorschubmodul 12 und macht insbesondere die Segmentierung dieses Moduls deutlich. In der vor­ liegenden Ausführungsform sind sechzehn Verspannplatten 27 vorgesehen, die jeweils an einem versetzt angeordneten Gripperzylinder 26 befestigt sind. Diese Gripperzylinder 26, 28 sind abwechslungsweise in einem ersten Gripperring 22 resp. einem zweiten Gripperring 23 befestigt. Beid­ seits der Gripperzylinder 26, 28 sind die Vorschub­ zylinder 21 resp. 29 parallel zur Förderachse geführt. Wesentlich für die Führung des Bohrkopfes sind an den Gripperringen 22, 23 fixierte Gleitschuhe 32, welche mit an dem Antriebsgehäuse 4 angebrachten Schienen 25 zusam­ menwirken. Diese Führungsmittel 32, 25 erlauben die Steuerung der Achsenrichtung des Bohrkopfes 2 mit Hilfe der Gripperzylinder 26, 28. Die rotationssymetrische An­ ordnung der Antriebsmotoren 6 lässt genügend Raum, um ein Förderband 18 zum Abräumen des Bohrkleins in den Abbau­ bereich 1 zu führen.

Es versteht sich, dass auch das Bohrkopfschild 19 in analoger. Weise segmentiert sein kann, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Dabei genügt es, zwei über ein Hy­ draulikpaar 34, 35 spreitzbare Bohrkopfschildsegmente 36, 37 vorzusehen. Mit diesen Bohrkopfschildsegmenten 36, 37 kann die gesamte Bohrmaschine, in Verbindung mit den Füh­ rungsschienen 25 und Gleitschuhen 32 noch präziser im Tunnel geführt werden.

Weiterbildungen des erfindungsgemässen Grippervorschub­ moduls liegen im Bereich des fachmännischen Könnens und sind bspw. in der Dimensionierung der Grippermodul­ segmente zu sehen. Es versteht sich, dass abhängig vom Bohrradius, die Anzahl der Grippermodulsegmente verändert werden kann. Ebenso kann die hier beschriebene Führung aus Führungsschienen und Gleitschuhen anders ausgestaltet und angeordnet sein, oder können mehrere hintereinander angeordnete Gripperringe verwendet werden. Dass die ein­ zelnen Hydraulikzylinder einzeln oder in Gruppen akti­ viert werden können, liegt dem Fachmann ebenfalls nahe.

Claims (8)

1. Grippervorschubmodul zum Verspannen und Verschieben ei­ ner Tunnelbohrmaschine mit einem in einem Lagergehäuse (20) drehbar gelagerten Bohrkopf (2), welches Grippervorschubmodul (12) einen ersten und einen zweiten, entlang einem Antriebs­ gehäuse (4) der Tunnelbohrmaschine verschiebbar gelagerten Gripperring (22) und Gripperring (23) aufweist, welche Grip­ perringe (22, 23) miteinander über eine Mehrzahl von Schreit­ zylindern (24) miteinander verbunden sind, wobei für den Vor­ schub des Antriebsgehäuses (4) und des Bohrkopfes (2) an den Gripperringen (22, 23) und am Lagergehäuse (20) eine Mehrzahl von Vorschubzylindern (21, 29) angreifen und wobei für die Verspannung des Grippervorschubmoduls (12) gegen das Gebirge am ersten Gripperring (22) und am zweiten Gripperring (23) jeweils eine Mehrzahl von Gripperzylindern (26, 28) vorgese­ hen ist, die jeweils mit einer Verspannplatte (27) versehen sind und die Verspannplatten (27) nebeneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß benach­ barte Verspannplatten (27) Gripperzylindern (26, 28) zugeord­ net sind, die nicht am gleichen Gripperring (22, 23) befe­ stigt sind und daß die Vorschubzylinder (21) am ersten Grip­ perring (22) und am Lagergehäuse (20) und die Vorschubzylin­ der (29) am zweiten Gripperring (23) am Lagergehäuse (20) an­ greifen.

2. Grippervorschubmodul nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verspannplatten (27) ei­ nen an ein Bohrkopfschild (19) des Antriebsgehäuses (4) di­ rekt anschließendes Schild bilden.

3. Grippervorschubmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreitzylinder (24), die Vorschubzylinder (21, 29) und Gripperzylinder (26, 28) als Hydraulikzylinder ausgebildet sind.

4. Grippervorschubmodul nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hydraulikzylinder einzeln oder gruppenweise betätigbar sind.

5. Grippervorschubmodul nach einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ schubzylinder (21, 29) an ihren Enden mit Kugelgelenken (31) versehen sind.

6. Grippervorschubmodul nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für ein gelenkiges Vorschie­ ben des Antriebsgehäuses (4) der Tunnelbohrmaschine die Ku­ gelgelenke (31) in Lagerfuttern (30) liegen.

7. Grippervorschubmodul nach einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreitzylinder (24) an ihren Enden mit Kugelgelenken (38) versehen sind.

8. Grippervorschubmodul nach einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Grip­ perringe (22, 23) mit Gleitschuhen (32) versehen sind, die entlang von am Antriebsgehäuse angebrachten Führungsschienen (25) führbar sind.