DE2745928C2

DE2745928C2 - Verfahren und Einrichtung zum Regeln einer Schildvortriebsmaschine zum Auffahren von Tunnelbauten

Info

Publication number: DE2745928C2
Application number: DE2745928A
Authority: DE
Inventors: Kozo Tsuchiura Ono
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1976-10-13
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1982-04-22
Also published as: DE2745928A1; JPS5759400B2; US4165874A; JPS5347132A; NL7711197A; NL184287B; US4171848A; NL184287C; GB1566344A

Description

ßen Regeleinrichtung im Blockschaltbild.

Die Schildvortriebsmaschine nach Fig. IA, IB weist einen Fräskopf 12 am vorderen Ende eines hohlzylindrischen Schildes 10 auf. Der Fräskopf 12 wird durch einen Hydraulikmotor 18 und ein Getriebe 16 über eine Welle 14 angetrieben und besteht aus einer Nabe 20 sowie einer aus Segmenten 22 und radialen Fräsarmen 24 gebildeten Platte, die fest mit der Nabe 20 verbunden ist. Messer 26 sind an der Stirnseite der Fräsarme 24 befestigt. Eine im Schild 10 unmittelbar hinter dem Fräskopf 12 befestigte Trennwand 28 schottet einen Arbeitsraum 30 maschincnseitig ab. Fin von einem Hydraulikmotor 32 angetriebener Schneckenförderer 34 rp.'t mit seinem vorderen offenen Ende in den Arbeitsraum 30 hinein. Eine Verschlußplatte 36 dient zum Austragen des geforderten Haufwerks oder Schlamms und wird durch einen hydraulischen Zylinder 38 geöffnet bzw. geschlossen. Ein Druckring 40 des Schildes 10 wird gegen die Ortsbrusl 48 mittels Schildpressen 44 vorgeschoben, die sich an ihrem hinteren Ende an einem Beton-Tübbing 42 abstützen.

Beim Vortrieb wird der Fräskopf 12 durch den Hydraulikmotor 18 angetrieben und löst dabei mit seinen Messern 26 den Ausbruch aus der Ortsbrust 48. Das sich im Arbeitsraum 30 sammelnde Haufwerk wird aus diesem mittels des Schneckenförderers 34 durch die geöffnete Verschlußplatle 36 hindurch in eine geeignete Transporteinrichtung ausgetragen. Der Druckring 40 des Schildes 10 wird zusammen mit dem Fräskopf 12 gegen die Ortsbrusl 48 durch Beaufschlagen der Schildpressen 44 mit einem Druckmittel vorgeschoben.

Bei der Schildvortriebsmaschine nach den Fig. 2A. 2B sind Rührflügel 50 im Arbeitsraum 30 zum Durcharbeiten des im Arbeitsraum 30 gesammelten Haufwerkes vorgesehen, dessen Druck einen Einbruch der Ortsbrust verhindert. Bei dieser Schildvortriebsmaschine kann die Frontplatte 22 der Ausführung nach den Fig. IA und 1B weggelassen werden.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Regeleinrichtungen können bei Schildvortriebsmaschinen gemäß der F i g. 1 und 2 eingesetzt werden. Zum besseren Verständnis der Regelung werden im folgenden einige Grundlagen für die erfindungsgemäßen Regelungen anhand der F i g. 3 erläutert.

Ein Signal zum Steuern der Druckmittelzufuhr zu den Schildpressen wird einem Stellglied 52 eingegeben, dessen Ausgangssignal z. B. die Förderleistung einer — nicht dargestellten — Druckölpumpe steuert, an die mehrere Schildpressen 44 parallel angeschlossen sind. Die Ausfahrgeschwindigkeit dieser Schildpressen 44 wird gemessen, wodurch sich auch die Vortriebsgeschwindigkeit vdes Schildes ergibt.

Die Menge Vj des aus der Ortsbrust hereingewonnenen Ausbruchs ist gegeben durch die Beziehung:

vd/

(1)

dem Querschnitt des Schildes 10 und
Ausbruchsmenge gleich Volumen des aufgefahrenen Hohlraumes.

Von einem Meßglied 54 in F i g. 3 des Schneckenförderers 34 wird ein Ausgangssignal dem Hydraulikmotor 32 eingegeben, der den Schneckenförderer mit einer Drehzahl N antreibt Damit ist die Menge V₇ des vom Schneckenförderer 34 aus dem Arbeitsraum 3Ö abgeforderten Haufwerks gegeben durch:

l·', = η Β Nut

(2)

η = Wirkungsgrad des Schneckenförderers 34.
B = der theoretischen Menge des bei einer Umdrehung abgeförderten Haufwerks.

Die Menge Δ V des im Arbeitsraum 30 befindlichen Haufwerkes wird gegeben durch die Beziehung:

Λ I

K, - I,.

(3)

Unter Berücksichtigung der Volumenänderung zwischen dem Ausbruch und dem im Arbeitsraum befindlichen Haufwerk um den Faktor K, der u. a. von der Bodenart und der Festigkeit der Ortsbrust bestimmt wird, ergibt sich ein Haufwerkdruck Pirn Arbeitsraum aus:

P = K Δ Κ

(4)

wobei dieser Haufwerkdruck noch um einen Druckwert APs zu korrigieren ist, wenn die Radialschlitze in der Frontplafte des Fräskopfes 12 zwischen den einzelnen Sektoren und den Flügeln 24 relativ schmal sind.

Zur Erzielung eines stabilen Vortrieb-Betriebes muß ein Gleichgewicht zwischen der an der Ortsbrust je Zeiteinheit hcreingewonnenen Ausbruchsmenge d V\/dt und der aus dem Arbeitsraum in der Zeiteinheit abgeförderten Haufwerkmenge d Vydf hergestellt werden, wodurch der Haufwerkdruck Pirn Arbeitsraum auf den in den anstehenden Bodenformationen herrschenden statischen Druckwert gehalten wird, um Einbrüche zu verhindern. Gemäß den im oberen Teil der Fig.3 und 4 strichpunktiert umrissenen Blöcken I werden die zeitlichen Ableitungen dVj/df und dVj/di der Ausbruchs- bzw. Haufwerkmengen miteinander verglichen, und anhand der Abweichungssignale wird entweder die Vorschubsgeschwindigkeit voder die Fördererdrehzahl N entsprechend so verstellt, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

dr

dt

= 0.

(5)

Die Ist-Vortriebsgeschwindigkeit ν des Schildes 10 wird durch einen Geschwindigkeitsmesser 56 erfaßt, der z. B. den Hub der Schildpressen 44 mißt. Die Ist-Geschwindigkeit vwird mit dem Schildquerschnitt A multipliziert. Die Ist-Drehzahl /V des Schneckenförderers 34 wird durch einen Drehzahlmesser 58 erfaßt und mit der theoretischen Menge B des bei einer Umdrehung des Schneckenförderers 34 geförderten Haufwerks multipliziert. Die diese Produkte A ■ ν und B ■ N kennzeichnenden Signale werden zwei Multiplizierern 60 bzw. 62 eingegeben. Im Multiplizierer 60 wird das Produkt A ■ ν mit einem Koeffizienten Tj₁ multipliziert, um die theoretische Menge Q-, des in der Zeiteinheit aus der Ortsbrust hereingewonnenen Ausbruchs zu erhalten. Im Multiplizierer 62 wird das Produkt B ■ N mit einem anderen Koeffizienten rp multipliziert um die theoretische Menge Q₇ des in der

Zeiteinheit aus dem Arbeitsraum 30 abgcförderlen Haufwerkes zu erhalten. Die Koeffizienten iji und i;> werden bei der Ausführung nach Fig. 3 von Hand in entsprechenden Koeffizicntcnstcllglicdern 64 und 66 eingestellt. Diese Koeffizienten fji und 7/j können auf ί physikalisch sinnvolle Festwerte eingestellt sein. Der ersic Koeffizient ηι, der die Volumenänderung des hereingewonnenen Ausbruches berücksichtigt, kann z.B. tiC sein, d.h. das Volumen des Materials vor der I lcreingewinming ist gleich dem Volumen des hereinge- in wonnchen Ausbruchs. Der erste Koeffizient ηι kann jedoch auch gleich dem Schwcllfaklor A (fs> 1.0) des Ausbruchs gewählt werden, der die Volumenzunahme des hereingewonnenen Ausbruchs berücksichtigt. Der zweite Koeffizient ?;.< berücksichtigt den Wirkungsgrad is η des Schneckenförderers 34.

Die in den Multiplizierern 60 und 62 berechneten Mengen Q\ und Q: einsprechen in etwa den Mengen d Wdr Ivw. dlVdi. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 60, 62 werden einem fviengenvergieicncr 72 m eingegeben, dessen Ausgangssignal die Mengenabwei-Chung(5i kennzeichnet.

Q_t -

;;, Av //- Ö/V.

(7)

Das diese Mengenabweichung ό kennzeichnende Signal wird in einem Sollwert-Vergleicher 74 in Stellsignale für z. B. ein Stellglied 54 des Schneckenförderers 34 umgewandelt, um die Antriebsleistung des Schneckenförderers 34 in Abhängigkeil vom Vorzeichen von <5i und von dessen Abweichung zum Sollwert <5oein;.tistellen.

Der Sollwert-Vergleicher 74 ist so aufgebaut, daß sein Stellsignal die Drehzahl /V des Schneckenförderers 34 konstant hält bzw. erhöht bzw. verringert, wenn

—60

ist. Das Ausgangssignal des Sollwert-Vergleichers 74 wird automatisch über einen Hand-Automatik-Schaltcr ^o 76 und einen Signalverstärker 78 dem Stellglied 54 des Schneckenförderers 34 zugeführt. Durch manuelle Betätigung des Hand-Automatik-Schalters 76 wird von automatischem Vortriebsbetrieb auf handgesteuertem Vortriebsbetrieb umgeschaltet, wenn die Bodenart nicht allein durch die oben erläuterte Regelung überdeckt werden kann oder wenn die Regeleinrichtung ausfällt. Der Signalverstärker 78 verstärkt das Ausgangssignal des Sollwert-Vergleichers 74 auf einen zur Betätigung des Stellgliedes 54 ausreichenden Wert, welches z. B. das Schluckvolumen des Hydraulikmotors 32 entsprechend verstellt. Wenn der Sollwert δο sehr klein ist, wird die Drehzahl N des Schneckenförderers 34 verstellt, sobald die Mengen-Abweichung όι positiv oder negativ wird. Ein Tunnel kann daher aufgefahren werden. während kontinuierlich die Mengenabweichung όι sehr nahe bei Nu!! gehalten wird. d. h. während die Beziehung Q₁ = φ beibehalten wird

Dte Festwert-Koeffizienten ψ und ηι können jedoch auch von den tatsächlich auftretenden Werten abwei- &o chen. so daß dV,/dt^dV,/dt ist. obwohl die Beziehung Qx = Ch rechnerisch gilt In diesem Fall nimmt die Haufwerkmenge im Arbeitsraum 30 in einer Zeiteinheit zu oder ab. was zur entsprechenden Änderung des Haufwerkdruckes P im Arbeitsraum 30 führt und die ή gewünschte Genauigkeit der Vortriebssteuerung beeinträchtigt. Ein etwa konstanter Haufwerkdruck muß jedoch im Arbeitsraum 30 nicht zwingend eingehalten werden, wenn in einer selbsttragenden Bodenformatioii aufgefahren wird. In diesem Fall können die Werte für 7/1 und 7/2 z. B. in Versuchen empirisch bestimmt werden, und die Regelung arbeitel als einfache Synchronisicrregelung, bei welcher der Schneckenförderer 34 die Menge V? gleich der Menge l'i des abgebauten Ausbruches fördert. Zur Kontrolle wird der Haufwefkdruck P im Arbeitsraum 30 in einem Analog- oder Digilal-Sichtgerät angezeigt, und die Koeffizienten-Stellglieder 64, 66 können von Hand entsprechend dieses angezeigten Haufwefkdfuckes P verstell! werden.

Beim Durchfahren von weichen, ggf. fließfähigen Bodenformalionen ist es jedoch zweckmäßig, die Koeffizienten ψ und iji automalisch zu verstellen und den Haufwerkdruck Pirn Arbeitsraum 30 selbsttätig zur Vermeidung von Einbrüchen in einem dem statischen Druck an der Orlsbrust entsprechenden Bereich zu halten. Die hierfür geeignete Regeleinrichtung wird im folgenden anhand der Fig. 4 näher en« icrt.

Der Ist-Haufwerkdruck Pirn Arbeitsraum 30 wird mn Hilfe von Druckmessern 80 gemessen, die an der Trennwand 28 an mehreren Stellen a. bgemäß Fig. IB. 2B angeordnet sind, lim die Spitzenwerte zu kompensieren, werden die Meßwerte in einem Rechenglied 82 gemittell. dessen den mittleren Haufwerkdruck P kennzeichnende Ausgangssignale einem Druckvergleicher 84 eingegeben werden, welche eine Druckabweichung 6-2 als Differenz zwischen dem milderen Haufwerkdruck P_m und einem auf der Grundlage des Gebirgsdruckes an der Ortsbrust bestimmten SoII-Druckwerles P, berechnet. Statt des mittleren Haufwerkdruckes P_n, kann auch entweder der Ist-Haufwerkdruck P. eine erste Ableitung des mittleren Haufwerkdruckes Pm nach der Zeit oder die Summe aus dem mittleren Haufwerkdruck P_m und dessen erster Ableitung nach der Zeit herangezogen werden. Die errechnete Haufwerk-Druckabweichung 62 wird zwei Koeffizienten-Stellgliedern 68 und 70 eingeführt. Das Koeffizienten-Stellglied 68 verstellt den Koeffizienten •7}t automatisch bei einer Änderung der Druckabweichung 62 und kann auf Handbetrieb umgeschaltet werden. Bei automatischer Einstellung hat der Koeffizient Tji stets einen positiven Wert. Wenn die Abweichung ό? Null ist, bleibt Tjt konstant. Wenn die Druckabweichung 62 positiv oder negativ ist. nimmt ψ mit vorbestimmter Geschwindigkeit zu oder ab. Das Koeffizienten-Stellglied 70 ist ähnlich aufgebaut und stellt automatisch oder von Hand den in den Multiplizierer 62 eingegebenen Koeffizienten 7/2 ein. Es unterscheidet sich jedoch funktionsmäßig dadurch, daß der Koeffizient j/2 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit ab- oder zunimmt, wenn die Druckabweichung &2 pasitiv oder negativ ist. Wenn die Druckabweichung 62 gleich Null ist. muß die Änderungsgeschwindigkeit der Koeffizienten jji und j}2 relativ klein gewählt werden, um ein verzögertes Ansprechen der Regelschleife zu berücksichtigen, bei der der Haufwerkdruck P im Arbeitsraum 30 zunächst erfaßt wird, bei der dann die Menge des in der Zeiteinheit geförderten Haufwerkes dVp/df abhängig von der erfaßten Änderung des Haufwerkdruckes P im Arbeitsraum 30 verstellt wird und bei der schließlich der Haufwerkdruck P im Arbeitsraum 30 sich mit der Änderung der zeillichen Ableitung der Ausbruchsmenge dVi/df ändert. Dieses verzögerte Ansprechverhalten dient zur Vermeidung von Instabilitäten der gesamten Regelung.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Regeleinrichtung gibt

es drei Fälle zum Einstellen der Koeffizienten η\ und )j2· Im ersten Fall wird der Koeffizient iji von Hand auf einen konstanten Wert eingestellt, und der Koeffizient ■ή2 ändert sich automatisch, um Änderungen der Druckabweichung ύι zu folgen. Im zweiten Fall wird der ; Koeffizient ηι auf einen konstanten Wert eingestellt, und der Koeffizient i/i ändert sich, um der Druckabweichung 02 zu iolgen. Im dritten Fall ändern sich beide Koeffizienten i)\ und 7/2 automatisch, um Änderungen der Druckabweichung O₂ zu folgen. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf den ersten Fall, bei »reichem der Koeffizient η\ gleich 1 ist.

Für den Koeffizienten ψ kann f)i = I,0 angenommen Werden, sofern das Volumen des Ausbruches unter dem in der Ortsbrust herrschenden Druck als Grundlage genommen wird, während sich der Koeffizient i]_2t der tengefähr gleich dem Wirkungsgrad ή des Schrteckenförtierers 34 ist, mit der Bodenart Und dem Ausbrüchdruck ftnder!.

Q, = Av = ^pJ-, da/7, = 1,0.

20

10

Dies bedeutet, daß der Ausbruchdruck P im Arbeitsraum 30 zunimmt oder abnimmt.

Der Druckverglcicher84 erzeugt ein Ausgangssignal, das die Ausbruchdruck-Abweichung

δ} = Pm -

oder δ, =

ύι

oder kennzeichnet, und der Koeffizient n₂ nimmt abhängig davon ab oder zu, ob diese Ausbruchdruck-Abweiehüüg ö~ posi'iv nrjer negativ ist.
Folglich liegt die Beziehung

Qi = η DN = ——, wenn H₂ = /).

Die Ausbruchmengen-Abweichung <5, ist gegeben durch:

·, „ „ UV_x UV₂

δ] = Qi - Q₂ = -rr - —rr ^M

d/

bei δ₂ > 0 vor, obwohl die Beziehung Q, = Q₂ für die Berechnung gilt. Mit der Gleichung

gilt nun die Beziehung

Auf diese Weise stellt die Ausbruchmengen-Abweiehung (J, die Menge — (A K) des Ausbruches dar, der

35 und H₂ ist größer als /;. Das Koeffizient-Stellglied 70

Ulsächlich in der Zeiteinheit im Arbeitsraum 30 zu-

HJckbleibt. Die Regeleinrichtung steuert das Antriebs- -to verringert nun die Einstellung von H₂. Im entgegengeglied 54 an, um diesen Wert <J, auf Null zu verringern, setzten Fall, in dem O₁ <0 vorliegt, gilt die Beziehung Wodurch die Beziehung Q_x = Q₁ beibehalten wird.
Jedoch liegt , _v

•or, wenn /J₂ Φ /ι. In diesem Fall gilt

df df *
und -(AV) ist nicht Null, obwohl die Beziehung

O /

öi ⁼ Qi entsprechend der Berechnung im Steuersystem gilt.

Der Ausbruchdruck Pirn Arbeitsraum 30 ist gegeben durch:

P=KAV= K(V, - V₁)

und H₂ ist kleiner als n. Das Stellglied 70 vergrößert den Koeffizienten H₂.
Damit baut die Steuer-Vorrichtung die Beziehung Q\ = Q2 für die neue Einstellung von ηι erneut auf, so daß die Drehzahl N des Schneckenförderers 34 abhängig davon zunimmt oder abnimmt, ob der Wert von Ö2 positiv oder negativ ist

Schließlich wird ein Gleichgewicht zwischen der Menge des abgebauten Ausbruches und der Menge des geförderten Haufwerks erreicht, wenn die Ausbruchmengen-Abweichung Oi = 0 vorliegt, d. h., in dem Punkt, in dem der mittlere Ausbruchdruck P_n, im Arbeitsraum 30 konstant gehalten wird. Auf diese Weise gilt die

60 Beziehung

und sein differenzierter Wert — ist gegeben durch:

d;

at df

df df '

und die gewünschte Steuerung zum Gewährleisten stabilen Bohrens oder Vortreibens an der Arbeitsfläche kann genau erreicht werden.

Die obigen Erläuterungen fasziehen sich insbesondere auf den ersten Fall, in dem der Koeffizient η\ auf einen konstamen Wert von 1,0 eingestellt ist, während der Koeffizient 772 automatisch veränderlich ist. Selbstverständlich kann die Beziehung

al

d/

in ähnlicher Weise auch für die übrigen Fälle eingestellt in werden. Es sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Regeleinrichtung in erster Linie so aufgebaut ist, daß die Beziehung Qi = Q₂ bei beliebigen Werten von 171 und 772 beibehalten wird. Der Betrieb der Regeleinriciitung ist so, daß das Vorzeichen der is Ausbruchdruck-Abweichung δ₂ abhängig von den relativen Größen von

iLÜ und
ut ^U1U

ut

20

bestimmt ist, und die Koeffizienten 771 und 772 werden in neue Werte abhängig vom Vorzeichen der Ausbruchdruck-Abweichung Ö2 geändert, so daß diese neuen Einstellungen von 771 und 7/2 zum erneuten Aufbauen der Beziehung Q\ = Q2 verwendet werden können. Dieser Betrieb dauert fort, bis schließlich die Ausbruchmengen-Abweichung <5| auf Null verringert ist, d. h., bis die Beziehung

2Ά =

dt

erneut gilt. Auf diese Weise kann entweder 7/1 oder 7j₃ veränderlich gemacht werden, um die Beziehungen <?i = Q2und

dK, _ dK₂
dt dt

40

beizubehalten. Jedoch weicht die Art der Steuerung mit dem veränderlichen Koeffizienten 771 von der Art der Steuerung mit dem veränderlichen Koeffizienten ϊ;₂ insoweit ab, als 771 abhängig davon zunimmt oder abnimmt, ob die Ausbruchdruck-Abweichung 02 positiv oder negativ im ersten Fall ist, während 7)2 abhängig davon abnimmt oder zunimmt, ob O₂ positiv oder negativ ist

Die Mengen Qi und Q₂ haben abhängig davon verschiedene Bedeutungen, ob 7)1 oder 772 veränderlich ist. Unter diesem Gewichtspunkt werden die drei oben erläuterten Fälle einzeln diskutiert.

(1) Im ersten Fail ist der Koeffizient 771 auf einen konstanten Wert eingestellt, während der Koeffizient 772 automatisch veränderlich ist.

(a) 7/i = 1.0.

Wenn ein Gleichgewicht zwischen der Menge des (3) abgebauten Ausbruches und der Menge des ^o geförderten Ausbruches erreicht ist, gelten die Gleichungen

Ui ui

Die Mengen Qi und Q₂ stellen jeweils die Mengen des in der Zeiteinheit abgebauten Ausbruches und

des geförderten Haufwerks dar. wenn das Volumen des Ausbruchs unter dem statischen Ausbruchdruck an der Ortsbrust als Grundlage genommen wird. Das tatsächliche Volumen des Haufwerks wird durch Multiplizieren mit dem Schwellfaktor fs berechnet. Andererseits ist der Koeffizient η 2 näherungsweise gleich dem Wirkungsgrad η des Schneckenförderers 34.

Wenn ein Gleichgewicht zwischen der Menge des abgebauten Ausbruches und der Menge des geförderten Haufwerks erreicht ist, gelten die Beziehungen Qi = Q₂ und

dt

ut

Diese Mengen O, und Q, werden jeweils ausge drückt durch

Q₁ - /;, Av = fsAv= fs

Q₂ = H₂BN = fs ^U.

al

Auf diese Weise beruhen Qi und Q₂JeWeUs auf dem Haufwerkvolumen, und der Koeffizient 7/2 ist in diesem Fall ungefähr gleich /st;.
Im zweiten Fall ist der Koeffizient 772 auf einen konstanten Wert eingestellt, während der Koeffizient tji automatisch veränderlich ist.
Der Koeffizient 7;₂ ist auf einen geschätzten Mittelwert des Wirkungsgrades 7; des Schneckenförderers 34 eingestellt. Wenn 7/2 auf einen derartigen Wert eingestellt ist, gilt die Gleichung

Qi

dV₂ dt

nicht immer, da 772 in der Gleichung Q> = /,jß/Vnicht immer ,gleich dem tatsächlichen Wirkungsgrad ist. Selbst wenn jedoch 772 Φΐ\ vorliegt, wird der Wert des Koeffizienten 771 geeignet geändert, um die Beziehung Qi = Q₂ und

dt

iü

dt

beizubehalten. Die Gleichung

gilt ebenfalls nicht immer.

Im dritten Fall sind beide Koeffizienten r\\ und η₂ automatisch veränderlich.

In diesem dritten Fall muß eine vorbestimmte Beziehung zwischen den Änderungsgeschwindigkeiten von 771 und 772 bezüglich der Änderung der Ausbruchmengen-Abweichung όι beibehalten werden. Auch in diesem Fall gelten die Gleichungen

nuht ,mmer. obwohl die Beziehungen

Q=Q. _und Ul = UIl

dt äi
beibehalten w.-rden.

Aus den obigen Erläuterungen folgt, daß der gewünschte stabile Vortrieb in allen drei Fällen erzielt werden kann, in denen die Koeffizienten tji und η₂ in der in beschriebenen Weise gewählt sind. Die Mengen Q\ und Q₂ haben ihre bestimmten Bedeutungen, so daß die Einstellung von η\ und η₂ dieser Fälle vernünftig und besonders vorteilhaft ist. In diesen Fällen ist Q₂ gleich

-. was die Menge Q₂ des in der

—=· oder gleich fs

d/ dt

Zeiteinheit geförderten Haufwerks darstellt Diese Menge Q₂ kann, wie in Fig.4 dargestellt auf einem Analog-Meßgerät 88 oder auf einem Digital-Voltmeter 92 über einen Integrierer 90 angezeigt werden. Damit kann eine vorteilhafte Steuerung des geförderten Ausbruches erreicht werden. Ähnliches ergibt sich, wenn anstelle von Q₂ die Menge Q₁ auf den Meßg .raten 88 und 92 angezeigt wird. Diese Anzeige ist selbstver ständlich auch beim Ausführungsbeispiel der F i g. 3 möglich.

In F i g. 4 ist ein Fühler 86 für anormalen Zustand zwischen dem Sollwert-Vergleicher 74 und dem D'uckmesser 80 vorgesehen, der an einer Stelle a der Trennwand 28 angeordnet ist. die zum Erfassen eines Einbruches besonders geeignet ist. Der Meßfühler 86 erfaßt das Ausgangssignal des Druckmessers 80 und unterbricht den Betrieb des Schneckenförderers 34 durch z. B. Schließen der Schiebeplatte 36. wenn das Ausgangssignal des Druckmesseis 80 einen Mindest wert unterschreitet. Der Fühler 86 kann einen Ausfall oder eine Störung des Druckmessers 80 erfassen, indem er eine Unvereinbarkeit zwischen den Ausgangssignalen von mehreren Druckmessern 80 feststellt Der Hand-Automatik-Schalter 76 schaltet von Automatikbetrieb auf Handbetrieb um. wenn der Bodenzustand durch die automatische Regelung allein nicht überdeckt werden kann oder wenn die Regeleinrichtung ausfällt.

Die beschriebene Vortriebsregelung hat folgende Vorteile:

(1) Ein Tunnel kann in weichem Boden vorgetrieben oder gebohrt werden, während gleichzeitig ein Durchbruch der freiliegenden Fläche und eine Bodenanhebung vermieden werden.

(2) Eine automatische Steuerung des Maschinenbetriebs erleichtert das Vortreiben oder Bohren und verbessert die Zuverlässigkeit

(3) Die Boden-Installationen und der Platzbedarf sind geringer als beim herkömmlichen Schlammversatz-Schildvortrieb, was Ausrüstung und Betriebsaufwand wesentlich herabsetzt

(4) Die Menge des durch die Schildvortriebsmaschine ausgegrabenen Ausbruches oder die Menge des durch den Schneckenförderer geförderten Ausbruches wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, um auf einem Analog- oder Digital-Meßgerät angezeigt zu werden. Damit kann eine einfache Ausbruchmengen-Steuerung erzielt werden.

Die Erfindung .vurde oben anhand der Ausbruchdruck-Erfassung im Arbeitsraum mittels der Ausbruchdruck-Messer erläutert: die wesentlichen Vorteile der Erfindung bleiben jedoch unverändert, wenn z. B. Spannung, Deformation oder Versetzung eines Bauteiles der Schildvortriebsmaschine gemessen werden, um den auf die Welle des Schildfräsers einwirkenden Druck zu erfassen, so daß der Ausbruchdruck im Arbeitsraum abhängig vom erfaßten Ist-Wert steuerbar ist

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung einer Schildvortriebsmaschine zum Auffahren von Tunnelbauten, bei dem in dem zur Ortsbrust hin offenen und gegen den bereits aufgefahrenen Tunnelraum abgeschotteten Arbeitsraum der Schildvortriebsmaschine ein einem unkontrollierten Hereinbrechen der Ortsbrust entgegenwirkender Druck erzeugt und durch eine ι ο Regelvorrichtung aufrechterhalten wird und bei dem das mechanisch hereingewonnene Haufwerk kontinuierlich aus dem Arbeitsraum abgefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stützung der Ortsbrust allein der von dem im Arbeitsraum i-: eingeschlossenen Haufwerk erzeugte Haufwerkdruck herangezogen wird, daß die Ist-Mengen des in der Zeiteinheit hereingewonnenen Ausbruchs und des in der Zeiteinheit abgeförderten Haufwerks erfaßt UPi* miteinander verglichen werden und daß bei Abweichungen der beiden Ist-Mengen ein Ausbruchs-Abweichungssignal erzeugt wird, welches die Förder- und/oder die Ausbruchsleistung der Schildvortriebsmaschine derart beeinflußt, daß der Haufwerkdruck im Arbeitsraum in einem vorbestimmten Bereich gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des in der Zeiteinheit abgebauten Ausbruches auf der Grundlage der Vorschubgeschwindigkeit des Schildes und die Menge des in der Zeiteinheit abgeförderten Haufwerkes auf der Grundlage der Drehzahl eines Schneckenförderers uerechr jt werden.

J. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausbruchs!: ;nge durch Multipli- r> zieren der Ist-Vorschubgeschwindigkeit ν des Schildes mit dem Schildquerschnitt A und einem ersten Koeffizienten r;, und die Haufwerkmenge durch Multiplizieren der erfaßten Ist-Drehzahl des Schneckenförderers mit der theoretisch bei einer Umdrehung des Schneckenförderers abgeförderten Haufwerkmenge B und mit einem zweiten Koeffi zienten η₂ berechnet werden

4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekenn zrichnet, daß der Ist-Haufwerkdruck P im Arbeits- -n raum erfaßt und angezeigt wird und daß der erste und/oder der /weite Koeffizient ψ b/w. η₂ aufgrund dieses angezeigten 1st Ausbruchdruckes verstellt werden, wobei 7)1 die Volumenanderung des hereingewonnenen Ausbruchs und ij; den Wirkungsgrad η in des Schneckenförderers berücksichtigt.

5. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der erfaßte Ist-Haufwerkdruck im Arbeitsraum mit einem auf der Grundlage des statischen Ausbruchdruckes an der Ortsbrust be- ü stimmten Soll-Druckwert P, verglichen wird und daß der erste und/oder der /weite Koeffizient 7/1 bzw. η; entsprechend der durch den Vergleich erhaltenen Druckabweichung Λ; verstellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekenn mi zeichnet, daß der Ist-Haufwerkdruck im Arbeitsraum an mehreren Stellen gemessen und die erfaßten Druckwerte gemitlelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gemittelten IsNDruckwerte P_n, nach der Zeit differenziert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemittelten Druckwerte /^, und die differenzierten Druckwerte-

Ur

miteinander addiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbruchsmengen-Abweichung δ\ mit einem vorgegebenen Sdlwert Oo verglichen wird und daß die Menge des hereingewonnenen Ausbruches und/oder die Menge des abgeförderten Haufwerkes auf der Grundlage dieses Vergleichswertes gesteuert werden.

10. Regeleinrichtung für eine Schildvortriebsmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Vorrichtung zum Bestimmen des im abgeschotteten Arbeitsraum herrschenden Druckes, einem Regler und mindestens einem vom Regler angesteuerten Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Mengen-Meßeinrichtung (56, 60) bzw. (58. 62) für die Mengen O, bzw. Q> an hereingewonnenem Ausbruch und an aus dem Arbeitsraum (30) abgefördertem Haufwerk mit einem Mengen-Vergleicher (72) des Reglers (72, 74) verbunden sind und daß die Antriebe (34 bzw. 32) für den Schild (40) und den als Schneckenförderer ausgebildeten Haufwerkförderer (32) Stellglieder (52 bzw. 54) aufweisen, die vom Regler (72, 74) entsprechend dem im Arbeitsraum herrschenden Druck ansteuerbar sind.

: 1. Regeleinrichtung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Mengen-Meßeinrichtung (56,60) für die Ausbruchsmenge Q\ einen Geschwindigkeitsmesser (56) für die \ ortnebsgeschwindigkeit des Schildes (40). ein Koeffizienten-Stellglied (64) und ein Multipli/ierglied (60) aufweist und daß die Meßeinrichtung (58, 62) für die Haufwerkmenge Q? aus einem Drehzahlmesser (58) am Schneckenförderer (34). einem /weiten Koeffi'ienten-Stellglied (64) und aus einem Multipli/ierglied (b2) besteht.

12. Regeleinrichtung nach anem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler einen dem Mengen-Vergleicher (72) nachgeschalteten Sollwert- Vergleif.her (74) aufweist.

1 3. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß der im Arbeitsraum (30) angeordnete Druckmesser (79) mit einer Dnickan/eige verbunden ist und daß dem Regler {72, 7f) ein Hand-Automatik-Schalter (76) nachgeschaltet ist.

14. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13. dadurch gekennzeichnet, daß der im Arbeitsraum (30) angeordnete Druckmesser (79) mit einem die Koeffi/ienten-Stellglieder (64, 76) ansteuernder Sollwert-Vergleicher (84) verbunden ist.

15. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14. dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmesser (79) mehrere an verschiedenen Stellen a. b des Arbeitsraumes (30) angeordnete Druckfühler sowie ein als Mittelwertsbildner, als Mittelwerts-Differenzierer oder als Differenzier-Addierer arbeitendes Rechenglied (82) aufweist.

16. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckmesser (79,80) ein auf einen anormalen Druck im Arbeitsraum (30) ansprechendes Sicherungsglied (86) zugeordnet ist.

17. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche

10 bis 16, gekennzeichnet durch ein Sichtgerät zum Anzeigen der Ausbruchsmenge Q\ und der Häuf werkmenge Qi.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer Schildvortriebsmaschine zum Auffahren von Tunnelbauten, bei dem in dem zur Ortsbrust hin offenen und gegen den bereits aufgefahrenen Tunnelraum abgeschotteten Arbeitsraum der Schildvortriebsmaschine ein einem unkontrollierten Hereinbrechen der Ortsbrust entgegenwirkender Druck erzeugt und durch eine Regelvorrichtung aufrechterhalten wird und bei dem tias mechanisch hereingewonnene Haufwerk kontinuierlich aus dem Arbeitsraum abgefördert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Regeleinrichtung für eine derartige Schildvortriebsmascriine zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Herstellung von Tunnelbauten im druckhaften, gebrächen Gebirge, z. B. bei der Herstellung von U-Bahn-Strecken sowie großräumigen Versorgungskanälen in dicht besiedelten Gebieten, werden seit einigen Jahren Schildvortriebsmaschinen in wachsendem Maße eingesetzt. Um beim Anfahren von wasserführenden Bodenschichten Wasser- oder Schlammeinbrüche in den bereits aufgefahrenen Tunnelraum zu vermeiden, wird beim herkömmlichen Vorgehen der vordere, den Fräs- oder Schälkopf aufnehmende Arbeitsraum durcl. eine Trennwand dicht abgeschottet und darin durch Einpressen von Druckluft oder Wasser ein entsprechend hoher Überdruck aufgebaut.

Aus der DE-AS 22 45 501 ist ein Verfahren zum Regeln des Wasseidruckes in einem zur Ortsbrust hm offenen Arbeitsraum der beanspruchten Gattung bekannt, bei dem der Wasserdruck im Arbeitsraum von einem Druckmesser bestimmt und die gemessenen Ist-Druck-Werte in einem Druckregler mit voreingestellten Soll-Druck-Werten verglichen werden. Die Abweichungssignale des Reglers steuern über die Erregerspannung die Drehzahl eines elektrischen Antriebsmotors für eine das Wasser in den Arbeitsraum fördernd'" Druckpumpe. Mit diese.! bekannten Vorgehen sollen nicht nur plötzliche Einbrüche in den Arbeitsraum vermieden werden, sondern der Solldruck wild auch bei Änderungen der Konzentration des aus dem Arbeitsraum abgepumpten Schlammes sowie beim Abschalten der Schlamm-Förderpumpe aufrechterhalten werden können. Είπε Regelung der Vortriebsleistung der Schildvortriebsmaschine ist jedoch nicht möglich. Ferner hat dieses Vorgehen den weiteren Nachteil, daß eine Reihe von zusätzlichen Aggregaten, wie Wasserpumpe, Wasserdruckleitungen. Wasserbehälter usw. vorhanden sein müssen, deren Herstellung und Installation nicht nur den Investitionsaufwand vergrößern, sondern sich auch nachteilig auf die Vortriebsleistung auswirken. Ein weiterer wesentlicher Nachteil zeigt sich beim Anfahren von fließfähigen Bodenschichten, die auch bei Aufrechterhaltung des Solldruckes im Arbeitsraum nicht am Hereinbrechen gehindert werden können.

Aus der JA-OS 51-732, 1976, ist ein Schildvortriebsverfahren für insbesondere weichen, fließfähigen Untergrund bekannt, bei dem in den abgeschotteten Arbeitsraum während des Vorschubbetriebes Bentonit

in Form einer hechviskosen Trübe oder Pulver eingeführt wird, der quasi als Schmiermittel für das vom Fräs- oder Schälkopf in den Arbeitsraum hereingewonnene Haufwerk dient. Die Abförderung des hereingewonnenen Haufwerkes aus dem Arbeitsraum erfolgt mittels eines Schneckenförderers. Dieses Verfahren hat gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen den Vorteil, daß der Druck im Arbeitsraum direkt vom hereingewonnenen, mit Bentonit versetzten Haufwerk auf die Ortsbiust ausgeübt wird und solange wirksam ist, bis der Schneckenförderer in Betrieb gesetzt wird. Da ferner das Bentonit lediglich zur Erzielung eines gewissen Schmiereffektes dient, kann es in relativ geringen Mengen dem Haufwerk zugesetzt werden, wodurch sich der Investitionsaufwand für die Bentonit-Vorratshaltung und seine Einführung in den Arbeitsraum entsprechend verringern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Regeln einer Schildvortriebsmaschine der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, die bei weiter verringertem technischen M'ifwand eine Regelung der Vortriebsleistung ermöglicht und gleichzeitig Einbrüche auch beim Anfahren von fließfähigen Bodenformationen sicher verhindert.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 (Verfahren) bzw 10 (Vorrichtung) gelöst.

Diese Lösung geht von der Erkenntnis aus. daß s:ch bei einer Änderung des Schildvor.riebes und/oder der Förderleistung des Haufwerkförderers nicht nur die Vortriebsleistung als solche entsprechend ändert sondern daß damit auch gleichzeitig der im Arbeitsraum herrschende und auf die Ortsbrust einwirkende Druck beeinflußt wird. Dieser Druck im Arbeitsraum kam. somit auf einen vorgegebenen Bereich gehalter, u. ercitn. in dem Einbrüche beim Anfahren von fließfähigen Bodenschichten sicher vermieden v/erden. Das im Arbeitsraum befindliche und unter Druck stehende Haufwerk itellt einen sich zusammen mit dem Schild bewegenden Feststoff-Pfropfen dar. dessen durch den herrschenden Druck bedingte Festigkeit ausreicht, um auch Wasser- oder Schwimmsand· Einbrüche zu vermeiden. Die Eigenschaften dieses »Pfropfens« können durch Ändern der Vortriebsgeschwindigkeit des Schildes und/oder der Förderleistung des Schneckenförderers auf einfache Weise beeinflußt werden, d. h. der im Arbeitsraum herrschende Druck kann auf einem vorgegebenen Wert annähernd konstant gehalten werden, wenn die Menge an hereingearbeitetem Ausbruch gleich der Menge des abgeforderten Haufwerks ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Regelung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. IA eine schematische Vorderansicht des linken Teiles einer Schi'dvortriebsmaschine;

Fig. IB einen schematischen Längsschnitt der Schildvortriebsmaschine nach F i g. 1A;

F i g. 2A eine schematische Vorderansicht des linken Teils einer anderen Schildvortriebsmaschine;

F i g. 2B einen schematischen Längsschnitt der Vortriebsmaschine navh F i g. 2A;

F i g. 3 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung im Blockschaltbild;

F i 2. 4 eine andere Ausführung der erfindunsssemä-