DE2760000C2 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Schildvortriebsmaschine zum Auffahren von Tunnelbauten - Google Patents

Description

Vorratshaltung und die Einführung in den Arbeitsraum entsprechend verringern.

Der Gegenstand des Hauptpatentes (Patentanmeldung P 27 45 928.5-24) ermöglicht die Verhinderung von Einbrüchen auch beim Anfahren von fließfähigen Bodenformationen bei gleichzeitig verringertem technischen Regelungsaufwand. Zu diesem Zweck wird zur Stützung der Ortsbrust allein der von dem im Arbeitsraum eingeschlossenen Haufwerk erzeugte Haufwerkdruck herangezogen und aus den ist-Mengen des hereinjjcwonnenen und des abgeförderten Ausbruchs wird durch Vergleich ein Abweichungssignal erzeugt, welches die Grundlage zur Steuerung der Förder- und/oder der Ausbruchsleistung der Schildvortriebsmaschine bildet, um den Haufwerkdruck im Arbeitsraum in einem vorbestimmten Bereich zu halten. Der im Arbeitsraum herrschende Haufwerkdruck kann zusätzlich erfaßt und mit einem auf der Grundlage des statischen Ausbruchdruckes an der Ortsbrust bestimmten Soll-Druckwert verglichen werden, um mit der durch den Vergleich erhaltenen Ausbnichsdruck-Abweichung Koeffizienten zu beeinflussen, welche die Art und Zusammensetzung des Haufwerks bzw. den Wirkungsgrad des Schneckenförderers kennzeichnen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung der jeweils angegebenen Gattung insbesondere hinsichtlich ihres zeitlichen Ansprechverhaltens zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 (Verfahren) bzw. 3 (Vorrichtung) gelöst.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 A, IB eine schematische Vorderansicht bzw. einen schematischen Längsschnitt einer Schildvortriebsmaschine;

Fig.2A, 2B eine andere Schildvortriebsmaschine in der der F i g. 1 entsprechenden Darstellung;

Fig.3 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung im Blockschaltbild;

Fig.4A ein Diagramm einer Funktionsweise der Regeleinrichtung nach F i g. 3;

F i g. 4B ein Diagramm einer anderen Funktionsweise der Regeleinrichtung nach F i g. 3.

Die Schildvortriebsmaschine nach Fig. IA, IB weist einen Fräskopf 12 am vorderen Ende eines hohlzylindrischen Schiides 10 auf. Der Fräskopf 12 wird durch einen Hydraulikmotor 18 und ein Getriebe 16 über oine 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 maschinenseitig ab. Ein von einem Hydraulikmotor 32 angetriebener Schneckenförderer 34 ragt mit seinem vorderen offenen Ende in den Arbeitsraum 30 hinein. Eine Verschlußplatte 36 dient zum Austragen des geförderten Haufwerks und wird durch einen hydraulischen Zylinder 38 geöffnet bzw. geschlossen. Ein Druckring 40 des Schildes 10 wird gegen die Ortsbrust 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 Verschlußplatte 36 hindurch ^;n eine geeignete Transporteinrichtung ausgetragen. Der Druckring 40 des Schildes 10 wird zusammen mit dem Fräskopf 12 gegen die Ortsbrust 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

ίο Durcharbeiten des im Arbeitsraum 30 gesammelten Haufwerks vorgesehen, wobei der Haufwerkdrack Einbrüche der Ortsbrust verhindert. Bei dieser Schildvortriebsmaschine kann die aus Segmenten 22 gebildete Frontplatte der Ausführung nach F i g. 1 weggelassen werden.

Die in F i g. 3 dargestellte Regeleinrichtung kann bei Schildvortriebsmaschinen gemäß F i g. 1 und 2 eingesetzt werden.
Bei der Regeleinrichtung nach F i g. 3 werden einmal der Ausbruchsdruck im Arbeitsraum 30 und zum anderen auch die aus der Ortsbrust hereingewonnenen und aus dem Arbeitsraum 30 abgeförderten Ausbruchsbzw. Haufwerkmengen erfaßt und in die Steuerung einbezogen.

Der im Arbeitsraum 30 herrschende Ausbruchs- bzw. Haufwerkdruck P\ wird von einem oder mehreren Druckmessern 66 erfaßt, die z. B. an der Trennwand 28 an den Stellen a und/oder b angeordnet sind. Die erfaßten Ist-Werte P\ des Ausbruchsdruckes werden in einem als Mittelwert-Rechner 68 tätigen Rechenglied gemittelt und anschließend in einem Ist-Soll-Wert-Druckvergleicher 70' mit Sollwerten P, des Ausbruchsdruckes verglichen, wobei diese Sollwerte P₁ in einem Bereich liegen, wo weder Einbrüche der Ortsbrust noch ein Klettern der Vortriebsmaschine eintreten können. Das im Druckvergleicher 70' erzeugte Druck-Abweichungssignal όι wird einem Regelabweichungs-Rechner 78 eingegeben.
Zum Erfassen der Vortriebsgeschwindigkeit ν des Schildes 10 dient ein Geschwindigkeitsmesser 82 und zum Erfassen der Drehzahl π des Schneckenförderers 34 ist ein Drehzahlmesser 84 vorgesehen. Die Ausgangssignale dieser beiden Meßgeräte 82 und 84 werden einem Ausbruchsmengen-Vergleicher 80 eingegeben, der Mengen-Abweichungen O2 zwischen den in der Zeiteinheit hereingewonnenen Ausbruchsmengen und den aus dem Arbeitsraum abgeförderten Haufwerkmengen nach folgender Beziehung errechnet:

ν-ηΐη, Bn,

mit

= Querschnittsfläche des Schildes, = Konstante des Schneckenförderers, = Mittelwert des von der Bodenart abhängigen Koeffizienten iji.

Das die Mengenabweichung Ö2 kennzeichnende Ausgangssignal des Vergleichers 80 wird ebenfalls dem Regelabweichungs-Rechner 78 eingegeben und in diesem zusammen mit dem die Ausbruchsdruck-Abweichung ö] kennzeichnenden Signal zu einem Steuersignal verarbeitet, welches über einen Automat/Hand-Umschalter 72 und einen Verstärker 74 einem Stellglied 64 für den Antriebsmotor 32 des Schneckenförderers 34 zugeführt wird. Durch Verstellen des Antriebsmotors 32 dementsprechendes Vergrößern oder Verkleinern der aus dem Arbeitsraum 30 in einer Zeiteinheit abgeförder-

ten Haufwerkmenge kann der im Arbeitsraum 30 herrschende Ausbruchsdruck P₁ praktisch konstant gehalten werden.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Regelabweichungs-Rechners 78 anhand der Fig.4A und 4B näher erläutert:

Diese beiden Figuren zeigen Verläufe der vom Regelabweichungs-Rechner 78 erzeugten Ausgangssignale, wenn der Verstärker 74 ein Ein-Aus-Steuerglied mit einem Relais, einem Magnetventil od. dgl. ist. In F i g. 4A sind auf der Abszisse die Ausbruchsdruck-Abweichung Oi und auf der Ordinate die Ausbruchsmengen-Abweichung O₂ aufgetragen. Wenn die Werte für Oi und 02 in einem durch die Ungleichungen

bestimmten Bereich liegen, wird ein Aus-Signal vom Regelabweichungs-Rechner 78 erzeugt, das keine Betätigung des Stellgliedes 64 veranlaßt, so daß sich die Drehzahl η und damit die aus dem Arbeitsraum abgeförderte Haufwerkmenge nicht ändert, d. h. konstant bleibt Wenn die Werte im dargestellten Bereich ΤΊ bzw. T₂ liegen, ist der Ausbruchsdruck P\ im Arbeitsraum 30 höher bzw. geringer als der entsprechende Sollwert-Bereich P₅ und vom Regelabweichungs-Rechner 78 wird ein Ein( + )-Signal bzw. ein Ein( - )-Signal erzeugt, um die Drehzahl η des Schneckenförderers 34 zu erhöhen bzw. zu verringern und durch Vergrößern bzw. Verkleinern der abgeförderten Haufwerkmengen den Ausbruchsdruck fl zu senken. Wenn der Ausbruchsdruck Pi nur mit einer relativ großen Ansprech-Verzögerung (bedingt durch Art und Zusammensetzung des Ausbruchs) erfaßt werden kann und die entsprechende Ausbruchsdruck-Abweichung όι anhand der Ungleichung — Si < Oi < Si beurteilt werden kann, dann wird ein Ein( + )-Signal auf der Grundlage der Vergrößerung der Mengenabweichung 62 erzeugt, was eine Verringerung des Ausbruchsdruckes Pi im Arbeitsraum 30 eine verzögerte Zunahme der Ausbruchsdruck-Abweichung όι bewirkt.

Bei der rechnerisch ermittelten Ausbruchsmengen-Abweichung Ö2 handelt es sich um theoretische Werte, weil bei ciei Berechnung Störfaktoren, wie z. B. der Koeffizient r\\ für die Haufwerkzusammensetzmng, nicht berücksichtigt werden. Aus diesem Grunde wird die Ausbruchsmengen-Abweichung 62 mit der Ausbruchsdruck-Abweichung όι gekoppelt, um Änderungen zu kompensieren.

Die in Fig.4B dargestellte Funktionsweise des Regelabweichungs-Rechners 78 entspricht im wesentlichen derjenigen nach Fig.4A, und zwar werdet; im schraffierten Bereich Ti ein Ein( + )-Signal, im schraffierten Bereich 7} ein Ein( —)-Signal und im diagonalen Zwischenbereich ein Aus-Signal vom Regelabweichungs-Rechner 78 erzeugt und über den Automat/ Hand-Umschalter 72 sowie den Verstärker 74 dem Stellglied 64 für den Schneckenförderer-Antriebsmotor 32 zugeführt.

Wenn der Verstärker 74 ein Proportional-Steuerglied enthält, z. B. ein elektrohydraulisches Servoventil, dann ist das Ausgangssignal / des Regelabweichungs-Rechners 78 gegeben durch

1=0ίδ\ +ßÖ₂

x,ß > 0.

Damit ändert sich die Drehzahl η des Schneckenförderers 34 proportional zu den Werten der Ausbruchsdruck-Abweichung όι und der Ausbruchsmengen-Abweichung Ö2, um schließlich den Ausbruchsdruck Pi zu steuern. In diesem Fall werden die Werte von λ und β abhängig von der Bodenart geändert, um die Werte für entweder <5i oder O2 zu steuern. Dies wird einfach durch Verstellen des Verstärkungsfaktors des Servoverstärkers erreicht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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 Regelvorrichtung aufrechterhalten wird und bei dem das mechanisch hereingewonnene Haufwerk kontinuierlich aus dem Arbeitsraum abgefördert wird, wobei zur Stützung der Ortsbrust allein der von dem im Arbeitsraum eingeschlossenen Haufwerk erzeugte Haufwerkdruck herangezogen wird, dessen Ist-Werte im Arbeitsraum gemessen und mit entsprechenden Soll-Werten verglichen werden, wobei die Ist-Mengen des m der Zeiteinheit hereingewonnenen Ausbruchs und des in der Zeiteinheit abgeförderten Haufwerks ebenfalls erfaßt und miteinander verglichen werden, und wobei bei Abweichungen der beiden Ist-Mengen und der Ist-Werte des Haufwerkdruckes von den Soll-Werten ein 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, nach Patent... (Patentanmeldung 27 45 928.5-24), dadurch gekennzeichnet, daß das die Förder- und/oder die Vortriebsleistung der Schildvortriebsmaschine beeinflussende Ein(+)- oder Ein( — )-Steuersignal auf der Grundlage der Ausbruchdruck-Abweichung (öi) und der Ausbruchsmengen-Abweichung (Ö2) erzeugt wird, sobald mindestens eine dieser beiden Abweichungen (Oi bzw. O2) einen vorgegebenen Bereich überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förder- und/oder die Vortriebsleistung der Schildvortriebsmaschine proportional zu den Werten der Ausbruchsdruck-Abweichung (öi) und der Ausbruchsmengen-Abweichung (Ö2) verstellt wird.

3. Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Druckmesser zum Erfassen der Ist-Werte des Ausbruchsdrukkes im Arbeitsraum, mit einem Ausbruchsdruck-Abweichungssignale erzeugenden Ist-Wert-Soll-Wert-Vergleicher, mit einem Geschwindigkeitsmesser für den Schildvortrieb, mit einem Drehzahlmesser für die Förderleistung eines Haufwerkförderers, mit einem Mengen-Vergleicher zum Vergleich der in den Arbeitsraum hereingewonnenen mit den aus diesem abgeförderten Ausbruchsmenge, mit einem Automatik/Hand-Umschalter, mit einem Steuersignal-Verstärker und mit Stellgliedern für die Schildpressen und den Antriebsmotor des Förderers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelabweichungsrechner (78) eingangsseitig parallel an den Ist-Wert-Soll-Wert-Vergleicher (70') und an den Mengen-Vergleicher (80) sowie ausgangsseitig an den Automatik/Hand-Umschalter (72) angeschlossen ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung einer Schildvortriebsmaschine zum Auffahren von Tunnelbauten der im jeweiligen Oberbegriff der Patentansprüche 1 (Verfahren) und 3 (Einrichtung) angegebenen Gattung.

Bei der Herstellung von Tunneibauten in druckhaftem gebrächem Gebirge, z. B. beim Auffahren von U-Baha-Strecken sowie großrtumigen 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 durch 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 Wasserdruckes in einem zur Ortsbrust hin offenen Arbeitsraum 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 Drehzahl eines Elektromotors 4 eine Druckwasserpumpe über dessen Erregerspannung. Mit diesem bekannten Vorgehen sollen nicht nur plötzliche Einbrüche in den Arbeitsraum vermieden werden, sondern der Solldruck soll auch bei Änderungen der Konzentration des aus dem Arbeitsraum abgepumpten Schlammes sowie beim Abschalten der Schlamm-Förderpumpe aufrechterhalten werden können. Eine Regelung der Vortriebsleistung der Schildvortriebsmaschine in Abhängigkeit von den aus dem Arbeitsraum abgeförderten Schlamm-Mengen ist jedoch nicht möglich. Dieses Vorgehen hat den weiteren Nachteil, daß eine Reihe von zusätzlichen Aggregaten, wie Wasserpumpe, Wasserdruckleitungen, Wasserbehälter usw., vorgesehen werden müssen, die besondere AufstellrSume benötigen und deren Herstellung, Installation und Betrieb den Gesamtaufwand erheblich vergrößern. Ein weiterer wesentlicher Nachteil zeigt sich beim Anfahren von fließfähigen Bodenschichten, die auch bei Aufrechterhaltung des Solldruckes im Arbeitsraum wegen der flüssigen bzw. fließfähigen Konsistenz des Schlammes nicht am Hereinbrechen gehindert werden können.

Aus der JP-OS 51-732, 1976, ist ein Schildvortriebsso verfahren für insbesondere weichen, fließfähigen Untergrund bekannt, bei dem in den abgeschotteten Arbeitsraum während des Vorschubbetriebes Bentonit in Form einer hochviskosen Trübe oder eines Pulvers eingeführt wird, der quasi als Schmiermittel für das vom Fräs- oder Schälkopf in den Arbeitsraum hereingewonnene Haufwerk dient. Die Abförderung des hereingewonnenen Haufwerks aus dem Arbeitsraum erfolgt mittels eines Schneckenförderers. Dieses Verfahren hat gegenüber dem vorstehend beschriebenen den Vorteil, daß der Druck im Arbeitsraum nicht direkt vom hereingewonnenen, mit Bentonit versetzten Haufwerk auf die Ortsbrust ausgeübt wird, so daß dieser Haufwerkdruck bei gebrächem, druckhaftem Gebirge einem unerwünschten Hereinbrechen der Ortsbrust entgegenwirkt. Da 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-