DE29919505U1 - Tunnel boring machine - Google Patents

Tunnel boring machine

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PALGEN, SCHUMACHER'at KLWN- *PALGEN, SCHUMACHER'at KLWN- *

DÜSSELDORF ESSEN PATENTANWÄLTEDÜSSELDORF ESSEN PATENT ATTORNEYS

UNSERZEiCHEN: 99 996 &Kgr;/at Düsseldorf,den 5. November 1999 OUR SIGN: 99 996 &Kgr;/at Düsseldorf, 5 November 1999

AKTEN-NR. 34FILE NO. 34

WIRTH MASCHINEN- UND BOHRGERÄTE -WIRTH MACHINES AND DRILLING EQUIPMENT -

FABRIK GMBH Kölner Straße 71-78FABRIK GMBH Kölner Straße 71-78

D- 41812 ErkelenzD-41812 Erkelenz

TunnelbohrmaschineTunnel boring machine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tunnelbohrmaschine der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.The invention relates to a tunnel boring machine of the type corresponding to the preamble of claim 1.

Eine derartige Tunnelbohrmaschine ist beispielsweise aus der DE 197 22 000 Al bekannt. Sie umfaßt einen mit Schneidrollen bestückten Bohrkopf, der dem Abtrag des an der Ortsbrust befindlichen Erdreichs beim Vortreiben der Tunnelbohrung dient. Der Bohrkopf ist rotierbar über eine Lagereinrichtung - auch Bohrkopfhauptlager genannt - an einer sogenannten Innenkelly gelagert, die ihrerseits in Bohrungsrichtung verschiebbar in einer Verspannvorrichtung gelagert ist, die zur Aufnahme von Bohrungs-Reaktionskräften zwischen den Tunnelwandungen verspannt ist. Zur Erzeugung des Vorschubs sind längenvariable Krafterzeuger vorgesehen, mittels derer die Innenkelly relativ zur Verspanneinrichtung verlagert werden kann.Such a tunnel boring machine is known, for example, from DE 197 22 000 A1. It comprises a drill head equipped with cutting rollers, which is used to remove the soil at the face when driving the tunnel bore. The drill head is rotatably mounted on a so-called inner kelly via a bearing device - also known as the drill head main bearing - which in turn is mounted so that it can be moved in the direction of the bore in a bracing device that is braced between the tunnel walls to absorb the reaction forces of the bore. To generate the feed, variable-length force generators are provided, by means of which the inner kelly can be displaced relative to the bracing device.

Der Bohrungsvortrieb erfolgt schrittweise. Wenn die Innenkelly relativ zu der Verspanneinrichtung in Bohrungsrichtung gesehen maximal verlagert worden ist, wird der Vor-The bore advancement is carried out step by step. When the inner kelly has been displaced to the maximum relative to the clamping device in the bore direction, the advance

D-40239 DÜSSELDORF* MULVANYStIWiSSE.! ■ TEi-EFÖf" 497hl·/ 9(? 1*4*5*; 0 ■ T*ELpFA*X 49 / 211 / 96 145 - 20 D-45133 ESSEN ■ FRtMfeHfGSTftASSE'ß Pt· TELEPON*t9 / 291/ 84230·-·*) TELEFAX 19 /201/84 230 - 20D-40239 DÜSSELDORF* MULVANYStIWiSSE.! ■ TEi-EFÖf" 497hl·/ 9(? 1*4*5*; 0 ■ T*ELpFA*X 49 / 211 / 96 145 - 20 D-45133 ESSEN ■ FRtMfeHfGSTftASSE'ß Pt· TELEPON*t9 / 291/ 84230 ·-·*) TELEFAX 19/201/84 230 - 20

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trieb unterbrochen, das der Ortsbrust abgewandte Ende der Innenkelly abgestützt und die Verspanneinrichtung zur Ortsbrust hin nachgesetzt, so daß ein erneuter Vortriebsschritt durchgeführt werden kann.
5
drive is interrupted, the end of the inner kelly facing away from the face is supported and the bracing device is moved towards the face so that a new advance step can be carried out.
5

Während des Vortriebs wird der Bohrvorgang von mindestens einer Bedienperson überwacht und gesteuert, die sich dazu üblicherweise in einer Position kurz hinter dem Bohrkopf außerhalb des sogenannten Bohrkopfraumes in einem hierfür vorgesehenen Steuerstand befindet. Dieser mindestens einen Bedienperson obliegt es insbesondere auch, Betriebsstörungszustände, die eine Erhöhung der mechanischen Belastung von Teilen der Tunnelbohrmaschine zur Folge haben, zwecks Vermeidung von erhöhtem Verschleiß oder Zerstörung einzelner oder mehrerer Maschinenkomponenten frühzeitig zu erfassen und die Betriebsparameter der Tunnelbohrmaschine, wie Vortriebsgeschwindigkeit, Bohrkopfdrehzahl, etc. geeignet zu steuern.During the advance, the drilling process is monitored and controlled by at least one operator, who is usually located in a position just behind the drill head outside the so-called drill head area in a control station provided for this purpose. This at least one operator is also responsible in particular for detecting operational malfunctions that result in an increase in the mechanical load on parts of the tunnel boring machine at an early stage in order to avoid increased wear or destruction of individual or several machine components and for controlling the operating parameters of the tunnel boring machine, such as advance speed, drill head speed, etc., in an appropriate manner.

Diese Tätigkeit stellt an das Bedienpersonal hohe Anforderungen. Es bedarf nämlich einer erheblichen Erfahrung, Abweichungen von den normalen Betriebszuständen zu erfassen, da während des Vortriebs naturgemäß im Bereich des Steuerstandes eine hohe Geräuschentwicklung herrscht und zudem Vibrationen durch das Lösen des Erdreichs unvermeidlich sind. Auch erfahrene Bedienpersonen sind daher häufig erst dann in der Lage, Störungszustände zu erfassen, wenn diese ein Ausmaß angenommen haben, daß bereits Bauteile der Tunnelbohrmaschine in Mitleidenschaft gezogen worden sind.This activity places high demands on the operating personnel. It requires considerable experience to detect deviations from normal operating conditions, as during tunnelling there is naturally a lot of noise in the area of the control station and vibrations are unavoidable as the earth is loosened. Even experienced operators are therefore often only able to detect malfunctions when they have reached such a level that components of the tunnel boring machine have already been affected.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Tunnelbohrmaschine derart weiterzubilden, daß eine sensiblere Erfassung von Störungszuständen möglich ist.The invention is therefore based on the object of developing a generic tunnel boring machine in such a way that a more sensitive detection of fault conditions is possible.

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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.This object is solved by the invention set out in claim 1.

Dadurch, daß an der Innenkelly mindestens eine erste Meßanordnung zur Erfassung von Verlagerungen der Innenkelly zumindest quer zur Bohrungseinrichtung und mindestens eine zweite Meßanordnung zur Erfassung von Schwingungen im Bereich der Lagereinrichtung vorgesehen ist, können während des Betriebs auftretende Belastungen, die über die Normalbelastungen hinausgehen und sich regelmäßig in einer Veränderung der Frequenzen und/oder Amplituden, mit denen sich die den Bohrkopf tragende Lagereinrichtung bzw. die Innenkelly sich verlagert bzw. schwingt, detektiert werden, bevor dies den Sinnesorganen der Bedienperson zugänglieh ist.Because at least one first measuring arrangement is provided on the inner kelly for detecting displacements of the inner kelly at least transversely to the drilling device and at least one second measuring arrangement for detecting vibrations in the area of the bearing device, loads occurring during operation that exceed the normal loads and regularly result in a change in the frequencies and/or amplitudes with which the bearing device carrying the drill head or the inner kelly shifts or vibrates can be detected before this is accessible to the sensory organs of the operator.

Es ist zwar erfindungsgemäß vorgesehen, eine erste Meßanordnung zur Erfassung von Verlagerungen der Innenkelly quer zur Bohrungsrichtung und eine zweite Meßanordnung zur Erfassung von Schwingungen im Bereich der Lagereinrichtung vorzusehen, je nach Art und Größe der Tunnelbohrmaschine kann jedoch auch lediglich die erste oder lediglich die zweite Meßanordnung zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ausreichen.Although the invention provides for a first measuring arrangement for detecting displacements of the inner kelly transversely to the drilling direction and a second measuring arrangement for detecting vibrations in the area of the bearing device, depending on the type and size of the tunnel boring machine, only the first or only the second measuring arrangement may be sufficient to solve the problem underlying the invention.

Die mindestens eine erste Meßanordnung umfaßt vorzugsweise mindestens einen Dehnmeßstreifen, wogegen die mindestens eine zweite Meßanordnung vorzugsweise als Schwingungsaufnehmer bekannter Bauart ausgebildet ist.The at least one first measuring arrangement preferably comprises at least one strain gauge, whereas the at least one second measuring arrangement is preferably designed as a vibration sensor of known design.

Durch die Anordnung und Auswertung von Dehnmeßstreifen im Bereich der Innenkelly und Schwingungsaufnehmern im Bereich der Bohrkopf-Lagereinrichtung kann eine Analyse der Belastung der Lagereinrichtung in Größe und Richtung sowie der dynamischen Zusatzlasten aus Vibrationen erfolgen. Werden bekannte, schneidrollenspezifische StörfrequenzenBy arranging and evaluating strain gauges in the area of the inner kelly and vibration sensors in the area of the drill head bearing device, an analysis of the load on the bearing device in terms of size and direction as well as the dynamic additional loads from vibrations can be carried out. If known, cutting roller-specific interference frequencies are

durch eine geeignete Auswerteeinrichtung herausgefiltert, so läßt sich aus den Meßwerten der mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Meßeinrichtung sowohl auf den Zustand der Ortsbrust, als auch auf eventuelle Schneidrollendefekte schließen. Die von den ersten und zweiten Meßeinrichtungen erhaltenen Signale können - nachdem die den normalen Betriebszustand der Tunnelbohrmaschine charakterisierenden Werte geeignet kompensiert worden sind - zur Ansteuerung von beispielsweise optischen Anzeigeinstrumenten für das Bedienpersonal verwendet werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, über geeignete Mittel die erhaltenen Meßwerte zur Regelung der Betriebsparameter der Tunnelbohrmaschine, wie Vorschub, Bohrkopfdrehzahl etc. zu verwenden, wodurch das Bedienpersonal von der ständigen, konzentrierten Beobachtung der Anzeigeinstrumente entlastet wird.filtered out by a suitable evaluation device, the measured values of the at least one first and at least one second measuring device can be used to draw conclusions about the condition of the tunnel face as well as about possible cutting roller defects. The signals received from the first and second measuring devices can - after the values characterizing the normal operating state of the tunnel boring machine have been suitably compensated - be used to control, for example, optical display instruments for the operating personnel. However, it is also possible to use the measured values obtained to regulate the operating parameters of the tunnel boring machine, such as feed, drill head speed, etc., using suitable means, which relieves the operating personnel of the constant, concentrated observation of the display instruments.

In der Zeichnung ist - schematisch - ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tunnelbohrmaschine dargestellt. Es zeigen:The drawing shows - schematically - an embodiment of a tunnel boring machine according to the invention. It shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Tunnelbohrmaschine sowieFig. 1 a longitudinal section through the tunnel boring machine and

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Schnittlinie A-A in Fig.Fig. 2 shows a cross-section along section line A-A in Fig.

1.1.

Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Tunnelbohrmaschine, von der in der Zeichnung lediglich die für die Erfindung wesentlichen Bauteile schematisch dargestellt sind, umfaßt einen Bohrkopf 1, der an seiner der Ortsbrust O zugewandten Seite Werkzeuge zum Lockern des Erdreichs, hier Schneidrollen 2, trägt. Der Bohrkopf ist über eine Lagereinrichtung 3 - auch Bohrkopf-Hauptlager genannt - drehbar an einer sogenannten Innenkelly 4 gelagert. Dem Drehantrieb des Bohrkopfes 1 um die Drehachse S dienen in derThe tunnel boring machine, designated as a whole with 100, of which only the components essential to the invention are shown schematically in the drawing, comprises a boring head 1, which carries tools for loosening the soil, here cutting rollers 2, on its side facing the tunnel face O. The boring head is rotatably mounted on a so-called inner kelly 4 via a bearing device 3 - also called the boring head main bearing. The rotary drive of the boring head 1 about the axis of rotation S is provided in the

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Zeichnung nicht dargestellte, hydraulische oder elektrische Antriebe, die den Bohrkopf 1 gegenüber der Innenkelly 4 in eine Rotation versetzen.Hydraulic or electric drives (not shown in the drawing) which cause the drill head 1 to rotate relative to the inner kelly 4.

Die Innenkelly 4 ist ihrerseits zur Drehachse S drehfest, aber entlang der Drehachse S verschiebbar in einer Verspanneinrichtung 20 gelagert, die sich über Stützen 21 an der Bohrungswandung W abstützt und der Aufnahme von durch den Bohrvorgang hervorgerufenen Reaktionskräften dient. Das der Ortsbrust abgewandte Ende der Innenkelly 4 umfaßt eine Stützeinrichtung 5, über die dieses Ende während des Nachsetzens der Verspanneinrichtung bei fortschreitender Tunnelbohrung abgestützt werden kann.The inner kelly 4 is in turn mounted in a bracing device 20 in a manner fixed to the axis of rotation S but displaceable along the axis of rotation S, which is supported on the bore wall W via supports 21 and serves to absorb reaction forces caused by the drilling process. The end of the inner kelly 4 facing away from the face comprises a support device 5, by means of which this end can be supported during the repositioning of the bracing device as the tunnel drilling progresses.

An der der Ortsbrust abgewandten Stirnseite der Lagereinrichtung 3 sind über den Umfang verteilt vier Schwingungsaufnehmer 6 angeordnet, die die Schwingungsbelastungen in Frequenz und Amplitude der Lagereinrichtung 3 während des Bohrbetriebs erfassen. Die entsprechenden Meßwerte werden einer in der Zeichnung nicht erkennbaren Auswerteeinrichtung zugeleitet.On the front side of the bearing device 3 facing away from the working face, four vibration sensors 6 are arranged distributed around the circumference, which record the vibration loads in frequency and amplitude of the bearing device 3 during drilling operations. The corresponding measured values are fed to an evaluation device that is not visible in the drawing.

Nahe dem ortsbrustseitigen Ende der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Innenkelly 4 sind im Bereich der Kanten jeweils zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Dehnungsmeßstreifen 7 vorgesehen, die die Verlagerung der Innenkelly insbesondere auch quer zur Bohrungsrichtung während des Bohrbetriebs erfassen. Die entsprechenden Meßwerte werden wiederum der in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteeinrichtung übermittelt.Close to the face-side end of the inner kelly 4, which in the embodiment shown has a square cross-section, two strain gauges 7 are provided in the area of the edges, which are aligned perpendicularly to one another and record the displacement of the inner kelly, particularly transversely to the drilling direction, during drilling. The corresponding measured values are in turn transmitted to the evaluation device, which is not shown in the drawing.

Die Auswerteeinrichtung ist derart ausgestaltet, daß die den normalen Betriebszustand charakterisierenden Schwingungen bzw. Verlagerungen gespeichert und die aktuellen Meßwerte mit diesen gespeicherten Daten verglichen werdenThe evaluation device is designed in such a way that the vibrations or displacements characterizing the normal operating state are stored and the current measured values are compared with these stored data

können. Eventuell auftretende Differenzwerte werden in der Auswerteeinrichtung nachgeschalteten, in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten Anzeigeinstrumenten zugeleitet. Ferner ist es möglich, die Differenzwerte zur Regelung der Betriebsparameter der Tunnelbohrmaschine zu benutzen, wodurch ein nahezu automatischer Betrieb auch bei sich ändernden Erdreichverhältnissen an der Ortsbrust möglich ist.Any difference values that may occur are passed on to display instruments connected downstream in the evaluation device, which are also not shown in the drawing. It is also possible to use the difference values to regulate the operating parameters of the tunnel boring machine, which enables almost automatic operation even when the soil conditions at the tunnel face change.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

1 Bohrkopf1 drill head

2 Schneidrollen2 cutting rollers

3 Lagereinrichtung3 Storage facility

4 Innenkelly4 Inside Kelly

5 Stützeinrichtung5 Support device

6 Schwingungsaufnehmer6 Vibration sensors

7 Dehnungsmeßstreifen7 strain gauges

20 Verspanneinrichtung20 Bracing device

21 Stützen21 supports

100 Tunnelbohrmaschine100 Tunnel Boring Machine

0 Ortsbrust0 Face

S DrehachseS rotation axis

W BohrungswandungW Bore wall

Claims (4)

1. Tunnelbohrmaschine (100) zum Vortreiben einer Tunnelbohrung,
mit einer wahlweise in der Tunnelbohrung festlegbaren Verspanneinrichtung (20), die der Ableitung von durch den Bohrvorgang hervorgerufenen Reaktionskräften dient,
mit einer in Bohrungsrichtung verlagerbaren Innenkelly (4), und
mit einem Bohrkopf (1), der am ortsbrustseitigen Ende der Innenkelly (4) mittels einer Lagereinrichtung (3) gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der Innenkelly (4) mindestens eine erste Meßanordnung (Dehnungsmeßstreifen (7)) zur Erfassung von Verlagerungen der Innenkelly (4) zumindest quer zur Bohrungsrichtung und mindestens eine zweite Meßanordnung (Schwingungsausnehmer (6)) zur Erfassung von Schwingungen im Bereich der Lagereinrichtung (3) vorgesehen ist.
1. Tunnel boring machine ( 100 ) for driving a tunnel bore,
with a bracing device ( 20 ) which can be optionally fixed in the tunnel bore and which serves to dissipate reaction forces caused by the drilling process,
with an inner kelly ( 4 ) that can be moved in the direction of the bore, and
with a drill head ( 1 ) which is mounted at the face-side end of the inner kelly ( 4 ) by means of a bearing device ( 3 ),
characterized ,
that at least one first measuring arrangement (strain gauge ( 7 ) ) for detecting displacements of the inner kelly ( 4 ) at least transversely to the bore direction and at least one second measuring arrangement (vibration sensor ( 6 )) for detecting vibrations in the region of the bearing device ( 3 ) is provided on the inner kelly (4).
2. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Meßanordnung mindestens einen Dehnmeßstreifen (7) umfaßt. 2. Tunnel boring machine according to claim 1, characterized in that the at least one measuring arrangement comprises at least one strain gauge ( 7 ). 3. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die aus den Meßwerten der mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Meßeinrichtung durch Bohrkopfdefekte und/oder Inhomogenitäten in der Lagereinrichtung und/oder der Innenkelly hervorgerufene Schwingungen bzw. Verlagerungen ermittelt und in ein zur Ansteuerung von Anzeige- und/oder Regeleinrichtungen geeignetes Signal umsetzt. 3. Tunnel boring machine according to claim 1 or 2, characterized in that an evaluation device is provided which determines vibrations or displacements caused by drill head defects and/or inhomogeneities in the bearing device and/or the inner kelly from the measured values of the at least one first and at least one second measuring device and converts them into a signal suitable for controlling display and/or control devices. 4. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Auswerteeinrichtung angesteuerte, die Betriebsparameter der Tunnelbohrmaschine wie Vorschub, Bohrkopfdrehzahlen usw. beeinflussende Regeleinrichtung vorgesehen ist. 4. Tunnel boring machine according to claim 3, characterized in that a control device is provided which is controlled by the evaluation device and influences the operating parameters of the tunnel boring machine such as feed, drill head speeds, etc.
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