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Kabushiki Kaisha Iseki Kaihatsu Koki
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7, Kojimachi 1-chome, Ciyoda-ku Tokyo (Japan)
Hydraulisches Schildvortriebs-Tunnelbauverfahren
sowie Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches
Schildvortriebs-Tunnclbauverfahren sowie eine Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine
und insbesondere auf ein Verfahren sowie eine Maschine zum Bohren eines Tunnels,
bei dem bzw. der dafür gesorgt ist, daß die sogenannte Brust bzw. der Ortes stoß
nicht einfallen kann.
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Bisher herrscht als Schildvortriebs-Tunnelbauverfahren das mit Schlammdruck
arbeitende Verfahren vor. Bei diesem Schlammdruck-Schildvortriebs-Tunnelbauverfahren
wird das Bodenmaterial abgetragen, während der Boden mit Hilfe von
Schlammdruck
stabilisiert wird, wird der abgetragene Schlamm durch Bohrschlitze in eine Schlammkammer
eingeleitet und wird der Schlamm aus der Schlammkammer durch eine Schlammleitung
zu einem Ort außerhalb des Tunnels transportiert. Die Geschwindigkeit der Tunnelbaumaschine
wird entsprechend der Menge des nach außerhalb des Tunnels geförderten Schlammes
gesteuert.
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Die Menge des heraustransportierten Schlammes wird bestimmt, indem
die Dichte des Bodens, das spezifische Gewicht des durch die Schlammleitung aus
dem Tunnel herausströmender.
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Schlammes und der Durchfluß des Schlammes in der Schlantnileitung
gemessen werden und die entsprechenden Meßwerte einem Rechner zur Berechnung zugeführt
werden. Aus der (juf diene Weise berechneten Menge heraustransportierten Schlammes
wird die Geschwindigkeit der Tunnelbaumaschine berechnet und dementsprechend selbsttätig
gesteuert oder von Hand eingestellt.
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Dabei erfolgt die Berechnung der Dichte des Bodens mittels einer Gleichung
unter Verwendung eines geschätzten Wertes, der auf der Grundlage einer zuvor durchgeführten
Untersuchung der Art des Bodens bestimmt wird, was einen entsprechenden Fehler zur
Folge hat. Zu diesem Fehler der Bodendichte kommt der Fehler des Durchflusses des
Schlammes sowie der Fehler des spezifischen Gewichtes des Schlammes hinzu, was zu
einem grossen Gesamtfehler bei der Bestimmung der abtransportierten Schlammenge
führt. Dieser große Gesamtfehler beeinflußt direkt die Geschwindigkeit der Tunnelbaumaschine.
Wenn jedoch das Gleichgewicht zwischen der Menge des abgetragenen Bodens bzw.
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Gesteins und der Geschwindigkeit der Tunnelbaumaschine verlorengeht,
wird dadurch die Stabilität des Bodens beeinträchtigt, was wiederum zum Aufwerfen
oder zum Einstürzen des Bodens führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydraulisches Schildvortriebs-Tunneibauverfahren
sowie eine hydraulische Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine zu schaffen, die es ermög-
lichen,
einen Tunnel oder dergleichen zu bohren, ohne daß während der Tunnelbauarbeiten
an der Brust Aufwerfungen oder Senkungen des Bodens auftreten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren sowie die Maschinen
qelöst, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet sind.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen hydraulischen Schildvortriebs-Tunnelbauverfahren
wird dafür gesorgt, daß eine Druckflüssigkeit an der Brust auf den Boden mit einem
Druck wirkt, der im wesentlichen gleich dem Druck des Boden- bzw. Grundwassers an
der Stirn während der Tunnelbauarbeiten ist, und daß zumindest eine der Größen Vortriebsgeschwindigkeit
des Schildkörpers, Drehzahl des Bohrkopfes und öffnungsausmaß der Bohrschlitze so
gesteuert wird, daß der Bohrkopf an der Brust gegen den Boden mit einem Druck gepreßt
wird, der größer als der aktive Erddruck, jedoch kleiner als der passive Erddruck
ist, so daß jeq1i'chc's Einfallen der Brust verhindert wird.
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Die erfindungsgemäße hydraulische Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine
zeichnet sich aus durch einen Schildkörper, eine im Inneren des Schildkörpers angeordnete
Trennwand, einen Bohrkopf, der drehbar in der Trennwand gelagert ist und zahlreiche
Bohrschlitze aufweist, eine Vorrichtung zum Zuführen einer Druckflüssigkeit, deren
Druck im wesentlichen gleich dem Druck des Bodenwassers an der Brust ist, in den
Raum vor der Innenwand, eine Schildkörper-Vortriebsvorrichtung zum Vorschieben des
Schildkörpers, eine Bohrkopf-Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Bohrkopfes, eine
Schlitzöffnungs-Stellvorrichtung zum Einstellen des öffnungsausmaßes der Bohrschlitze,
eine Detektorvorrichtung, die feststellt, ob der Druck des Bodens an der Brust höher
oder niedriger als ein vorgegebener Wert ist,und eine Steuervorrichtung zur Steuerung
der Arbeitsweise von zumindest einer Vorrichtung
aus der Gruppe
Schildkörper-Vortriebsvorrichtung, Bohrkopf-Antriebsvorrichtung und Schlitzöffnungs-Stellvorrichtung
in Abhängigkeit vom festgestellten Wert des Drucks des Bodens an der Brust. Gemäß
einer weiteren Ausführungsform zeichnet sich die erfindungsgemäße hydraulische Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine
aus durch einen Schildkörper, eine im Inneren des Schildkörpers angeordnete 'rLcnnw;lntl,
einen Uc,llrkol,r, dazu drehbar in der Trennwand so gelagert ist, daß er geradil'ni<l
bewegt werden kann, eine Vorrichtung zum Zuführen einer Druck flüssigkeit, deren
Druck im wesentlichen gleich dem Druck des Bodenwassers an der Brust ist, in den
Raum vor der Trennwand, eine Schildkörper-Vortriebsvorrichtung zum Vorschieben des
Schildkörpers, eine Bohrkopf-Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Bohrkopfes, eine
Schlitzöffnungs-Stellvorrichtung zum Einstellen des öffnungsausmaßes der Bohrschlitze,
eine Detektorvorrichtung zum Feststellen der Verschiebestrecke des Bohrkopfes, und
eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Arbeitsweise von zumindest einer Vorrichtung
aus der Gruppe Schildkörper-Vortriebsvorrichtung, Bohrkopf-Antriebsvorrichtung und
Schlitzöffnungs-Stellvorrichtung in Abhängigkeit von der festgestellten Verschiebe
strecke des Bohrkopfes.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet und ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen: Figur 1 eine schematische
Schnittdarstellung einer hydraulischen Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung; Figur 2 einen ausschnittsweisen Längs schnitt
durch den Bohrkopf der Tunnelbaumaschine gemäß
Figur 1; Figur 3
eine ausschnittsweise Schnittdarstellung gemäß 3-3 in Figur 2; Figur 4 eine schematische
Schnittdarstellung einer hydraulischen Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung; Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung
einer hydraulischen Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung; und Figur 6 eine schematische Schnittdarstellung einer hydraulischen
Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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Im folgenden wird zunächst auf Figur 1 eingegangen, die eine insgesamt
mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete hydraulische Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine
zeigt. Zur Tunnelbaumaschine gehören ein Schildkörper 12 und eine Trennwand 14,
die im vorderen Bereich des Schildkörpers innerhalb desselben und quer zu diesem
angeordnet ist. Die Trennwand 14 unterteilt den Schildkörper 12 in eine Druckflüssigkeitskammer
16 und eine unter atmosphärischem Druck stehende Kammer 18. In der Trennwand 14
sind ein Einlaß und ein Auslaß für eine Druckflüssigkeit ausgebildet, in die Druckflüssigkeitsleitungen
20 und 22 eingesetzt sind, die zum Zuführen der Druckflüssigkeit, bei der es sich
beispielsweise um Wasser oder Schlamm handeln kann, zur Druckflüssigkeitskammer
bzw. zum Abführen aus derselben dlenen.
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In der Druckflüssigkeitskammer 16 ist ein Schneid- bzw. Bohrkopf 24
angeordnet, an dem eine Antriebswelle 26 befestigt ist. Die Antriebswelle 26 ist
in einem Lager 27 gelagert, ddS an der Trennwand .14 befestigt ist, und erstreckt
sich in ein Getriebe 28, das auf der Rückseite der Trennwand 14 angebracht ist.
Zum Getriebe 28 gehört ein großes Zahnrad 30, das mit einem Ritzel 34 kämmt, das
auf einer Welle 33 sitzt, die von einem hydraulischen Motor 32 aus in das Getriebe
ragt, der auf der Außenwand des Getriebes angebracht ist. Aufgrund der vorstehend
angegebenen Ausbildung wird die AntriebskraCt des hydraulischen Motors 32 zur Antriebswelle
26 übertragen, so daß diese gedreht wird.
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Die Antriebswelle 26 ist ferner in einem weiteren Lager 35 gelagert,
das am Getriebe 28 nehracht ist, und endet in X nem Gehäuse 36, das an der hinteren
Wand des (;eLri<.bes 28 t)efestigt ist. Im Gehäuse 36 befindet sich ein Lastdetektor
38, der in Anlage am hinteren Ende der Antriebswelle 26 steht und von einer Stange
40 getragen wird. Der Lastdetektor 38 dient dazu, den Bodendruck an der sogenannten
Brust bzw. dem Ortsstoß festzustellen und besteht aus Lastmeßzellen. An der hinteren
Wand des Gehäuses 36 ist eine Kolben-Zylinder-Einheit 42 mit einem doppeltwirkenden
Kolben angebracht. Dessen Kolbenstange 44 erstreckt sich durch eine mittige Bohrung
60, die sich in Längsrichtung durch die Stange 40, den Lastdetektor 38 und die Antriebswelle
26 erstreckt, und steht am vorderen Ende der Antriebswelle 26 über diese Vol-, wie
wit tll: 2 am deutlichsten zeigt.
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Im folgenden wird ausführlicher auf Figur 2 eingegangen. Zum Bohrkopf
24 gehört eine Stirnplatte 46, die am vorderen Ende der Antriebswelle 26 befestigt
ist. In der Stirnplatte 46 sind Bohrschlitze 48 ausgebildet, die in Radialrichtung
Abstand voneinander haben. Ferner gehört zum Bohrkopf 24 eine Bohrscheibe 50, die
auf der Rückseite der Stirnplatte 46 an-
geordnet ist und verschiebbar
auf der Antriebswelle 26 sitzt.
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An der Bohrscheibe 50 sind zahlreiche Bohrmeißel 52 an den Bohrschlitzen
48 in der Stirnplatte 46 entsprechenden Stellen befestigt, so daß die Bohrmeißel
52 aus den Bohrschlitzen 48 vorstehen oder aus ihrer vorstehenden Stellung zurückgezogen
werden, wenn die Bohrscheibe 50 auf der Antriebswelle 26 gleitend verschoben wird.
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An der Bohrscheibe 50 sind zwei oder mehr Stangen 54 befestigt, wie
dies in Figur 2 erkennbar ist. Diese Stangen verlaufen von der Bohrscheibe 50 aus
durch in Längsrichtung verlaufende Löcher bzw. Bohrungen 56 und stehen über das
vordere Ende der Antriebswelle 26 vor. Die anderen Enden der Stangen 54 sind an
einem Verbindungsglied 58 angebracht. Dies heißt mit anderen Worten, daß ein Ende
jeder Stange 54 fest in die Bohrscheibe geschraubt ist, während das andere Ende
jeder Stange mit dem Verbindungsglied 58 verbunden ist.
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Mit dem Verbindungsglied 58 ist ferner das über das vordere Ende der
Antriebswelle vorstehende Ende der durch die mittige Bohrung 60 in der Antriebswelle
26 verlaufenden Kolbenstange 44 verbunden. Die Bohrscheibe 50 wird somit auf der
Antriebswelle 26 gleitend aufgrund der Kraft verschobcn, die zur Bohrscheibe mittels
der Kolbenstange 44, des Verbindungsyliedes 58 und der Stangen 54 von der Kolben-Zylinder-Einheit
42 aus übertragen wird, die dafür als Antriebsquelle dient.
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Von der Innenseite des Schildkörpers 12 steht radial nach innen ein
Flansch 62 vor. Zwischen dem Flansch und Segmenten 64, die im hinteren Abschnitt
des Schildkörpers 12 entlang dessen Innenwand angeordnet sind, sind Pressenzylinder
66 für den Schildkörper eingesetzt. Diese Pressenzylinder 66 drücken auf den Schildkörper
12 in Vortriebsrichtung, d.h.
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nach links in Figur 1, und stützen sich dabei an den Stirnseiten der
Segmente 64 ab.
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Der hydraulische Motor 32 zum Drehen-der Antriebswelle 26, die Kolben-Zylinder-Einheit
42 zum Verschieben der Bohrscheibe 50 und dadurch zum Einstellen der Lunge, um die
jeder Bohrmeißel aus dem zugehörigen Bohrschlitz 48 vorsteht, d.h. zum Einstellen
des Öffnungsausmaßes des lewei 1 icfen Bohrschlitzes 48, und die Pressenzylinder
66 sind an Pumpen 68, 7(). und 72 an<jeschlossen, bei denen die abgegebene Druckölmenge
variabel ist. Diese Pumpen werden im folgenden auch als Regelpumpen bezeichnet.
Die Regelpumpen 68, 70 und 72 werden von einer Drucköl-Antriebseinheit 74 angetrieben
und weisen jeweils einen Steuerarm 76, 78 bzw. 80 auf, mittels dessen die gelieferte
Druckölmenge gesteuert werden kann. Ein Ende jedes Steuerarmes 76, 78 und 80 ist
jeweils gelenkig mit einer Kolbenstange einer Kolben-Zylinder-Vorrichtung 82, 84
bzw. 86 mit doppeltwirkendem Kolben verbunden, so daß die Steuerarme durch Verschieben
der Kobenstanqe geschwenkt werden und d;ldurch die von der jeweiligeti Regelpumpe
gelieferte Druckolmenge gesteuert bzw. eingestellt wird. Die Kolben-Zylinder-Vorrichtungen
82, 84 und 86 sind über rückgekoppelte Servoventile 88, 90 und 92 mit einer Pumpe
94 verbunden. Die Servoventile 88, 90 und 92 sind ihrer Art nach an sich bekannt
und werden daher hier nicht ausführlich beschrieben. Die Spannungs-Differentialtransformatorabschnitte
der einzelnen Servoventile 88, 90 und 92 sind über elektrische Leitungen mit einer
elektrischen Steuervorrichtung 96 verbunden, so daß die einzelnen Servoventile mittels
elektrischer Signale gesteuert werden können. Die elektrische Steuervorrichtung
96 ist über eine elektrische Leitung mit dem Lastdetektor 38 so verbunden, daß sie
vom Lastdetektor mit elektrischen Signalen gespeist wird.
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Wenn mittels der Tunnelbaumaschine ein Tunnel ausgehoben wird, wird
durch die Druckflüssigkeitsleitung 20 Schlamm oder Wasser in die Druckflüssigkeitskammer
16 transportiert.
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Aus der Druckflüssigkeitskammer 16 wird Schlamm durch die
Druckflüssigkeitsleitung
22 zu einer Stelle außerhalb des Tunnels gefördert. Der Druck, mit dem der Schlamm
bzw. das Wasser durch die Druckflüssigkeitsleitung 20 in die Druck flüssigkeitskammer
16 gefördert wird, ist so festgelegt, daß der Druck des Schlammes in der Druckflüssigkeitskammer
16 im wesentlichen gleich dem Druck des Boden- bzw. Grundwassers an der Brust 100
ist. Der Bohrkopf 24 wird von einer Antriebskraft gedreht, die vom hydraulischen
Motor 32 über das Ritzel 34, das mit dem Ritzel 4 kämmende Zahnrad 30, das eine
Untersetzung bewirkt, sowie die Antriebswelle 26 übertragen wird.
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Dann wird der Schildkörper 12 mittels der Pressenzylinder 66 nach
vorne gedrückt, wobei der Bohrkopf 24 gegen das Gestein an der Brust mit einem Druck
gedrückt wird, der größer als der aktive Erddruck, jedoch kleiner als der passive
Erddruck ist. Die Tunnelbaumaschine 10 wird somit vorgeschoben, während gleichzeitig
verhindert wird, daß der Boden einstürzt, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die
Druckflüssigkeit gegen den Druck des Bodenwassers an der Brust wirkt und daß der
Druck des Bohrkopfes 24 gegen das Gestein an der Brust drückt.
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Während an der Brust Material abgetragen wird, wirkt der vom Bohrkopf
24 auf das Gestein an der Brust ausgeübte Druck auch als Reaktionsdruck vom Gestein
an der Brust auf den Bohrkopf.
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Der Erddruck, d.h. der auf den Bohrkopf wirkende Reaktionsdruck bzw.
die Reaktionskraft, wird über die Antriebswelle 26 mittels des Lastdetektors 38
als waagerechte Schubkraft erfaßt bzw. gemessen. Dies heißt mit anderen Worten,
daß der Lastdetektor 38 feststellt, ob der Schneidkopf an der Brust gegen den Boden
mit einem Druck gedrückt wird, der größer als der aktive Erddruck und kleiner als
der passive Erddruck ist, oder nicht. Wenn beispielsweise der Druck des Schneidkopfes
kleiner als der aktive Erddruck wird, ermittelt die elektrische Steuervorrichtung
96 diesen Zustand aufgrund der Signale vom Lastdetektor 38 und steuert eines der
Servoventeile 88, 90 und 92 mit dementsprechenden Signalen an. Wenn
beispielsweise
das Servoventil. 88 mit solchen Siqnalen ;Incl<'-steuert wird, wird die Kolben-Zylinder-Vorrichtun
82 so angesteuert, daß der Steuerarm 76 in dem Sinne verschwenkt wird, daß die Antriebskraft
des hydraulischen Motors 32 so geändert wird, daß die Drehung des Bohrkopfes 24
langsamer erfolgt. Dementsprechend wird eine geringere Gesteinsmenge abgetragen.
Da die Vorschubgeschwindigkeit des Schildkörpers 12 dabei jedoch konstant gehalten
wird, wirkt jetzt dem Erddruck an der Brust ein hoher Druck des Bohrkopfes entgegen.
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Wenn das Servoventil 90 angesteuert wird, wird der Steuerarm 78 so
verschwenkt, daß die Geschwindigkeit, mit der der Schildkörper vorgeschoben wird,
höher wird, so daß der vom Bohrkopf 24 auf den Boden an der Brust ausgeübte Druck
zunimmt.
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Wenn das Servoventil 92 angesteuert wird, wird die Kolben-Zylinder-Einheit
42 so angesteuert, daß die Kolbenstange 44 nach rechts in Figur 1 verschoben wird,
wodurch die Bohrscheibe 50 nach rechts in Figur 2 verlagert wird. Dies hat zur Folge,
daß die an der Bohrscheibe 50 befestigten Bohrmeißel 52 in die Bohrschlitze 48 in
der Stirnplatte 46 gezogen werden, so daß sie dann ihre zurückgezogenen Stellungen
einnehmen, wie dies strichpunktiert in Figur 3 gezeigt ist.
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Auf diese Weise wird das Ausmaß, um das die Bohrmeißel vorstehen,
und somit das öffnungsausma3 der einzelnen Bohrschlitze verringert oder zu null
gemacht.
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Wenn der vom Bohrkopf 24 ausgeübte Druck gegen den Boden an der Brust
den passiven Erddruck übersteigt, wird dieser Zustand über den Lastdetektor 38 und
somit von der elektrischen Steuervorrichtung 96 erfaßt, die ein beliebiges der Servoventile
ansteuert, um entweder die Drehung des Bohrkopfes oder die Schubkraft am Schildkörper
oder das öffnungsausmaß der Bohrschlitze in zur vorstehend erläuterten Weise entge-
gel1(3eseL2tcr
Weise einzustellen.
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Durch Steuerung der Drehung des Bohrkopfes, der Schubkraft für den
Schildkörper oder des öffnungsausmaßes der Bohrschlitze in gewünschter Weise kann
die abgetragene Boden-bzw. Gesteinsmenge erhöht oder verringert werden und wird
dafür gesorgt, daß der Bohrkopf gegen das Gestein an der Brust in der Regel mit
einem Druck gepreßt wird, der größer als der aktive Erddruck ist, jedoch kleiner
als der passive Erddruck ist, so daß der Tunnel gegraben werden kann, ohne daß die
Gefahr besteht, daß die Brust einstürzt.
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Figur 4 zeigt eine Tunnelbaumaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Elemente, die Elementen der ersten Ausführuncjsform gleichen oder
entsprechen, sind bei der zweiten Auslilhrlln(Jsform mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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Die Antriebswelle 26 verläuft durch einen Zylinder 112, der an der
hinteren Wand des Getriebes 28 befestigt ist. Der im Zylinder angeordnete Abschnitt
der Antriebswelle 26 weist einen Flansch 114 auf, der die Funktion eines Kolbens
im Zylinder 112 erfüllt. Der Flansch 114 der Antriebswelle teilt im hinteren Abschnitt
des Zylinders eine Zylinderkammer 116 ab, die über eine Druckflüssigkeitsleitung
118 mit einer hydraulischen Servoeinrichtung 120 in Verbindung steht. Durch Zufuhr
von Druckflüssigkeit in die Zylinderkammer 116 im Zylinder 112 wird der Bohrkopf
24 gegen die Brust 100 gedrückt.
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Das hintere Ende der Antriebswelle 26 tritt hinten, d.h.
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rechts in Figur 4, aus dem Zylinder 112 aus. Am hinteren Ende der
Antriebswelle 26 ist eine Kolben-Zylinder-Einheit 42 angebracht, die der Kolben-Zylinder-Einheit
42 des ersten Ausführungsbeispieles gleicht. Die Kolbenstange 44 verläuft in Längsrichtung
durch eine mittige Bohrung in der Antriebswelle 26 und endet am Bohrkopf 24. Der
Bohrkopf 24, die Kolbenstange 44 und die Verbindung zwischen diesen Elementen sind
auf
gleiche Weise ausgebildet wie in Figur 2.
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Hinter der Kolben-Zylinder-Einheit 42 ist am Schildkörper 12 eine
weitere Kolben-Zylinder-Einheit 122 befestigt, zu der eine Kolbenstange 124 gehört,
deren eines Ende am Zylinder der Kolben-Zyl inder-Einheit 42 befest iCJt- ist, d
i um Zlilil stellen des Offnungsausmaßes der Bohrschlitzc dient. Die Kolben-Zylinder-Einheit
122 hat die Aufgabe, das Ausmaß der Verschiebung des Bohrkopfes 24 relativ zum Schildkörper
12 festzustellen. Der Bohrkopf 24 ist nämlich so angeordnet und ausgebildet, daß
er in Axialrichtung unabhängig vom Vorschub des Schildkörpers verschoben werden
kann. Die Kolben-Zylinder-Einheit 122 bildet somit einen Stellungsdetektor für die
Stellung bzw. die Verschiebestrecke des Bohrkopfes. Die Zylinderkammer der Kolben-Zylinder-Einheit
122 ist durch eine Druckflüssigkeitsleitung 126 ähnlich wie die Kolben-Zylinder-Einheit
42 mit der hydraulischen Servoeinrichtung 120 verbunden.
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Der hydraulische Motor 32, die Kolben-Zylinder-Einheit 42 und die
zum Schildvortrieb dienenden Pressenzylinder 66 der Tunnelbaumaschine sind über
Leitungen 134, 136 und 138 sowie über Ventile 128, 130 und 132 mit Regelpumpen bzw.
variablen Pumpen 140, 142 und 144 verbunden. Diese Regelpumpen sind an die hydraulische
Servoeinrichtung 120 angeschlossen, so daß die Menge und der Druck der gelieferten
hydraulischen Druckflüssigkeit durch hydraulische Signale von der hydraulischen
Servoeinrichtung gesteuert wird. Da bei der hydraulischen Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine
110 der Bohrkopf 24 getrennt vom Schildkörper 12 ist, kann am Bohrkopf 24 eine Bodengegendruck
wirken, der vom Vorschub des Schildkörpers unabhängig ist. An die Zylinderkammer
116 im Zylinder 112 ist in der Regel ein solcher vorgegebener 13 ruck in(301egt,
daß der Bohrkopf 24 gegen die Brust 100 mit einem Druck drückt, der großer als der
aktive Erddruck, jedoch kleiner als der passive Erddruck ist. Damit dieser Zustand
aufrecht
gehalten wird, d.h. damit ein solcher Druck in der Zylinderkammer
116 herrscht, muß entweder die Vortriebsgeschwindigkeit des Schildkörpers 12 oder
die Bohrgeschwindigkeit des Hohrkol)fes 24 oçlcr mÜssen beide (seschwindiskeiten
so gesteuert werden, daß beide Geschwindigkeiten miteinander synchronisiert werden
können. Die Steuerung der Geschwindigkeit bzw. der Geschwindigkeiten erfolgt nach
dem Verfahren, wie es in Verbindung mit der Tunnelbaumaschine gemäß Figur 1 erläutert
wurde. Dies heißt genauer, daß eine der drei Einflußgrößen, nämlich die Drehung
des Bohrkopfes, das öffnungsausmaß der einzelnen Bohrschlitze und die Vortriebsgeschwindigkeit
des Schildkörpers, so gesteuert wird, daß der Bohrkopf 24 normalerweise eine bestimmte
Relativstellung bezüglich des Schildkörpers beibehält; der Bohrkopf kann nämlich
relativ zum Schildkörper eine solche Stellung einnehmen, daß er gegen den Boden
an der Brust mit dem vorstehend angegebenen Druck drückt.
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Wenn der Boden an der Brust 100 Steine oder Kies enthält, müssen die
Bohrschlitze ein vorgegebenes öffnungsausmaß haben.
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Ferner soll die Bohrgeschwindigkeit der Tunnelbaumaschine einen vorgegebenen
Wert einhalten, da die Vorschubgeschwindigkeit der Tunnelbaumaschine unregelmäßig
wird, wenn die Maschine angefahren oder angehalten wird. In diesen Fällen wird die
Menge des abgetragenen Bodens allein durch entsprechende Steuerung der Drehung des
Bohrkopfes verringert oder vergrößert.
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Bei der Tunnelbaumaschine 110 gemäß der zweiten Ausführungsform handelt
eB sich um eine Maschine mit indirekter Steuerung auf der Grundlage einer gewissen
Verschiebung des Bohrkopfes relativ zum Schildkörper; insofern liegt ein Unterschied
zur Tunnelbaumaschine gemäß Figur 1. vor, bei der direkt der Druck des Bohrkopfes
gegen den Boden gesteuert wird. Die Tunnelbaumaschine gemäß der zweiten Ausführungs-
form
ermöglicht es, den Bohrkopf gegen die Brust mit gleichmäßigem und gleichbleibendem
Druck zu pressen.
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Alternativ kann der Verschiebeweg des Bohrkopfes relativ zum Schildkörper
direkt gesteuert werden, indem die Differenz zwischen der Vorschubgeschwindigkeit
des Schildkörpers und der Aushub- bzw. Abtraggeschwindigkeit des Bohrkopf es zugrundegelegt
wird. Bei der Tunnelbaumaschine gemäß Figur 5 ist dieses Verfahren realisiert.
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Die in Figur 5 gezeigte hydraulische Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine
150 weist einen Arm 152 auf, der am hinteren Ende der Antriebswelle so angebracht
ist, daß sich die Antriebswelle relativ zum Arm drehen kann. Die Antriebswelle 26
verläuft durch den Zylinder 112 einer Kolben-Zylinder-Einheit, die dazu dient, den
Bohrkopf gegen die Brust zu drücken. Zum hydraulischen Motor 32, mittels dessen
die Antriebswelle 26 angetrieben wird, gehört ein Hebel 154 zur Steuerung der Drehzahl
des Motors. Das obere Ende des Hebels 154 ist mittels einer zur Antriebswelle 26
parallel verlaufenden Stange 156 mit dem Arm 152 verbunden.
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Wenn angenommen wird, daß die abgetragene Bodenmenge zu groß ist,
wird der Bohrkopf 24 mit einer Geschwindigkeit vorgegeschoben, die größer als die
Vorschubgeschwindigkeit des Schildkörpers ist, so daß der Bohrkopf relativ zum Schildkörper
um eine Strecke a vorgeschoben wird, wobei die Antriebswelle 26 nach links in Figur
5 verlagert wird. Dies führt dazu, daß der Hebel 154 von der Stange 156 verschwenkt
wird und dadurch die Drehzahl des hydraulischen Motors 32 senkt. Da der Schildkörper
12 jedoch in der Regel mit konstanter Geschwindigkeit vorgeschoben wird, wird dadurch
der Bohrkopf 24, der um die Strecke a vorgeschoben worden war, in seine ursprüngliche
Stellung zurückgebracht, während gleichzeitig die Drehzahl des hydraulischen Motors
32 erhöht wird.
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In Figur 6 ist eine Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine 160 gemäß einer
vierten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Diese Tunnelbaumaschine ist derart ausgebildet, daß bei ihr selbsttätig
das öffnungsausmaß der Bohrschlitze in Abhängigkeit von der Verschiebung des Bohrkopf
es 24 relativ zum Schildkörper 12 gesteuert wird. Am hinteren Ende der Antriebswelle
26 ist ein nach unten verlaufender Arm 162 derart angebracht, daß die Antriebswelle
relativ zum Arm gedreht werden kann. Die Antriebswelle 26 verläuft durch den Zylinder
112 der Kolben-Zylinder-Einheit, die dazu dient, den Bohrkopf gegen die Brust zu
pressen. Ein Verbindungsglied 164 ist mit seinem einen Ende am Schildkörper 12 und
mit seinem anderen Ende am Ende einer Stange 166 schwenkbar angelenkt, die mit ihrem
anderen Ende am Arm 162 angelenkt ist und parallel zur Antriebswelle 26 verläuft.
Mit dem Verbindungsglied 164 ist gelenkig das freie Ende der Stange 44 verbunden,
die zum Einstellen des öffnungsausmaßes der Bohrschlitze dient und durch die mittige,
in Längsrichtung verlaufende Bohrung in der Antriebswelle 26 verläuft.
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Während mit der vorstehend beschriebenen Tunnelbaumaschine gearbeitet
wird, liegt am Zylinder 112 ein bestimmter Druck an, damit der Bohrkopf 24 gegen
die Brust 100 mit einem Druck gepreßt wird, der größer als der aktive Erddruck,
jedoch kleiner als der passive Erddruck ist. Wenn dann an der Brust 100 eine relativ
größere Bodenmenge abgetragen wird, wird der Bohrkopf mit höherer Geschwindigkeit
vorgeschoben als der Schildkörper, so daß der Bohrkopf relativ zum Schildkörper
12 verlagert wird und dadurch auch die Antriebswelle 26 nach links in Figur 6 verschoben
wird, wodurch das Glied 164 verschwenkt wird. Dies hat zur Folge, daß die Stange
44 in der mittigen Bohrung um eine Strecke verschoben wird, die proportional zur
Verschiebung der Antriebswelle 26, d.h.
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proportional zu der Strecke a ist. Wegen der Relativbewegung zwischen
der Stange 44 und der Antriebswelle wird dabei die
Stange 44 etwas
aus dem hinteren Ende der Antriebswelle 26 herausgezogen. Dies hat zur Folge, daß
die Bohrmeißel 52 in die zugehörigen Bohrschlitze 48 in der Stirnplatte 46 zurückgezogen
werden, so daß das öffnungsausmaß der einzelnen Bohrschlitze kleiner wird. Die vom
Bohrkopf abgetragene Materialmenge wird dadurch kleiner, so daß die Bohrgeschwindigkeit
sinkt und der Bohrkopf in eine vorbestimmte Stellung relativ zum Schildkörper zurückkehrt.
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Mit der erfindungsgemäßen Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine erfolgt
das Bohren eines Tunnels bei gleichzeitigem Verhindern des Einfallens der Brust,
indem der Bohrkopf gegen den Boden an der Brust mit einem Druck gepreßt wird, der
größer als der aktive Erddruck, jedoch kleiner als der passive Erddruck ist, und
indem in eine Druckflüssigkeitskammer eine Druckflüssigkeit geleitet wird, deren
Druck im wesentlichen gleich dem Druck des Grundwassers bzw. Bodenwassers an der
Brust ist. Dies steht im Gegensatz zum herkömmlichen Vorgehen, bei dem die Bohrgeschwindigkeit
dadurch bestimmt wird, daß die Dichte bzw. das spezifische Gewicht des im Schlamm
enthaltenen Bodenmaterials gemessen wird, der durch die Schlammleitung strömt. Der
Druck gegen die Stirnplatte des Bohrkopfes wird selbsttätig gesteuert, indem die
Drehung des Bohrkopfes und/oder die Vortriebsgeschwindigkeit und/oder das offnungsausmaß
der einzelnen Bohrschlitze von der erfindungsgemäßen Schildvortriebs-Tunnelbaumaschine
eingestellt wird. Während der Bohrkopf mit dem erforderlichen Druck (le(3er die
Brust drückt, wird die Relativstellung des Bohrkopfes bezüglich des Schildkörpers
dadurch gesteuert, daß die Drehung des Bohrkopfes oder das öffnungsausmaß der einzelnen
Bohrschlitze eingestellt wird. Dieses Vorgehen erleichtert das Steuern des Drucks
des Bohrkopfes in der Weise, daß jegliches Einfallen der Brust verhindert wird.
Bei der in die Druckflüssigkeitskammer eingeleiteten Druckflüssigkeit kann es sich
beim erfindungsgemäßen Verfahren um frisches Wasser handeln.
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