DE3733553A1 - Vorrichtung zum steuern einer schildvortriebsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern einer Schildvor­ triebsmaschine, bestehend aus einer Lageparameter der Schildvortriebs­ maschine erfassenden Meßanordnung, mit einem hinter der Tunnelvor­ triebsmaschine in einem ausgebauten Tunnelabschnitt angeordneten, auf einen Zielreflektor an der Rückseite der Schildvortriebsmaschine ausrichtbaren Laserstrahlgerät und aus einem mit der Meßanordnung verbundenen Rechner.

Solche Vorrichtungen sind in verschiedenen Ausführungen aus der Praxis hinlänglich bekannt. Im heutigen Tunnelbau sind leistungsfähi­ ge Schildvortriebsmaschinen Voraussetzung für eine wirtschaftliche Tunnelbauweise. Die hohen Investitions- und Betriebskosten lohnen je­ doch nur dann, wenn durch eine möglichst störungs- und fehlerfreie Führung dieser Maschinen auf den in aller Regel räumlich gekrümmten Vortriebsachsen Stillstandszeiten weitestgehend ausgeschlossen werden. Diesbezüglich sind in dem letzten Jahrzehnt verschiedene Leitsysteme entwickelt worden, die letztendlich auf der Grundlage arbeiten, daß die jeweilige Schildlage und auch der Ausbau gegen einen räumlichen gerichteten Laserstrahl festgelegt werden. Hierbei ist nachteilig, daß die Stabilität des Laserstrahls im rauhen Tunnelbaubetrieb nicht immer gewährleistet werden kann, bei Ausfall des Lasers oder sonstiger Systemkomponenten der gesamte Vortrieb zum Erliegen kommt, die La­ ge des Schildes in Tunnellängsrichtung nur ungenau über den einge­ brachten Ausbau ermittelt wird und die damit verbundenen Ungenauig­ keiten besonders bei stark gekrümmten Tunnelvortrieben entsprechende Fehler in Höhen- und Querlage hervorrufen, die Verrollung des Schil­ des häufig noch manuell ermittelt und bei der Schildfahrt ständig ma­ nuell nachgestellt werden muß, bei stark gekrümmten Tunnelachsen mit einem Laserstrahl und dem zugehörigen Schildfahrdiagramm in der Regel nur wenige Meter Vortrieb bzw. Ausbau gefahren werden können, d. h. oftmals täglich neue Laserstrahlen ausgerichtet und neue Schild­ fahrdiagramme berechnet werden müssen und zur Ermittlung von Ring­ einbaufolgen zumindest die jeweiligen radialen Abstände zwischen vor­ handenem Ausbau und Schild (sog. Schwanzluft), häufig aber auch die Auswirkungen einer Korrekturfahrt manuell ermittelt und in Rechnung gestellt werden müssen, wobei Fehlinterpretationen im hektischen Bau­ ablauf nicht auszuschließen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art so auszubilden, daß mit einfachen, insbesondere robusten Mitteln eine störungsfreie Steuerung der Schildvortriebsma­ schine ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Meßanordnung aus dem selbsttätig arbeitenden, den Entfernungen vom Zielreflektor, den Horizontalrichtungen und Vertikalwinkeln entspre­ chende elektrische Signale abgebenden Laserstrahlgerät und in der Schildvortriebsmaschine angeordneten elektrischen Neigungsgebern für die Verrollung und Längsneigung der Schildvortriebsmaschine besteht und daß der Rechner für eine fortlaufende Berechnung sowie Abspei­ cherung der räumlichen Istlage der Schildvortriebsmaschine und Abga­ be von Abweichungs- sowie Steuerwerten in Abhängigkeit von einer ab­ gespeicherten räumlichen Sollage der Schildvortriebsmaschine ausgelegt ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also die räumliche Lage des Schildes in seinen Koordinaten kontinuierlich mittels eines selbst­ tätig arbeitenden Meßsystems erfaßt und die damit definierte "Ist- Schildfahrachse" laufend über einen on line angeschlossenen Rechner mit der "Sollachse" verglichen. Das ermöglicht neben der gewünschten Steuerung auch eine kontinuierliche Anzeige von numerischen Ablage­ werten, die stetige Anzeige der vorhandenen und der erforderlichen Schildfahrtendenzen, so daß Fehlfahrten durch frühzeitiges Gegensteu­ ern der zugeordneten Pressen im Ansatz vermieden werden können.

Für die weitere Ausgestaltung bestehen im Rahmen der Erfindung meh­ rere Möglichkeiten. So ist nach einer bevorzugten Ausführungsform die Anordnung so getroffen, daß die Meßanordnung im Schildschwanzbe­ reich arbeitende Ultraschallmeßgeräte zur Bestimmung der Radialab­ stände und zugehörigen Schwanzluftwerte umfaßt; zweckmäßigerweise sind insgesamt vier dieser Ultraschallmeßgeräte vorgesehen, die im Winkelabstand von 90° angeordnet sind. Somit ist das System in der Lage, bei ständiger Erfassung und rechnerischer Verarbeitung aller möglichen Einflußfaktoren, wie Ablagen zwischen Soll- und Ist-Schild­ fahrachse, Verrollung, Vorreitstellung, Längsneigung des Schildes, Korrekturfahrten, Lage und Schwanzluft des letzten Ausbauelementes, voraussichtliche Einbaulage der bereits abberufenen Ringe usw., je­ derzeit eine optimale Ringeinbaufolge zu ermitteln und so den planmä­ ßigen Nachtransport der Ringelemente zu gewährleisten. Um auch bei Ausfall einzelner Systemkomponenten den vollen Vortrieb aufrechterhal­ ten zu können, ist das System mit einer Warnanlage ausgestattet, in dem bei Ausfall eines Meßwertgebers der Meßanordnung vom Rechner ein Warnsignal abgebbar ist. Der betroffene Meßwertgeber kann dann per Rechnerbefehl ausgeschaltet werden. Damit die Vorrichtung dann weiterarbeiten kann, sind nach einer weiterhin bevorzugten Ausfüh­ rungsform zusätzliche, gleichsam parallel arbeitende mechanische Meß­ wertgeber vorgesehen, mit deren Hilfe bei Ausfall eines Meßwertgebers der jeweils zugeordnete Meßwert manuell bestimmbar und in den Rech­ ner eingebbar ist. Empfehlenswert ist es, an den Rechner einen Druk­ ker und/oder einen in der Schildvortriebsmaschine angeordneten Moni­ tor anzuschließen. Zusätzlich kann ein an den Rechner ein weiterer, übertage angeordneter Monitor angeschlossen sein. Hiermit ist die Vor­ richtung auch bei konventionell vorgetriebenen Tunnelprojekten in der Lage, für jeden in der Ortsbrust oder in einem beliebigen Ausbau­ querschnitt durch einen aufgehaltenen Zielreflektor markierten Punkt unmittelbar dessen genaue Ablagewerte zur theoretischen Tunnel- bzw. Ausbauachse anzuzeigen. Jedenfalls ist die Vorrichtung in der Ausfüh­ rungsform für einen der Schildvortriebsmaschine folgenden Tübbingaus­ bau zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß der Rechner für eine Be­ rechnung der Ringeinbaufolge ausgelegt ist, was oben schon einmal angedeutet worden ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur schema­ tisch eine Vorrichtung zum Steuern einer Schildvortriebsmaschine zeigt. Die Vorrichtung besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau zunächst aus einer Lageparameter der Schildvortriebsmaschine erfassenden Meßanord­ nung 1-4 und aus einem mit der Meßanordnung 1-4 verbundenen elek­ trischen Rechner 5. Die Meßanordnung ihrerseits umfaßt zunächst ein selbsttätig arbeitendes Laserstrahlgerät 1, welches hinter der Tunnel­ vortriebsmaschine in einem ausgebauten Tunnelabschnitt angeordnet ist und auf einen Zielreflektor 2 an der Rückseite der Schildvortriebs­ maschine ausrichtbar ist. Dieses Laserstrahlgerät 1 gibt elektrische Signale ab, die den Entfernungen s _i vom Zielreflektor 2, den Horizon­ talrichtungen r _i und Vertikalwinkeln z _i entspricht. Außerdem umfaßt die Meßanordnung in der Schildvortriebsmaschine angeordnete elektri­ sche Neigungsgeber 3, 4 für die Verrollung und Längsneigung der Schildvortriebsmaschine. Schließlich und endlich weist die Meßanord­ nung 1-4 vier, in einer im Schildschwanzbereich senkrecht zur Schild­ achse liegenden Ebene im Winkelabstand von 90° angeordnete Ultra­ schallmeßgeräte 6 zur Bestimmung der Radialabstände R _O , R _U , R _L , R _R und zugehörigen Schwanzluftwerte Δ _O , Δ _U , Δ _L , Δ _R auf. Bei Ausfall eines Meßwertgebers 3, 4, 6 ist vom Rechner ein Warnsignal abgebbar. Insoweit sind auch zusätzliche mechanische Meßwertgeber vorgesehen, mit deren Hilfe bei Ausfall eines Meßwertgebers der zugeordnete Meß­ wert manuell bestimmbar ist. In der Zeichnungsfigur sind nur die den Neigungsgebern 3, 4 parallelen mechanischen Meßwertgeber 7, 8 darge­ stellt.

Der elektrische Rechner 5 ist für eine fortlaufende Berechnung sowie Abspeicherung der räumlichen Istlage der Schildvortriebsmaschine und Abgabe von Abweichungs- sowie Steuerwerten in Abhängigkeit von einer abgespeicherten räumlichen Sollage der Schildvortriebsmaschine ausge­ legt. An den Rechner 5 sind ein Drucker 9, ein in der Schildvor­ triebsmaschine angeordneter erster Monitor 10 und ein übertage in einem Baubüro 11 angeordneter zweiter Monitor 12 angeschlossen. In der dargestellten Ausführungsform für einen der Schildvortriebsmaschi­ ne folgenden Tübbingausbau 13 ist der Rechner 5 auch für eine Be­ rechnung der Ringeinbaufolge ausgelegt.

Das Herzstück dieses Systems bildet der Rechner 5, der die kontinuier­ liche Meßwerterfassung steuert, den fortlaufenden Vergleich zwischen tatsächlicher Schildfahrt und Sollachse durchführt, die Ablagen und Vortriebstendenzen sowie notwendige Korrekturfahrten berechnet und schließlich auch eine optimale Ringeinbaufolge ermittelt. Die dreidi­ mensionale Festlegung der Schildfahrachse erfolgt kontinuierlich mit Hilfe des im rückwärtigen Tunnel installierten, selbsttätig arbeitenden Laserstrahlgerätes 1, das fortlaufend Horizontalrichtungen r _i , Verti­ kalwinkel z _i und Entfernungen s _i zu dem im vorderen Bereich des Schildes angebrachten Zielreflektor 2 mißt. Zur Ausschaltung von In­ stabilitäten der Ausgangsrichtung, z. B. durch Erschütterungen, wird in bestimmten Zeitintervallen oder auf Anforderung hin ebenfalls selbsttätig die Richtung zu einem zurückliegenden Vermessungsfestpunkt F _i gemessen und rechnerisch berücksichtigt. Des weiteren werden Ver­ rollung α _Q und Längsneigung α _L des Schildes über die elektrischen Neigungsgeber 3, 4 ermittelt und dem Rechner 5 zugeführt. Ausgehend von dem im Bausystem koordinierten Standpunkt des Laserstrahlgerätes 1 werden sodann in einer geschlossenen Automationskette mit dem Meß­ werten des Laserstrahlgerätes 1 fortlaufend die Raumkoordinaten des Zielreflektors 2 und unter Berücksichtigung von dessen Exzentrizität, der Verrollung α _Q sowie der Längsneigung α _L auch die Koordinaten des Schildachspunktes P berechnet und abgespeichert. Über die jeweils fünf letzten Punkte ermittelt der Rechner 5 sodann ausgleichende Grundriß- bzw. Aufrißkurven, vergleicht diese mit den zugehörigen Solltrassierungen, bildet die Abweichungen zwischen beiden für den Punkt P, ermittelt unter der Voraussetzung gleichbleibender Pressen­ drücke die Schildfahrtendenz und gibt alle Werte zum Ausdruck an den Drucker 9 bzw. zur Darstellung an den Monitor 10 auf der Schildsteu­ erbühne weiter. Der Schildführer hat letzthin bei der Schildsteuerung nur darauf zu achten, daß der die Ablage darstellende Leuchtpunkt im Zentrum des Monitors 10 bleibt. Bei Bedarf kann über den zusätz­ lichen Monitor 12 im Baubüro 11 die aktuelle Schildlage abgerufen werden.

Zur Ermittlung einer optimalen Ringeinbaufolge werden am Schild­ schwanz über die Ultraschallmeßgeräte die radialen Abstände R _O , R _U , R _L , R _R gemessen und daraus rechnerisch die zugehörigen Schwanzluft­ werte δ _O , δ _U , Δ _L , Δ _R abgeleitet. Diese bilden neben der räumlichen Schildlage, der Kurvengeometrie der Tunnelachse und der Geometrie der Ausbauelemente die Grundlage für die Berechnung einer eventuell erforderlichen Korrekturfahrt und der Ringeinbaufolge, die unter Be­ rücksichtigung aller Einflußfaktoren stets für mehrere Ringe im voraus ermittelt wird. Bei Störungen bzw. Ausfall eines Meßwertgebers kann das betreffende Element durch Rechnerbefehl aus der Automationskette ausgeschaltet werden und können die Meßwerte dieses Elementes dann manuell erhoben und per Tasteneingabe in die sonst normal weiterlau­ fende Berechnung eingeführt werden. So können bei Störungen im La­ serstrahlgerät 1 die Meßgrößen r _i , z _i und s _i durch manuelle Messung mit dem selben Instrument oder notfalls mit einem anderen Gerät er­ mittelt werden. Bei Ausfall eines Neigungsgebers 3 bzw. 4 erfolgt die Ermittlung der Neigungswerte α _Q bzw. α _L über die von vornhinein in­ stallierten Libellen 7 bzw. 8 und schließlich werden bei Ausfall eines Ultraschallmeßgerätes 6 die Schwanzluftabstände Δ _U unmittelbar vor Ort mit dem Zollstock oder Spezialmeßstab ermittelt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Steuern einer Schildvortriebsmaschine, bestehend aus einer Lageparameter der Schildvortriebsmaschine erfassenden Meß­ anordnung mit einem hinter der Tunnelvortriebsmaschine in einem aus­ gebauten Tunnelabschnitt angeordneten, auf einen Zielreflektor an der Rückseite der Schildvortriebsmaschine ausrichtbaren Laserstrahlgerät und aus einem mit der Meßanordnung verbundenen elektrischen Rech­ ner, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßan­ ordnung (1-4) aus dem selbsttätig arbeitenden, den Entfernungen (s _i ) vom Zielreflektor (2), den Horizontalrichtungen (r _i ) und Vertikalwin­ keln (z _i ) entsprechende elektrische Signale abgebenden Laserstrahlge­ rät (1) und in der Schildvortriebsmaschine angeordneten elektrischen Neigungsgebern (3, 4) für die Verrollung (α _Q ) und Längsneigung (α _L ) der Schildvortriebsmaschine besteht und daß der Rechner (5) für eine fortlaufende Berechnung sowie Abspeicherung der räumlichen Istlage der Schildvortriebsmaschine und Abgabe von Abweichungs- sowie Steu­ erwerten in Abhängigkeit von einer abgespeicherten räumlichen Sollage der Schildvortriebsmaschine ausgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (1-4) im Schildschwanzbereich arbeitende Ultraschallmeß­ geräte (6) zur Bestimmung der Radialabstände (R) und zugehörigen Schwanzluftwerte (Δ U) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch insgesamt vier, im Winkelabstand von 90° angeordnete Ultraschallmeßgeräte (6).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Ausfall eines Meßwertgebers der Meßanordnung (1-4) vom Rechner ein Warnsignal abgebbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch zusätzliche mechanische Meßwertgeber (7, 8), mit deren Hilfe bei Ausfall eines Meßwertgebers der zugeordnete Meßwert manuell bestimm­ bar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Rechner (5) ein Drucker (9) und/oder ein in der Schildvortriebsmaschine angeordneter Monitor (10) angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Rechner (5) ein weiterer, übertage angeordneter Monitor (12) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in der Ausführungs­ form für einen der Schildvortriebsmaschine folgenden Tübbingausbau (13), dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (5) für eine Berech­ nung der Ringeinbaufolge ausgelegt ist.