DE3733553C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Vorrichtung zum Steuern einer Schildvortriebsmaschine, bestehend aus einer Lageparameter der Schildvortriebsmaschine erfassenden Meßanordnung mit einem hinter der Tunnelvortriebsmaschine in einem ausgebauten Tunnelabschnitt an­ geordneten, auf einen Zielreflektor an der Rückseite der Schildvor­ triebsmaschine ausrichtbaren Laserstrahlgerät sowie mit in der Schild­ vortriebsmaschine angeordneten elektrischen Neigungsgebern zum Fest­ stellen der Verrollung und der Längsneigung der Schildvortriebsma­ schine und aus einem mit der Meßanordnung verbundenen elektrischen Rechner, der für eine fortlaufende Berechnung sowie Abspeicherung der räumlichen Istlage der Schildvortriebsmaschine und Abgabe von Abweichungs- sowie Steuerwerten in Abhängigkeit von einer abgespei­ cherten räumlichen Sollage der Schildvortriebsmaschine ausgelegt ist.

Im heutigen Tunnelbau sind leistungsfähige Schildvortriebsmaschinen Voraussetzung für eine wirtschaftliche Tunnelbauweise. Die hohen Investitions- und Betriebskosten lohnen jedoch nur dann, wenn durch eine möglichst störungs- und fehlerfreie Führung dieser Maschinen auf den in aller Regel räumlich gekrümmten Vortriebsachsen Stillstandzei­ ten 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 Lage des Schildes in Tunnellängsrichtung nur ungenau über den eingebrachten Ausbau er­ mittelt wird und die damit verbundenen Ungenauigkeiten besonders bei stark gekrümmten Tunnelvortrieben entsprechende Fehler in Höhen- und Querlage hervorrufen, die Verrollung des Schildes häufig noch manuell ermittelt und bei der Schildfahrt ständig manuell 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 Schildfahrdiagramme berech­ net werden müssen und zur Ermittlung von Ringeinbaufolgen zumindest die jeweiligen radialen Abstände zwischen vorhandenem Ausbau und Schild (sog. Schwanzluft), häufig aber auch die Auswirkungen einer Korrekturfahrt manuell ermittelt und in Rechnung gestellt werden müs­ sen, wobei Fehlinterpretationen im hektischen Bauablauf nicht auszu­ schließen sind.

Bei bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten Art (Taschenbuch für den Tunnelbau 1987, Glückauf, S. 374 bis 394; Tunnels & Tunnelling, Oktober 1981, S. 60 bis 62) muß der Zielreflektor für ein­ deutige Positionsbestimmung der Schildvortriebsmaschine zwei Targets bzw. Meßebenen aufweisen, mit deren Hilfe die Lage des Laserstrahls bestimmt wird. Der Einsatz solcher Zielreflektoren ist aufwendig, eben weil diese verhältnismäßig große Abmessungen aufweisen müssen. Nichtsdestoweniger sind die entsprechenden Bestimmungen nicht so ge­ nau, wie man es sich für eine einwandfreie Steuerung der Schildvor­ triebsmaschine wünschen würde.

Zwar ist auch eine Meßanordnung mit einem Laserstrahlgerät für Ge­ ländervermessungen bekannt (Geodimeter 140 SMS, Slope Monitoring System, Geotronics AB 1987, Printed in Sweden 10/87), bei der eine die Entfernung des Lasergerätes vom Zielreflektor über den Rechner gesteuert selbsttätig messende Distanzmeßeinheit sowie eine die Ände­ rung des Horizontalwinkels und des Vertikalwinkels des auf den Ziel­ reflektor ausgerichteten Laserstrahls selbsttätig erfassende und an den Rechner den Meßwerten entsprechende elektrische Signale abgebende Einheit eingeschlossen ist. Für die Steuerung einer Schildvortriebsma­ schine ist diese Meßanordnung aber nicht in Betracht gezogen worden.

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

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Meßanordnung eine die Entfernung des Lasergerätes vom Zielreflektor über den Rechner gesteuert selbsttätig messende Distanzeinheit sowie eine die Änderung des Horizontalwinkels und des Vertikalwinkels des auf den Zielreflektor ausgerichteten Laserstrahls selbsttätig erfassende und an den Rechner den Meßwerten entsprechende elektrische Signale abgebende Einheit einschließt.

Mit einer solchen Meßanordnung wird die Positionsbestimmung wesent­ lich genauer als bisher. Darüber hinaus ist auch Robustheit gegeben, weil hierbei der Zielreflektor kleinbauend 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, Kor­ rekturfahrten, Lage und Schwanzluft des letzten Ausbauelementes, voraussichtliche Einbaulage der bereits abberufenen Ringe usw., je­ derzeit eine optimale Ringeinbaufolge zu ermitteln und so den plan­ mäßigen 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. Jedenfalls ist die Vorrichtung in der Ausführungs­ form für einen der Schildvortriebsmaschine folgenden Tübbingausbau zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß der Rechner für eine Berech­ nung der Ringeinbaufolge ausgelegt ist, was oben schon einmal ange­ deutet worden ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbei­ spiel darstellenden Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur schematisch eine Vorrichtung zum Steuern einer Schildvortriebsmaschine zeigt. Die Vorrichtung besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau zu­ nächst aus einer Lageparameter der Schildvortriebsmaschine erfassen­ den Meßanordnung 1-4 und aus einem mit der Meßanordnung 1-4 verbundenen elektrischen Rechner 5. Die Meßanordnung ihrerseits um­ faßt zunächst ein selbsttätig arbeitendes Laserstrahlgerät 1, welches hinter der Tunnelvortriebsmaschine in einem ausgebauten Tunnelab­ schnitt angeordnet ist und auf einen Zielreflektor 2 an der Rückseite der Schildvortriebsmaschine ausrichtbar ist. Dieses Laserstrahlgerät 1 gibt elektrische Signale ab, die den Entfernungen s _i vom Zielreflek­ tor 2, den Horizontalrichtungen r _i und Vertikalwinkeln z _i entspricht. Außerdem umfaßt die Meßanordnung in der Schildvortriebsmaschine an­ geordnete elektrische Neigungsgeber 3, 4 für die Verrollung und Längsneigung der Schildvortriebsmaschine. Schließlich und endlich weist die Meßanordnung 1-4 vier in einer im Schildschwanzbereich senkrecht zur Schildachse liegenden Ebene im Winkelabstand von 90° angeordnete Ultraschallmeßgeräte 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 Warnsig­ nal abgebbar. Insoweit sind auch zusätzliche mechanische Meßwertge­ ber vorgesehen, mit deren Hilfe bei Ausfall eines Meßwertgebers der zugeordnete Meßwert manuell bestimmbar ist. In der Zeichnungsfigur sind nur die den Neigungsgebern 3, 4 parallelen mechanischen Meß­ wertgeber 7, 8 dargestellt.

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 ausgelegt. An den Rechner 5 sind ein Drucker 9, ein in der Schild­ vortriebsmaschine 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 drei­ dimensionale 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 Vermessungsfest­ punkt F _i gemessen und rechnerisch berücksichtigt. Des weiteren wer­ den Verrollung α _Q und Längsneigung a _L des Schildes über die elektri­ schen Neigungsgeber 3, 4 ermittelt und dem Rechner 5 zugeführt. Aus­ gehend von dem im Bausystem koordinierten Standpunkt des Laser­ strahlgerätes 1 werden sodann in einer geschlossenen Automationskette mit den Meßwerten des Laserstrahlgerätes 1 fortlaufend die Raumkoor­ dinaten 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 bei­ den für den Punkt P, ermittelt unter der Voraussetzung gleichbleiben­ der Pressendrücke die Schildfahrtendenz und gibt alle Werte zum Aus­ druck an den Drucker 9 bzw. zur Darstellung an den Monitor 10 auf der Schildsteuerbühne weiter. Der Schildführer hat letzthin bei der Schildsteuerung nur darauf zu achten, daß der die Ablage darstellen­ de Leuchtpunkt im Zentrum des Monitors 10 bleibt. Bei Bedarf kann über den zusätzlichen Monitor 12 im Baubüro 11 die aktuelle Schild­ lage 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 er­ forderlichen Korrekturfahrt und der Ringeinbaufolge, die unter Berück­ sichtigung 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 (6)

1. Verwendung einer Vorrichtung zum Steuern einer Schildvortriebsma­ schine, bestehend aus einer Lageparameter der Schildvortriebsmaschine erfassenden Meßanordnung mit einem hinter der Tunnelvortriebsmaschi­ ne in einem ausgebauten Tunnelabschnitt angeordneten, auf einen Zielreflektor an der Rückseite der Schildvortriebsmaschine ausrichtba­ rem Laserstrahlgerät sowie mit in der Schildvortriebsmaschine ange­ ordneten elektrischen Neigungsgebern zum Feststellen der Verrollung und der Längsneigung der Schildvortriebsmaschine und aus einem mit der Meßanordnung verbundenen elektrischen Rechner, der 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 ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (1-4) eine die Entfernung (s _i ) des Lasergerätes vom Zielreflektor (2) über den Rech­ ner gesteuert selbsttätig messende Distanzmeßeinheit sowie eine die Änderung des Horizontalwinkels (r _i ) und des Vertikalwinkels (z _i ) des auf den Zielreflektor (2) ausgerichteten Laserstrahles selbsttätig er­ fassende und an den Rechner (5) den Meßwerten entsprechende elektri­ sche Signale abgebende Einheit einschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (1-4) im Schildschwanzbereich arbeitende Ultraschall­ meßgeräte (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 (5) 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 be­ stimmbar ist.

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