DE4333032C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Position, Lage und Ausrichtung einer Tunnelvortriebsmaschine - Google Patents
Vorrichtung zur Bestimmung der Position, Lage und Ausrichtung einer TunnelvortriebsmaschineInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach
dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
Bei Tunnelbohrungen im Tief- und Bergbau ist die Einhaltung der
vorgegebenen Sollrichtung einer Bohrung mit hoher Genauigkeit
erforderlich. Abweichungen von der Sollrichtung sollen während
des Bohrvorganges erkannt und durch Steuerkommandos korrigiert
werden.
Bei geradlinigen Tunnelbohrungen wird diese Aufgabe meist über
das Einbringen einer Laserquelle in den Tunnel gelöst, die
entlang der Soll-Bohrachse ausgerichtet wird. An der Tunnel
vortriebsmaschine bzw. am Bohrkopf wird eine Zielplatte
angebracht, auf der das Laserlicht auftrifft. Ein Auswandern des
Bohrkopf es macht sich optisch durch ein Fortwandern des
Laserlichtes auf der Zielplatte bemerkbar und kann durch
entsprechende Steuerkommandos korrigiert werden.
Tunnelbohrungen mit Kurvenradius konnten bisher mit diesem
Meßprinzip nicht durchgeführt werden da hier der Laserstrahl
nicht der Kurvenkrümmung folgt und die Laserquelle auch nicht
dem Bohrkopf nachgeführt werden kann.
Ein Problem bei derartigen Tunnelbohrungen besteht ferner darin, daß, hervorgerufen
durch den Bohrvorgang und das schwere Gewicht des Bohrkopfes, beim Stillstand der
Maschine Setzerscheinungen im Boden auftreten, die bei Wiederaufnahme des Betriebs
kompensiert werden müssen. Bei einem geradlinigen Tunnelvortrieb und Vermessung mit
einem Laserstrahl ergibt sich dieses Problem nicht, da das Meßverfahren ein integrierendes
Verhalten aufweist und auch transversale Bewegungen zu erfassen gestattet. Nach dem
Wiedereinschalten der Laserquelle ist auf der Zielplatte eine entsprechende Abweichung
erkennbar, die wiederum durch Steuerkommandos kompensiert werden kann.
Aus der DE 29 44 305 C2 ist zum Auffahren gekrümmter Tunnel bereits eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Position, Lage und Ausrichtung einer Tunnelvortriebsmaschine bzw.
eines Bohrkopfes der Maschine bekannt, wobei auf der Tunnelvortriebsmaschine eine
Kreiselvorrichtung angeordnet ist und zwischen der Tunnelvortriebsmaschine und einem
Referenzpunkt sich ein Schlauchwaagesystem befindet, dessen verschlossener,
flüssigkeitsgefüllter Schlauch mit einem Ende der Referenzhöhe und mit dem anderen
Ende zur Bestimmung weiterer Größen der Meßhöhe der Tunnelvortriebsmaschine
zugeordnet ist. Sowohl die Kreiselvorrichtung, als auch das Schlauchwaagesystem sind an
eine Auswertestation angeschlossen, die Abweichungen von den Sollwerten erfaßt.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß auch bei Streckenauffahrungen auf einer
gekrümmten Bahn und nach mit Bodensetzungen verbundenen Vortriebsstillständen eine
genaue Bestimmung der Position, Lage und Ausrichtung der Tunnelvortriebsmaschine
bzw. des Bohrkopfes möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen
gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den
abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Anhand der einzigen Figur der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden die
erfindungsgemäße Vorrichtung näher beschrieben.
Eine nicht weiter in Einzelheiten dargestellte Tunnelvortriebs
maschine 10 mit Bohrkopf ist mit einem inertialen Meßsystem (INU
= Inertial Navigation Unit) ausgerüstet. Ein solches intertiales
Meßsystem umfaßt in bekannter Weise drei Beschleunigungssensoren
und drei Kreisel für die Bestimmung der Lage im Raum, wodurch es
in der Lage ist, zu jeder Zeit Position und Lage des Bohrkopfes
zu bestimmen. Insbesondere bei Verwendung von Ringlaserkreiseln
ergeben sich sehr präzise Messungen. Ein derartiges inertiales
Meßsystem ist z. B. aus der US-A-4017187 bekannt.
Das inertiale Meßsystem 12 ist über einen Datenbus 14 an eine
Auswertestation 16 angeschlossen, die mit Rechenfähigkeiten
ausgestattet ist. Zusätzlich ist ein getrenntes Höhenmeßsystem
18 angeordnet, das einen flüssigkeitsgefüllten Schlauch 20
umfaßt, der an beiden Enden durch Drucksensoren 22, 24
abgeschlossen ist. Das eine Ende des Schlauches 20 und der
Drucksensor 22 werden stationär auf einer Referenzhöhe 26
gehalten und das andere Ende des Schlauches 20 und der
Drucksensor 24 sind auf der Meßhöhe 28 an der Tunnelvortriebs
maschine 10 angeordnet. Die Drucksensoren 22 und 24 liefern
entweder ihre Meßsignale über getrennte Leitungen an Analog/
Digitalwandler der Auswertestation 16 oder sie können an den
Datenbus 14 angeschlossen sein, falls entsprechende Analog/
Digitalwandler in die Sensoren integriert sind.
Die Drucksensoren am Anfangs- und Endpunkt des Schlauches
erfassen den hydrostatischen Differenzdruck
Δp = ρ · g · ΔH
Aus diesem gemessenen hydrostatischen Differenzdruck ergibt sich
der gesuchte Höhenunterschied wie folgt:
ΔH = Δp/ρ · g
Über diesen Zusammenhang kann zu jedem Zeitpunkt neben der
Messung der aktuellen Bohrtiefe in Bezug auf die Referenzhöhe
auch eine Kontrolle von Setzerscheinungen durchgeführt werden.
Auch dieses Meßverfahren bietet ein integrierendes Verhalten, so
daß auch Veränderungen der Bohrtiefe erfaßt werden können, die
sich bei einem abgeschalteten Tunnelvortrieb ereignet haben.
Die Messung des Differenzdruckes, der der Differenzhöhe
proportional ist, kann sehr genau über piezoresistive Druck/
Spannungswandler erfolgen. Diese schließen den Flüssigkeits
schlauch jeweils an seinen Enden ab, der z. B. aus einem Stück
von 100 m Länge bestehen kann, das am Beginn der Tunnelbohrung
noch auf eine Trommel aufgerollt sein kann. Der Querschnitt des
Schlauches muß ausreichend groß gewählt sein, damit keine
Kapillarwirkungen die Meßergebnisse verfälschen. Die Auflösung
der Meßanordnung läßt sich steigern, wenn eine Flüssigkeit mit
möglichst hohem spezifischen Gewicht ρ ausgewählt wird. Die
Flüssigkeit sollte ein Gefrierpunkt von unter -30°C haben.
Die durch die Druckwandler gemessenen Spannungen werden der
Auswertestation des vorhandenen inertialen Meßsystems zugeführt,
welche im allgemeinen durch einen PC-Arbeitsplatz vorgegeben ist
und wo nach entsprechender Analog/Digitalwandlung die
Datenerfassung und rechnertechnische Verarbeitung und Anzeige
erfolgen kann.
In der Auswertestation wird die Verbindung zwischen dem
inertialen Meßsystem und dem Druckmeßsystem hergestellt. Die
Aufbereitung der Daten erfolgt so, daß für den Bediener nur die
Abweichung von der Sollrichtung dargestellt wird. Die
Information, ob die Abweichung durch das Inertialsystem oder den
Drucksensor ermittelt wurde, ist für den Bediener ohne
Bedeutung.
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position, Lage und Ausrichtung einer
Tunnelvortriebsmaschine bzw. des Bohrkopfes, mit einer auf der
Tunnelvortriebsmaschine angeordneten Kreiselvorrichtung und einem zwischen der
Tunnelvortriebsmaschine und einem Referenzpunkt angeordneten
Schlauchwaagesystem, dessen verschlossener, flüssigkeitsgefüllter Schlauch mit einem
Ende der Referenzhöhe und mit dem anderen Ende zur Bestimmung weiterer Größen
der Meßhöhe der Tunnelvortriebsmaschine zugeordnet ist, wobei die
Kreiselvorrichtung und das Schlauchwaagesystem mit einer Abweichungen von den
Sollwerten erfassenden Auswertestation verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselvorrichtung aus einem an sich
bekannten inertialen Meßsystem (INU-12) besteht, welches zur Erfassung des Nick-,
Roll-, und Gierwinkels jeweils einen Kreisel und zur Erfassung der Beschleunigung
pro Bewegungsachse jeweils einen Beschleunigungsmesser aufweist, und daß zur
Erfassung von Setzbewegungen der Tunnelvortriebsmaschine während
Vortriebsstillständen das über Drucksensorenenden arbeitende Schlauchwaagensystem
vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kreisel des inertialen Meßsystems (INU-12) Ringlaserkreisel umfassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Schlauchwaagensystem aus einem an beiden Enden durch Drucksensoren (22, 24)
verschlossenen flüssigkeitsgefüllten Schlauch (20) besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine
Differenzdruckauswertung der Signale beider Drucksensoren (22, 24).
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