DE4413235A1 - Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine für Hartgesteinsbohrungen mit einem die Bohrwerkzeuge tragenden, rotierbar gelagerten Vollschnittbohr­ kopf.

Vor allem bei nicht begehbaren Tunnelquerschnitten konnten bisher Reparaturen an einer Tunnelbohrmaschine in der Regel nur dann durchgeführt werden, wenn die Tunnelbohrmaschine durch eine zusätzliche Grabung zugänglich gemacht wurde. Ein Heraustransport der Tunnelbohrmaschine aus einer Tunnelröhre ist insbesondere dann, wenn gebirgssichernde Maßnahmen wie Tübbinge oder ein Stahlringausbau erforderlich sind, nicht ohne weiteres möglich, da es nicht immer möglich ist, die Bohrmaschine durch derartige Querschnittsverengungen zurück­ zuziehen. Bei erhöhtem Gebirgsdruck können durch Konvergenzen Verengungen im Tunnelquerschnitt entstehen, welche gleichfalls ein Zurückziehen der Tunnelbohrmaschine erschweren.

Für weiches Gestein ist es bekannt, bei kleineren, insbesonde­ re nicht begehbaren Tunnelquerschnitten den Bohrkopf durch me­ chanische Vorrichtungen in Teilbereichen einzuklappen oder den Querschnitt zu verkleinern generell handelt es sich hiebei in der Regel um Teilschnittwerkzeuge, und es sind unterschied­ liche Verstellmechanismen, beispielsweise der US-PS 5 104 262, der DE-OS 31 40 203 und der DE-PS 32 19 362 zu entnehmen. Der EP-B1 169 393 ist ein allseits schwenkbarer Schrämkopf zu ent­ nehmen, welcher in einem Rahmen in Längsrichtung der Tunnel­ röhre verfahren werden kann, wobei diese Ausgestaltung wieder­ um eine Teilschnittmaschine betrifft. Alle bekannten Einrich­ tungen, bei welchen die Werkzeuge schwenkbar oder gemeinsam mit einem Schrämkopf in geeignete Position gebracht werden können, bieten insbesondere für das schneiden von harten Ge­ stein den Nachteil, daß die zusätzlichen mechanischen Vorrich­ tungen hohen Belastungen ausgesetzt werden und daher zusätz­ liche Reparaturanfälligkeit mit sich bringen. Im übrigen ist vor allem beim Schneiden von hartem Gestein der Einsatz von Vollschnittbohrköpfen wesentlich vorteilhafter, und für derar­ tige Vollschnittbohrköpfe bestand bisher nur die Möglichkeit, die Abbaueinheit derart zu bergen, daß sie von der Oberfläche des zu unterbohrenden Streckenabschnittes her freigegraben wird.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Einrichtung der ein­ gangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ohne mechanische zusätzliche Einrichtungen die gesamte Ortsbrust abgebaut werden kann und erforderlichenfalls ein Zurückziehen aus der Tunnelröhre ohne Freigraben erfolgen kann. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Bohrmaschine bzw. Vortriebsmaschine der eingangs genannten Art im wesentlichen darin, daß der Bohrkopf einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung und daß die geome­ trische Achse des Hüllkreises der Werkzeuge des Vollschnitt­ bohrkopf es relativ zur Rotationsachse bzw. zur Tunnellängs­ achse exzentrisch angeordnet oder verlagerbar ist. Dadurch, daß ein Vollschnittbohrkopf zum Einsatz gelangt, welcher in einer Weise relativ zur Rotationsachse bzw. zur Tunnellängs­ achse bewegt wird, daß ein relativ großer Querschnitt ohne zu­ sätzliche mechanisch ausfahrbare Schneidwerkzeuge abgebaut werden kann, wird nun gleichzeitig die Möglichkeit geschaffen, durch bloße Verlagerung der Rotationsachse eine Position ein­ zunehmen, in welcher der Bohrkopf durch die Tunnelröhre wie­ derum zurückgezogen werden kann, wofür es genügt, die Position des Bohrkopfes relativ zur Tunnellängsachse zu verlagern. Die geometrische Achse des Vollschnittbohrkopf es ist hiebei defi­ niert durch den Hüllkreis der Werkzeuge am Vollschnitt­ bohrkopf, und eine Rotation eines derartigen Bohrkopfes um eine Rotationsachse, welche von der geometrischen Achse verschieden ist, führt dazu, daß ein größerer Querschnitt ab­ gebaut werden kann, als dies dem Querschnitt des Vollschnitt­ bohrkopf es allein entsprechen wurde umgekehrt erlaubt eine derartige Ausgestaltung durch einfache Verlagerung des Voll­ schnittbohrkopfes eine Position einzunehmen, in welcher ein Herausziehen des Bohrkopfes und der gesamten Tunnelbohrmaschi­ ne auch bei bestehenden Ausbauten oder einer Verrohrung oder Konvergenzen ohne weiteres möglich ist.

Mit Vorteil ist die erfindungsgemäße Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine so weitergebildet, daß der Bohrkopf eine Trägerscheibe aufweist, auf welcher Hartgesteinswerkzeuge wie z. B. Disken angeordnet sind, deren radialer Abstand voneinan­ der unter Berücksichtigung der Exzentrizität des Hüllkreises der Disken zur Tunnellangsachse bzw. zur Rotationsachse so ge­ wählt ist, daß die Schneidlinienabstände auf zur Tunnellängs­ achse größerem Radius voneinander kleiner sind als auf kleine­ rem Radius. Disken bzw. Rollenmeißel eignen sich hiebei her­ vorragend als Hartgesteinswerkzeuge, wobei eine entsprechende Anordnung am Bohrkopf mit auf größerem Radius kleineren Schneidlinienabständen eine sichere Zerspanung bei gleich­ zeitiger Verringerung der Radialkraftkomponenten und der außermittigen Belastung des Bohrkopfes ergibt. Die Anordnung der Bohrwerkzeuge führt hiebei zu einem außermittigen Hüll­ kreis, der kleiner ist als der Rohdurchmesser der Tunnelröhre, wobei bei Verwendung einer Trägerplatte für Bohrwerkzeuge die­ se wie üblich zentrisch zum Bohrkopf angeordnet sein kann, so daß Verklemmungen von größeren, herausgelösten Gesteinsbrocken vermieden werden können. Die Anordnung der einzelnen Disken in einer Weise, daß ein Hüllkreis des gesamten Bohrwerkzeuges ex­ zentrisch zur Rohrachse entsteht, erlaubt hiebei den Abbau des gewünschten Freiraumes über den eigentlichen Durchmesser des Bohrwerkzeuges bzw. Bohrkopfes hinaus.

Um die Radialkraftkomponenten weiter zu minimieren und den Verschleiß herabzusetzen, ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß die Werkzeuge relativ zur Achse des Bohrkopfes asymmetrisch, insbesondere entlang einer Spirale angeordnet sind, wobei in besonders vorteilhafter Weise die Disken auf größerem Durchmesser flacher zur Ortsbrust geneigt angeordnet sind als auf kleinerem Durchmesser. Beide dieser Maßnahmen minimieren den verschleiß und verringern damit den erforder­ lichen Wartungsaufwand und sind insbesondere im Zusammenhang mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Exzentrizität der Schneidbewegung besonders vorteilhaft.

Um ein einfaches Zurückziehen und Herausverfahren der Tunnel­ bohrmaschine bzw. der Rohrvortriebsmaschine zu gewährleisten kann die Ausbildung mit Vorteil so getroffen sein, daß die Tunnelvortriebsmaschine über gleitende oder verfahrbare Ab­ stützungen in der Tunnelröhre abgestützt ist. Eine verfahrbare Abstützung kann hiebei über einen Eigenantrieb erfolgen und beispielsweise in Form von Raupenfahrwerken ausgebildet sein. Derartig verfahrbare Abstützungen sind gesondert von den eigentlichen Verspreizungen in der Tunnelröhre vorzusehen, mit welchen prinzipiell ein Schreiten unter jeweiliger Lösung einer der beiden Verspreizungen und vorschieben oder Nachzie­ hen der jeweils anderen Spreize möglich ist. Bei zurückgezoge­ ner Verspreizung und damit einer Lösung der Verankerung in der Tunnelröhre kann mit einer derartigen verfahrbaren Abstützung und insbesondere mit einem Raupenfahrwerk ein wesentlich rascherer Zurückzug der Tunnelbohrmaschine vorgenommen werden, als dies mit einem Schreiten möglich wäre. Im übrigen wird mit einer derartigen gleitenden oder verfahrbaren Abstützung die Innenwand der Tunnelröhre beim zurückziehen geschont.

Mit Vorteil ist die erfindungsgemäße Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine so weitergebildet, daß der Bohrkopf durch verdrehen der Tragerscheibe relativ zur Rotationsachse des Antriebes in eine Position verschwenkbar ist, in welcher die Außenkontur der Trägerscheibe und der Bohrwerkzeuge inner­ halb der Projektion des lichten Durchmessers der ausgebauten oder verrohrten Tunnelröhre auf die Ortsbrust liegt. Prinzi­ piell beschreiben die einzelnen Disken nach ihrer Ausrichtung relativ zur gewünschten Tunnelachse eine kreisförmige Bewegung über die Ortsbrust. Durch Verschwenken des Bohrkopfes nach Art eines Exzenters relativ zum Bohrkopfantrieb kann nun ein Einklappen bewirkt werden, wodurch ohne zusätzliche Maßnahmen unmittelbar ein Zurückfahren der Tunnelbohrmaschine ermöglicht wird Prinzipiell genügt es aber zumeist, den Bohrkopf in eine bestimmte, vorgegebene Drehstellung zu bringen und an­ schließend mittels einer Abstützung die Verschwenkung der Ach­ se relativ zur Tunnellängsachse vorzunehmen, um ein Zurück­ ziehen zu gewährleisten. Zu diesem Zweck ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß die Rotationsachse des Antriebes der Bohrwerkzeuge durch die vordere bzw. hintere Abstützung der Tunnelbohrmaschine in der Tunnelröhre relativ zur Tunnel­ längsachse verlagerbar ist, wobei in einfacher weise die Tun­ nelbohrmaschine auf Raupen oder schienen oder Rädern verfahr­ bar ausgebildet ist und mit einem Fahrantrieb ausgestattet sein kann.

Eine besonders günstige Krafteinleitung bei gleichzeitig ge­ ringem Verschleiß läßt sich dadurch gewährleisten, daß die Kaliberwerkzeuge an der Trägerplatte innerhalb eines Zentri­ winkels von kleiner oder gleich 90° angeordnet sind.

Insgesamt sind mit der erfindungsgemäßen Einrichtung keine ge­ sonderten Einrichtungen zur Querschnittsverkleinerung des Bohrwerkzeuges erforderlich. Die vordere und die hintere ver­ tikale Abstützungen sind in der Regel zwingende Bestandteile einer doppelt verspannten Hartgesteinsmaschine, wobei das Schreiten durch Betätigen der doppelten Verspannung erfolgt. Der Wegfall eines Verstellmechanismus des Bohrwerkzeuges ver­ ringert die Störanfälligkeit bei rauhen Betriebsbedingungen im harten Gesteinsvortrieb. Innerhalb des jeweils zu erreichenden Hüllkreises kann das Bohrwerkzeug durch die oben angeführten baulichen Maßnahmen durch unterschiedliche Anordnung der Dis­ ken optimiert werden, ohne daß dies eine Verschlechterung der Möglichkeiten, die Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsma­ schine zurückzufahren, mit sich bringen würde. Für ein exaktes Freistellen des Bohrwerkzeuges ist es lediglich erforderlich, vor der Rückstellung in die Parkposition die richtige Lage der Bohrwerkzeuge einzustellen Prinzipiell kann die Trägerplatte bzw. das Bohrwerkzeug auch eine von der Kreisform abweichende Umrißform aufweisen, so daß durch einfaches verschwenken eine Position eingenommen werden kann, in welcher das Zurückziehen ermöglicht wird.

Eine sichere Materialaufnahme und Verfahrbarkeit aus der Tun­ nelröhre ist dadurch gewährleistet, daß der Bohrkopf Schürf­ werkzeuge an der Trägerplatte aufweist, deren Schürfkanten in­ nerhalb des Hüllkreises der Bohrwerkzeuge starr bzw. inner­ halb des Hüllkreises zurückziehbar angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. In dieser zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Tunnel­ vortriebsmaschine in der Ausfahrposition, Fig. 2 eine vergrö­ ßerte Detailansicht des Vollschnittkopfes in Arbeitsposition, Fig. 3 eine Vorderansicht eines Vollschnittbohrkopfes in Ar­ beitsposition, Fig. 4 einen Bohrkopf nach Fig. 3 in angehobener Position für das Zurückziehen, Fig. 5 eine weitere Ausgestal­ tung eines Bohrkopf es mit geändert er Anordnung der Kaliber­ werkzeuge in der Arbeitsposition und Fig. 6 eine Transportposi­ tion für die Ausführung nach Fig. 5, wobei die in Fig. 5 einge­ zeichnete Schnittlinie II/II im wesentlichen mit der Dar­ stellung nach Fig. 2 übereinstimmt.

In Fig. 1 sind Disken 1 bis 18, von welchen der Einfachheit halber nur die Disken 8 und 18 eingezeichnet sind, mit einem Bohrkopf 19 verbunden ersichtlich. Der Bohrkopf 19 wird von einem Getriebemotor 20 um eine Rotationsachse 21 rotierbar angetrieben, wobei die Rotationsachse 21 für den Vortrieb in eine Position verschwenkt wird, welche der Tunnellängsachse 22 entspricht. In der in Fig. 1 dargestellten angehobenen Posi­ tion, bei welcher die Anhebung über ein hydraulisches Zylin­ derkolbenaggregat 23 eines verfahrbaren Stützschuhes 24 er­ folgt, kann unter Einhaltung eines Freiraumes 25 ein zurück­ ziehen des Werkzeuges aus der Arbeitsstellung bewirkt werden. Zu diesem Zweck müssen die seitlichen Abstützungen 26 und 27 eingefahren werden, welche gemeinsam mit hydraulischen Zylin­ derkolbenaggregaten 28 ein Schreitwerk ausbilden. Weiters ist eine hintere Abstützung 29 vorgesehen, welche gleichfalls gleitend oder aber mit einem eigenen Antrieb und einem Raupen­ fahrwerk verfahrbar ausgebildet sein kann. Am Hinterende der Tunnelvortriebsmaschine ist ein Förderer 30 ersichtlich, wel­ cher auf in der Tunnelröhre 31 nachfolgende Fördermittel 32 abwirft.

Bei der Darstellung nach Fig. 2 ist wiederum ein Kaliberwerk­ zeug 18 und eine zentrale Diske 1 am Bohrkopf 19 ersichtlich. Die Rotationsachse 21 fällt hier mit der Tunnellängsachse 22 zusammen und der Hartgesteinsbohrkopf befindet sich in seiner Arbeitsstellung. Bei Rotation um die Achse 21 wird mit den Kaliberwerkzeugen 18 aufgrund der exzentrischen Anordnung der Abbauwerkzeuge relativ zur Rotationsachse 21 ein großer freier Raum geschnitten, wobei das geschnittene Material über Leit­ bleche 33 auf den Förderer 30 übergeben wird und abgefördert werden kann.

Die konkrete Anordnung von Disken an einem Hartgesteins­ schneidkopf mit einer Trägerplatte 34 ist in den Fig. 3 bis 6 näher erläutert. In den Fig. 3 bis 6 sind die Disken ausgehend vom Zentrum bis zu den äußeren Kaliberwerkzeugen mit 1 bis 18 bezeichnet, wobei weiters ersichtlich ist, daß auf größerem Durchmesser liegende Disken zur Ortsbrust flacher geneigt angeordnet sind als auf kleinerem Durchmesser angeordnete Dis­ ken. Insbesondere die Kaliberwerkzeuge 11 bis 15 in Fig. 3 und 4 und 15 bis 18 in Fig. 5 und 6 sind hiebei auf einem relativ kleinen Zentriwinkel von kleiner als 90° angeordnet, so daß ge­ meinsam mit der Schrägstellung dieser Disken Radialkräfte ver­ ringert werden können. Dies gilt im besonderen Maß für die Darstellung nach den Fig. 5 und 6.

Bei der Darstellung nach Fig. 3 befindet sich der Bohrkopf mit den Disken 1 bis 18 in der Arbeitsposition, und die Rotations­ achse 21 fällt mit der Tunnellängsachse 22 zusammen. Aufgrund der asymmetrischen Anordnung der Disken wird eine relativ gro­ ßer Kreis bestrichen und der Hüllkreis der Disken bei statio­ närer Betrachtung des Schneidkopfes 19 weist einen wesentlich geringeren Radius als die Bahnen der Bohrwerkzeuge bei Rotati­ on des Schneidkopfes 19 um die Achse 21 auf. Bei einer Verla­ gerung der Rotationsachse 21 relativ zur Tunnellängsachse, wie dies in Fig. 4 ersichtlich ist, ergibt sich, daß bedingt durch den geringeren Hüllkreis der am Schneidkopf 19 angeordneten Disken 1 bis 16 nunmehr eine Position eingenommen werden kann, bei welcher der Schneidkopf unter Sicherstellung des Frei­ raumes 25 durch die Tunnelröhre wiederum zurück ausgebracht werden kann.

Analoge Überlegungen gelten für die Darstellung in den Fig. 5 und 6. Auch hier sind wiederum die Meißel 1 bis 18 relativ zum Hartgesteinsschneidkopf 19 auf wesentlich geringerem Durchmes­ ser angeordnet als dies dem Durchmesser der Tunnelröhre ent­ sprechen würde. Bei der Arbeitsposition gemäß Fig. 5 werden die Kaliberwerkzeuge 15, 16, 17 und 18 auf einem größerem Bahn­ durchmesser bewegt. Wenn, wie in Fig. 6 dargestellt, die Dreh­ achse 21 relativ zur Tunnellängsachse 22 angehoben wird, be­ findet sich der größte Hüllkreis 35 der Bohrwerkzeuge 1 bis 18 innerhalb des lichten Querschnittes des Tunnels und unter Freilassen des Freiraumes 25 kann wiederum ein gefahrloser Rückzug des Schneidkopf es ohne Kollision mit der Tunnelröhre erfolgen. Die Schneidlinienabstände sind hiebei, wie aus den Fig. 3 bis 6 ersichtlich, so gewählt, daß im äußerem Bereich durch eine wesentlich flachere Anstellung der Bohrwerkzeuge ein wesentlich geringerer schneidlinienabstand eingehalten wird, als im zentralen Bereich der Bohrung. Abweichend von be­ kannten Hartgesteinsschneidköpfen sind die Schneidrollen asym­ metrisch angeordnet, um bezüglich der Radialkräfte eine Opti­ mierung zu ergeben.

Wie in Fig. 5 und 6 näher dargestellte weist der Bohrkopf an der Trägerplatte Schürfwerkzeuge 36 auf, deren Schürfkanten 37 innerhalb des Hüllkreises 35 angeordnet sind. Diese Schürf­ werkzeuge können wahlweise starr mit der Trägerplatte verbun­ den sein, oder für das Verfahren aus der Tunnelröhre innerhalb des Hüllkreises einklappbar ausgebildet sein.

Claims (10)

1. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine für Härtge­ steinsbohrungen mit einem die Bohrwerkzeuge (1-18) tragenden, rotierbar gelagerten Vollschnittbohrkopf (19), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bohrkopf (19) einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung und daß die geometrische Achse des Hüllkreises der Werkzeuge (1-18) des Vollschnittbohrkopfes (19) relativ zur Rotationsachse (21) bzw. zur Tunnellängsachse (22) exzentrisch angeordnet oder verlagerbar ist.

2. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (19) eine Trägerscheibe (34) aufweist, auf welcher Hartgesteinswerkzeuge (1-18) wie z,B. Disken angeordnet sind, deren radialer Abstand voneinander unter Berücksichtigung der Exzentrizität des Hüll­ kreises der Disken (1-16) des Bohrkopf es (19) zur Tunnel­ längsachse (22) bzw. zur Rotationsachse (21) so gewählt ist, daß die Schneidlinienabstände auf zur Tunnellängsachse (22) größerem Radius voneinander kleiner sind als auf kleinerem Radius.

3. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge (1-18) re­ lativ zur Achse des Bohrkopf es asymmetrisch, insbesondere ent­ lang einer Spirale angeordnet sind.

4. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Disken (11-18) auf größerem Durchmesser flacher zur Ortsbrust geneigt ange­ ordnet sind als auf kleinerem Durchmesser.

5. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunnel­ vortriebsmaschine über gleitende oder verfahrbare Abstützungen (24, 29) in der Tunnelröhre abgestützt ist.

6. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohr­ kopf (19) durch Verdrehen der Trägerscheibe (34) relativ zur Rotationsachse (21) des Antriebes in eine Position verschwenk­ bar ist, in welcher die Außenkontur der Trägerplatte (34) und der Bohrwerkzeuge (1-18) innerhalb der Projektion des lichten Durchmessers der ausgebauten oder verrohrten Tunnelröhre auf die Ortsbrust liegt.

7. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotati­ onsachse (21) des Antriebes der Bohrwerkzeuge (1-18) durch die vordere bzw. hintere Abstützung (24, 29) der Tunnelbohrma­ schine in der Tunnelröhre relativ zur Tunnellängsachse (22) verlagerbar ist.

8. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunnel­ bohrmaschine auf Raupen (24, 29) oder Rädern oder Schienen verfahrbar ausgebildet ist und mit einem Fahrantrieb aus­ gestattet ist.

9. Tunnelbohrmaschine bzw. Bohrvortriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kali­ berwerkzeuge (15-18) an der Trägerscheibe (34) innerhalb eines Zentriwinkels von kleiner oder gleich 90° angeordnet sind.

10. Tunnelbohrmaschine bzw. Rohrvortriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohr­ kopf (19) Schürfwerkzeuge an der Trägerplatte (34) aufweist, deren Schürfkanten innerhalb des Hüllkreises der Bohrwerkzeuge (1-18) starr bzw. innerhalb des Hüllkreises zurückziehbar an­ geordnet sind