DE4480108C2 - Projektionsgerät für die Positionsbestimmung sowie eine dazugehörige Haltevorrichtung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf ein System für die Bestimmung der Position und der Lage einer Tunnelvortriebsmaschine und insbesondere auf ein Projektionsgerät für die Positionsbestimmung sowie eine dazugehörige Haltevorrichtung, die zwischen einem Kontrollpunkt und einer Tunnelvortriebsmaschine in einem Tunnel angeordnet ist, um einen Meßstrahl auszusenden.

Technischer Hintergrund

Der Bau eines Tunnels (Auffahrung) erfolgt entlang einer geplanten Auffahrlinie, die bei Verwendung einer Tunnelvortriebsmaschine vorgegeben ist. Damit jedoch der Tunnel wie geplant vorgetrieben werden kann, ist eine Bestimmung der Position und Lage der Tunnelvortriebsmaschine erforderlich, um eine gleichbleibende Richtung zu kontrollieren oder gegebenenfalls zu korrigieren und Probleme zu vermeiden, wenn zu einem späteren Zeitpunkt beim Baugeschehen Teile zusammengebaut werden müssen. Des weiteren haben zunehmende Probleme beim Bau wie beispielsweise Komplikationen mit der Absteckung beim Tunnelvortrieb, das Bauen in einem Gelände, in dem sich viele unterirdische Bauwerke oder bereits Tunnel befinden und äußerste Genauigkeit bei der Absteckung von Abwasserleitungen oder ähnlichem erforderlich ist, dazu geführt, daß die Bestimmung von Position und Lage der Tunnelvortriebsmaschine immer wichtiger und notwendiger wird.

Um die Position und Lage der Tunnelvortriebsmaschine bestimmen zu können, müssen insgesamt sechs Elemente ermittelt werden, wobei drei Werte die Position und drei Werte die Lage angeben. So läßt sich die Lage der Tunnelvortriebsmaschine anhand von drei Komponenten bestimmen, die beispielsweise durch Positionierung geeigneter dreidimensionaler Koordinatensysteme im Inneren des Tunnels ermittelt werden, bei denen vielfach die Position der Tunnelvortriebsmaschine dadurch angezeigt wird, daß die geplante Auffahrlinie als eine der Koordinatenachsen definiert und die Abweichung zwischen der vorgetriebenen Distanz und der geplanten Auffahrlinie (zwei Elemente der horizontalen Richtung und der vertikalen Richtung) genommen wird. Ferner kann die Lage der Tunnelvortriebsmaschine beispielsweise durch folgende drei Elemente angezeigt werden: die Ausrichtung der Mittelachse der Tunnelvortriebsmaschine (entspricht der Vortriebsrichtung) in horizontaler Richtung (Gierwinkel), die Neigung bei der Hin- und Herbewegung der Tunnelvortriebsmaschine (Kippen) und die Drehung um die Mittelachse der Tunnelvortriebsmaschine (Querneigung-Rollen). Aufgrund der in jüngster Zeit zu verzeichnenden zunehmenden Arbeitsgeschwindigkeit von Tunnelvortriebsmaschinen kann jedoch die Geschwindigkeit, mit der Menschen deren Position und Lage bestimmen können, mit der erforderlichen Baugeschwindigkeit nicht mehr Schritt halten, so daß verschiedene Vorschläge zu einem Verfahren und einer Apparatur für die Bestimmung der Position und Lage von Tunnelvortriebsmaschinen unterbreitet wurden.

So wird beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung Nr. 4-310818 ein Verfahren für die Bestimmung der Position und Lage einer Tunnelvortriebsmaschine beschrieben, bei dem ein Zielprisma vom oberen Teil des gemessenen Segments im Tunnel in starrer Form nach unten hängt und ein elektrooptischer Entfernungsmesser, ein Richtungskreiselkompaß sowie ein Neigungsmesser im oberen Teil der Tunnelvortriebsmaschine vorgesehen sind. Wenn bei der vorstehenden Methode die Position der Tunnelvortriebsmaschine durch Ermittlung der Auffahrrichtung (Vorwärtsbewegung und Gierwinkel) der Tunnelvortriebsmaschine mittels eines Kreiselkompaßes bestimmt wird, ist die tatsächliche Entfernung, die die Tunnelbaumaschine auffährt, in der durch den Kreiselkompaß ermittelten Bewegungsrichtung zu messen. Die Tunnelvortriebsmaschine kommt beim Auffahren jedoch teilweise auch ins Rutschen. Wie in der vorgenannten Anmeldung beschrieben, kann daher bei einer Methode, bei der ein elektrooptischer Entfernungsmesser, dessen Zielprisma in starrer Form vom oberen Punkt des gemessenen Segments im Tunnel herabhängt, verwendet wird und der elektrooptische Entfernungsmesser seine Messung durchführt, indem er die Reflexion vom Prisma im oberen Teil der Tunnelvortriebsmaschine empfängt, zwar die Entfernung zwischen der Tunnelvortriebsmaschine und dem Zielprisma gemessen, allerdings nicht zwischen Vortriebsrichtung und Bewegung auf einer Ebene senkrecht zur Vortriebsrichtung unterschieden werden. Wenn daher die Tunnelvortriebsmaschine ins Rutschen kommt, enthält die Rutschposition einen Fehler, der durch die Bewegung in einer Ebene senkrecht zur Vortriebsrichtung erzeugt wird.

Die japanische Patentanmeldung Nr. 60-212593 beschreibt eine Erfindung, bei der am hinteren Teil der Tunnelvortriebsmaschine ein Laserprojektor angebracht ist und ein Strahlempfangsgerät, ein Querneigungsmeßgerät und ein Makrometer, das die Entfernung zwischen dem Laserprojektor und dem Empfangsgerät bestimmt, vorgesehen sind, wodurch die Position und Lage der Tunnelvortriebsmaschine ermittelt werden und gleichzeitig einem Laserstrahl vom Laserprojektor entlang der geplanten Auffahrlinie gefolgt wird. Mit der vorstehenden Erfindung soll ein Mangel dahingehend behoben werden, daß eine der Kurvenlinie im gekrümmten Abschnitt des Tunnels entsprechende Messung aufgrund der Linearität des Laserstrahls schwierig ist, wenn die Position der Tunnelvortriebsmaschine mit Hilfe eines Laserstrahls bestimmt wird. Mit andern Worten, das Laserstrahlempfangsgerät, das Querneigungsmeßgerät und das Makrometer, das die Entfernung zwischen dem Laserprojektor und dem Laserstrahlempfangsgerät bestimmt, sind an der Tunnelvortriebsmaschine in einem Verhältnis zum Laserstrahl angebracht, der von dem am hinteren Teil der Tunnelvortriebsmaschine angebrachten Laserprojektor ausgestrahlt wird. Somit können die drei die Position der Tunnelvortriebsmaschine bestimmenden Elemente und die drei die Lage bestimmenden Elemente durch Nutzung der Ausgangssignale von jedem Meßgerät ermittelt werden, und man kann dem Laserstrahl des Laserprojektors entlang der geplanten Auffahrlinie folgen und ist damit in der Lage, der etwas gekrümmten Linie zu entsprechen. Die Anwendung dieser Erfindung setzt allerdings voraus, daß das Laserstrahlempfangsgerät dem Laserprojektor gegenüberliegt, so daß der Anwendungsbereich außerordentlich begrenzt ist.

Die japanische Patentanmeldung Nr. 3-211409 betrifft eine Meßmethode, bei der ein drehbarer Laserprojektor zwischen den an der Tunnelvortriebsmaschine und dem im Bau befindlichen Segment angebrachten Lichtempfangsgeräten vorgesehen ist, der Drehwinkel des drehbaren Laserprojektor anhand von Signalen gemessen wird, die von beiden Lichtempfangsgeräten ausgestrahlt werden, und weiterhin ein Makrometer vorgesehen ist, das den Abstand zwischen dem Laserprojektor und beiden Lichtempfangsgeräten mißt. Folglich wird auf der Grundlage der gemessenen Entfernung und des Winkels die Position der Tunnelvortriebsmaschine anhand der Position des Lichtempfangsgerätes bestimmt, das in dem im Bau befindlichen Segment angebracht ist. Die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 3-79646 beschreibt einen beweglichen Meßpunkt zwischen einem Festpunkt im Tunnel und der Tunnelvortriebsmaschine als Endpunkt. Insbesondere handelt es sich bei dem Festpunkt um eines Orientierungsmeßvorrichtung, die aus einem Laseroszillator, einem Visierziel, einem Zielprisma des elektrooptischen Makrometers und einer Drehvorrichtung besteht. Und in der Tunnelvortriebsmaschine als dem Endpunkt ist die Meßvorrichtung für die Tunnelvortriebsmaschine vorgesehen, die aus einem Aufhängesystem, das automatisch Drehbewegungen ausgleicht, einem Laserpositionsdetektor, einem Zielprisma des elektrooptischen Makrometers sowie einem Neigungsmeßgerät besteht. Für jeden beweglichen Meßpunkt ist ein Meßgerät für diesen Punkt, das aus dem Laseroszillator, der Drehvorrichtung, die die Drehung des Laseroszillators auf der horizontalen Ebene ermöglicht, einem automatischen Höhenregler zur Einstellung der Höhe der Drehvorrichtung, dem elektrooptischen Makrometer und dem Laserpositionsdetektor besteht, vorgesehen. Bei Anwendung der genannten Vorrichtung werden ein Winkel und eine Distanz gemessen, um die Position des Endpunktes im Verhältnis zum Festpunkt zu bestimmen.

Insbesondere wird bei der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 3- 79646 der gebildete Winkel, wenn der Kontrollpunkt vom Festpunkt aus nach rückwärts zeigt und die Meßvorrichtung im beweglichen Punkt vom Festpunkt aus betrachtet wird, aus der Differenz zwischen dem Drehwinkel, der entsteht, wenn der Kontrollpunkt rückwärts vom Festpunkt aus gesehen wird, und dem Drehwinkel, der entsteht, wenn die Meßvorrichtung im beweglichen Punkt vom Festpunkt aus betrachtet wird, mit Hilfe eines Laseroszillators ermittelt, der in der Drehvorrichtung des Orientierungsmeßgerätes angebracht ist. Die Entfernungen zwischen dem beweglichen Punkt und dem Festpunkt, dem Endpunkt und dem anderen beweglichen Punkt werden mit Hilfe eines elektrooptischen Makrometers, das in der Meßvorrichtung für den beweglichen Punkt vorgesehen ist, und den Zielprismen, die in der Orientierungsmeßvorrichtung und der Meßvorrichtung für die Tunnelvortriebsmaschine vorgesehen sind, bestimmt. Verändert sich der bewegliche Punkt in Verbindung mit den verschiedenen Positionen durch das Auffahren der Tunnelvortriebsmaschine, ist es durch die wiederholte Messung mit den vorgenannten Vorrichtungen möglich, die Position der Tunnelvortriebsmaschine in einem fortlaufenden Prozeß zu ermitteln, so daß die Position der Tunnelvortriebsmaschine für den Kontrollpunkt jederzeit unter Anwendung des gleichen Prinzips wie beim Polygonieren bestimmt werden kann. Bei einem Verfahren für das Bauen in einer gekrümmten Linie wird wie beim Polygonieren zwischen dem Kontrollpunkt und dem in der Tunnelvortriebsmaschine definierten Festpunkt ein mittlerer Meßpunkt vorgesehen. Beim gegenwärtigen Stand der Technik erfolgt die Bestimmung der Position der Tunnelvortriebsmaschine am Kontrollpunkt, wobei ein Winkel, der aus einer Linie zwischen dem Kontrollpunkt und dem mittleren Meßpunkt und einer Linie zwischen dem mittleren Meßpunkt und dem Festpunkt der Tunnelvortriebsmaschine gebildet wird, mit jeder Länge gemessen wird. Entsprechend dem vorgenannten Ansatz in der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-211409 und der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 3-79646 werden durch Anordnung des Makrometers am mittleren Meßpunkt (der bewegliche Punkt bzw. der durch den drehbaren Laseroszillator gebildete Meßpunkt) die Entfernungen zwischen dem Kontrollpunkt und dem mittleren Meßpunkt sowie zwischen dem mittleren Meßpunkt und dem in der Tunnelvortriebsmaschine definierten Meßpunkt gemessen. Bei der vorgenannten Anordnung, wie sie in Fig. 21A gezeigt wird, ist beim Bauen der Tunnelwand 10 in einer Krümmung der Meßpunkt der Tunnelvortriebsmaschine vom mittleren Meßpunkt 12 aus nicht zu sehen, so daß der Laserstrahl an der Wand 10 des Tunnels nicht weitergehen kann und es nicht möglich ist, die Position der Tunnelvortriebsmaschine zu bestimmen. Andererseits wird beim normalen Polygonieren, wenn der Standort der Tunnelvortriebsmaschine vom mittleren Meßpunkt aus nicht sichtbar ist, ein neuer Festpunkt in dem im Bau befindlichen Segment an einem Standort geschaffen, von dem aus die Tunnelvortriebsmaschine zu sehen ist und der näher an der Tunnelvortriebsmaschine liegt als der mittlere Meßpunkt, und indem der bisherige mittlere Meßpunkt als der neue Kontrollpunkt definiert wird, wird die Position der Tunnelvortriebsmaschine gemessen. In ähnlicher Weise werden bei der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-211409 das am Kontrollpunkt vorgesehene Lichtempfangsgerät, der drehbare Laserprojektor und das Makrometer zu den anderen vorgesehenen Positionen bewegt, und in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 3-79646 werden das Orientierungsmeßgerät und das Meßgerät für den beweglichen Punkt zu den anderen vorgesehenen Positionen bewegt, das heißt, daß durch eine sogenannte "Umsetzung" eine Möglichkeit für das Messen im gekrümmten Teil des Tunnels geschaffen wird. Allerdings ist es bei den in beiden Patentblättern beschriebenen Verfahren erforderlich, während einer Umsetzung zwei Meßvorrichtungen zu den anderen vorgesehenen Positionen zu bewegen. Außerdem ist diese Umsetzung auch erforderlich, wenn der Tunnel in einem geradlinigen Abschnitt gebaut wird. In Abhängigkeit vom inneren Zustand des Tunnels (beispielsweise Feuchtigkeit, Staub in der Luft, Temperatur usw.) hat der Laserstrahl im allgemeinen eine Reichweite von ungefähr 200 m. Wie in Fig. 21B gezeigt, kann daher ein Laserstrahl 18, der von einem Laserprojektor 16 ausgestrahlt wird, das in der Schildvortriebsmaschine angebrachte Lichtempfangsgerät 20 nicht erreichen, wenn die Schildvortriebsmaschine 14 über die meßbare Entfernung L hinaus vorgetrieben wird, so daß die Position der Schildvortriebsmaschine 14, um ermittelt werden zu können, durch Umsetzen verändert werden muß. Des weiteren verändern sich Lage und Position der Schildvortriebsmaschine 14 durch deren Vorwärtsbewegung, so daß der Laserstrahl 18, der zu dem in dieser Entfernung befindlichen Lichtempfangsgerät 20 der Schildvortriebsmaschine 14 gesendet wird, wie in Fig. 21C gezeigt vom Lichtempfangsgerät 20 abweicht, das heißt, es ist durchaus möglich, daß das Ziel verfehlt wird. In diesem Fall macht es sich erforderlich, das Umsetzen mit einem neuen Meßpunkt zwischen dem Festpunkt und dem sich aus der Zielverfehlung ergebenden Meßpunkt durchzuführen. Bei dem in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 3-79646 beschriebenen Umsetzen entsteht bei der Messung des zwischen dem Kontrollpunkt, dem Festpunkt und dem beweglichen Punkt gebildeten Winkel ein Fehler, wenn die Laserdrehachse des Orientierungsmeßgerätes die Horizontale nicht im rechten Winkel schneidet. Daher wird während des Einfluchtens ein Orientierungsmeßgerät benötigt, um die horizontale Lage des Meßgerätes zu gewährleisten, so daß das Umsetzen verkompliziert wird und einen großen Zeitaufwand erfordert. Die vorstehende Feststellung trifft auch auf die japanische Patentanmeldung Nr. 3-211409 zu, bei der ein drehbarer Laserprojektor verwendet wird.

Des weiteren kann der in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 379646 beschriebene Laseroszillator zwar leichter die Drehung in der horizontalen Ebene und den Elevationswinkel bestimmen und kontrollieren, doch entsteht bei der gemessenen Entfernung ein Fehler, wenn zwischen den Meßgeräten ein Höhenunterschied besteht. Um keinen Meßfehler bei der Entfernung zuzulassen, muß die Höhe des Orientierungsmeßgerätes, des Meßgerätes für den beweglichen Punkt und des Meßgerätes der Tunnelvortriebsmaschine eingefluchtet werden. Der vorgenannte Punkt trifft auch auf das Einfluchten der optischen Achse des elektrooptischen Makrometers in der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-211409 zu. Daher stellt die Umsetzung beim bisherigen Stand der Technik einen Arbeitsgang dar, der nicht nur eine Veränderung der Position des Meßgerätes, sondern auch große Anstrengungen erfordert, wodurch sowohl die Geschwindigkeit als auch die Effektivität des Tunnelbaus behindert werden.

Schließlich ist aus der JP 3-257 312 (A) Pat. abstract of JP; P-1311 Febr. 13, 1992 Vol. 16/No. 58 ein Projektionsgerät für die Positionsbestimmung bekannt, das zwischen einem Kontrollpunkt und einer Tunnelvortriebsmaschine im Tunnel angebracht ist. Dieses besteht aus einem Gehäuse mit Steuereinheit, Lichtempfangsteil und Licht aussendenden Teil, welches lageeinstell- und fixierbar ausgebildet ist.

Offenbarung der Erfindung

Mit vorliegender Erfindung sollen die genannten Nachteile beim bisherigen Stand der Technik behoben werden, so daß der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Projektionsgerät für die Positionsbestimmung sowie eine dazugehörige Haltevorrichtung betrifft, die in der Lage ist, Umsetzungsarbeiten auf einfache Weise durchzuführen und die Effektivität des Tunnelbaus zu erhöhen.

Das erfindungsgemäße Projektionsgerät für die Positionsbestimmung besteht aus:
einem Lichtempfangsteil, das das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht aufnimmt; einem Licht aussendenden Teil, bei dem ein Laseroszillator Licht in die entsprechende Gegenrichtung zu der Richtung ausstrahlt, mit der das Licht auf besagten Lichtempfangsteil auftrifft, und das mit dem Elevationswinkel und dem Horizontalwinkel des in die entsprechende Gegenrichtung ausgestrahlten Lichts eingefluchtet ist; einem Steuersystem für die Bestimmung der Einfallsrichtung des Lichts, das auf besagten Lichtempfangsteil gerichtet wird, auf der Grundlage eines Lichtempfangssignals, das von besagtem Lichtempfangsteil ausgegeben wird, und kontrolliert, daß die Emissionsrichtung des Lichts von besagtem Licht aussendenden Teil auf einen festgelegten Zielpunkt geht, indem der Elevationswinkel und der Horizontalwinkel eingefluchtet werden; und ein darin vorgesehenes Gehäuse mit besagter Steuereinheit, besagtem Lichtempfangsteil und besagtem Licht aussendenden Teil, wobei es sich bei dem Licht, das von der Lichtquelle und dem besagten Licht aussendenden Teil emittiert wird, um einen linearen Strahl handelt; wobei besagtes Gehäuse ein Teil für die Bestimmung der Querneigung beinhaltet, mit dem die Drehung um eine Achse parallel zur Tunnelachse ermittelt wird und wobei besagtes Lichtempfangsteil einen Positionsbestimmungssensor für die zweidimensionale Bestimmung eines Projektionspunktes, wenn das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht empfangen wird, und für die Bestimmung der Einfallsrichtung des Lichtes besitzt, so daß besagtes Steuersystem den Elevationswinkel und den Horizontalwinkel des besagten Licht aussendenden Teils aufgrund der festgestellten Drehung, des erfaßten Projektionspunktes und der gemessenen Einfaltsrichtung anpaßt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Projektionsgerätes für die Positionsbestimmung (nachfolgend als "Projektionsgerät" bezeichnet) gemäß einem bevorzugten Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine erläuternde Detailansicht eines Lichtempfangsteils von Fig. 1

Fig. 3 zeigt ein systematisches Blockdiagramm, in dem mehrere Projektionsgeräte gemäß der bevorzugten Anwendungsform mit dem Hauptsteuergerät parallel geschaltet sind;

Fig. 4 zeigt ein systematisches Blockdiagramm, in dem mehrere Projektionsgeräte gemäß der bevorzugten Anwendungform mit dem Hauptsteuergerät in Reihe geschaltet sind;

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer angebauten Aufspannvorrichtung gemäß der bevorzugten Anwendungsform;

Fig. 6 zeigt die erläuternde Ansicht einer Schraube, die gemäß der bevorzugten Anwendungsform in ein Loch für die Hinterfüllung in ein Segment eingeschraubt ist;

Fig. 7A bis 7G zeigen eine Folge von Arbeitsgängen der Befestigungsvorrichtung des Projektionsgerätes gemäß der bevorzugten Anwendungsform, in denen die Fig. 7A bis 7C den Anbau und die Fig. 7D bis 7G den Abbau erläutern;

Fig. 8 ist eine erläuternde Darstellung der Arbeitsgänge für den An- und Abbau des Projektionsgerätes gemäß der bevorzugten Anwendungsform;

Fig. 9 ist eine erläuternde Darstellung für ein Ausführungsbeispiel, in dem das Projektionsgerät gemäß der bevorzugten Anwendungsform als Relaisumschalter eingesetzt wird;

Fig. 10 ist ein Fließschema, das die Arbeitsweise des Steuergeräts des Projektionsgerätes gemäß der bevorzugten Anwendungsform erklärt;

Fig. 11 ist ein Fließschema, das die Arbeitsweise des Hauptsteuergeräts gemäß der bevorzugten Anwendungsform erklärt;

Fig. 12A zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die anderen Meßpunkte für die bevorzugte Anwendungsform verwendet werden; bei dieser erläuternden Darstellung wird die Seite der Tunnelvortriebsmaschine als erster Meßpunkt und die Seite eines Kontrollpunktes als Endpunkt definiert;

Fig. 12B ist ein Beispiel für andere Relaisumschalter gemäß der bevorzugten Anwendungsform; bei dieser erläuternden Darstellung dient eine Vielzahl von Projektionsgeräten als Relaisumschalter;

Fig. 13 ist eine erläuternde Darstellung mit einem Beispiel für die Anpassung der Lage des Projektionsgerätes gemäß der bevorzugten Anwendungsform;

Fig. 14 ist eine erläuternde Darstellung der abgeschlossenen Umsetzung unter Verwendung des Projektionsgerätes gemäß der bevorzugten Anwendungsform;

Fig. 15 ist eine erläuternde Darstellung eines Zustandes, bei dem die Lage des Projektionsgerätes gemäß der bevorzugten Anwendungsform so eingestellt wird, daß ein Strahl auf den Lichtempfänger des Endpunktes gerichtet ist;

Fig. 16 ist eine erläuternde Darstellung mit einem Beispiel für die Veränderung der Projektionsrichtung des Strahls vom Projektionsgerät gemäß der bevorzugten Anwendungsform;

Fig. 17A und 17B zeigen Beispiele für das Messen der Entfernung unter Verwendung eines elektrooptischen Entfernungsmessers gemäß der bevorzugten Anwendungsform, bei denen Fig. 17A den Fall veranschaulicht, daß der elektrooptische Entfernungsmesser im Projektionsgerät vorgesehen ist, und Fig. 17B zeigt den Fall, daß der elektrooptische Entfernungsmesser in einer Schildvortriebsmaschine angebracht wird;

Fig. 18 zeigt den Fall, daß sich das Projektionsgerät gemäß der bevorzugten Anwendungsform im gekrümmten Teil des Tunnels befindet;

Fig. 19 veranschaulicht den Fall, daß das Projektionsgerät gemäß der bevorzugten Anwendungsform in einem Tunnel mit einer komplizierten Konfiguration eingesetzt wird;

Fig. 20 erläutert, wie das Projektionsgerät gemäß der bevorzugten Anwendungsform bei einer Tunnelvortriebsmaschine eingesetzt wird, um dieser eine Reaktion auf die vorgetriebene Wand zu ermöglichen;

Fig. 21A bis 21C zeigen die Erfordernisse für das Umsetzen gemäß dem Stand der Technik, wobei Fig. 21A eine Situation zeigt, in der die Position der Tunnelvortriebsmaschine nicht gemessen werden kann, Fig. 21B veranschaulicht, wie der Tunnel über die Reichweite des Laserstrahls hinaus vorgetrieben ist, und Fig. 21C stellt dar, wie der Laserstrahl den Lichtempfänger verfehlt.

Die beste Ausführungsform der Erfindung

Die bevorzugten Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Projektionsgeräts für die Positionsbestimmung werden nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.

In Fig. 1 wird ein Projektionsgerät (ein Projektionsgerät für die Positionsbestimmung) 30 mit einem Lichtempfänger 36 ausgestattet, das auf einer Bodenplatte eines Rahmens 32 befestigt ist. Der Lichtempfänger 36 umfaßt einen Lichtempfangsteil 38, auf den ein aus einem linearen Strahl bestehender einfallender Laserstrahl 18 auftrifft und der eine erste Lichtempfangsfläche 38a und eine zweite Lichtempfangsfläche 38b gemäß Fig. 2 besitzt. Ein Kondensor 39 ist vor der ersten Lichtempfangsfläche 38a angeordnet. Die beiden Lichtempfangsflächen 38a und 38b bestehen aus einem Positionsbestimmungssensor für die zweidimensionale Erfassung eines Projektionspunktes. Die erste Lichtempfangsfläche 38a ist transparent oder durchscheinend, damit der Laserstrahl 18 hindurchgehen kann. Auf der Linse 39 wird eine optische Achse 41 von den Lichtempfangsflächen 38a und 38b so im rechten Winkel geschnitten, daß dieser dem Mittelpunkt (Nullpunkt) der zweiten Lichtempfangsfläche 38b entspricht und der Mittelpunkt der zweiten Lichtempfangsfläche 38b den Brennpunkt bildet. Somit trifft der parallel zur optischen Achse 41 einfallende Laserstrahl 18 (durchgehende Linie) im Mittelpunkt der zweiten Lichtempfangsfläche. 38b auf. Zum Lichtempfänger 36 gehört weiterhin ein Querneigungsmeßgerät 40 zwecks Bestimmung des Grades der Querneigung (Querneigungsgrad) um die parallel zur Tunnelachse verlaufende Achse (projektierte Linie), d. h. die ungefähre Ausbreitungsrichtung des einfallenden Laserstrahls 18.

Auf der Rückseite des Lichtempfängers 36 ist ein Lichtemitter 42 vorgesehen. Der Lichtemitter 40 besteht aus einem Laseroszillator, der ungefähr in umgekehrter Richtung zur Einfallrichtung des Laserstrahls 18 einen linearen Strahl aussendet. Der Lichtemitter 42 ist an einem Steuergerät für die Ausgangsrichtung 43 befestigt, zu der ein Motor wie beispielsweise ein Schrittmotor und ein Direktantriebsmotor (nicht gezeigt) gehören. Das Steuergerät für die Ausgangsrichtung 43 verändert die Orientierung des Lichtemitters 42, wie dies in der gestrichelten Linie in der Zeichnung dargestellt ist, um die Projektionsrichtung des Strahls 44 einzufluchten, um diesen Strahl eindeutig auf ein Ziel zu richten (Zielpunkt). Das heißt, das Steuergerät für die Ausgangsrichtung 43 ist beispielsweise um zwei Achsen drehbar und wird von einem Hilfssteuergerät 50 einer Regelvorrichtung gesteuert, wobei der Lichtemitter 42 in vertikaler Richtung - wie durch den Pfeil 46 angedeutet - und weiterhin in horizontaler Richtung (parallel zur Sohle) - wie durch Pfeil 48 angezeigt - gedreht wird, so daß der Elevationswinkel und der Horizontalwinkel von Strahl 44 eingefluchtet werden. Der Elevationswinkel und der Horizontalwinkel des Lichtemitters 42 werden mit Hilfe eines Winkeldetektors 45 bestimmt und dem Hilfssteuergerät 50 eingegeben. Neben dem Lichtemitter 42 befindet sich ein elektrooptisches Makrometer 52 als Lichtentfernungsmeßpunkt. Aufgabe des elektrooptischen Makrometers 52 ist es, die Entfernung zum Zielpunkt zu messen, indem ein Meßstrahl in ungefähr der gleichen Richtung wie der lineare Strahl 44 ausgestrahlt und das durch den Zielpunkt reflektierte Licht wieder empfangen wird. Das elektrooptische Makrometer 52 sowie der Lichtemitter 42 können mit Hilfe des Elevations- und des Horizontalwinkels eingefluchtet werden, so daß sie dem Reflextionsteil der anderen Projektionsgeräte, der Tunnelvortriebsmaschine oder ähnlichem genau gegenüberliegen. Neben dem Lichtempfänger 36 ist ein Reflexionsprisma 54 als Reflexionsteil für die Messung der Entfernung vorgesehen. Das Reflexionsprisma 54 wirft den Strahl zur Messung der Distanz, der vom elektrooptischen Makrometer der anderen Projektionsgeräte oder ähnlichem ausgestrahlt wird, zurück und trifft aus der gleichen Richtung wie der Laserstrahl 18 zur Projektionsrichtung auf. Die Standorte des elektrooptischen Makrometers 52 und des Reflexionsprismas 54 sind im übrigen gekoppelt.

Im Steuergerät 50 ist ein Schirm 55 vorgesehen, um die Position und Lage des Projektionsgerätes 30, die Projektionsrichtung des Strahls 44 und so weiter anzuzeigen. Des weiteren verfügt das Projektionsgerät 30 über eine Stromquelle 56, über die das Steuergerät 50 sowie alle Meßgeräte mit elektrischem Strom versorgt werden, sowie eine Fernmeldetafel 58. Die Fernmeldetafel 58 ist über eine Fernmeldeleitung 62 mit einem Hauptsteuergerät 60 verbunden, das, wie in Fig. 3 gezeigt, überirdisch oder auf ähnliche Weise angebracht ist und dazu dient, von dem Hilfssteuergerät 50 ermittelte Daten an das Hauptsteuergerät 60 zu übermitteln und das außerdem Daten oder Befehle vom Hauptsteuergerät 60 an das Steuergerät 50 weitergeben kann.

Das Hauptsteuergerät 60 ist mit einem Hilfssteuergerät 64 des ersten Meßpunktes, der sich an einem Kontrollpunkt (erster Meßpunkt) eines Richtschachtes (nicht gezeigt) oder ähnlichem befindet, einem Hilfssteuergerät 66 für den Endpunkt, der sich an einer Schildvortriebsmaschine 14 als Endpunkt befindet, und den Fernmeldetafeln 58a, 58b, 58c, . . . des in Fig. 1 gezeigten Projektionsgerätes 30, die dem ersten Meßpunkt und dem Endpunkt zugeordnet sind, an dem das Hauptsteuergerät 60 Informationen von den Hilfssteuergeräten und den Fernmeldetafeln empfängt/an diese weiterleitet, parallel geschaltet. Wie in Fig. 4 gezeigt, können das Hilfssteuergerät 64 für den ersten Meßpunkt, die einzelnen Fernmeldetafeln 58a, 58b, 58c . . . . ., das Hilfssteuergerät 66 für den Endpunkt sowie das Hauptsteuergerät 60 in Reihe geschaltet werden. Auf dem Rahmen 32 des Projektionsgerätes 30 sind mehrere Befestigungsvorrichtungen 70 vorgesehen, um das Projektionsgerät 30 am jeweiligen Segment anzubringen oder abzumontieren. Wie in Fig. 5 gezeigt, gehört zur Befestigungsvorrichtung 70 eine Aufspannvorrichtung 72, die ungefähr eine viereckige Röhrenform aufweist, so daß sie vier Ausrücker 74 im oberen Teil der Aufspannvorrichtung 72 aufnehmen kann. Jeder Ausrücker 74 kann im Hinbblick auf die Aufspannvorrichtung 72 zurückgezogen und damit geöffnet und geschlossen werden, wie dies durch die Pfeile 76 in der Zeichnung dargestellt wird. Im Innern der Aufspannvorrichtung 72 ist eine aufsitzende Schraubenfeder mit Vorspannung 78 vorgesehen (siehe Fig. 7A), die den Ausrücker 74 beim Öffnen unterstützt. Im oberen Teil der Aufspannvorrichtung 72 ist ein Loch 82 ausgebildet, durch das ein Hubdraht 80 hindurchführt.

Das Projektionsgerät 30, ein Relaisumschalter, wird in dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer Schraube, die ein Zuführloch für die Hinterfüllung des entsprechenden Segments verschließt, an dem entsprechenden Segment angebracht und abmontiert.

Wie in Fig. 6 gezeigt, besitzt die das Zuführloch verschließende Schraube 84 einen Stift 86 in Form eines Drahtbefestigungsteils und darüber hinaus eine Unterteilung 88. Der Hubdraht 80 ist an einer Seite des Stifts 86 für die Unterteilung 88 befestigt, um zu verhindern, daß das Fernmeldekabel 62 sowie ein Stromkabel 90, die an der anderen Seite von Stift 86 befestigt sind, beschädigt werden. Die Schraube 84, in der der Hubdraht 80 usw. am Stift 86 wie oben beschrieben befestigt ist, ist in das Zuführloch für die Hinterfüllung in dem Segmentteil, das sich auf dem oberen Teil eines Segmentringes 92 wie in Fig. 8 gezeigt befindet, eingeschraubt. Der am Stift 86 befestigte Hubdraht 80 ist so ausgelegt, daß seine beiden Enden wie in Fig. 5 gezeigt durch die Aufspannvorrichtung 72 und das Loch 82 hindurchgehen und dann mit dem Projektionsgerät 30 an einer Seite verbunden wird. An der anderen Seite wird der Hubdraht 80 an einem Stift in einer Schraube ähnlich der in Fig. 6 gezeigten Schraube 84 befestigt, die in das Zuführloch für die Hinterfüllung des neben dem vorgenannten oberen Segmentteils liegenden Segmentstücks eingeschraubt und dann mit einem Kettenflaschenzug 93 verbunden wird (siehe Fig. 8). Wenn eine Bedienungsperson 94 den Kettenflaschenzug 93 betätigt, um den Hubdraht 80 aufzuwickeln, geht die Befestigungsvorrichtung 70, die mit dem Projektionsgerät 30 verbunden ist, wie in Fig. 7A nach oben. Am oberen Segment des Segmentringes 92, der mit der Schraube 84 befestigt ist, ist ein Anschlag 98 an der Innenseite im unteren Teil eines Öffnungsabschnitts 96 vorgesehen, der den Ausrücker 74 der Befestigungsvorrichtung 70 stoppt. Des weiteren ist der Öffnungsabschnitt 96 mit einem sich vertikal bewegenden Schließer 102 ausgestattet, der größer als die Öffnung 100 ist und vom Anschlag 98 gebildet wird und in die Aufspannvorrichtung 72 eintritt. Der Schließer 102 besitzt in seinem Mittelteil ein Loch 104, das die Aufspannvorrichtung 72, die kleiner als die Öffnung 100 ist, aufnimmt.

Wenn der Hubdraht 80 mit Hilfe des Kettenflaschenzuges 93 aufgewickelt wird, bewegt sich, wie in Fig. 7B gezeigt, der obere Teil der Aufspannvorrichtung 72 durch die Öffnung 100 weiter in das im Schließer 102 befindliche Loch 104 hinein. In diesem Moment drückt der Ausrücker 74 den Schließer 102 nach oben, der dann vom Anschlag 98 geschlossen wird. Wenn der Ausrücker 74 über den Anschlag 98 hinausgeht, läßt die Spannung des Hubdrahtes 80 nach, und der Ausrücker 74 wird durch die aufsitzende Schraubenfeder 78 geöffnet und vom Anschlag 96 abgefangen. Daher wird, wie in Fig. 7C gezeigt, das Projektionsgerät 30 durch die Befestigungsvorrichtung 70 am Segmentring 92 befestigt. Wenn nun das Projektionsgerät 30 abgebaut wird (siehe gestrichelte Linie in Fig. 8), wird der Hubdraht 80 mit Hilfe des Kettenflaschenzuges 93 aufgewickelt, um zu verhindern, daß der Ausrücker 74 in das vom Schließer 102 gebildete Loch 104 eintritt. Daher wird der Ausrücker 74 - wie in Fig. 7D gezeigt - durch den Schließer 102 geschlossen, so daß der Schließer 102 aufgrund seines Eigengewichts auf den Anschlag 98 (wie durch die gestrichelte Linie angedeutet) fällt. Da nunmehr der Hubdraht 80 durch den Kettenflaschenzug 93 freigegeben wird, rutscht das obere Ende der Aufspannvorrichtung 72 wie in Fig. 7E gezeigt in den Schließer 102. Der obere Teil der Befestigungsvorrichtung 70 rutscht - wie in Fig. 7F und 7G gezeigt - unter den Anschlag 98, so daß das vom Schließer 102 gebildete Loch 104 kleiner als die Öffnung 100 ist und der Ausrücker 74 durch die aufsitzende Schraubenfeder 78 geöffnet wird. Danach kann das Projektionsgerät 30 vom Segmentring 92 abgenommen werden.

Gemäß der bisher im Ausführungsbeispiel beschriebenen Haltevorrichtung kann das Projektionsgerät 30 lediglich durch das Auf- und Abwickeln des Hubdrahtes 80 unter Verwendung des Kettenflaschenzuges 93 am Segmentring 92 befestigt bzw. vom ihm gelöst werden. Im Ergebnis dessen ist keine Werkbank oder ähnliches für die Befestigung des Projektionsgerätes erforderlich, obwohl es an einer erhöhten Stelle angebracht ist, und der An-/Abbau des Projektionsgerätes 30 ist äußerst einfach. Da die Aufspannvorrichtung 72 eine viereckige Röhrenform aufweist, können der Lichtemitter 42 und der Lichtempfänger 36 des Projektionsgerätes 30 leicht mit großer Genauigkeit in (unleserlich - Anmerkung d. Übers.) Richtung im Tunnel eingefluchtet werden. Bei dieser Ausführungsform dient die in der Aufspannvorrichtung 72 befindliche aufsitzende Schraubenfeder 78 zum Öffnen des Ausrückers 74, wobei - wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 7A angedeutet - auch eine Blattfeder, Gummi oder ähnliches in Verbindung mit jedem Ausrücker 74 verwendet werden kann. Des weiteren kann die Befestigungsvorrichtung 70 in das Zuführloch für die Hinterfüllung eingeschraubt werden.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Projektionsgerät 30 als Relaisumschalter zwischen dem ersten Meßpunkt als Kontrollpunkt und einem Lichtempfänger 20, der in der Schildvortriebsmaschine als Endpunkt vorgesehen ist, angebracht ist. Das Projektionsgerät 30 in Form eines Relaisumschalters ist wie oben beschrieben am Segmentring 92 befestigt. Mit Hilfe des Projektionsgerätes 30 soll der Laserstrahl 18, der von einer Lichtquelle 105 (Laserprojektor) ausgestrahlt wird, von dem Lichtempfänger 36 aufgenommen werden. Der erste Meßpunkt ist beispielsweise im Richtschacht der Schildvortriebsmaschine 14 vorgesehen, bei dem die Position der Lichtquelle 105 durch normale Vermessung oder ähnliches genau bestimmt werden kann.

Vorzugsweise soll die Lichtquelle 105 so ausgelegt sein, daß der Laserstrahl 18 entlang der geplanten Auffahrlinie des Tunnels ausgestrahlt wird. Im Projektionsgerät 30 ist der Lichtemitter 42 auf die Schildvortriebsmaschine 14 ausgerichtet, so daß ein linearer Laserstrahl 44 zum Lichtempfänger 20 geht, der in der Schildvortriebsmaschine 14 vorgesehen ist. Zur Meßvorrichtung, die den Lichtempfänger 20 in der Schildvortriebsmaschine 14 umfaßt, gehört ein Querneigungsmeßgerät 106, mit dessen Hilfe der Querneigungsgrad (Transversaldrehwinkel) der Schildvortriebsmaschine 14 bestimmt werden kann. Bei der Zahl 107 in Fig. 9 handelt es sich beispielsweise um einen Schildstempel, der die Schildvortriebsmaschine 14 durch Reaktion auf ein Segments 108 vorantreibt.

Bei dem bisher beschriebenen Projektionsgerät 30 wird der Laserstrahl 18, der auf den Lichtempfänger 36 parallel zur optischen Achse 41 des Kondensors 39 des Lichtempfängers 36 wie vorstehend beschrieben auftrifft, im Mittelpunkt der zweiten Lichtempfangsfläche 38b ausgestrahlt. Wie durch eine durchgehende Linie in Fig. 2 dargestellt, weist daher in dem Moment, in dem der Laserstrahl 18 auf den Mittelpunkt der zweiten Lichtempfangsfläche 38b auftrifft, das Projektionsgerät 30 eine Lage auf, die die Lichtempfangsflächen 38 des Lichtempfängers 36 im rechten Winkel zur Strahlungsrichtung des Laserstrahls 18 schneidet, auch wenn eine Neigung (Querneigung) um die Strahlungsrichtung des Laserstrahls 18 herum erfolgt. Aus diesem Grund tritt beim Projektionsgerät 30 weder ein Kippen (Neigung in vertikaler Richtung zur Strahlungsrichtung des Laserstrahls 18) noch ein Gieren (Neigung auf der horizontalen Ebene) auf. Daher strahlt der Lichtemitter 42 den Strahl 44 in die gleiche Richtung aus, die auch der Laserstrahl 18 aufweist, beispielsweise, wenn der Tunnel linear vorgetrieben wird. Der Grad der Querneigung des Lichtempfängers 36 wird mit Hilfe des Querneigungsmeßgerätes 40 bestimmt, das im Lichtempfänger 36 vorgesehen ist, und geht als Eingangssignal an das Hilfssteuergerät 50. Andererseits führt - wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 2 dargestellt - ein Abweichen des projektierten Punktes des Laserstrahls 18, der durch den Kondensor 39 hindurchgeht, vom Mittelpunkt der zweiten Lichtempfangsfläche 38b zu einer Kippbewegung, Gierbewegung oder sogar zu einer Kipp- und Gierbewegung des Projektionsgerätes 30, so daß die Projektionsrichtung des Strahls 44 durch den Lichtemitter 42 einzufluchten ist. Diese Einfluchtung erfolgt durch das Steuergerät 50.

Wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, das Hauptsteuergerät 60 und die Hilfssteuergeräte gemeinsam parallel geschaltet sind, liest das Hilfssteuergerät 50 zuerst den Projektionspunkt des Laserstrahls 18 auf der ersten Lichtempfangsfläche 38a und der zweiten Lichtempfangsfläche 38b, wie durch Schritt 110 von Fig. 10 gezeigt, ab. Gleichzeitig mit dieser Ablesung liest das Steuergerät 50 den Querneigungsgrad (Querneigungswinkel) des Lichtempfängers 36 am Querneigungsmeßgerät 40 ab und zeigt darüber hinaus die vom elektrooptischen Makrometer 52 gemessene Entfernung bis zum Reflexionsprima an, das im nächsten Projektionsgerät 30 oder der Schildvortriebsmaschine 14 angeordnet ist. Das Steuergerät 50 bewirkt eine Drehung der Koodinaten der ersten Lichtempfangsfläche 38a und der zweiten Lichtempfangsfläche 38b in eine der Transversaldrehrichtung entgegengesetzte Richtung um den gleichen Grad wie den Grad der Querneigung, wie er vom Querneigungsmeßgerät 40 auf der Grundlage eines vorher vom Hauptsteuergerät 60 übermittelten Programms (Schritt 111) gemessen wurde. Erfolgt keine Querneigung, werden anschließend die Projektionspunkte des Laserstrahls 18 auf der ersten Lichtempfangsfläche 38a und der zweiten Lichtempfangsfläche 38b (Korrektur-Projektionspunkte) ermittelt (Schritt 112), auf dem Schirm 55 angezeigt und gleichzeitig an das Hauptsteuergerät 60 (Schritte 113 und 114) weitergeleitet.

Das Hauptsteuergerät 60 berechnet den Kipp- und Giergrad des Lichtempfängers 36 aufgrund der Korrektur-Projektionspunkte der ersten Lichtempfangsfläche 38a und der zweiten Lichtempfängsfläche 38b, die vom Hilfssteuergerät 50 wie vorstehend beschrieben ermittelt werden, um die Lage des Lichtempfängers 36, und damit die Lage des Projektionsgerätes 30, festzustellen. Die Berechnung des Kipp- und Giergrades erfolgt auf einfache Weise durch optische Analyse und trigonometrische Messung (Tangente), weil die Vergrößerung und geortete Position des Kondensors 39 sowie die Distanz zwischen der ersten Lichtempfangsfläche 38a und der zweiten Lichtempfangsfläche 38b vorher bekannt sind. Wenn der Lichtempfänger 36 eine Kipp- und Gierbewegung durchführt, gibt das Hauptsteuergerät 60 an das Hilfssteuergerät 50 einen Befehl zur Vertikal- und Horizontaleinstellung des Lichtemitters 42.

Das Hilfssteuergerät 50 übermittelt Daten an das Hauptsteuergerät 60 und entscheidet, ob das Hauptsteuergerät 60 einen Befehl zur Vertikal- und Horizontaleinstellung des Lichtemitters 42 gibt (Schritt 115). Das Hilfssteuergerät 50 kehrt zu Schritt 110 zurück, wenn beim Lichtempfänger 36 keine Querneigung erfolgt, der Laserstrahl 18 von der Lichtempfangsfläche 38 des Lichtempfängers 36 im rechten Winkel empfangen wird, kein Einfluchten des Elevations- und Horizontalwinkels des Lichtemitters 42 erforderlich ist und das Hilfssteuergerät 50 vom Hauptsteuergerät 60 keinen Befehl zur Angleichung erhält. Wenn jedoch das Hilfssteuergerät 50 den Befehl zur Angleichung des Elevations- und des Horizontalwinkels vom Hauptsteuergerät 60 erhält, übermittelt das Hauptsteuergerät 60 an das Hilfssteuergerät 50 einen Korrekturwert (Schritt 116). Das Hilfssteuergerät 50 korrigiert den Winkel der Querneigung aufgrund des übermittelten Korrekturwertes und stellt gleichzeitig den Elevations- und Horizontalwinkel des Lichtemitters 42 mit Hilfe des Steuergeräts für die Ausgangsrichtung 43 (Schritte 117 und 118) ein.

Da die Projektionsrichtung des Laserstrahls 18 des Lichtemitters 42 eingefluchtet werden kann, ist bei dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine genaue Regulierung der optischen Achse nicht erforderlich, wenn das Projektionsgerät 30 am Segmentring 92 befestigt ist, so daß das Umsetzen leicht durchgeführt werden kann und somit die Effektivität des Tunnelvortriebs stark verbessert wird. Da das elektrooptische Makrometer 52 bei diesem Ausführungsbeispiel außerdem den Elevations- und Horizontalwinkel einstellen kann, kann das elektrooptische Makrometer 52 so ausgerichtet werden, daß es der Schildvortriebsmaschine 14 oder dem Reflexionsprisma, das sich in dem anderen Projektionsgerät 30 befindet, gegenüber liegt, so daß es nicht länger unmöglich ist, die Distanz zu messen.

Wie in Schritt 120 von Fig. 11 gezeigt, liest das Hauptsteuergerät 60 die von den an jedem Meßpunkt vorgesehenen Meßgeräten ermittelten Daten über die Fernmeldeleitung 62 ab. Das Hauptsteuergerät 60 berechnet den Koordinatenpunkt für das Projektionsgerät 30 im Verhältnis zum ersten Meßpunkt als dem Kontrollpunkt (Schritt 121). Danach berechnet das Hauptsteuergerät 60 den Koordinatenpunkt für das Projektionsgerät 30 aus dem korrigierten Projektionspunkt für den Laserstrahl 18 an der ersten Lichtempfangsfläche 38a und an der zweiten Lichtempfangsfläche 38b des Lichtempfängers 36, der vom Hilfssteuergerät 50 des Projektionsgerätes (Relaisumschalter) 30 ermittelt und weitergegeben wird (Schritt 122). Das Hauptsteuergerät 60 berechnet die Projektionsrichtung (Strahlungsrichtung) von Strahl 44 aufgrund des Winkels des Lichtemitters 42, indem er die Lage des Projektionsgerätes 30 wie vorstehend beschrieben aufgrund des korrigierten Projektionspunktes, der vom Steuergerät 50 übermittelt wird (Schritt 123), ermittelt.

Danach berechnet das Hauptsteuergerät 60 einen Punkt, an dem sich der Endmeßpunkt an der Schildvortriebsmaschine 14 befinden sollte, aus der Position des Projektionsgerätes 30 im Tunnel, der Projektionsrichtung von Strahl 44, der in Schritt 123 ermittelt wird, und dem Abstand zum Endpunkt, der vom elektrooptischen Makrometer 52 erfaßt wird; weiterhin berechnet es die Positionskoordinaten des Endpunktes aus dem korrigierten Projektionspunkt am Lichtempfänger 36 für den Laserstrahl am Endpunkt, der wie vorstehend beschrieben berechnet wird (Schritte 124 und 125). Das Hauptsteuergerät 60 berechnet die Lage des Lichtempfängers arm Endpunkt aus der Projektionsrichtung des vom Lichtemitter 42 im Projektionsgerät 30 erzeugten Strahls, der Lage des Lichtempfängers am Endpunkt und dem Winkel der Querneigung der Schildvortriebsmaschine 14 (Sehritt 126). Das Hauptsteuergerät 60 ermittelt Korrekturwerte für die Befestigungsposition und die Lage des Lichtempfängers in der Schildvortriebsmaschine 14 (Schritt 127) und zeigt weiterhin die Position und Lage der Schildvortriebsmaschine 14 an einem Display (nicht gezeigt) an und übermittelt die erfaßten Daten an ein Host-Steuergerät (nicht gezeigt) (Schritt 128). Daraus lassen sich Position und Lage der Schildvortriebsmaschine 14 ermitteln, und die Korrektur der Auffahrrichtung sowie der Lage der Schildvortriebsmaschine 14 kann mit hoher Genauigkeit auf natürliche Weise erfolgen, wodurch es möglich ist, den Tunnelvortrieb gemäß der geplanten Auffahrlinie vorzunehmen.

Fig. 12A zeigt ein Beispiel, bei dem die Schildvortriebsmaschine 14 als erster Meßpunkt und das Ende des Tunnels als Endpunkt definiert ist. Bei diesem Beispiel kann durch Bestimmung von drei Elementen zur Position und drei Elementen zur Lage des Lichtempfängers 20, der am Endpunkt wie im vorhergehenden Fall vorgesehen ist, die Position der Schildvortriebsmaschine 14 ermittelt werden. Fig. 12B zeigt ein Beispiel, bei dem mehrere Projektionsgeräte 30 als Relaisumschalter im Tunnel angebracht sind, an denen die Position des Projektionsgerätes 30 und die Position der Schildvortriebsmaschine. 14 erfaßt werden können, indem die Zahl der Projektionsgeräte 30 in das Hauptsteuergerät 60 eingegeben und das Datenverarbeitungsprogramm für die gegebene Zahl von Projektionsgeräten 30 wiederholt wird.

Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem für das Projektionsgerät 30 eine Bedingung geschaffen wird, unter der - selbst wenn sich ein in der Mitte positioniertes Projektionsgerät 30b in der Schräglage befindet und ein Strahl 44a von einem Projektionsgerät 30a ausgesandt wird - ein Strahl 44b zum nächsten Projektionsgerät 30c projiziert werden kann, indem die Projektionsrichtung des Strahls von einem Lichtemitter 42b eingefluchtet wird. Fig. 14 zeigt die erfolgte Umsetzung des Projektionsgerätes 30b; so kann insbesondere beim weiteren Auffahren mittels der Schildvortriebsmaschine 14 - wie in Fig. 21B gezeigt - der vom Projektionsgerät 30a ausgesandte Strahl 44a den in der Schildvortriebsmaschine 14 vorgesehenen Lichtempfänger 20 nicht erreichen, so daß sich ein Umsetzen des Projektionsgerätes 30 erforderlich macht und durchgeführt wird. Fig. 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Strahl 44 so ausgerichtet wird, daß er auf den Lichtempfänger 20 auftrifft, indem die Lage des Projektionsgerätes 30b kontrolliert wird. Des weiteren zeigt Fig. 16 ein Beispiel, bei dem die Projektionsrichtung des von dem im Projektionsgerät 30 vorgesehenen Lichtemitter 42 ausgesandten Strahls 44 im gekrümmten Teil des Tunnels und ähnlichem verändert wird.

Die Fig. 17A und 17B zeigen Beispiele, bei denen die Entfernung mit Hilfe des elektrooptischen Entfernungsmessers ermittelt wird. Fig. 17A zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der elektrooptische Entfernungsmesser 130 im Projektionsgerät 30 und ein Reflexionsprima 132 in der Schildvortriebsmaschine 14 untergebracht sind. Fig. 17B stellt ein Beispiel dar, bei dem der elektrooptische Entfernungsmesser 130 in der Schildvortriebsmaschine 14 und das Reflexionsprima 132 im Projektionsgerät 30 untergebracht sind. Fig. 18 zeigt ein Beispiel für den Einsatz des Projektionsgerätes 30 in der Ausführungsform für den gekrümmten Teil des Tunnels. Wird das Projektionsgerät 30 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform verwendet, kann der erste Meßpunkt oder das Projektionsgerät 30 als Festpunkt in ausreichender Entfernung von der Schildvortriebsmaschine 14 vorgesehen werden, wodurch es möglich ist, genaue Messungen vorzunehmen. Fig. 19 zeigt eine Bedingung für das Projektionsgerät 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel in einem Tunnel mit einer komplizierten Konfiguration, bei dem die Positon der Schildvortriebsmaschine 14 ermittelt werden kann, indem die vorgenannten Schritte ungeachtet der Kompliziertheit des Tunnels durchgeführt werden.

Bei der vorgenannten Anwendungsform wird ein Beispiel angeführt, bei dem die Schildvortriebsmaschine als Streckenbohrmaschine eingesetzt wird, wobei jedoch - wie in Fig. 20 gezeigt - die Ausführungsform auf eine Streckenbohrmaschine 136 anwendbar ist, die eine Reaktion dadurch erhält, daß sie einen Greifer 134 gegen die vorgetriebene Wand sowie die Tunnelvortriebsmaschine 14 ausfährt. Bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel wurde erklärt, wie die Entfernung zwischen dem ersten Meßpunkt und dem Projektionsgerät 30, der Abstand zwischen den beiden Projektionsgeräten 30 und die Entfernung zwischen dem Projektionsgerät 30 und dem Endpunkt mit Hilfe des elektrooptischen Makrometers 52 gemessen wird, während die Distanz zwischen dem ersten Meßpunkt und dem Projektionsgerät 30 sowie zwischen zwei Projektionsgeräten 30 dadurch ermittelt werden kann, daß die Zahl der Segmente gezählt wird, und der Abstand zwischen dem Projektionsgerät 30 und dem Endpunkt aus der Zahl der Segmente und dem Hub des Schildstempels 107 hervorgeht.

Bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel wurde eine Anwendung erklärt, bei der sowohl die erste Lichtempfängsfläche 38a als auch die zweite Lichtempfangsfläche 38b aus dem Positionsbestimmungssensor für die zweidimensionale Erfassung eines Projektionspunktes beim Empfang und bei der Ausstrahlung des Lichts bestehen, jedoch kann die zweite Lichtempfangsfläche 38b auch aus einem Sensor mit CCD oder einer Vielzahl von Lichtelementen in einer Ebene bestehen. Somit lassen sich die Kosten für den Lichtempfänger 36 verringern. Beim vorgenannten Ausführungsbeispiel haben die Lichtempfangsflächen 38a und 38b die Form eines Quadrats, sie können aber auch kreisförmig sein oder eine andere Form aufweisen. Der der ersten Lichtempfangsfläche vorgelagerte Kondensor kann so angeordnet sein, daß das Licht auf der zweiten Lichtempfangsfläche zwischen der ersten Lichtempfangsfläche und der zweiten Lichtempfangsfläche gebündelt wird, und kann darüber hinaus in extremen Fällen ganz weggelassen werden. Im vorgenannten Ausführungsbeispiel wurde ein Fall erklärt, in dem die Befestigungsvorrichtung 70 mit dem Ausrücker 74 ausgestattet ist und das Projektionsgerät 30 auf dem Segment befestigt wird, indem der Ausrücker 74 auf dem an der Seite des Segments vorgesehenen Anschlag 98 angehalten wird, wobei die Befestigungsvorrichtung 70 allerdings auch einen Gewindeteil aufweisen kann, der in ein Loch für die Hinterfüllung eingeschraubt werden kann, das sich auf dem Segment befindet. Bei der vorgenannten Anwendungsform wird die Lage des Lichtempfängers 36 durch das Hauptsteuergerät 60 ermittelt, kann aber auch durch das Hilfssteuergerät 50 bestimmt werden.

Da, wie bisher beschrieben, das Steuergerät des erfindungsgemäßen Projektionsgerätes für die Positionsbestimmung die Projektionsrichtung des Lichtes aus dem Lichtemitter so ausrichtet, daß es auf einen festgelegten Zielpunkt im Verhältnis zur Einfallrichtung des Lichtes, das von der Lichtquelle auf die Lichtempfangsfläche auftrifft, ausgestrahlt wird, ist das herkömmliche genaue Einfluchten der optischen Achse und Höhe nicht mehr erforderlich, so daß ein leichtes Umsetzen möglich wird und sich damit Geschwindigkeit und Effektivität des Tunnelbaus erhöhen.

Bei dem von der Lichtquelle und dem Lichtemissionsteil ausgestrahlten Licht handelt es sich um einen linearen Strahl, so daß die Richtung des auf den Lichtempfangsteil einfallenden Lichtes leicht bestimmt werden kann. Da der Grad der Querneigung des Körpers durch einen im Gehäuse vorgesehenen Teil zur Bestimmung von Drehbewegungen festgestellt wird, kann sich herausstellen, daß sich das Drehen der Einfallsrichtung des auf den Lichtempfangsteil auftreffenden Lichts nicht auf den Grad der Kippbewegung und Gierschwingung des Lichtempfangsteils (Gehäuse) auswirkt. Angesichts der vorstehenden Feststellungen kann die Projektionsrichtung des vom Lichtemissionsteil ausgestrahlten Lichts genau definiert werden. Wird der Lichtempfänger so gebaut, daß mehrere Lichtelemente in einer Ebene angeordnet werden, vergrößert sich die Fläche, auf die von der Lichtquelle ausgestrahltes Licht auftreffen kann, so daß der Auftreffpunkt zweidimensional bestimmt werden kann und es damit leicht ist, die Lage des Gehäuses festzustellen.

Die beiden Lichtempfangsflächen haben eine festgelegte Fläche im Lichtempfangsteil, so daß die Eintrittsrichtung des auf den Lichtempfangsteil auftreffenden Lichtes leicht erfaßt werden kann. Wenn die zweite Lichtempfangsfläche, die sich auf der Rückseite in Richtung auf das einfallende Licht befindet, aus einem Sensor mit CCD oder einer Vielzahl von Lichtelementen in einer Ebene besteht, lassen sich die Kosten für das Gerät verringern. Das Gehäuse verfügt über einen Lichtentfernungsmeßteil, so daß die Entfernung zum Zielpunkt wie beispielsweise der Tunnelvortriebsmaschine gemessen werden kann. Da der Lichtentfernungsmeßteil in der Lage ist, den Elevations- und den Horizontalwinkel einzustellen, kann der Lichtentfernungsmeßteil zuverlässig auf den Reflextionsteil als Zielpunt ausgerichtet werden, was zu einer gesicherten Messung der Distanz führt. Da sich der Reflexionsteil für die Messung der Distanz im Gehäuse befindet, läßt sich die Entfernung auch mit anderen Meßgeräten ermitteln.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung für das Projektionsgerät kann das Projektionsgerät leicht an dem gemessenen Segment angebracht werden, indem der obere Teil der Aufspannvorrichtung von der Öffnung des Anschlags abgehoben und der auf dem Anschlag aufsitzende Ausrücker geschlossen und so gehalten wird. Wird die Aufspannvorrichtung weiter nach oben bewegt, schließt das Schließelement den Ausrücker, so daß die durch den Anschlag bewirkte Schließung des Ausrückers aufgehoben wird und die Aufspannvorrichtung leicht von dem Segment gelöst werden kann. Auf diese Weise läßt sich die Projektionsvorrichtung leicht an- und abbauen, wodurch sich die Geschwindigkeit des Tunnelbaus erhöht.

Der Aufbau ist aufgrund der Verwendung einer sich in der Aufspannvorrichtung befindenden Schraubenfeder als elastischem Körper einfach. Da die Aufspannvorrichtung über eine durchgehende Öffnung für den Draht verfügt und der Teil für die Befestigung des Drahtes oberhalb des Anschlags vorgesehen ist, kann die Aufspannvorrichtung für das Projektionsgerät wie mit einem Flaschenzug auf und ab bewegt werden. Somit kann der An- und Abbau des Projektionsgerätes auf einfache Weise erfolgen, ohne daß eine Werkbank oder ähnliches für die Befestigung des Projektionsgerätes benötigt wird, so daß die Arbeitsbelastung und die Gefahr für den Arbeiter verringert werden.

Gewerblicher Nutzen

Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen schnellen und effektiven Tunnelbau, da ein leichtes Umsetzen möglich ist, und hat ein Projektionsgerät für die Positionsbestimmung sowie eine Haltevorrichtung für das Projektionsgerät zum Gegenstand, mit deren Hilfe die Entfernung und die Projektionsrichtung von Licht, das von einem Lichtemitter ausgestrahlt wird, gemessen und das Projektionsgerät leicht an- und abgebaut werden kann.

Claims (1)

1. Ein Projektionsgerät für die Positionsbestimmung, das zwischen einem Kontrollpunkt und einer Tunnelvortriebsmaschine in einem Tunnel angebracht ist, um von einer Lichtquelle ausge­ strahltes Licht zwischen dem Kontrollpunkt oder der Tunnelvortriebsmaschine bzw. umgekehrt weiterzuleiten, bestehend aus:
einem Lichtempfangsteil (36), das das von der Lichtquelle (105) ausgestrahlte Licht aufnimmt;
einem Licht aussendenden Teil (42), bei dem ein Laseroszillator Licht in die entsprechende Gegenrichtung zu der Richtung ausstrahlt, mit der das Licht auf besagten Lichtempfangsteil (36) auftrifft, und das mit dem Elevationswinkel und dem Horizontalwinkel des in die entsprechende Gegenrichtung ausgestrahlten Lichts eingefluchtet ist;
einem Steuersystem für die Bestimmung der Einfallsrichtung des Lichts, das auf besagten Lichtempfangsteil (36) gerichtet wird, auf der Grundlage eines Lichtempfangssignals, das von besagtem Lichtempfangsteil (36) ausgegeben wird, und kontrolliert, daß die Emissionsrichtung des Lichts von besagtem Licht aussendenden Teil (42) auf einen festgelegten Zielpunkt geht, indem der Elevationswinkel und der Horizontalwinkel eingefluchtet werden; und ein darin vorgesehenes Gehäuse (32) mit besagter Steuereinheit, besagtem Lichtempfangsteil (36) und besagtem Licht aussendenden Teil (42),
wobei es sich bei dem Licht, das von der Lichtquelle (105) und dem besagten Licht aussen­ denden Teil (42) emittiert wird, um einen linearen Strahl handelt; wobei besagtes Gehäuse (32) ein Teil für die Bestimmung der Querneigung beinhaltet, mit dem die Drehung um eine Achse parallel zur Tunnelachse ermittelt wird; und wobei besagtes Lichtempfangsteil (36) einen Po­ sitionsbestimmungssensor für die zweidimensionale Bestimmung eines Projektionspunktes, wenn das von der Lichtquelle (105) ausgestrahlte Licht empfangen wird, und für die Bestim­ mung der Einfallsrichtung des Lichtes besitzt, so daß besagtes Steuersystem den Elevations­ winkel und den Horizontalwinkel des besagten Licht aussendenden Teils (42) aufgrund der festgestellten Drehung, des erfaßten Projektionspunktes und der gemessenen Einfallsrichtung anpaßt.