DE69122010T2

DE69122010T2 - System zur erfassung der position eines unterirdischen grabgerätes

Info

Publication number: DE69122010T2
Application number: DE69122010T
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Abe; Shuji Arakawa; Yasuhiko Ichimura; Yasuo Kanemitsu; Hiroaki Yamaguchi
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1991-03-08
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2011-03-09
Also published as: EP0718465A1; KR920701608A; WO1991014079A1; EP0471858A4; EP0471858B1; DE69122010D1; JP2819042B2; EP0471858A1; JPH03260281A; US5240350A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsbestimmungsanlage für eine Auffahrmaschine (underground excavator) und insbesondere eine Positionsbestimmungsanlage für eine Auffahrmaschine vorzugsweise zur Gewährleistung eines achsfluchtenden Aufeinandertreffens von zwei aufeinanderzuarbeitenden Maschinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beim Tunnelbau unter dem Meeresgrund können nicht mehrere Schächte errichtet werden, von denen aus die Auffahrmaschinen mit den Arbeiten beginnen. Ferner ist die Austragung des Ausbruchmaterials schwierig, und außerdem ergeben sich, was noch schlechter ist, viele Risiken, wenn die Auffahrarbeiten auf einer langen Strecke durch eine einzige Maschine vorgenommen werden. Dementsprechend werden bei der Errichtung eines Tunnels unter dem Meeresgrund zwei Auffahrmaschinen eingesetzt, die aufeinanderzuarbeiten, so daß die Strecke für eine Maschine bei den Arbeiten verkürzt wird. In diesem Falle wird abschließend unter dem Meeresgrund die Verbindung zwischen den Tunneln hergestellt, die von den zwei Maschinen aufgefahren wurden.
Treten jedoch zwischen den Fluchtlinien der zwei Maschinen seitliche Abweichungen oder Differenzen in der Höhe auf, ist kein gleichmäßiger Übergang zwischen den zu verbindenden Tunneln möglich. Stimmen die Fluchtlinien der Maschinen nicht überein, so resultieren zudem daraus eine unerwünschte Zunahme der Ausbruchmengen, der Anzahl der notwendigen Arbeitgänge bei den Auffahrarbeiten und der Menge an Injektionsgut, wodurch die Baukosten drastisch ansteigen. Deshalb ist die Achsfluchtung der von den zwei Maschinen vorgetriebenen Tunnelabschnitte eine wichtige Forderung. Dementsprechend ist die Bestimmung der Position der zwei Auffahrmaschinen zueinander erforderlich, so daß eine Abweichung von der erforderlichen Position entsprechend korrigiert werden kann.
Bisher wurde die zwischen den zwei Auffahrmaschinen aufgetretene Positionsabweichung durch Messen der Positionsabweichung zwischen den zwei Maschinen und der projektierten Tunnellinie oder der Position im Vergleich zu einem Bezugspunkt wie dem Ausgangspunkt korrigiert. Damit erfolgte die Fehlerkorrektur entsprechend der auf diese Weise ermittelten Positionsabweichung.
Gemäß dem Stand der Technik wurde die Position der Maschine untertage wie folgt bestimmt:
(1) Es werden die Position der Auffahrmaschine von einem Bezugspunkt und die Abweichung von der projektierten Linie durch Messung mit Hilfe eines Theodoliten u.ä. untertage ermittelt.
(2) Eine Lichtstrahlemissionsanlage zur Erzeugung von kohärentem Licht, beispielsweise eines Laserstrahls, wird im Schacht aufgestellt, von dem aus die Auffahrmaschine die Arbeiten beginnt. Der Strahl der oben beschriebenen Anlage wird auf die projektierte Tunnellinie ausgerichtet, so daß Lichtpunkte an einem an der Maschine befestigten Ziel sichtbar werden. Im Ergebnis erhält man die Position, die Abweichung und den Ablenkwinkel der Auffahrmaschine, die sich seit Beginn der Auffahrarbeiten vom Ausgangsschacht aus ergeben haben.
(3) Es werden ein Azimutkreiselkompaß, ein auf der Basis von Druck funktionierender Setzungsmesser, ein Neigungswinkelmesser und ein Entfernungsmesser, dessen Wirkungsweise auf der Bildung einer Segmentlänge im Tunnel als Bezug basiert, so miteinander kombiniert, daß die entsprechende Position zur Bezugsposition ermittelt werden kann.
Alle oben beschriebenen herkömmlichen Methoden zur Ermittlung der Position der Auffahrmaschine sind jedoch von den folgenden Problemen begleitet, die zu Schwierigkeiten führen, wenn ein genauer achsfluchtender Anschluß von Tunnelabschnitten untertage erforderlich ist:
Die praktische Anwendung wird bei Anwendung der Methode (1) dadurch eingeschränkt, daß keine Realzeitmessung vorgenommen werden kann, da viele Meßpunkte benötigt werden, wenn ein Tunnel mit einer Krümmung aufgefahren wird. Bei Methode (2) entsteht die Notwendigkeit, die Strahlungsemissionsanlage in die jeweils erforderliche Position zu bringen, wenn die projektierte Tunnellinie gekrümmt ist, weil die vom Ausgangsschacht emittierten Laserstrahlen nicht auf das Ziel gerichtet werden können. Zudem kann der Laserstrahl nicht direkt auf der gesamten Länge der projektierten Linie genutzt werden. Deshalb muß, sobald die Strahlungsemissionsanlage versetzt wird, jeweils der aktuelle Wert der räumlichen Beziehung zwischen dem Ziel, dem optischen Meßgerät und der projektierten Tunnellinie neu gemessen werden. Auf der Grundlage der gemessenen Werte sind für die projektierte Tunnellinie Berechnungen vorzunehmen, bevor dann erst die Position, die Abweichung und die Winkelabweichung der Auffahrmaschine gewonnen werden. Dies ist insgesamt problematisch, da das Versetzen der Strahlungsemissionsanlage, die Messungen und Berechnungen zu arbeitsaufwendig sind und die Auffahrleistung folglich verringert wird.
Zudem ist beim Auffahren eines Tunnels über eine lange Strecke hinweg die Anwendbarkeit der Methode (3) aufgrund der akkumulierten Fehlergrößen begrenzt. Des weiteren ist die Methode auch dann nicht geeignet, wenn eine Tunnelkurve mit kleinem Krümmungsradius oder ein Tunnel mit Kurven über lange Strecken aufgefahren wird. Ferner vergrößert sich der Fehler beispielsweise auch, wenn die Verbindung zwischen den Tunnelabschnitten untertage hergestellt und dabei die Position der Auffahrmaschinen zueinander gemessen wird.
Unter Berücksichtigung dieser Faktoren stellt der Anmelder der vorliegenden Erfindung eine Positionsmeßanlage zur Verfügung (japanische Patentanmeldung Nr. 1-223035), gemäß der eine der zwei Auffahrmaschinen, die untertage aufeinandertreffen sollen, mit einem Magnetfelderzeuger und die zweite Auffahrmaschine mit einem Magnetfelddetektor zum Messen des vom Magnetfelderzeuger erzeugten Magnetfeldes ausgestattet werden, der Magnetfelddetektor mit Hilfe eines Bohrgeräts in Richtung des Magnetfelderzeugers bewegt werden kann und ein vom Magnetfelddetektor geliefertes Meßsignal sowie die Länge der mit dem Bohrgerät gebohrten Bohrung einer Recheneinheit zugeführt werden, so daß die Stellung der Maschinen zueinander ermittelt werden kann.
Mit anderen Worten, in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1- 223035 wird, wie in Fig. 21 dargestellt, eine Positionsbestimmungsanlage offenbart, die so aufgebaut ist, daß mit einem kleinen im Konsolidationsverfahren arbeitenden und an der Vorderseite der Schildvortriebsmaschine 10b angeordneten Bohrgerät (nicht dargestellt) eine Bohrung 12 von einem festgelegten Bezugspunkt in Richtung der zweiten Schildvortriebsmaschine 10a auf der Fluchtlinie der Schildvortriebsmaschine 10b für die Auffahrarbeiten vorgetrieben wird, wenn zwei nach dem Rotationsschnittprinzip arbeitende Schildvortriebsmaschinen (Auffahrmaschinen) 10a und 10b, die beim Auffahren aufeinanderzuarbeiten, einen Abstand voneinander von 30 bis 40 m erreicht haben. Schließlich wird sie Vorderseite 14 der zweiten Schildvortriebsmaschine 10a erreicht.
Das Bohrgerät 12 ist im Vorlaufbereich (in einem genau bestimmten Abstand vom vorderen Ende) mit einem Magnetfelddetektor 16 ausgestattet, der als Positionsbestimmungssensor dient (Fig. 22). Zu dem oben beschriebenen Magnetfelddetektor 16 gehören ein Meßfühler für den horizontalen Fluchtungsfehler 16a und ein Meßfühler für den vertikalen Fluchtungsfehler 16b. Der Meßfühler für den horizontalen Fluchtungsfehler 16a besteht aus zwei magnetischen Meßfühlern, beispielsweise Spulen, die in einer horizontalen Ebene im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Der Meßfühler für den vertikalen Fluchtungsfehler 16b besteht aus zwei magnetischen Meßfühlern, beispielsweise Spulen, die in einer vertikalen Ebene im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
An der Vorderseite 14 der zweiten Schildvortriebsmaschine 10a ist ein Magnetfelderzeuger 18 an einer Stelle vorgesehen, die mit dem Bezugspunkt der Schildvortriebsmaschine 10b übereinstimmt. Der Magnetfelderzeuger 18 besteht aus einem zur Erzeugung eines Magnetfeldes bestimmten Paar von Leitern 18a und 18b, die jeweils rechteckige Leiterschleifen bilden und dem Meßfühler für den horizontalen Fluchtungsfehler 16a und dem Meßfühler für den vertikalen Fluchtungsfehler 16b entsprechen.
Die der Erzeugung des Magnetfeldes dienenden Leiter 18a und 18b sind so angeordnet, daß ihre Fluchtlinien zur Deckung kommen und sie dabei einen rechten Winkel zueinander bilden. Das heißt, der Leiter zur Erzeugung des Magnetfeldes 18a, der dem Meßfühler für den horizontalen Fluchtungsfehler entspricht, ist so angeordnet, daß seine längere Seite vertikal ausgerichtet ist. Der Leiter zur Erzeugung des Magnetfeldes 18b, der dem Meßfühler für den vertikalen Fluchtungsfehler entspricht, ist so angeordnet, daß seine längere Seite horizontal ausgerichtet ist.
Die nach der vorstehenden Beschreibung aufgebaute Positionsbestimmungsanlage ist so ausgeführt, daß die Leiter zur Erzeugung des Magnetfeldes 18a und 18b mit elektrischem Strom (Gleich-, Wechselstrom oder pulsierender Strom können genutzt werden) gespeist werden, so daß um sie herum Magnetfelder entstehen. Die von den oben beschriebenen Leitern 18a und 18b erzeugten Magnetfelder sind in Vortriebsrichtung der Schildvortriebsmaschine 10a ausgebildet und zwischen den beiden größeren Seiten der Leiterschleife symmetrisch angeordnet. Somit wird das von dem Leiter 18a erzeugte Magnetfeld vom Meßfühler für den horizontalen Fluchtungsfehler 16a gemessen, der aus einem Paar magnetischer Meßfühler besteht, die in der horizontalen Ebene so angeordnet sind, daß sie zueinander einen rechten Winkel bilden. Somit wird der horizontale Fluchtungsfehler des Bohrgeräts 12 anhand der Differenz der von den zwei Magnetfelddetektoren gemessenen Magnetfelder in der Stärke bestimmt. In gleicher Weise läßt sich mit dem Meßfühler für den vertikalen Fluchtungsfehler 16b der vertikale Fluchtungsfehler des Bohrgeräts 12 durch Messen des Magnetfelds ermitteln, das vom Leiter 18b erzeugt wird.
Da allerdings für die Positionsbestimmungsanlage, die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-223035 offenbart wird, eine rechteckige Leiterschleife als Magnetfelderzeuger eingesetzt wird, ergibt sich ein zu großer Meßfehler. Das heißt, da für die Positionsbestimmungsanlage, die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-223035 offenbart wird, eine Methode vorgesehen ist, bei der ein Magnetfeld gemessen wird, das von parallelen Leitern mit unendlicher Länge bzw. einer Länge erzeugt wird, die nahezu unendlich sein kann, wird von dem Magnetfelddetektor auch das Magnetfeld gemessen, das von einem anderen nicht für die Messung vorgesehenen Paar Seiten der Leiterschleife erzeugt wird, wodurch ein Fehler entsteht.
In den Fällen, in denen es sich bei dem Magnetfelderzeuger um parallel angeordnete Leiter mit unendlicher Länge handelt, beispielsweise im Falle einer rechteckigen Leiterschleife, die eine Form hat, bei der das Verhältnis b/a der größeren Seite b und der kleineren Seite a 100 beträgt, wird folglich der Fluchtungsfehler in bezug auf die Fluchtlinie der größeren Seite b und senkrecht zur größeren Seite durch Vergleich zwischen dem Fluchtungsfehler x', dessen Größe entsprechend aus der Magnetfeldstärke gewonnen wird, die mit Hilfe des Magnetfelddetektors gemessen wird, und dem aktuellen Meßwert x erschlossen. Da gemäß Fig. 23 die Winkelabweichung 1 beträgt, entspricht der Fluchtungsfehler x', der aus dem gemessenen Magnetfeld gewonnen wird, einem Wert, der gleich dem aktuellen Meßwert x ist.
Wird jedoch b/a kleiner, kommt es durch das von der kleineren Seite a erzeugte Magnetfeld zu einer Beeinflussung der Magnetfeldstärke, die vom Magnetfelddetektor gemessen wird. Als Folge wird die Winkelabweichung gemäß Fig. 24 kleiner als 1, wenn auf der Abszissenachse der aktuelle Meßwert x und auf der Ordinatenachse der Fluchtungsfehler x', der von der gemessenen Magnetfeldstärke abgeleitet wird, abgetragen werden. Somit wird der aus dem Magnetfeld gewonnene Fluchtungsfehler x' kleiner als der aktuelle Meßwert x, womit ein Meßfehler verursacht wird.
Des weiteren befinden sich die Positionsbestimmungsmeßfühler 16a und 16b, da der Magnetfelddetektor 16 in Richtung Magnetfelderzeuger 18 vorbewegt wird, in einer Position in einem Abstand zur Schildvortriebsmaschine 10b. Deshalb kann, wenn das Bohrgerät 12 aufgrund einer Lageänderung einer Gesteinsschicht unter einer bestimmten Winkelabweichung bohrt, diese Winkelabweichung nicht gemessen werden. Im Ergebnis treten Differenzen zwischen der mit Hilfe des Magnetfelddetektors 16 gemessenen Positionsabweichung und der relativen Positionsabweichung zwischen den beiden Schildvortriebsmaschinen 10a und 10b auf. Daraus ergibt sich das Problem, daß die Positionsabweichung nicht exakt gemessen werden kann. Ein ähnliches Problem entsteht, wenn die beiden Schildvortriebsmaschinen 10a und 10b unter einer Winkelabweichung zueinander betrieben werden.
Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionsbestimmungsanlage für eine Auffahrmaschine zur Verfügung zu stellen, durch die die Genauigkeit bei der Positionsbestimmung der Auffahrmaschine mit Hilfe eines von einem Magnetfelddetektor gelieferten Meßsignals erhöht werden kann.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionsabweichung von einer Bezugsposition mit großer Genauigkeit zu ermitteln, selbst wenn die Schildvortriebsmaschinen mit einer bestimmten Winkelabweichung aufeinanderzuarbeiten.

Offenbarung der Erfindung

Zur Erreichung der oben genannten Ziele ist eine Positionsbestimmungsanlage für eine Auffahrmaschine erfindungsgemäß so aufgebaut, daß ein Magnetfelderzeuger, der von einer Anzahl rechteckiger Leiterschleifen gebildet wird, die parallel zueinander angeordnet sind und in benachbarter Stellung einander überlappen, entweder im Vorlaufbereich oder an einer vorderen Position der Auffahrmaschine angeordnet ist und als ein Bezug dient. Des weiteren ist ein Magnetfelddetektor entweder in einem Vorlaufbereich der anderen Auffahrmaschine oder an einer Bezugsposition vorgesehen, wobei der Magnetfelddetektor so angeordnet ist, daß das von jeder Leiterschleife erzeugte Magnetfeld gemessen wird. Es wird zumindest entweder der Magnetfelddetektor oder der Magnetfelderzeuger von einem Vortriebsgerät nach vorn bewegt, so daß sich einer von beiden dem anderen nähert. Die durch das Vortriebsgerät zurückgelegte Bohrstrecke und ein vom Magnetfelddetektor geliefertes Meßsignal werden einem Positionsrechner zugeführt. Dieser errechnet anhand der bereits erfolgten Vorwärtsbewegung des Vortriebsgeräts und des vom Magnetfelddetektor gelieferten Meßsignals die relative Position der Auffahrmaschine zu einer Bezugsposition.
Im Ergebnis der oben beschriebenen Konstruktion läßt sich ein großer Wert des Verhältnisses zwischen der größeren Seite der rechteckigen Leiterschleife und der kleineren Seite derselben einstellen. Auf diese Weise kann die Beeinflussung durch das von der kleineren Seite erzeugte Magnetfeld klein gehalten werden. Folglich ist eine genaue Messung des Versatzes und der Position der Auffahrmaschine möglich.
Der Magnetfelderzeuger wird von einer gemeinsamen Leitung und einer Anzahl paralleler Zweigleitungen gebildet, deren Enden an der einen Seite an die gemeinsame Leitung und an der anderen Seite an einen Schalter angeschlossen sind, der mit einer Stromquelle verbunden ist und über den die Erregung durch Einschalten ermöglicht wird. Des weiteren kann eine Anzahl von Leiterschleifen nacheinander von einer Steuervorrichtung eingeschaltet und somit erregt werden.
Damit kann leicht aus einer Anzahl von Leiterschleifen eine Leiterschleife im erregten Zustand bestimmt werden.
Zudem ist jede der Leiterschleifen an jeweils eine Stromversorgung mit unterschiedlichen Ausgangsfrequenzen angeschlossen, so daß man eine unterschiedliche Erregungsfrequenz erzielt, wird das vom Magnetfelddetektor gelieferte Meßsignal einem Filter zugeführt, so daß nur ein Meßsignal mit einer Frequenz weitergeleitet wird, die der Erregungsfrequenz der Leiterschleife entspricht, und gelangt das Meßsignal, das vom Filter durchgelassen wird, zum Positionsrechner. Der Positionsrechner ist vorzugsweise mit einem Steuerblock zum Zuschalten der Achsfluchtungsfrequenz des Filters auszustatten.
Bei einer Anordnung gemäß der obigen Beschreibung kann die Leiterschleife, die das Magnetfeld mit der größten Feldstärke erzeugt, die von einem Magnetfelddetektor gemessen wird, selbst dann unter den anderen Leiterschleifen herausgefunden werden, wenn diese gleichzeitig zugeschaltet sind. Somit läßt sich also die Position der Auffahrmaschine anhand des Magnetfeldes bestimmen, das mit Hilfe der oben beschriebenen Leiterschleife erzeugt wird.
Der Magnetfelddetektor kann aus einem ersten Magnetfelddetektor zur Messung des vom Magnetfelderzeuger aufgebauten Magnetfeldes und einem zweiten Magnetfelddetektor etwas zurückgesetzt zum ersten Magnetfelddetektor bestehen.
Damit können mit der oben beschriebenen Konstruktion die Winkelabweichung der Auffahrmaschine sowie der Versatz zwischen dieser und einer Bezugsposition sowohl von der Position des ersten als auch des zweiten Magnetfelddetektors in Form eines Wertes bestimmt werden, der aus dem gemessenen Magnetfeld gewonnen wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen zeigen folgendes:
Fig. 1 den Gesamtaufbau einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage zur Bestimmung der Position einer Auffahrmaschine;
Fig. 2 eine Einzelheit zur Veranschaulichung der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 den detaillierten Aufbau eines Magnetfelderzeugers gemaß der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ausgangssignalpegel bei einem Magnetfelddetektor, wenn das Verhältnis zwischen der größeren und der kleineren Seite der rechteckigen Leiterschleife verändert wird;
Fig. 5 einen Magnetfelderzeuger für die Positionsbestimmungsanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 6 einen Magnetfelderzeuger für die Positionsbestimmungsanlage gemäß einer dritten Ausführungsform;
Fig. 7 und 8 eine Methode zur Erregung einer Anzahl von Leiterschleifen;
Fig. 9 ein Beispiel eines Ausgangssignals eines Magnetfelddetektors, wenn eine Anzahl von Leiterschleifen zu unterschiedlichen Zeiten erregt wird;
Fig. 10 eine vierte Ausführungsform der Positionsbestimmungsanlage;
Fig. 11 eine fünfte Ausführungsform der Positionsbestimmungsanlage;
Fig. 12 den Gesamtaufbau einer sechsten Ausführungsform einer Positionsbestimmungsanlage;
Fig. 13 den detaillierten Aufbau eines Magnetfelderzeugers gemäß der sechsten Ausführungsform;
Fig. 14 einen Strukturschaltplan zur Veranschaulichung eines Meßsignalverarbeitungssystems gemäß der sechsten Ausführungsform;
Fig. 15 den Aufbau einer Leiterschleife zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen der Erregungsfrequenz und den Meßsignalen gemäß der sechsten Ausführungsform;
Fig. 16 die Signalstärkeverteilung des Meßsignals bei der in Fig. 15 dargestellten Leiterschleife;
Fig. 17 die Signalstärkeverteilung des Meßsignals, wenn die Stärke des Magnetfeldes, das mit Hilfe der in Fig. 15 gezeigten Leiterschleife erzeugt wird, angepaßt wird;
Fig. 18 die Signalstärkeverteilung des Meßsignals, nachdem es ein Bandfilter passiert hat;
Fig. 19 eine siebente Ausführungsform der Positionsbestimmungsanlage;
Fig. 20 ein Verfahren zur Bestimmung der Winkelabweichung der Auffahrmaschine gemäß der siebenten Ausführungsform unter Berücksichtigung der Bezugsposition;
Fig. 21 eine herkömmliche Anlage zur Bestimmung der Position einer Auffahrmaschine;
Fig. 22 den detaillierten Aufbau einer Einzelheit derselben;
Fig. 23 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verhältnisses zwischen dem Fluchtungsfehler, gewonnen durch Messung des Magnetfeldes mit Hilfe eines parallelen Leiters, der als ein solcher mit unendlicher Länge betrachtet werden kann, und dem aktuellen Meßwert des Fluchtungsfehlers;
Fig. 24 eine Abweichung zwischen dem Fluchtungsfehler, der beim Messen des Magnetfeldes bei Änderung des Verhältnisses zwischen der größeren und der kleineren Seite einer rechteckigen Leiterschleife gewonnen wird, und dem aktuellen Meßwert des Fluchtungsfehlers.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Im folgenden sollen nun bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Anlage zur Bestimmung der Position einer Auffahrmaschine unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt eine Positionsbestimmungsanlage für eine Auffahrmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Entsprechend Fig. 1 sind beide Auffahrmaschinen 20 und 30 mit Schneidrädern 22 und 32 ausgestattet, die jeweils mit Schneidwerkzeugen (nicht dargestellt) versehen sind. Jedes Schneidrad 22 und 32 ist drehbar und kann willkürlich an einer beliebigen Stelle während der Drehbewegung angehalten werden. Während die Schneidräder 22 und 32 die Drehbewegung ausführen, bewegen sich die Auffahrmaschinen 20 und 30 vorwärts, wobei das Ausbruchmaterial ins Innere der Schneidräder 22 und 32 und mit Hilfe von Schneckenförderern u.a. jeweils in Rückwärtsrichtung transportiert wird. Dabei nehmen die oben genannten Auffahrmaschinen 20 und 30 von ihren Ausgangsschächten aus den Ausbruch jeweils in Richtung der zweiten Maschine auf einer projektierten Linie vor, so daß die aufgefahrenen Tunnel miteinander verbunden werden können.
Eine der Auffahrmaschinen 30 ist vorn mit den im Konsolidationsverfahren arbeitenden Bohrgeräten 34a, 34b und 34c für Bohrungen mit kleinem Durchmesser ausgestattet. Zu den oben genannten Bohrgeräten 34a, 34b und 34c gehören jeweils an der Vorderseite Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c, auf die später noch eingegangen werden soll, die Bohrgeräte dienen jedenfalls als Geräte zur Gewährleistung der Vorwärts- /Rückwärtsbewegung der Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c.
Jedes der oben genannten Bohrgeräte 34a, 34b und 34c ist auf der Rückseite des Schneidrads 32 der Auffahrmaschine 30 so eingebaut, daß sie einen Platz auf einem Kreis mit dem Radius r um die Fluchtlinie (Achsmittelpunkt) der Auffahrmaschine, um jeweils 90 º versetzt, einnehmen. Das heißt, die Bohrgeräte 34a, 34b und 34c sind bei (0, 0, r), (0, r, 0) und (0, -r, 0) angeordnet, wenn angenommen wird, daß die X-Achse in der Auffahrrichtung durch die Fluchtlinie der Auffahrmaschine 30, die Z-Achse in vertikaler Richtung und die Y-Achse in einer Richtung senkrecht zur X-Achse und Z-Achse verlaufen. Das Schneidrad 32 hat durchgehende Bohrungen (nicht dargestellt), die den Bohrgeräten 34a, 34b und 34c in der Weise entsprechen, daß die Durchgangsbohrungen mit den Bohrgeräten 34a, 34b und 34c zur Deckung kommen, wenn das Schneidrad 32 in einer Standardposition zum Stillstand gebracht wird. Die Bohrgeräte 34a, 34b und 34c sind also so angeordnet, daß sie in Vorwärtsrichtung von den Durchgangsbohrungen aus in das Material bohren, wenn das Schneidrad 32 in der Standardposition abgestellt wird, so daß die Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c vorwärts in Richtung der zweiten Auffahrmaschine 20 bewegt werden können.
Andererseits dient die zweite Auffahrmaschine 20 als Bezug für die Auffahrmaschine 30 und hat an der Vorder- oder Innenseite des Schneidrads 22 ebenfalls Magnetfelderzeuger 24a, 24b und 24c, die später beschrieben werden sollen. Die oben beschriebenen Magnetfelderzeuger 24a, 24b und 24c sind so angeordnet, daß sie mit den Bohrgeräten 34a, 34b und 34c der Auffahrmaschine 30 in der Weise übereinstimmen, daß die Fluchtlinien der Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c und die Fluchtlinien der Bohrgeräte 34a, 34b und 34c auf einer Achse liegen, wenn die Auffahrmaschinen 20 und 30 einander gegenüber positioniert sind und ihre Fluchtlinien miteinander zur Deckung und die Schneidräder 22 und 32 in Standardpositionen zum Stillstand gebracht werden.
Die Magnetfelderzeuger 24a, 24b und 24c sind jeweils an eine Strömversorgung 29 angeschlossen, und bauen, wenn sie mit Strom von der Stromversorgung 29 gespeist werden, Magnetfelder auf. Die Magnetfelderzeuger 24a, 24b und 24c haben den gleichen Aufbau, wie er für den Magnetfelderzeuger 24a in Fig. 2 beschrieben wurde, wo ein Paar von Leiterschleifensätzen 26a und 26b einen rechten Winkel zueinander bilden. Jeder der Leiterschleifensätze 26a und 26b besteht, wie in Fig. 3 gezeigt wird, aus einer Anzahl, beispielsweise aus fünf rechteckigen Letterschleifen 28a bis 28e. Die Leiterschleifen 28a bis 28e verlaufen parallel zur größeren Seite, und dabei überlappen benachbarte Leiterschleifen einander jeweils um die Hälfte. Jede der Leiterschleifen 28a bis 28e ist zudem an Wechselstromquellen 29a bis 29e der Stromversorgung 29 angeschlossen, so daß getrennt Magnetfelder erzeugt werden können. Die Leiterschleifen 28a bis 28e, die den Schleifensatz 26a bilden, sind so angeordnet, daß ihre größeren Seiten parallel zur Z-Achse der Auffahrmaschine 20 verlaufen. Ferner sind die Leiterschleifen 28a bis 28e, die den Schleifensatz 26b bilden, mit ihren größeren Seiten parallel zur Y-Achse der Auffahrmaschine 20 angeordnet.
Der Magnetfelddetektor 36a, mit dem das vom Magnetfelderzeuger 24a gebildete Magnetfeld gemessen wird, weist denselben Aufbau wie die Magnetfelddetektoren 36b und 36c auf und besteht aus einer Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a und einer Meßeinheit für die Richtung der Z-Achse 38b (siehe Fig. 2), von denen jede von einem Paar Meßspulen gebildet wird, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Von der Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a wird die Stärke des von dem Schleifensatz 26a erzeugten Magnetfeldes gemessen, und dann wird ein Meßsignal an den Positionsrechner 40 geliefert (siehe Fig. 1). In gleicher Weise wird von der Meßeinheit für die Richtung der Z-Achse 38b die Stärke des von dem Schleifensatz 26b erzeugten Magnetfeldes gemessen und dann ein Meßsignal an den Positionsrechner 40 geliefert.
Der Positionsrechner 40 berechnet den Abstand zwischen der Auffahrmaschine 30 und der Auffahrmaschine 20, die Richtung der Y-Achse, den Versatz von der Richtung der Z-Achse, den Längsneigungswinkel der Auffahrmaschine 20 gegenüber der X- Achse und den Querneigungswinkel anhand der von den Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c gelieferten Meßsignale sowie die von den Bohrgeräten 34a, 34b und 34c zurückgelegte Bohrstrecke und überträgt die Ergebnisse an eine Anzeigeeinrichtung 42, so daß sie dort abgelesen werden können.
Die Stellung der Auffahrmaschinen 20 und 30 zueinander kann nach der vorliegenden Ausführungsform wie folgt ermittelt werden:
Zunächst werden die Schneidräder 22 und 32 der entsprechenden Auffahrmaschinen 20 und 30 in den Standardpositionen zum Stillstand gebracht. Dann werden die Bohrgeräte 34a, 34b und 34c der Auffahrmaschine 30 in Betrieb genommen, um so weit zu bohren, bis ihre Vorlaufbereiche die Vorderseite der Auffahrmaschine 20 erreichen, die als Positionsbezug dient. Dadurch werden die Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c in die Nähe der Magnetfelderzeuger 24a, 24b und 24c gebracht. Die Tatsache, daß die Vorlaufbereiche eines jeden Bohrgeräts 34a, 34b und 34c die Vorderseite der Auffahrmachine 20 erreicht haben, kann anhand des Bohrwiderstandes u.a. festgestellt werden, so daß die von jedem der Bohrgeräte 34a, 34b und 34c zurückgelegte Bohrstrecke in den Positionsrechner 40 eingegeben wird.
Sind die Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c in die Nähe der Magnetfelderzeuger 24a, 24b und 24c gekommen, so wird die Stromversorgung für die Schleifensätze 26a eines jeden Magnetfelderzeugers 24a, 24b und 26c bzw. für die Leiterschleifen 28a bis 28e des Schleifensatzes 26b nacheinander eingeschaltet, so daß Magnetfelder erzeugt werden.
Mit Hilfe der Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a des Magnetfelddetektors 36a wird dann nacheinander die Stärke der Magnetfelder gemessen, die durch die Leiterschleifen 28a bis 28e erzeugt wird, die den Schleifensatz 26a des Magnetfelderzeugers 24a bilden, so daß ein Meßsignal, das der Magnetfeldstärke entspricht, an den Positionsrechner 40 geliefert wird. Mit Hilfe der Meßeinheit für die Richtung der Z-Achse 38b wird die Stärke der Magnetfelder gemessen, die von den Leiterschleifen 28a bis 28e aufgebaut werden, die den Schleifensatz 26b bilden, wodurch ein Meßsignal das der Magnetfeldstärke entspricht, an den Positionsrechner 40 geliefert wird.
Werden die Meßsignale von der Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a an den Positionsrechner 40 abgegeben, so wählt dieser ein Signal mit dem höchsten Signalpegel durch Vergleich der empfangenen Meßsignale aus. Wenn von der Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a das Signal mit dem höchsten Signalpegel registriert wird, ermittelt der Positionsrechner 40 eine Leiterschleife 28i, die ein Magnetfeld aufbaut, so daß die Position der Leiterschleife 28i in bezug auf die Fluchtlinie des Schleifensatzes 26a berechnet wird.
Beispielsweise berechnet der Positionsrechner 40, wenn im Falle dieser Ausführungsform das Meßsignal mit dem höchsten Signalpegel durch das Magnetfeld der Leiterschleife 28e erzeugt wird, die Entfernung ly zwischen der Fluchtlinie der Leiterschleife 28c und der Fluchtlinie der Leiterschleife 28e, und das Rechenergebnis wird in einer Speichereinheit (nicht dargestellt) gespeichert. Daraufhin berechnet der Positionsrechner 40 nach einer Gleichung, die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-65352 und in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-223035, eingereicht durch den Anmelder der vorliegenden Erfindung, offenbart wurde, den Versatz δy der Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a gegenüber der Fluchtlinie der Leiterschleife 28e. Der Positionsrechner 40 berechnet dann nach der Gleichung
dy = δy + ly ... (1)
den Versatz dy der Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a von der Fluchtlinie des Schleifensatzes 26a, d.h. den Versatz der Fluchtlinie des Bohrgeräts 34a von der Fluchtlinie des Magnetfelderzeugers 24a.
Zudem berechnet der Positionsrechner 40 in gleicher Weise die Werte des Versatzes der Bohrgeräte 34a, 34b und 34c in bezug auf die Richtung der Y-Achse und der Z-Achse von der Fluchtlinie der Magnetfelderzeuger 24a, 24b und 24c, so daß die Größe und die Richtung des Versatzes zwischen der Fluchtlinie dei Auffahrmaschine 30 und der Fluchtlinie der Auffahrmaschine 20 bestimmt werden. Die Rechenergebnisse werden auf die Anzeigeeinrichtung 42 ausgegeben.
Ferner errechnet der Positionsrechner 40 unter Berücksichtigung der zurückgelegten Bohrstrecke eines jeden Bohrgeräts 34a, 34b und 34c und bei Anwendung der Methode, die in der vom Anmelder der vorliegenden Erfindung eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 1-223035 offenbart wurde, den Längs- und Querneigungswinkel der Auffahrmaschine. Die so gewonnenen Ergebnisse werden auf die Anzeigeeinrichtung 42 ausgegeben.
Wie oben beschrieben, werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Magnetfelderzeuger 24a, 24b und 24c durch rechtwinklige Leiterschleifen 28a bis 28e gebildet. Deshalb kann das Verhältnis der größeren Seite zur kleineren Seite einer jeden Leiterschleife 28a bis 28e vergrößert werden. Auf diese Weise kann die Beeinflussung des von der kleineren Seite einer jeden Leiterschleife 28a bis 28e erzeugten Magnetfeldes auf die von jedem Magnetfelddetektor 36a, 36b und 36c gemessene Magnetfeldstärke verringert werden, so daß sich eine Verbesserung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Wertes des Versatzes zwischen der Auffahrmaschine 30 und der Auffahrmaschine 20 erzielen läßt. Zudem wird eine Anzahl Leiterschleifen 28a bis 28e parallel zur größeren Seite angeordnet, wobei sich eine Überlappung der benachbarten Leiterschleifen jeweils um die Hälfte ergibt. Somit kann, selbst wenn der Abstand zwischen den größeren Seiten zu gering ist, leicht der erforderliche Meßbereich gewährleistet werden, indem nie Anzahl der Leiterschleifen so gewählt wird, daß ihre Anordnung dem größtmöglichen Wert des geschätzten Versatzes entspricht.
Das Verhältnis der größeren zur kleineren Seite einer jeden Leiterschleife 28a bis 28e kann beliebig gewählt werden. Allerdings wird der Ausgangssignalpegel des Magnetfelddetektors (die registrierte Feldstärke) bei Verringerung des Abstands zwischen den größeren Seiten der Leiterschleifen kleiner. Wird also angenommen, daß der Magnetfelddetektor auf der Fluchtlinie einer bestimmten Leiterschleife angeordnet wird, so ist die Länge der größeren Seite der Leiterschleife b = konstant, und das Verhältnis der größeren Seite zum Abstand c zwischen Leiterschleife und Magnetfelddetektor entspricht 3 (b/c = 3), durch Ändern der Länge a der kleineren Seite (Abstand zwischen den größeren Seiten) ergeben sich bei b/a = ∞ jeweils relative Feldstärken, wie Fig. 4 zu entnehmen ist. Im Ergebnis verschlechtert sich die registrierte Feldstärke entsprechend der Verkürzung des Abstands zwischen einem Paar größerer Seiten. Unter Berücksichtigung des Abstands zwischen dem Magnetfelderzeuger und dem Magnetfelddetektor, der Länge der größeren Seite der Leiterschleife, die an der Auffahrmaschine 20 befestigt werden kann, und der Größe der Fehler, die in Fig. 31 dargestellt sind, wird also das Verhältnis der größeren Seite zur kleineren Seite der Leiterschleifen bestimmt, bei dem die erforderliche Genauigkeit erzielt wird. Die Überlappung der Leiterschleifen 28a bis 28e kann kleiner als die Hälfte der Strecke in Längsrichtung sein. Der Grund dafür, daß, bezug nehmend auf Fig. 4, die relative Feldstärke bei b/a = 3 mehr als 1 beträgt, ist dem Einfluß des durch die kleinere Seite a erzeugten Magnetfeldes zuzuschreiben.
Fig. 5 zeigt einen Leiterschleifensatz gemäß einer zweiten Ausführungsform. Unter Bezugnahme auf Fig. 5 besteht ein Leiterschleifensatz 26 (26a, 26b) aus der gemeinsamen Leitung 44, die als gerade Leitung ausgeführt ist, und einer Anzahl von Zweigleitungen 46a bis 46g, die mit der gemeinsamen Leitung 44 einen rechten Winkel bilden und zueinander parallel angeordnet sind. Die Enden der Zweigleitungen 46a bis 46g sind an der einen Seite in gleichen Abständen an die gemeinsame Leitung 44 angeschlossen, während sie an der anderen Seite mit den beweglichen Kontakten a bis g eines Schalters 48, beispielsweise eines Relais, verbunden sind. Eine Festkontaktseite des Schalters 48 ist mit einer einzelnen Wechselstromquelle 49 verbunden, so daß der Leiterschleifensatz 26 zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit elektrischem Strom gespeist werden kann.
Mit dem wie oben beschriebenen Aufbau des Leiterschleifensatzes 26 ergibt sich durch Einschalten des Schalters 48 eine Leiterschleife aus der Zweigleitung 46a, der gemeinsamen Leitung 44 und der Zweigleitung 46c, wobei der bewegliche Kontakt a mit Seite 1 (oder Seite 2) und der bewegliche Kontakt c mit Seite 2 (oder Seite 1) verbunden wird. Werden der bewegliche Kontakt b und Seite 1 (oder Seite 2) und der bewegliche Kontakt d und Seite 2 (oder Seite 1) miteinander verbunden, ergibt sich eine Leiterschleife aus der Zweigleitung 46b, der gemeinsamen Leitung 44 und der Zweigleitung 46d. Damit läßt sich die mit den Leiterschleifen 28a bis 28e gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform erreichbare Wirkung erzielen.
Bei dem Leiterschleifensatz 26 der oben beschriebenen Ausführung kann aufgrund des symmetrischen Aufbaus ein mit dem Anschlußteil des Schalters 48 verbundener Teil weggelassen werden. Des weiteren läßt sich durch Verbinden des beweglichen Kontakts a mit der Seite 1 (oder der Seite 2), durch Verbinden des beweglichen Kontakts g mit der Seite 2 (oder der Seite 1), durch Verbinden des beweglichen Kontakts b mit der Seite 1 (oder der Seite 2) oder durch Verbinden des beweglichen Kontakts f mit der Seite 2 (Seite 1) eine Leiterschleife mit beliebig gewählter Größe herstellen. Dadurch kann ein weiterer Vorteil erzielt werden, der darin besteht, daß die für die Ermittlung der Position benötigte Zeit verkürzt werden kann, beispielsweise indem die der Zeichnung entsprechende Position erreicht wird, wozu die größte Leiterschleife mit Hilfe einer Steuervorrichtung mit Strom versorgt wird, bevor die Größe der Leiterschleife verringert wird, um die tatsächliche Position zu ermitteln.
Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Magnetfelddetektor 36 mittels Bohrgerät 34 vorbewegt wird, kann auch der Magnetfelderzeuger vorwärtsbewegt werden. Es kann auch ein anderer Aufbau vorgesehen werden, bei dem sowohl der Magnetfelderzeuger als auch der Magnetfelddetektor 36 vorbewegt werden. Obwohl der Aufbau gemäß der oben ausgeführten Ausführungsform beschrieben wird, bei der die zwei Auffahrmaschinen 20 und 30 achsfluchtend aufeinander treffen sollen, kann die vorliegende Erfindung auch für einen Fall angewendet werden, bei dem das Bohrgerät 34 zum Vorwärtsbewegen des Magnetfelddetektors 36 in einem Zielschacht angeordnet ist und die Position der Auffahrmaschine in bezug auf den Zielschacht gewonnen wird. Die oben beschriebene Ausführungsform ist zwar für eine Variante vorgesehen, bei der das nach dem Konsolidationsverfahren arbeitende Bohrgerät 34 für kleine Bohrdurchmesser als Vortriebsgerät für die Vorwärtsbewegung des Magnetfelddetektors 36 eingesetzt wird, das Vortriebsgerät ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Gemäß der oben ausgeführten Ausführungsform wird ein Aufbau beschrieben, bei dem eine Anzahl von Magnetfelderzeugern und Bohrgeräten eingesetzt wird. Es kann jedoch auch ein Aufbau vorgesehen werden, bei dem nur eines der Elemente einzeln eingesetzt wird, um die Messungen vorzunehmen, indem seine Position gegenüber der Auffahrmaschine durch Umsetzen der oben beschriebenen Elemente geändert wird.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform.
Die Leiterschleifen 28a bis 28e, die je einen Leiterschleifensatz 26a und 26b bilden, sind an die jeweiligen Wechselstromquellen 29a bis 29e angeschlossen, die die Stromversorgung 29 darstellen. Die oben beschriebenen Wechselstromquellen 29a bis 29e sind jeweils an eine Steuervorrichtung 50 angeschlossen, so daß die Steuervorrichtung 50 Schaltsteuersignale an die Wechselstromquellen 29a bis 29e liefert. Somit werden die Leiterschleifen 28a bis 28e, die den Wechselstromquellen 29a bis 29e entsprechen, nacheinander zugeschaltet, so daß sie erregt werden. Möglich ist die Anwendung eines Verfahrens der Erregung der Leiterschleifen 28a bis 28e, d.h. ein willkürliches Schema für die Abgabe eines Schaltsteuersignals von der Steuervorrichtung 50 an die Stromversorgung 29. Es kann beispielsweise eine Anordnung eingesetzt werden, wie in Fig. 7 dargestellt ist, bei der die Wechselstromquellen 29a bis 29e nacheinander eingeschaltet werden, so daß sie nur für den Zeitraum T eingeschaltet bleiben. Es läßt sich auch eine weitere Anordnung, wie sie in Fig. 8 gezeigt wird, einsetzen, bei der ein Steuersignal in einem Abstand von jeweils ΔT übertragen wird und die Steuersignale paarweise kontinuierlich an eine erste Wechselstromquelle 29a und ein einzelnes Steuersignal an die andere Wechselstromquelle geliefert werden, so daß die erste Leiterschleife 28a ermittelt werden kann. Zudem kann ein Steuersignal über einen Zeitraum (beispielsweise für nT Sekunden, wenn es sich um den n-ten Leluer handelt), zugeschaltet werden, wobei dies der Ordnungszahl der Leiterschleife entspricht.
In diesem Fall läßt sich eine beliebig gewählte Leiterschleife 28i beispielsweise dadurch ermitteln, daß der Positionsrechner 40 mit einem Zähler ausgestattet ist, so daß die vom Magnetfelddetektor gelieferten Meßsignale gezählt werden. Die genannte Leiterschleife läßt sich auch ermitteln, indem die Magnetfelderzeugerseite 24 und die Magnetfelddetektorseite 36 miteinander synchronisiert werden. Fig. 8 zeigt ein Schema, nach dem die Leiterschleife erregt werden kann. Wird angenommen, daß der Pegel des Meßsignals, das vom Magnetfelddetektor in Übereinstimmung mit dem von jeder Leiterschleife erzeugten Magnetfeld übertragen wird, der Darstellung in Fig. 9 entspricht, ermittelt der Positionsrechner 40 von dem Zeitpunkt an, zu dem Meßsignale gleicher Stärke empfangen wurden, die Ordnungsnummer des Meßsignals mit dem höchsten Pegel, so daß die Leiterschleife 28i bestimmt werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, schaltet die Steuervorrichtung 50 nacheinander die Leiterschleifen 28a bis 28e ein, so daß sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten Magnetfelder erzeugen. Auf diese Weise kann die Leiterschleife, die das Magnetfeld erzeugt, leicht identifiziert werden, so daß sich ein genauer Wert des Versatzes ermitteln läßt.
Fig. 10 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform. Unter Bezugnahme auf Fig. 10 gehören zur Steuervorrichtung 50 eine Schalteinheit, bestehend aus einem Multiplexer, einem Relais und einem Steuerblock (die alle nicht dargestellt sind) zur Steuerung der Schalteinheit. Die Leiterschleifen 28a bis 28e und die eine Wechselstromquelle 49 sind entsprechend mit der Schalteinheit verbunden. Die Taktgeber 54 und 56 sind mit dem Steuerblock der Steuervorrichtung 50 und dem Positionsrechner 40 verbunden. Damit erfolgen die Erregung einer jeden Leiterschleife 28a bis 28e, gesteuert durch die Steuervorrichtung 50, und die Zuführung des vom Magnetfelddetektor 36 übertragenen Signals an den Positionsrechner 40 synchronisiert.
Gemäß dieser Ausführungsform mit dem beschriebenen Aufbau läßt sich durch gleiche Zeiteinstellung der Taktgeber 54 und 56 und durch Synchronisierung des Zeitraums und des Abstands, in denen die Steuervorrichtung 50 das Schaltsteuersignal an die Schalteinheit überträgt, und des Zeitraums und des Abstands, in denen der Positionsrechner 40 das Meßsignal vom Magnetfelddetektor 36 erhält, leicht die Leiterschleife ermitteln, die das Magnetfeld erzeugt.
Eine fünfte Ausführungsform wird in Fig. 11 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist der in Fig. 5 gezeigte Schalter 48 mit der Steuervorrichtung 50 verbunden, so daß der Schaltbetrieb des Schalters 48 durch die Steuervorrichtung 50 gesteuert wird.
Die Fig. 12 bis 14 veranschaulichen eine sechste Ausführungsform Bezugnehmend auf diese Zeichnungen, besteht die Stromversorgung 29 aus den Wechselstromquellen 29fa bis 29fe, die jeweils unterschiedliche Ausgangsfrequenzen haben. Die Leiterschleifen 28a bis 28e, die die Leiterschleifensätze 26a und 26b bilden, sind an die oben beschriebenen Wechselstromquellen 29fa bis 29fe angeschlossen. Die von den Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c übertragenen Meßsignale werden über die Filter 58a bis 58c geführt und an den Positionsrechner geliefert (siehe Fig. 12).
Die Filtereinrichtungen 58a - 58c bestehen, wie in Fig. 14 gezeigt, aus den Bandfiltern 60a und 60b. Meßspulen 62a und 62b, die die Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a oder die Meßeinheit für die Richtung der Z-Achse 38b bilden, sind mit den Eingangsseiten der oben beschriebenen Bandfilter 60a und 60b verbunden. Zudem ist eine Steuereinheit 64 des Positionsrechners 40 an die Bandfilter 60a und 60b angeschlossen, so daß die Achsfluchtungsfrequenz des Filters in Übereinstimmung mit einem von der Steuereinheit 64 gelieferten Steuersignal variiert werden kann. Des weiteren sind Verstärker 68a und 68b an die Ausgangsseite der Bandfilter 60a und 60b angeschlossen, so daß die Ausgangssignale von den Verstärkern 68a und 68b dem Positionsrechner 40 zugeleitet werden.
Der Positionsrechner 40 besteht aus einer Steuereinheit 64 und einer Signalverarbeitungseinheit 66, so daß die Signalverarbeitungseinheit 66 entsprechend den von der Steuereinheit 64 gelieferten Taktsignalen Meßsignale von den Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c über die Bandfilter 60a und 6db sowie die Verstärker 68a und 68b erhält. Daraufhin berechnet der Positionsrechner 40 den Abstand zwischen der Auffahrmaschine 30 und der Auffahrmaschine 20, die Richtung der Y-Achse, die Größe des Versatzes in Richtung Z-Achse, den Längsneigungswinkel in bezug auf die Fluchtlinie (X-Achse) der Auffahrmaschine 20 sowie den Querneigungswinkel gemäß den oben beschriebenen Meßsignalen und der Bohrstrecke, die von den Bohrgeräten 34a, 34b und 34c zurückgelegt wurde, und liefert die Berechnungsergebnisse zur Ausgabe an die Anzeigeeinrichtung.
Bei dieser Ausführungsform mit dem oben beschriebenen Aufbau werden die Achsfluchtungsfrequenzen der Bandfilter 60a und 60b durch die Steuereinheit 61 des Positionsrechners 40 nacheinander verändert, so daß sie mit den von den Wechselstromquellen 29fa bis 29fe übertragenen Frequenzen übereinstimmen. Die von den Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c gelieferten Meßsignale, die über die Bandfilter 60a und 60b geleitet wurden, werden von den Verstärkern 68a und 68b verstärkt, bevor sie an die Signalverarbeitungseinheit 66 des Positionsrechners 40 übertragen werden.
An die Signalverarbeitungseinheit 66 als Einrichtung, die Meßsignale empfängt, werden die von der Steuereinheit 64 auf die Bandfilter 60a und 60b übertragenen Frequenzselektionssignale geliefert. Synchron mit dem Empfang der Signale liest sie die von den Verstärkern 68a und 68b übertragenen Meßsignale, so daß die so gelesenen Meßsignale verglichen werden können. Dabei wird als Ergebnis ein Signal ausgewählt, das den höchsten Pegel aufweist. Mit Hilfe des Positionsrechners 40 wird die Leiterschleife 28i ermittelt, die ein Magnetfeld erzeugt, mit dem mit Hilfe der Meßeinheit für die Richtung der Y-Achse 38a das Signal mit dem höchsten Pegel gemessen wird. Somit wird die Position der ermittelten Leiterschleife 28i in bezug auf die Fluchtlinie des Schleifensatzes 26a berechnet.
Wie oben bereits erläutert wurde, haben die Wechselstromquellen 29fa bis 29fe unterschiedliche Ausgangsfrequenzen und sind somit auch die von den Leiterschleifen 28a bis 28e erzeugten Magnetfelder Wechselstrommagnetfelder mit unterschiedlichen Frequenzen. Deshalb werden die Pegel der von den Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36c übertragenen Meßsignale zum Messen der Magnetfeldstärke entsprechend der induzierten elektromotorischen Kraft der Meßspule durch die Frequenz der mit den Leiterschleifen 28a bis 28e erzeugten Magnetfelder geändert.
Beispielsweise entsprechen in dem Falle, daß die Leiterschleifen A, B und C, deren Länge jeweils 2a ist, mit Wechselstrom der Frequenz f (= 276 Hz), 2f (= 552 Hz) und 3f (= 828 Hz) erregt werden, die Meßsignale, die durch die von den Leiterschleifen A, B und C aufgebauten Magnetfelder erzeugt werden, den in Fig. 16 dargestellten Charakteristika. Somit ist, wenn die Leiterschleifen A, B und C gleichzeitig erregt werden, die Ermittlung der Leiterschleife 28i nur anhand des Pegels des Meßsignals nicht genau möglich, selbst wenn die Bandfilter 60a und 60b genutzt werden, da die Stärke des Meßsignals aufgrund des Magnetfeldes sowohl der Leiterschleife B als auch C manchmal größer sein kann, wenn sich der Magnetfelddetektor im Bereich der Leiterschleife A befindet. Deshalb wird das von jeder Leiterschleife erzeugte Magnetfeld umgekehrt proportional zur Erregungsfrequenz oder das vom Magnetfelddetektor übertragene Meßsignal auf einen Pegel umgekehrt proportional der Erregungsfrequenz gewandelt.
Somit entspricht bei einem solchen Aufbau die Meßsignalstärkeverteilung Fig. 17. Die Stärke der Meßsignale, die die Bandfilter 60a und 60b passiert haben, entspricht den Charakteristika in Fig. 18. Im Ergebnis läßt sich leicht die Leiterschleife ermitteln, die das Meßsignal mit dem höchsten Pegel erzeugt. Die Leiterschleife 28i kann zuverlässig bestimmt werden.
Wie oben beschrieben, werden gemäß dieser Ausführungsform die Leiterschleifen 28a bis 28e mit unterschiedlichen Frequenzen erregt, und die Meßsignale, die den Erregungsfrequenzen entsprechen, werden in Übereinstimmung mit den Ausgangssignalen der Magnetfelddetektoren 36a, 36b und 36b den Bandfiltern 60a und 60b zugeführt. Auf diese Weise kann, auch wenn die Leiterschleifen 28a bis 28e gleichzeitig erregt werden, die Leiterschleife leicht bestimmt werden, die das Magnetfeld erzeugt, das das Meßsignal mit dem höchsten Pegel entstehen läßt.
Fig. 19 veranschaulicht eine siebente Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf Fig. 19 besteht ein Magnetfelderzeuger 70, der für die Auffahrmaschine 20 vorgesehen ist, aus einem Paar rechteckiger im rechten Winkel zueinander angeordneter Leiterschleifen 70a und 70b zur Signalübertragung. Die Signalübertragungsleiterschleife 70a ist so angeordnet, daß ihre Fluchtlinie mit der Fluchtlinie der Auffahrmaschine 20 übereinstimmt, und sie wird an die Wechselstromquellen 72a bzw. 72b angeschlossen.
Die zweite Auffahrmaschine 30 ist vorn in der Mitte mit einem Bohrgerät 34 für kleine Bohrdurchmesser ausgestattet. Zu dem Bohrgerät 34 gehören ein erster Magnetfelddetektor 74 unmittelbar an den Vorlaufbereichbereich des Geräts angrenzend und ein zweiter Magnetfelddetektor 76 in einem bestimmten Abstand L zurückgesetzt.
Der erste Magnetfelddetektor 74 und der zweite Magnetfelddetektor 76 sind auf der Achse des Bohrgeräts 34 angeordnet und bestehen aus den Detektoren für den Versatz in Richtung der Y-Achse 74a und 76a und den Detektoren für den Versatz in bezug auf die Z-Achse 74b und 76b. Jede der Meßeinheiten 74a, 74b, 76a und 76b besteht aus einem Paar Aufnahmespulen, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Die Meßeinheiten für den Versatz in Richtung Y-Achse 74a und 76b sind so ausgeführt, daß sie die Stärke des Magnetfeldes messen können, das von einem Paar größerer Seiten der für die Signalübertragung bestimmten Leiterschleife 70a erzeugt wird, so daß elektrische Signale, die der gemessenen Stärke des Magnetfeldes entsprechen, an ein Rechengerät, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, übertragen werden. Die Meßeinheiten für den Versatz in Richtung Z-Achse 74b und 76b sind so ausgeführt, daß sie die Stärke des Magnetfeldes messen können, das von einem Paar größerer Seiten des Signalübertragungsleiters 70b erzeugt wird, so daß elektrische Signale, die der gemessenen Stärke des Magnetfeldes entsprechen, an das Rechengerät übertragen werden.
Gemäß dieser Ausführungsform mißt ein Paar Empfangsspulen, die die Meßeinheit für den Versatz in Richtung Y-Achse 74a bilden, die Stärke des von den größeren Seiten des Signalübertragungsleiters 70a erzeugten Magnetfeldes, so daß ein Meßsignal an den Rechner geliefert wird. Der in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-65352 vom Anmelder der vorliegenden Erfindung offenbarte Rechner berechnet nach der Gleichung
y1 = l (V2 - V1)/2 (V1 + V2) ...(2)
in der V1 und V2 die induzierte elektromotorische Kraft sind, die in einem Paar Empfangsspulen erzeugt wird, die die Meßeinheit für den Versatz in Richtung Y-Achse 47a bilden, und in der l der Abstand zwischen der Empfangsspule und der Oberfläche ist, auf der der Signalübertragungsleiter 70a angeordnet ist, den Versatz y der Empfangsspule (des ersten Magnetfelddetektors 74) in Richtung Y-Achse in bezug auf die Z-Achse.
An den Rechner wird ebenso der Versatz z1 des ersten Magnetfelddetektors 74 in Richtung Z-Achse in bezug auf die Y- Achse entsprechend dem Meßsignal, das von der Meßeinheit für den Versatz in Richtung Z-Achse 74b des ersten Magnetfelddetektors 74 übertragen wird, geliefert. Ferner werden an den Rechner der Versatz des Magnetfelddetektors 76 y2 in Richtung Y-Achse und der Versatz des Magnetfelddetektors 76 z2 in Richtung Z-Achse geliefert. Daraufhin berechnet der Rechner anhand der gewonnenen Werte y1, y2, z1 und z2 die Winkelabweichung des Bohrgeräts 34 gegenüber der Auffahrmaschine 20.
Wenn, wie in Fig. 20 dargestellt, beispielsweise angenommen wird, daß θ ein Winkel ist, der von einem Segment G (der Achse des Bohrgeräts), das den ersten Magnetfelddetektor 74 und den zweiten Magnetfelddetektor 76 verbindet, gegenüber der XY- Ebene gebildet wird, und φ ein Winkel ist, der von Segment G gegenüber der XY-Ebene gebildet wird, können die oben beschriebenen Winkel θ und φ wie folgt gewonnen werden:
θ = sin&supmin;¹{(z2 - z1)/L} ... (3)
φ = cos&supmin;¹{(y2 - y1)/L} ... (4)
Auf diese Weise lassen sich die Winkelabweichung und die Abweichungsrichtung der Auffahrmaschine 30, deren Fluchtlinie mit dem Bohrgerät 34 übereinstimmt, gegenüber der Auffahrmaschine 20 ermitteln. Zudem kann die Entfernung zwischen den Auffahrmaschinen 20 und 30 aus der Bohrstrecke bestimmt werden, die zurückgelegt wurde, bis der Vorlaufbereich des Bohrgeräts 34 die Vorderseite der Auffahrmaschine 20 erreicht hat. Ferner lassen sich der Versatz in Richtung Y- und Z-Achse zwischen der Fluchtlinie der Auffahrmaschine 20 und der der Auffahrmaschine 30 genau ermitteln.
Wie vorstehend beschrieben, kann mit der erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsanlage die Position der Auffahrmaschine exakt bestimmt werden, so daß die zwei aufeinanderzuarbeitenden Auffahrmaschinen genau achsfluchtend aufeinandertreffen.

Claims

1. Positionsbestimmungsanlage für eine Auffahrmaschine( underground excavator), die so aufgebaut ist, daß ein Magnetfelderzeuger (24a, 24b, 24c) entweder im Vorlaufbereich der Auffahrmaschine (20, 30) oder an einer Position vor der Auffahrmaschine vorgesehen ist, wobei die als Bezugspunkt dienende Position von einer Anzahl rechteckiger Leiterschleifen (26a, 26b) gebildet wird, die parallel zueinander angeordnet sind und dabei benachbarte Leiterschleifen überlappen, wobei zur Positionsbestimmungsanlage für eine Auffahrmaschine (20,30) gehören:

ein Magnetfelddetektor (36a, 36b, 36c), der im jeweiligen Vorlaufbereich der Auffahrmaschine (30) oder am Bezugspunkt angeordnet ist und mit dem das von jeder Leiterschleife (26a, 26b) erzeugte Magnetfeld gemessen wird;

ein Vortriebsgerät für die Vorwärtsbewegung entweder zumindest der Magnetfelddetektoren (36a, 36b, 36c) oder der Magnetfelderzeuger (24a, 24b, 24c), so daß sie in eine größere Nähe zueinander gebracht werden; und

ein Positionsrechner (40) zur Berechnung der Position der Auffahrmaschine gegenüber der Bezugsposition gemäß der vom Vortriebsgerät zurückgelegten Strecke der und einem vom Magnetfelddetektor (36a, 36b, 36c) gelieferten Meßsignal.

2. Anlage nach Anspruch 1, bei der der Magnetfelderzeuger (24a, 24b, 24c) aus einer gemeinsamen Leitung und einer Anzahl von parallelen Zweigleitungen besteht, deren Anschlüsse mit der gemeinsamen Leitung verbunden sind und deren übrige Anschlüsse jeweils mit einem Schalter (50) verbunden sind, der zwischen sie und eine Stromversorgung (49) geschaltet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1, bei der eine Anzahl von Leiterschleifen an eine Steuervorrichtung (50) angeschlossen ist, die sie nacheinander zuschaltet und erregt.

4 Anlage nach Anspruch 1, zu der gehören:

eine Stromversorgung (29, 49) zur Erregung einer jeden Leiterschleife (25a, 28b, 28c, 28d, 28e) bei unterschiedlichen Frequenzen;

ein Filter (58a, 58b, 58c), an das vom Magnetfelddetektor (36a, 36b, 36c) ein Meßsignal geliefert wird und das ein Meßsignal mit einer Frequenz passieren läßt, die der Frequenz entspricht, mit der die Leiterschleife erregt wurde;

ein Positionsrechner zum Berechnen der Position der Auffahrmaschine gegenüber der Bezugsposition gemäß der vom Vortriebsgerät zurückgelegten Strecke der und einem Meßsignal, das das Filter passiert hat.

5. Anlage nach Anspruch 4, bei der der Positionsrechner über eine Steuereinheit (64) zum Zuschalten der Mittenfrequenz des Filters verfügt.

6. Anlage nach Anspruch 1, zu der gehören:

ein für eine der Auffahrmaschinen bestimmter oder an der Bezugsposition angeordneter erster Magnetfelddetektor, der das vom Magnetfelderzeuger aufgebaute Magnetfeld mißt,

ein zweiter Magnetfelddetektor, der hinter dem ersten Magnetfelddetektor angeordnet ist und das vom Magnetfelderzeuger aufgebaute Magnetfeld mißt; und

ein für den Einsatz bei einer der Auffahrmaschinen bestimmtes oder an der Bezugsposition angeordnetes Vortriebsgerät, das zur Vorwärtsbewegung des Magnetfelderzeugers oder jedes der Magnetfelddetektoren dient, so daß der Magnetfelderzeuger und der jeweilige Magnetfelddetektor in größere Nähe zueinander gebracht werden.