EP0580585B1

EP0580585B1 - Tunnelvortriebsmaschine

Info

Publication number: EP0580585B1
Application number: EP92903024A
Authority: EP
Inventors: Gebhard Lehmann; Rolf Heerssen; Martin Herrenknecht
Original assignee: Herrenknecht GmbH
Current assignee: Herrenknecht GmbH
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1992-01-25
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2012-01-25
Also published as: US5437500A; DE4113208C2; EP0580585A1; WO1992018751A1; DE59205869D1; DE4113208A1

Abstract

Eine Tunnelvortriebsmaschine zum Bohren eines Tunnels verfügt neben einem großen äußeren Schneidrad (8) über ein kleineres zentrales Schneidrad (17), das im Bereich der Nabe des äußeren Schneidrads (8) angeordnet ist und es dadurch gestattet, das Bilden von Bodenpfropfen und toten Kernen im Bereich der Längsachse des Schneidrades (8) zu vermeiden, so daß der Vortriebswiderstand der Tunnelvortriebsmaschine reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tunnelvortriebsmaschine zum Bohren eines Tunnels mit einem in das Erdreich vortreibbaren Schild, in dem ein antreibbares und mit Abbauwerkzeugen ausgestattetes äußeres Schneidrad und ein im Nabenbereich des Schneidrades angeordneter, gegenüber dem Schneidrad drehbarer, ebenfalls Abbauwerkzeuge aufweisender Zentrumsschneider mit einem zentralen Schneidrad angeordnet sind und in dem Fördermittel zum Abtransport des anfallenden Abraumes vorgesehen sind.
In der DE-A-1 534 612 ist eine derartige Tunnelvortriebsmaschine beschrieben. Der Zentrumssechneider des bekannten Gegenstandes ist auf einer Sonnenwelle angeordnet, die von dem äußeren Schneidrad über Planeten- und Sonnenritzel angetrieben ist und somit getrieblich an die Rotationsbewegung des äußeren Schneidrades gekoppelt ist. Die Drehrichtung des Zentrumsschneiders ist gegenläufig zur Drehrichtung des äußeren Schneidrades vorgesehen, wobei eine gleiche mittlere Umfangsgeschwindigkeit der beiden Schneidräder angestrebt ist.
Das von dem äußeren Schneidrad mit Hilfe von als Abbauwerkzeuge dienenden angeschrärften Scheiben gelockerte Erdreich ist wahlweise über ein Förderband oder über eine Zellenradschleuse einem endlosen Bandförderer oder einer Blasleitung zuführbar.
Der Zentrumschneider weist als Abbauwerkzeug einen Dreikegelrollenmeißel auf, in dem durch eine zentrale Öffnung der Abraum in die hohle Sonnenwelle eingebracht und abgeführt wird.
Die bekannte Vorrichtung gewährleistet bei homogenen geologischen Verhältnissen einen guten Streckenvortrieb, da durch den gegenläufigen Antrieb der beiden Schneidräder eine Erdpfropfbildung im Nabenbereich der Tunnelvortriebsmaschine vermieden ist.
Wechselt beim Streckenvortrieb die angefahrene Lithologie, ist es mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich, die durch die Kopplung der beiden Schneidräder bedingte Drehzahl- und Drehrichtungsabhängigkeit zwischen dem äußeren Schneidrad und dem Zentrumsschneider zu verändern, um einen möglichst optimalen Streckenvortrieb aufrechtzuerhalten. Durch Verändern der Drehzahl oder der Drehrichtung ist entweder das äußere Schneidrad oder der Zentrumsschneider den entsprechenden lithologischen Gegebenheiten anpaßbar.
Die zentrale Öffnung in dem Zentrumsschneider ist zur Aufnahme von Bohrmehl oder kleineren Gesteinsbruchstücken für einen Abtransport durch die Sonnenwelle geeignet. Größere Gesteinsbruchstücke sind nur über die dem äußeren Schneidrad zugeordneten Fördermittel abtransportierbar. Werden größere Bruchstücke in die Öffnung des Dreikegelrollenmeißeles eingespült, kann ein gleichmäßiger Abtransport behindert sein, was eine Verstopfung der Sonnenwelle zur Folge haben kann. Dies gilt insbesondere, wenn die Tunnelvortriebsmaschine luftgestützt vorgetrieben wird.
Aus der WO 81/00590 ist eine Tunnelvortriebsmaschine mit einem Schneidrad bekannt, bei der zur Erzeugung eines relativ feinkörnigen Abraumes eine Vielzahl von Rollenmeißeln als Abbauwerkzeuge an der Vorderseite des Schneidrades angeordnet sind. Ein Zentrumsschneider ist bei dieser Vorrichtung jedoch nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Tunnelvortriebsmaschine zu schaffen, deren Schneidradrotation und deren Abraumabtransport beim Vortrieb an die Lithologie der angefahrenen Ortsbrust anpaßbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zentrumsschneider über einen vom äußeren Schneidrad unabhängigen Antrieb für beide Drehrichtungen verfügt und daß der Zentrumsschneider wenigstens eine Eintrittsöffnung für das abzubauende Erdreich aufweist, die in einen Brecherraum mündet.
Da das äußere Schneidrad und der Zentrumsschneider über eigene Antriebe verfügen, sind das äußere Schneidrad und der Zentrumsschneider unabhängig voneinander bezüglich ihrer Rotationsgeschwindigkeit und ihrer Drehrichtung steuerbar.
Um auch gröberes Material im Nabenbereich der Tunnelvortriebsmaschine zentral abzuführen, verfügt der Zentrumsschneider über wenigstens eine Eintrittsöffnung für das abzubauende Erdreich. Die Eintrittsöffnungen sind radial um die Drehachse des Zentrumsschneiders angeordnet und münden in einen Brecherraum. Der Brecherraum steht unmittelbar mit einem Fördermittel, vorzugsweise einer Spül- und Absaugleitung, in Verbindung steht, so daß das abgebaute Erdreich im Brecherraum ausreichend nachzerkleinert von dem Zentrumsschneider abführbar ist.
Die Spül- und Absaugleitung des Zentrumsscheiders ist unabhängig von dem dem äußeren Schneidrad zugeordneten Fördermittel steuerbar, so daß beispielsweise bei einer hohen Drehzahl des Zentrumsschneiders und bei einer geringen Drehzahl des äußeren Schneidrades der im Nabenbereich relativ rascher anfallende Abraum entsprechend rascher abführbar ist.
Das zentrale Schneidrad des Zentrumsschneiders verfügt vorzugsweise über eine Felge, durch die ein zwischen dem Zentrumsschneider und der Öffnung im zentralen Schneidrad für den Zentrumsschneider vorhandener Ringspalt in Vortriebsrichtung abgedeckt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das zentrale Schneidrad des Zentrumsschneiders mit mehreren Eintrittsöffnungen versehen, an deren Berandung jeweils Schälmesser oder sonstige Abbauwerkzeuge vorgesehen sind. Insbesondere ist es möglich, das zentrale Schneidrad mit mehreren in Vortriebsrichtung arbeitenden Rollenmeißeln auszustatten. Entlang der Felge des zentralen Schneidrades des Zentrumsschneiders können Karbidaufträge vorgesehen sein.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: den vorderen Schildbereich einer Tunnelvortriebsmaschine gemäß der Erfindung im Schnitt mit einer ausgebrochenen Teilansicht des Zentrumsschneiders,
Fig. 2: eine Ansicht auf die Tunnelvortriebsmaschine gemäß Fig. 1 in einer Ansicht entgegen der Vortriebsrichtung,
Fig. 3: ein gegenüber Fig. 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Tunnelvortriebsmaschine mit einem Rollenbohrwerkzeuge aufweisenden Zentrumsschneider und
Fig. 4: eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht des Zentrumsschneiders in einer gegenüber den Fig. 2 und 3 etwas vergrößerten Darstellung.

In Fig. 1 erkennt man den am vorderen Teil einer Tunnelvortriebsmaschine oder Tunnelbohrmaschine für den Tunnelbau vorgesehenen Schild 1 im Längsschnitt. Der Schild 1 weist einen zylindrischen Schildmantel 2 auf, der an dem in Vortriebsrichtung weisenden vorderen Ende mit einer Schildschneide 3 versehen ist. Da die Fig. 2 nach rechts abgebrochen ist, sind in Fig. 1 weder der Schildschwanz des Schildes 1 noch die übrigen Teile der Tunnelvortriebsmaschine dargestellt.
Koaxial zum Schildmantel 2 erstreckt sich ein in axialer Richtung gegenüber dem Schildmantel 2 kurzes Zentrumsrohr 4. Das Zentrumsrohr 4 ist an seinem in Fig. 1 rechten Ende mit Hilfe einer Druckwand 5 und an seinem in Fig. 1 linken Ende mit Hilfe einer Tauchwand 6 befestigt. Sowohl die Druckwand 5 als auch die Tauchwand 6 sind ringförmig ausgebildet, wobei der Außendurchmesser des Ringes jeweils dem Schildmantelinnendurchmesser und der Innendurchmesser des Ringes jeweils dem Zentrumsrohraußendurchmesser entspricht.
Die Tauchwand 6 ist mit einer in Fig. 1 unten dargestellten Tauchwandöffnung 7 versehen, die in Fig. 2 in Ansicht zu erkennen ist.
In Fig. 2 erkennt man den bereits erwähnten Schildmantel 2 und die Tauchwand 6, vor der in Vortriebsrichtung ein in den Fig. 1 und 2 dargestelltes äußeres Schneidrad 8 angeordnet ist.
Das Schneidrad 8 verfügt über mehrere Schneidarme 9. Die Schneidarme 9 des äußeren Schneidrades 8 sind jeweils mit mehreren Abbauwerkzeugen 10 versehen, die beim Vortrieb der Tunnelvortriebsmaschine das Erdreich im Bereich der Ortsbrust abtragen, wobei dieses vermischt mit Wasser in die durch die Tauchwand 6 nach hinten begrenzte Abbaukammer 11 und über die Tauchwandöffnung 7 in die Druckkammer 12 gelangt, von wo aus das mit Wasser vermischte Erdreich über eine Saugleitung 13 mit Hilfe einer Kreiselpumpe zu einer Separieranlage abgepumpt wird, die sich zum Beispiel über Tage befindet. Um ein Verstopfen der Saugleitung 13 zu vermeiden, ist zum Beispiel die Tauchwandöffnung 7 mit einem aus mehreren Gitterstäben 14 bestehenden Gitter versehen.
Das Schneidrad 8 verfügt im Bereich seiner Nabe über eine Aufnahmeöffnung 15 zur Aufnahme eines beispielsweise ähnlich einer Mikromaschine ausgebildeten Zentrumsschneiders 16 mit einem zentralen Schneidrad 17.
Das äußere Schneidrad 8 ist an seiner von den Abbauwerkzeugen 10 wegweisenden Rückseite mit einem Anschlußflansch 18 versehen. Der Anschlußflansch 18 des äußeren Schneidrades 8 ist mit einem Abtriebsflansch 19 drehfest verbunden. Der Abtriebsflansch 19 ist Teil eines äußeren Schneidradantriebs 20, über den das äußere Schneidrad 8 sowohl rechtsdrehend als auch linksdrehend angetrieben werden kann. Dazu sind mehrere hydraulische oder elektrische Antriebsmotoren 21 vorgesehen, die über in Untersetzungsgetriebegehäusen 22 untergebrachten Untersetzungsgetrieben mit Antriebsritzeln 23 gekoppelt sind, von denen in Fig. 1 eins dargestellt ist.
Das Antriebsritzel 23 ist im Hauptgetriebegehäuse 24 der Tunnelvortriebsmaschine gelagert und über eine Ritzelwelle 65 mit dem Untersetzungsgetriebe des Antriebsmotors 21 verbunden. Das Hauptgetriebegehäuse 24 verfügt über einen Getriebegehäuseinnenmantel 25, der als kurzes Rohrstück ausgebildet ist und sich zwischen einer ringförmigen vorderen Getriebegehäusewand 26 und einer hinteren Getriebegehäusewand 27 erstreckt.
Wie man in Fig. 1 erkennt, ist das Hauptgetriebegehäuse 24 am Zentrumsrohr 4 befestigt. Entlang dem Zentrumsrohr 4 erstreckt sich ein Lager 28, wobei der Lageraußenring 29 fest mit dem Hauptgetriebegehäuse 24 und der Lagerinnenring 30 mit dem Antriebsflansch 19 fest verbunden ist. Der Lagerinnenring 30 verfügt über eine Verzahnung 31, in die die Zähne des Antriebsritzels 23 eingreifen.
Um zu verhindern, daß Material aus der Abbaukammer 11 in das Lager 28 eindringen kann, ist umlaufend um den Abtriebsflansch 19 eine Dichtung 32 vorgesehen, die aus einem Dichtungslaufring 33, einem Dichtungsträger 34, einem Dichtungspacket 35 und einem Klemmring 36 besteht. Außerdem ist eine innere Dichtung 67 entlang dem Abtriebsflansch 19 und der vorderen Getriebegehäusewand 26 vorgesehen.
Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Speisewasserzuflußleitung gestattet es, Wasser oder eine Wassersuspension in die Druckkammer 12 einzubringen, so daß diese beispielsweise bis zur halben Höhe dauernd mit Flüssigkeit gefüllt ist. Das mit Hilfe des äußeren Schneidrades 8 abgetragene Erdreich wird mit Hilfe der über die Wasserzuflußleitungen zugeführten Flüssigkeit über die Saugleitung 13 abgeführt, wenn die Schneidarme 9 mit Hilfe der Antriebsmotoren 21 rechts oder links drehend während eines Vortriebs der Tunnelvortriebsmaschine gedreht werden.
Um zu vermeiden, daß sich im Nabenbereich des äußeren Schneidrades 8 ein toter Kern bildet, ist das bereits erwähnte zentrale Schneidrad 17 vorgesehen, das in Fig. 1 in einer ausgebrochenen Teilansicht und einer Schnittansicht sowie in Fig. 2 in einer Draufsicht entgegen der Vortriebsrichtung zu erkennen ist.
Das zentrale Schneidrad 17 des Zentrumsschneiders 16 verfügt über eine gewölbte Stirnfläche 37, in der mehrere Eintrittsöffnungen 38 vorgesehen sind. Die in Fig. 2 erkennbaren Eintrittsöffnungen 38 erstrecken sich in radialer Richtung bis zu einer Felge 39. Zwischen den Eintrittsöffnungen 38 befinden sich breite Speichen 40.
Wie man in Fig. 2 erkennen kann, sind entlang den Eintrittsöffnungen 38 Abbauwerkzeuge 41, beispielsweise Schälmesser oder Rundschaftsmeißel vorgesehen.
Das zentrale Schneidrad 17 verfügt über eine Nabe 42, die in einem konusförmigen Brecherraum 43 hineinreicht und mit einem Antriebsteller 44 drehfest verbunden ist.
Entlang der Nabe 42 erstrecken sich im Innern des konusförmigen Brecherraums 43 mehrere innere Brechleisten 45. Der Brecherraum 43 ist von einem Konusblech 46 umgeben, das mit einer Vielzahl von äußeren Brechleisten 47 versehen ist. Auf diese Weise wird ein Steinbrecher für das durch die Eintrittsöffnungen 38 eindringende Erdreich gebildet. In Fig. 2 erkennt man ebenfalls die inneren Brechleisten 45 und die äußeren Brechleisten 47.
Das im so gebildeten Konusbrecher zerkleinerte Material verläßt den Brechraum 43 über einen Ringspalt 48, der mit einer sich durch den Antriebsteller 44 erstreckenden Spül- oder Absaugleitung 49 in Verbindung steht.
Der Brecherraum 43 ist von einem Verteilerraum 50 für Speisewasser umgeben, der in radialer Richtung bis zum Gehäusemantel 51 des Zentrumsschneiders 16 und in axialer Richtung bis zu einer Rückwand 52 reicht.
In der Rückwand 52 sind mehrere Mündungen von Speisewasserleitungen 53 für Speisewasser vorgesehen, das den Verteilerraum 50 über Durchtritte 54 verläßt, so daß im Brecherraum 43 vorhandenes Material über den Ringspalt 48 und die Spül- und Absaugleitung 49 abtransportiert werden kann. Die Speise- oder Absaugleitung 49 kann sowohl Flüssigkeit zur Separieranlage als auch Speisewasser von der Separieranlage fördern.
Im Gehäusemantel 51 sind mehrere Antriebsmotoren 55 zum Antrieb des zentralen Schneidrades 17 vorgesehen. Wie man in Fig. 1 erkennt, verfügt der Antriebsteller 44 über einen Drehkranz 56, in den Ritzel 57 der Antriebsmotoren 55 eingreifen. Wie man in Fig. 1 weiter erkennt, ist der Antriebsteller 44 mit Hilfe eines Lagers 58 gelagert, wobei eine vordere Dichtung 59 und hintere Dichtung 60 für die notwendige Dichtigkeiten sorgen. Die über den in der Aufnahmeöffnung 15 verbleibenden Ringspalt ragende Felge 39 hat ebenfalls eine Abdichtwirkung.
Fig. 3 zeigt den vorderen Teil einer Tunnelvortriebsmaschine, die im wesentlichen dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Aufbau entspricht, wobei jedoch das zentrale Schneidrad 17 mit anderen als in den Fig. 1 und 2 dargestellten Abbauwerkzeugen versehen ist. Wie man in Fig. 3 erkennt, ist der dort dargestellte Zentrumsschneider 16 mit Rollenbohrwerkzeugen 70 versehen, die auf einer scheibenförmigen Werkzeugträgerplatte 71 befestigt sind.
Die Werkzeugträgerplatte 71 ist in Fig. 4 in einer Draufsicht zu erkennen. Außerdem erkennt man in Fig. 4 eine Mehrzahl von Verstärkungsrippen 72 sowie Räumleisten 73. Bauteile, die mit denjenigen aus den Fig. 1 und 2 übereinstimmen, haben in den Fig. 3 und 4 die gleichen Bezugszeichen.
In Fig. 4 erkennt man ebenfalls eine Reihe von Karbidaufträgen 74 entlang dem Umfang der Felge 39 des zentralen Schneidrads 17.

Claims

Tunnelvortriebsmaschine zum Bohren eines Tunnels mit einem in das Erdreich vortreibbaren Schild, in dem ein antreibbares und mit Abbauwerkzeugen (10) ausgestattetes äußeres Schneidrad (8) und im Nabenbereich (15) des Schneidrades (8) ein gegenüber dem Schneidrad (8) drehbarer, ebenfalls Abbauwerkzeuge (41, 70, 74) aufweisender Zentrumsschneider (16) mit einem zentralen Schneidrad (17) angeordnet sind und in dem Fördermittel (13, 49) zum Abtransport des anfallenden Abraumes vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrumsschneider (16) über einen von dem äußeren Schneidrad (8) unabhängigen Antrieb (55, 56, 57) verfügt und daß der Zentrumsschneider (16) wenigstens eine Eintrittsöffnung (38) für das abzubauende Erdreich aufweist, die in einen Brecherraum (43) mündet.
Tunnelvortriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Eintrittsöffnungen (38) vorgesehen sind, die radial um die Drehachse des zentralen Schneidrades (17) angeordnet sind.
Tunnelvortriebsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brecherraum (43) als Konusbrecher mit mehreren Brechleisten (45, 47) ausgebildet ist, die einerseits auf der Nabe des zentralen Schneidrades (17) und andererseits auf der Innenseite des Konusbleches (46) des Konusbrechers angeordnet sind.
Tunnelvortriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fördermittel (49) zum Entfernen des im Nabenbereich anfallenden Abraumes eine Spül- und Absaugleitung (49) vorgesehen ist.
Tunnelvortriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Schneidrad (17) eine Felge (39) aufweist, durch die ein zwischen dem Zentrumsschneider (16) und der Aufnahmeöffnung (15) im äußeren Schneidrad für den Zentrumsschneider (16) vorhandener Ringspalt in Vortriebsrichtung abgedeckt ist.
Tunnelvortriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Berandung der Eintrittsöffnungen (38) Schälmesser (41) vorgesehen sind.
Tunnelvortriebsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Felge (39) des zentralen Schneidrades (17) des Zentrumsschneiders (16) Karbidaufträge (74) vorgesehen sind.