EP0727561A1 - Verfahren zur Steuerung einer Tunnelvortriebs-Maschine - Google Patents

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EP0727561A1
EP0727561A1 EP96100823A EP96100823A EP0727561A1 EP 0727561 A1 EP0727561 A1 EP 0727561A1 EP 96100823 A EP96100823 A EP 96100823A EP 96100823 A EP96100823 A EP 96100823A EP 0727561 A1 EP0727561 A1 EP 0727561A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
head
pipe section
boring machine
tunnel
tunnel boring
Prior art date
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Granted
Application number
EP96100823A
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English (en)
French (fr)
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EP0727561B1 (de
Inventor
Götz Geister
Andreas Vogt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Original Assignee
Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Bodenseewerk Geratetechnik GmbH filed Critical Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Publication of EP0727561A1 publication Critical patent/EP0727561A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0727561B1 publication Critical patent/EP0727561B1/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/003—Arrangement of measuring or indicating devices for use during driving of tunnels, e.g. for guiding machines
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/108—Remote control specially adapted for machines for driving tunnels or galleries

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the tunneling head of a tunnel boring machine in a tunnel boring method, in which pipe sections are pressed into the tunnel generated by the tunnel boring machine in accordance with the advance from a tunnel start and are pushed into the tunnel head of the tunnel boring machine.
  • a starting point e.g. a starting pit, from which a tunnel was drilled by a tunnel boring machine with a head.
  • the driving head can drill the rock across the entire cross-section of the tunnel.
  • the driving head can also contain a milling cutter, which sits on a movable arm and is moved across the tunnel cross-section.
  • the tunnel boring machine also contains means for removing the broken material. Pipe sections are successively pressed into the tunnel bore thus produced by hydraulic cylinders in accordance with the progress of the advance, so that the tunnel bore is lined with a continuous tunnel tube formed by these tube sections.
  • the head is controllable so that it can be guided manually or automatically along a predetermined path.
  • the driven tunnel should follow a predetermined line as precisely as possible, for example a straight line with a predetermined direction.
  • a predetermined line as precisely as possible, for example a straight line with a predetermined direction.
  • a control device for tunnel boring machines in which a sensor unit with a dynamically tuned gyro and two accelerometers are attached to the boring head.
  • the sensor unit responds to azimuth, roll and pitch movements of the head. From the The respective orientation of the jacking head and the jacking path can be used to determine the position of the jacking head using the dead reckoning method. From this, deviations of the propulsion head from the specified line can be determined and corresponding control signals can be generated.
  • the sensor unit is located in a housing which is reproducibly guided in a running tube. In its working position, the sensor unit is detachably connected to the tunnel head of the tunnel boring machine in a defined relative position.
  • the housing can be moved into a reference position in the running tube by means of a cable that can be unwound from a drum and that can be wound onto the drum.
  • the sensor unit is readjusted at certain times during tunneling, for example while a new pipe section is being pressed in.
  • the output signals of the sensor unit and a displacement measuring device on the drum are evaluated in a control unit using the coupling navigation method to determine the position of the propulsion head.
  • This "coupling navigation" of the jacking head by means of an inertial sensor which responds to changes in direction presupposes that the jacking head always moves in the direction of its longitudinal axis. It has been shown that this requirement is not always met in practice. Movement of the propulsion head also occurs transversely to its longitudinal axis. This movement can be due to the weight of the jacking head alone, which causes a “drift” downwards in the direction of gravity. However, drift can also be caused, for example, by different hardness of the rock in the tunnel cross-section. The path of the jacking head and thus the tunnel cross section created form with the measured longitudinal axis of the Head a drift angle. Such a drift is not detected by the inertial sensor unit, which responds to the direction of the longitudinal axis of the jacking head, and leads to position errors.
  • the invention has for its object to guide the tunneling head in a tunnel boring machine while avoiding the described sources of error of the prior art exactly according to a predetermined line.
  • the invention is based on the object of correcting the position of the propulsion head determined by means of an inertial sensor unit according to the method of dead reckoning with respect to a drift of the propulsion head.
  • this object is achieved in that a drift-independent position of the jacking head is determined from the relative position of the jacking head to a pipe section trailing the jacking head.
  • a pipe section lagging the jacking head by one or a few pipe sections is thus used as a reference.
  • the pipe section is based on the tunnel bore. Its longitudinal axis lies in the direction of the tunnel bore. It is assumed that this lies essentially on the predetermined line due to the control according to the invention and thus the trailing pipe section is aligned along this line. If this is the case, the position of the propulsion head can be determined with respect to this reference. This can be done in different ways.
  • 10 is a tunnel bore.
  • the tunnel bore 10 is produced by a head 12.
  • the driving head 12 is followed by a working tube 14.
  • An inertial sensor unit 16 is seated on the working tube 14.
  • the inertial sensor unit 16 supplies the attitude angles of the driving head, namely pitch, roll and yaw angles in relation to an earth-fixed coordinate system.
  • the inertial sensor unit 16 is described in more detail below with reference to FIG. 4.
  • the working pipe 14 is followed by pipe sections which are lowered into a starting excavation 18 and are pressed into the tunnel bore 10 one after the other by hydraulic cylinders 20 and 22 as the advancing head progresses (FIG. 3).
  • Fig.1 on the jacking head 12 and the working tube 14 further tube sections 24, 26, 28 etc.
  • a control station 30 is also accommodated in the working tube 14.
  • the control station 30 contains control elements in the form of control levers 32 for controlling the tunnel boring machine. Through these control elements, the roll and pitch position of the jacking head and the "course", i.e. the azimuth angle can be changed to guide the propulsion head 12 along a predetermined line.
  • the control is done manually by an operator, who receives the corresponding control signals displayed.
  • the control takes place according to the method of dead reckoning.
  • the respective position of the propulsion head 12 results from the direction of movement and the distance traveled.
  • the travel increments covered can be measured by a cable wound from a roll from the starting excavation 18 to the propulsion head 12, such as e.g. is described in DE-A-41 31 673. In this dead reckoning it is assumed that the propulsion head moves in the direction of its longitudinal axis. It has been shown that this requirement is often not met.
  • a "drift" occurs.
  • a movement without drift is shown on the left in FIG.
  • the head 12 is shown schematically as a rectangle.
  • the arrow 34 represents the direction of movement.
  • the direction of movement coincides with the longitudinal axis 36 of the head 12.
  • the direction of movement 34 of the head 12 forms an angle with the longitudinal axis 36 of the head 12, the “drift angle” ⁇ .
  • the propulsion head then does not move in the direction of the longitudinal axis 36, which is measured by the inertial sensor unit 16.
  • the dead reckoning then leads to a position error.
  • a further inertial sensor unit 38 is seated in a pipe section that follows the jacking head by a few pipe sections, here the pipe section 28. This sensor unit 38 also supplies positional angles, this time for the pipe section 28, which is aligned with the course of the tunnel bore 10.
  • a first measurement of the orientation of the longitudinal axis 36 of the working tube and of the driving head is carried out by means of the inertial sensor unit 16 provided on the working tube.
  • the positional angles of the longitudinal axis 36 are stored.
  • the orientations of the longitudinal axis 36 of the jacking head 12 and the pipe section 28 coincide in the first and second measurements.
  • the differences in the attitude angles are zero. If, however, the head 12 was drifted at the measuring point, then the orientation of the longitudinal axis of the head 12 at the measuring point in the first measurement and the orientation of the pipe section 28, also at the same measuring point, no longer coincide in the second measurement. There is a difference in at least one of the attitude angles. This difference corresponds to the drift angle ⁇ at the measuring point. The position error caused by this can be inferred from this drift angle.
  • the control signals are corrected accordingly in order to keep the path of the propulsion head on the predetermined line.
  • Figure 3 shows the arrangement in a more constructive manner.
  • the drive head 12 contains a milling head 42, which is seated on a movable arm 44.
  • the arm 44 guides the milling head 42 over the tunnel cross section.
  • the milled material falls onto a scraper conveyor 44 and is conveyed into a crusher 48.
  • the broken rock is removed from the crusher 48 by a liquid flow via a line 50.
  • the liquid flow is generated by a pump 52 which is driven by a motor 54.
  • the inertial sensor unit 38 is arranged in the pipe section 28 approximately at point 56.
  • the inertial sensor unit 38 is shown schematically in perspective in FIG.
  • the inertial sensor unit 16 is designed in the same way.
  • the inertial sensor unit 38 contains a band-hung gyroscope in a housing 58. Due to the rotation of the earth, such a band-hung gyroscope acts on a torque (gyro directional torque) which tries to align the horizontal swirl axis of the gyroscope to the north.
  • the deflection of the gyro from a reference position is tapped by a tap.
  • the tap signal is switched via an amplifier network to a torque generator, which acts on the housing of the gyro about a vertical axis.
  • the torque generator exerts a torque which counteracts and compensates for the gyro directional torque.
  • the gyro is thus electrically tied to the reference position.
  • the current applied to the torque generator provides a measure of the gyro torque and thus of the deviation of the reference position from the north.
  • Such a tied, band-hung gyro is e.g. in US-A-37 50
  • the housing 58 is arranged in an inner gimbal 60.
  • the inner gimbal frame 60 is pivotally mounted in an outer gimbal frame 64 about an axis 62 running from the front left to the right in FIG.
  • the outer gimbal 64 is pivotally mounted in an appliance housing 68 about an axis 66 which is perpendicular to the axis 62 and runs from right to left in FIG.
  • the inner gimbal 64 carries accelerometers 70 and 72 with perpendicular input axes.
  • the input axis of accelerometer 70 is parallel to axis 62.
  • the input axis of accelerometer 72 is parallel to axis 66. Accelerometers 70 and 72 serve as inclinometers.
  • the accelerometer signals act on a servomotor via a controller, of which only the servomotor 74 is visible in FIG. 4, which causes the outer gimbal to rotate about the axis 66 or the inner gimbal about the axis 64 via a gear or a belt drive.
  • the inner gimbal 64 is always held horizontally, the housing 58 always vertically.
  • the gimbal angles and the azimuth angle determined from the gyro directional torque provide the position angles of the device housing 68 and thus of a part to which the device housing is attached.
  • this is the pipe section 28 and in the case of the inertial sensor unit 16, the jacking head 12.
  • FIG. 1 Another version of the method for controlling the head of a tunnel boring machine in the tunnel boring method of the present type is shown in FIG.
  • the structure is similar to that in Fig.1, and corresponding parts have the same reference numerals in both figures.
  • a laser 76 is arranged in the trailing pipe section 28 in addition to the inertial sensor unit 38.
  • the laser beam 78 of the laser 76 strikes a target plate 80.
  • the target plate 80 is attached to the working tube 14 and the propulsion head 12.
  • the target plate 80 has a matrix of photodiodes in a known manner.
  • the position of the working tube 14 and propulsion head relative to the tube section 28 can be determined from the location of the impingement of the laser beam 78 on this target plate 80.
  • the position of the pipe section 28 is determined from the path and the orientation of the pipe section 28, again using the dead reckoning method.
  • the position of the working pipe 14 and of the propulsion head 12 thus obtained is not influenced by drift, since the trailing pipe section 28 does not move transversely to its longitudinal direction but only in the direction the tunnel bore 10 moves.
  • the pipe section 28 shows no drift.
  • the dead reckoning of the pipe section 28 therefore provides a drift-free position. At this position determined in this way, the position of the head is determined again by means of a laser and target plate, regardless of a drift of the head 12.
  • the method can also be carried out in such a way that the position of the trailing pipe section is determined by means of the inertial sensor unit and the path of this pipe section according to the methods of dead reckoning, and the position of the driving head of the tunnel boring machine relative to the trailing pipe section by means of an image sensor arranged in the trailing pipe section, eg a video camera and a "passive" target plate attached to the propulsion head and observed by the image sensor.
  • an image sensor arranged in the trailing pipe section, eg a video camera and a "passive" target plate attached to the propulsion head and observed by the image sensor.
  • the determination of the relative position between the aligned laser or image sensor and the driving head with the active or passive target plate is known per se and is therefore not described in detail here.
  • the laser or image sensor is quite the case with the methods described last located just behind the head. Their position and orientation result at all times from the dead reckoning and the signals from the inertial sensor unit.
  • the actual position of the driving head obtained in this way can be compared with the target position on a curved path. It is therefore - in contrast to Methods in which the propulsion head is guided along a laser beam are also possible for guiding the propulsion head along predefined curved paths.

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Abstract

Zur Steuerung des Vortriebskopfes einer Tunnelvortriebs-Maschine bei einem Tunnelvortriebs-Verfahren, bei welchem in den von der Tunnelvortriebs-Maschine erzeugten Tunnel Rohrabschnitte nach Maßgabe des Vortriebs von einem Tunnelanfang her eingepreßt und dem Vortriebskopf der Tunnelvortriebs-Maschine nachgeschoben werden, wird eine driftunabhängige Position des Vortriebskopfes aus der relativen Lage des Vortriebskopfes zu einem dem Vortriebskopf nachlaufenden Rohrabschnitt bestimmt. Zu diesem Zweck wird die Orientierung des nachlaufenden Rohrabschnitts mittels eines inertialen Sensors zu einem Zeitpunkt bestimmt, in welchem der Vortriebskopf der Tunnelvortriebs-Maschine eine bestimmte Position einnimmt, und mit der ebenso gemessenen Orientierung des nachlaufenden Rohrabschnitts zu einem späteren Zeitpunkt verglichen, in welchem der nachlaufende Rohrabschnitt die gleiche Position einnimmt wie der Vortriebskopf der Tunnelvortriebs-Maschine zum Zeitpunkt der ersten Messung. Aus Abweichungen dieser Orientierungen wird ein Korrekturwert für die Position des Vortriebskopfes gebildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Vortriebskopfes einer Tunnelvortriebs-Maschine bei einem Tunnelvortriebs-Verfahren, bei welchem in den von der Tunnelvortriebs-Maschine erzeugten Tunnel Rohrabschnitte nach Maßgabe des Vortriebs von einem Tunnelanfang her eingepreßt und dem Bortriebskopf der Tunnelvortriebs-Maschine nachgeschoben werden.
  • Bei dem hier verwendeten Tunnelvortriebs-Verfahren wird von einem Ausgangspunkt, z.B. einer Startbaugrube, aus durch eine Tunnelvortriebs-Maschine mit einem Vortriebskopf ein Tunnel gebohrt. Der Vortriebskopf kann dabei bohrerartig das Gestein über den gesamten Querschnitt des Tunnels hinweg abfräsen. Der Vortriebskopf kann aber auch einen Fräser enthalten, der an einem beweglichen Arm sitzt und über den Tunnelquerschnitt bewegt wird. Die Tunnelvortriebs-Maschine enhält weiterhin Mittel zum Abfördern des gebrochenen Materials. In die so erzeugte Tunnelbohrung werden durch Hydraulikzylinder Rohrabschnitte nacheinander nach Maßgabe des Vortriebs-Fortschritts hineingedrückt, so daß die Tunnelbohrung mit einem von diesen Rohrabschnitten gebildeten, durchgehenden Tunnelrohr ausgekleidet ist. Der Vortriebskopf ist steuerbar, so daß er von Hand oder automatisch längs einer vorgegebenen Bahn geführt werden kann.
  • Der vorgetriebene Tunnel soll ausgehend von einem Anfangspunkt möglichst genau einer vorgegebenen Linie, z.B. einer Geraden mit vorgegebener Richtung, folgen. Zu diesem Zweck müssen Abweichungen der Bahn der Tunnelvortriebs-Maschine von dieser vorgegebenen Linie erfaßt und die Tunnelvortriebs-Maschine so gesteuert werden, daß solche Abweichungen auf null zurückgeführt werden.
  • Es ist bekannt, bei Tunnelvortriebs-Verfahren die Vermessung und Steuerung des Vortriebskopfes mittels eines Laserstrahls als Leitstrahl vorzunehmen. Der Laserstrahl trifft dabei auf eine mit einer Photodioden-Matrix besetzte Zieltafel, die an dem Vortriebskopf angebracht ist. Wenn der Vortriebskopf von dem Laserstrahl abweicht, liefert die Photodioden-Matrix ein Abweichungs-Signal. Der Vortriebskopf kann dann so gesteuert werden, daß diese Abweichung verschwindet. Die Richtung des Laserstrahls wird dabei einmal festgelegt und eingemessen. Der Laserstrahl führt dann den Vortriebskopf ggf. über recht große Entfernungen. ( D. Stein, K. Möllers und R. Bielecki: "Leitungstunnelbau", Ernst und Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften, Berlin 1988, Seiten 195 bis 204; DE-U1-G 93 07 372.0). Dabei ergibt sich das Problem, daß ungleichmäßige Erwärmungen der Luft in dem Tunnelrohr zu Luftschichtungen führen kann, durch die der Laserstrahl gebrochen wird. Das führt zu bogenförmigen Abweichungen der durch den Laserstrahl festgelegten Linie. Luftturbulenzen in dem Tunnelrohr können den Laserstrahl soweit deformieren, daß eine Steuerung überhaupt unmöglich wird. Eine gekrümmte Bahn des Vortriebskopfes kann auf diese Weise gar nicht gesteuert werden.
  • Durch die DE-A-41 31 673 ist eine Steuereinrichtung für Tunnelvortriebs-Maschinen bekannt, bei welcher an dem Vortriebskopf eine Sensoreinheit mit einem dynamisch abgestimmten Kreisel und zwei Beschleunigungsmessern angebracht sind. Die Sensoreinheit spricht auf Azimut-, Roll- und Nickbewegungen des Vortriebskopfes an. Aus der jeweiligen Orientierung des Vortriebskopfes und dem Vortriebsweg kann nach dem Verfahren der Koppelnavigation die Position des Vortriebskopfes bestimmt werden. Daraus können Abweichungen des Vortriebskopfes von der vorgegebenen Linie ermittelt und entsprechende Steuersignale erzeugt werden. Bei der DE-A-41 31 673 befindet sich die Sensoreinheit in einem Gehäuse, das in einem Laufrohr reproduzierbar geführt ist. In ihrer Arbeitsstellung ist die Sensoreinheit mit dem Vortriebskopf der Tunnelvortriebs-Maschine lösbar in definierter relativer Lage verbunden. Das Gehäuse ist mit Hilfe eines von einer Trommel abwickelbaren und auf die Trommel aufwickelbaren Kabels in dem Laufrohr in eine Referenzstellung verfahrbar. In der genau vermessenen Referenzstellung erfolgt zu bestimmten Zeitpunkten des Tunnelvortriebs, z.B. während des Einpressens eines neuen Rohrabschnitts, eine Neujustierung der Sensoreinheit. Die Ausgangssignale der Sensoreinheit und einer Wegmeßeinrichtung an der Trommel werden in einer Steuereinheit nach dem Verfahren der Koppelnavigation zu Bestimmung der Position des Vortriebkopfes ausgewertet.
  • Diese "Koppelnavigation" des Vortriebskopfes mittels eines auf Richtungsänderungen ansprechenden inertialen Sensors setzt voraus, daß sich der Vortriebskopf stets in Richtung seiner Längsachse bewegt. Es hat sich gezeigt, daß diese Voraussetzung in der Praxis nicht immer gegeben ist. Es tritt eine Bewegung des Vortriebskopfes auch quer zu seiner Längsachse auf. Diese Bewegunge kann schon allein durch das Gewicht des Vortriebskopfes bedingt sein, das eine "Drift" nach unten in Richtung der Schwerkraft hervorruft. Es kann aber eine Drift auch z.B. durch unterschiedliche Härte des Gesteins im Tunnelquerschnitt hervorgerufen werden. Die Bahn des Vortriebskopfes und damit der erzeugte Tunnelquerschnitt bilden mit der gemessenen Längsachse des Vortriebskopfes einen Driftwinkel. Eine solche Drift wird durch die auf die Richtung der Längsachse des Vortriebskopfes ansprechende inertiale Sensoreinheit nicht erfaßt und führt zu Positionsfehlern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Vortriebskopf bei einer Tunnelvortriebs-Maschine unter Vermeidung der geschilderten Fehlerquellen des Standes der Technik genau nach einer vorgegebenen Linie zu führen.
  • Speziell liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die mittels einer inertialen Sensoreinheit nach der Methode der Koppelnavigation bestimmte Position des Vortriebskopfes hinsichtlich einer Drift des Vortriebskopfes zu korrigieren.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine driftunabhängige Position des Vortriebskopfes aus der relativen Lage des Vortriebskopfes zu einem dem Vortriebskopf nachlaufenden Rohrabschnitt bestimmt wird.
  • Als Referenz wird somit ein dem Vortriebskopf um einen oder wenige Rohrabschnitte nacheilender Rohrabschnitt benutzt. Der Rohrabschnitt richtet sich nach der Tunnelbohrung aus. Seine Längsachse liegt in Richtung der Tunnelbohrung. Es sei angenommen, daß diese durch die erfindungsgemäße Steuerung im wesentlichen auf der vorgegebenen Linie liegt und somit der nachlaufende Rohrabschnitt nach dieser Linie ausgerichtet ist. Wenn das der Fall ist, dann kann die Position des Vortriebskopfes in bezug auf diese Referenz bestimmt werden. Das kann auf verschiedene Weise geschehen.
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig.1
    veranschaulicht schematisch eine erste Ausführung des Verfahrens zur Steuerung des Vortriebskopfes einer Tunnelvortriebs-Maschine.
    Fig.2
    veranschaulicht die "Drift" des Vortriebskopfes.
    Fig.3
    ist eine mehr konstruktive Darstellung der bei dem Verfahren angewandten Mittel.
    Fig.4
    ist eine schematisch-perspektivische Darstellung der inertialen Sensoreinheit.
    Fig.5
    ist eine Darstellung ähnlich Fig.1 und veranschaulicht eine zweite Ausführung des Verfahrens zur Steuerung des Vortriebskopfes einer Tunnelvortriebs-Maschine.
    Fig.6
    ist eine mehr konstruktive Darstellung der bei dem Verfahren angewandten Mittel.
  • In Fig.1 ist mit 10 eine Tunnelbohrung bezeichnet. Die Tunnelbohrung 10 wird von einem Vortriebskopf 12 erzeugt. Dem Vortriebskopf 12 folgt ein Arbeitsrohr 14. An dem Arbeitsrohr 14 sitzt eine inertiale Sensoreinheit 16. Die inertiale Sensoreinheit 16 liefert Lagewinkel des Vortriebskopfes, nämlich Nick-, Roll- und Gierwinkel bezogen auf ein erdfestes Koordinatensystem. Die inertiale Sensoreinheit 16 ist unten unter Bezugnahme auf Fig.4 näher beschrieben. Das Arbeitsrohr 14 ist gefolgt von Rohrabschnitten, die in eine Startbaugrube 18 hinabgelassen und durch Hydraulikzylinder 20 und 22 nacheinander in die Tunnelbohrung 10 hineingedrückt werden, in dem Maße, wie der Vortriebskopf fortschreitet (Fig.3). In Fig.1 folgen auf den Vortriebskopf 12 und das Arbeitsrohr 14 weitere Rohrabschnitte 24, 26, 28 usw.
  • In dem Arbeitsrohr 14 ist weiterhin ein Steuerstand 30 untergebracht. Der Steuerstand 30 enthält Steuerglieder in Form von Steuerhebeln 32 zur Steuerung der Tunnelvortriebs-Maschine. Durch diese Steuerglieder können Roll- und Nicklage des Vortriebskopfes und der "Kurs", d.h. der Azimutwinkelverändert werden, um den Vortriebskopf 12 längs einer vorgegebenen Linie zu führen. Die Steuerung erfolgt hier manuell durch einen Bedienungsmann, der entsprechende Steuersignale angezeigt erhält. Die Steuerung erfolgt dabei nach der Methode der Koppelnavigation. Aus Bewegungsrichtung und zurückgelegtem Weg ergibt sich die jeweilige Position des Vortriebskopfes 12. Die zurückgelegten Weginkremente können dabei durch ein von der Startbaugrube 18 zum Vortriebskopf 12 geführtes, auf eine Rolle aufgewickeltes Kabel gemessen werden, wie z.B. in der DE-A-41 31 673 beschrieben ist. Bei dieser Koppelnavigation wird angenommen, daß sich der Vortriebskopf jeweils in Richtung seiner Längsachse bewegt. Es hat sich gezeigt, daß diese Voraussetzung häufig nicht gegeben ist. Es tritt eine "Drift" auf.
  • Das wird anhand von Fig.2 erläutert.
  • In Fig.2 ist links eine Bewegung ohne Drift dargestellt. Der Vortriebskopf 12 ist schematisch als Rechteck dargestellt. Der Pfeil 34 stellt die Bewegungsrichtung dar. In der linken Darstellung in Fig.2 fällt die Bewegungsrichtung mit der Längsachse 36 des Vortriebskopfes 12 zusammen. Im rechten Teil von Fig.2 bildet die Bewegungsrichtung 34 des Vortriebskopfes 12 mit der Längsachse 36 des Vortriebskopfes 12 einen Winkel, den "Driftwinkel" δ. Der Vortriebskopf bewegt sich dann nicht in der Richtung der Längsachse 36, die von der inertialen Sensoreinheit 16 gemessen wird. Die Koppelnavigation führt dann zu einem Positionsfehler.
  • In einem dem Vortriebskopf um einige Rohrabschnitte nachlaufenden Rohrabschnitt, hier dem Rohrabschnitt 28 sitzt eine weitere inertiale Sensoreinheit 38. Diese Sensoreinheit 38 liefert ebenfalls Lagewinkel, diesmal für den Rohrabschnitt 28, der sich nach dem Verlauf der Tunnelbohrung 10 ausrichtet.
  • In dem in Fig.1 oben dargestellten Zustand erfolgt eine erste Messung der Orientierung der Längsachse 36 des Arbeitsrohres und des Vortriebskopfes mittels der an dem Arbeitsrohr vorgesehenen inertialen Sensoreinheit 16. Die Lagewinkel der Längsachse 36 werden gespeichert.
  • Bei Fortschreiten des Tunnelvortriebs, wenn weitere Rohrabschnitte 40 nachgeschoben werden, gelangt der Rohrabschnitt 28 mit der inertialen Sensoreinheit 38 an die Stelle, an welcher sich vorher, bei der geschilderten ersten Messung das Arbeitsrohr 14 mit dem Vortriebskopf 12 und der inertialen Sensoreinheit 16 befunden hatte. Mittels der an dem Rohrabschnitt 28 sitzenden Sensoreinheit 38 wird nun in einer zweiten Messung die Orientierung der Längsachse des Rohrabschnitts 28 gemessen. Der Rohrabschnitt 28 richtet sich nach der Wandung der von dem Vortriebskopf 12 erzeugten Tunnelbohrung aus. Diese Tunnelbohrung verläuft aber in der Bewegungsrichtung 34 des Vortriebskopfes 12. Längs dieser Bewegungsrichtung 34 wird ja das Gestein durch den Vortriebskopf 12 abgefräst, auch wenn der Vortriebskopf 12 eine Drift zeigt, sich also nicht in Richtung seiner Längsachse bewegt. Solange Längsachse 36 und Bewegungsrichtung 38 des Vortriebskopfes zusammenfallen, wie im linken Teil von Fig.2 dargestellt, fallen die Orientierungen der Längsachse 36 des Vortriebskopfes 12 und des Rohrabschnitts 28 bei der ersten bzw. zweiten Messung zusammen. Die Differensen der Lagewinkel sind null. Wenn aber der Vortriebskopf 12 an der Meßstelle einer Drift unterworfen war, dann fällt die Orientierung der Längsachse des Vortriebskopfes 12 an der Meßstelle bei der ersten Messung und die Orientierung des Rohrabschnittes 28, ebenfalls an der gleichen Meßstelle, bei der zweiten Messung nicht mehr zusammen. Es tritt eine Differenz wenigstens eines der Lagewinkel auf. Diese Differenz entspricht dem Driftwinkel δ an der Meßstelle. Aus diesem Driftwinkel kann auf den dadurch verursachten Positionsfehler geschlossen werden. Die Steuersignale werden entsprechend korrigiert, um die Bahn des Vortriebskopfes auf der vorgegebenen Linie zu halten.
  • Dieses Verfahren funktioniert auch, wenn die vorgegebene Linie gekrümmt ist.
  • Fig.3 zeigt die Anordnung in stärker konstruktiver Weise.
  • Der Vortriebskopf 12 enthält einen Fräskopf 42, der an einem beweglichen Arm 44 sitzt. Der Arm 44 führt den Fräskopf 42 über den Tunnelquerschnitt. Das abgefräste Material fällt auf einen Kratzförderer 44 und wird in einen Brecher 48 gefördert. Von dem Brecher 48 wird das gebrochene Gestein durch einen Flüssigkeitsstrom über eine Leitung 50 abgefördert. Der Flüssigkeitsstrom wird von einer Pumpe 52 erzeugt, die von einem Motor 54 angetrieben wird. Die inertiale Sensoreinheit 38 ist in dem Rohrabschnitt 28 etwa im Punkt 56 angeordnet.
  • Die inertiale Sensoreinheit 38 ist in Fig.4 schematischperspektivisch dargestellt. Die inertiale Sensoreinheit 16 ist in gleicher Weise ausgeführt.
  • Die inertiale Sensoreinheit 38 enthält einen bandgehängten Kreisel in einem Gehäuse 58. Auf einen solchen bandgehängten Kreisel wirkt infolge der Erddrehung ein Drehmoment (Kreiselrichtmoment), welches die horizontale Drallachse des Kreisels nach Nord auszurichten sucht. Die Auslenkung des Kreisels aus einer Referenzlage wird durch einen Abgriff abgegriffen. Das Abgriffsignal wird über ein Verstärkernetzwerk auf einen Drehmomenterzeuger geschaltet, der um eine vertikale Achse auf das Gehäuse des Kreisels wirkt. Der Drehmomenterzeuger übt ein Drehmoment aus, welches dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkt und dieses kompensiert. Der Kreisel wird so elektrisch an die Referenzlage gefesselt. Der dabei auf den Drehmomenterzeuger aufgeschaltete Strom liefert ein Maß für das Kreiselrichtmoment und damit für die Abweichung der Referenslage von Nord. Ein solcher gefesselter, bandgehängter Kreisel ist z.B. in der US-A-37 50 300 beschrieben.
  • Das Gehäuse 58 ist in einem inneren Kardanrahmen 60 angeordnet. Der innere Kardanrahmen 60 ist um eine in Fig.4 von links vorn nach rechts hinten verlaufende Achse 62 in einem äußeren Kardanrahmen 64 schwenkbar gelagert. Der äußere Kardanrahmen 64 ist um eine zu der Achse 62 senkrechte, in Fig.4 von rechts vorn nach links hinten verlaufende Achse 66 in einem Gerätegehäuse 68 schwenkbar gelagert. Der innere Kardanrahmen 64 trägt Beschleunigungsmesser 70 und 72 mit zueinander senkrechten Eingangsachsen. Die Eingangsachse des Beschleunigungsmessers 70 ist parallel zu der Achse 62. Die Eingangsachse des Beschleunigungsmessers 72 ist parallel zu der Achse 66. Die Beschleunigungsmesser 70 und 72 dienen als Neigungsmesser. Die Signale der Beschleunigungsmesser beaufschlagen über einen Regler jeweils einen Stellmotor, von denen in Fig.4 nur der Stellmotor 74 sichtbar ist, der über ein Getriebe oder einen Riementrieb eine Verdrehung des äußeren Kardanrahmens um die Achse 66 bzw. des inneren Kardanrahmens um die Achse 64 bewirkt. Dadurch wird der innere Kardanrahmen 64 stets horizotal, das Gehäuse 58 stets vertikal gehalten. Die Kardanwinkel und der aus dem Kreiselrichtmoment bestimmte Azimutwinkel liefern die Lagewinkel des Gerätegehäuses 68 und damit eines Teils, an welchem das Gerätegehäuse befestigt ist. Das ist im Fall der inertialen Sensoreinheit 38 der Rohrabschnitt 28 und im Fall der inertialen Sensoreinheit 16 der Vortriebskopf 12.
  • Eine andere Version des Verfahrens zur Steuerung des Vortriebskopfes einer Tunnelvortriebs-Maschine bei dem Tunnelvortriebs-Verfahren der vorliegenden Art ist aus Fig.5 ersichtlich. Der Aufbau ist ähnlich wie in Fig.1, und entsprechende Teile tragen in beiden Figuren die gleichen Bezugszeichen.
  • Bei dem Verfahren nach Fig.5 und 6 ist in dem nachlaufenden Rohrabschnitt 28 zusätzlich zu der inertialen Sensoreinheit 38 ein Laser 76 angeordnet. Der Laserstrahl 78 des Lasers 76 trifft auf eine Zieltafel 80. Die Zieltafel 80 ist an dem Arbeitsrohr 14 und dem Vortriebskopf 12 angebracht. Die Zieltafel 80 weist in bekannter Weise eine Matrix von Photodioden auf. Aus dem Ort des Auftreffens des Laserstrahls 78 auf dieser Zieltafel 80 kann die Lage des Arbeitsrohres 14 und Vortriebskopfes relativ zu dem Rohrabschnitt 28 bestimmt werden. Hier wird die Position des Rohrabschnitts 28 aus dem Weg und der Orientierung des Rohrabschnittes 28, wieder nach der Methode der Koppelnavigation, bestimmt. Die so erhaltene Position des Arbeitsrohres 14 und des Vortriebskopfes 12 ist nicht durch Drift beeinflußt, da sich der nachlaufende Rohrabschnitt 28 nicht quer zu seiner Längsrichtung sondern nur in Richtung der Tunnelbohrung 10 bewegt. Der Rohrabschnitt 28 zeigt keine Drift. Die Koppelnavigation des Rohrabschnitts 28 liefert daher eine driftfreie Position. Auf diese so bestimmte Position wird nun mittels Laser und Zieltafel wieder unabhängig von einer Drift des Vortriebskopfes 12 die Position des Vortriebskopfes bestimmt.
  • Statt eines Lasers und einer "aktiven" Zieltafel mit Photodioden kann das Verfahren auch so ausgeführt werden, daß die Position des nachlaufenden Rohrabschnitts mittels der inertialen Sensoreinheit und dem Weg dieses Rohrabschnitts nach den Methoden der Koppelnavigation bestimmt wird und die Position des Vortriebskopfes der Tunnelvortriebs-Maschine relativ zu dem nachlaufenden Rohrabschnitt mittels eines in dem nachlaufenden Rohrabschnitt angeordneten Bildsensors, z.B. einer Videokamera und einer an dem Vortriebskopf angebrachten von dem Bildsensor beobachteten "passiven" Zieltafel bestimmt wird.
  • Die Bestimmung der relativen Position zwischen ausgerichtetem Laser oder Bildsensor und dem Vortriebskopf mit der aktiven bzw. passiven Zieltafel ist an sich bekannt und daher hier nicht im einzelnen beschrieben. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei denen der Laser bzw. der Bildsensor fest installiert ist und der Laserstrahl bzw. der Abbildungsstrahlengang einen langen Weg durchlaufen muß, auf welchem optische Störungen auftreten können, ist bei den zuletzt beschriebenen Verfahren der Laser bzw. Bildsensor ziemlich dicht hinter dem Vortriebskopf angeordnet. Ihre Position und Orientierung ergibt sich zu jeder Zeit aus der Koppelnavigation und den Signalen der inertialen Sensoreinheit. Die so erhaltene Ist-Position des Vortriebskopfes kann mit Soll-Position auf einer gekrümmten Bahn verglichen werden. Es ist daher -im Gegensatz zu Verfahren, bei denen der Vortriebskopf an einem Laserstrahl entlanggeführt wird, auch möglich, den Vortriebskopf längs vorgegebener gekrümmter Bahnen zu führen.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Steuerung des Vortriebskopfes einer Tunnelvortriebs-Maschine bei einem Tunnelvortriebs-Verfahren, bei welchem in den von der Tunnelvortriebs-Maschine erzeugten Tunnel Rohrabschnitte nach Maßgabe des Vortriebs von einem Tunnelanfang her eingepreßt und dem Vortriebskopf der Tunnelvortriebs-Maschine nachgeschoben werden,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine driftunabhängige Position des Vortriebskopfes aus der relativen Lage des Vortriebskopfes zu einem dem Vortriebskopf nachlaufenden Rohrabschnitt bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des nachlaufenden Rohrabschnitts mittels eines inertialen Sensors bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    (a) mittels des inertialen Sensors die Orientierung des nachlaufenden Rohrabschnitts zu einem Zeitpunkt, in welchem der Vortriebskopf der Tunnelvortriebs-Maschine eine bestimmte Position einnimmt, gemessen und mit der ebenso gemessenen Orientierung des nachlaufenden Rohrabschnitts zu einem späteren Zeitpunkt verglichen wird, in welchem der nachlaufende Rohrabschnitt die gleiche Position einnimmt wie der Vortriebskopf der Tunnelvortriebs-Maschine zum Zeitpunkt der ersten Messung, und
    (b) aus Abweichungen dieser Orientierungen ein Korrekturwert für die Position des Vortriebskopfes gebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    (a) die Position des nachlaufenden Rohrabschnittsmittels der inertialen Sensoreinheit und dem Weg dieses Rohrabschnitts nach den Methoden der Koppelnavigation bestimmt wird und
    (b) die Position des Vortriebskopfes der Tunnelvortriebs-Maschine relativ zu dem nachlaufenden Rohrabschnitt mittels eines in dem nachlaufenden Rohrabschnitt angeordneten Lasers und einer an dem Vortriebskopf angebrachten, von dem Laserstrahl beaufschlagten Zieltafel bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    (a) die Position des nachlaufenden Rohrabschnittsmittels der inertialen Sensoreinheit und dem Weg dieses Rohrabschnitts nach den Methoden der Koppelnavigation bestimmt wird und
    (b) die Position des Vortriebskopfes der Tunnelvortriebs-Maschine relativ zu dem nachlaufenden Rohrabschnitt mittels eines in dem nachlaufenden Rohrabschnitt angeordneten Bildsensors und einer an dem Vortriebskopf angebrachten von dem Bildsensor beobachteten Zieltafel bestimmt wird.
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