EP1098066A1 - Tunnelbohrmaschine - Google Patents

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EP1098066A1
EP1098066A1 EP00123042A EP00123042A EP1098066A1 EP 1098066 A1 EP1098066 A1 EP 1098066A1 EP 00123042 A EP00123042 A EP 00123042A EP 00123042 A EP00123042 A EP 00123042A EP 1098066 A1 EP1098066 A1 EP 1098066A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
tunnel boring
boring machine
tunnel
drill head
bore
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00123042A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nikolaus Kleuters
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.)
Mhwirth GmbH
Original Assignee
Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH filed Critical Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Publication of EP1098066A1 publication Critical patent/EP1098066A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/18—Anchoring or feeding in the borehole
    • 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
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/08—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield
    • E21D9/0875—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield with a movable support arm carrying cutting tools for attacking the front face, e.g. a bucket
    • E21D9/0879—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield with a movable support arm carrying cutting tools for attacking the front face, e.g. a bucket the shield being provided with devices for lining the tunnel, e.g. shuttering
    • 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
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/093—Control of the driving shield, e.g. of the hydraulic advancing cylinders

Definitions

  • the invention relates to a tunnel boring machine of the preamble of claim 1 corresponding Art.
  • Such a tunnel boring machine is for example from DE 197 22 000 A1 known. It includes a drill head equipped with cutting rollers, which the Removal of the soil on the face when driving the tunnel bore serves.
  • the drill head is rotatable via a bearing device - too Borehole main bearing called - stored on a so-called inner kelly, the in turn mounted in a tensioning device in the direction of the bore is used to absorb drilling reaction forces between the tunnel walls is tense.
  • Length variables are used to generate the feed Power generator provided, by means of which the inner kelly relative to the tensioning device can be relocated.
  • Drilling is gradual. If the inner kelly is relative to the Clamping device seen in the direction of the bore has been moved to a maximum is the drive is interrupted, the end facing away from the working face Inner kelly supported and the tensioning device added to the face, so that a new advance step can be carried out.
  • the drilling process is carried out by at least one operator monitors and controls which are usually in one position just behind the drill head outside the so-called drill head space in one intended steering position.
  • This at least one operator In particular, it is also the responsibility of operational malfunction conditions that a Increasing the mechanical load on parts of the tunnel boring machine result in the avoidance of increased wear or destruction to detect individual or multiple machine components at an early stage and the operating parameters of the tunnel boring machine, such as driving speed, Suitable to control drill head speed, etc.
  • the invention is therefore based on the object of a generic tunnel boring machine to further develop such that a more sensitive detection of Fault conditions is possible.
  • At least one first measuring arrangement is preferably provided on the inner kelly Detection of displacements of the inner kelly at least transversely to the drilling device and at least one second measuring arrangement for detecting Vibrations are provided in the area of the bearing device, since the during loads occurring during operation that go beyond normal loads, change regularly in frequencies and / or Amplitudes with which the bearing device carrying the drill head or the inner kelly moves or swings.
  • a first measuring arrangement for detection of displacements of the inner kelly transversely to the direction of the bore and a second measuring arrangement for detecting vibrations in the area of the bearing device can be provided depending on the type and size of the tunnel boring machine however, only the first or only the second measuring arrangement for the solution the object underlying the invention are sufficient.
  • the at least one first measuring arrangement preferably comprises at least a strain gauge, whereas the at least one second measuring arrangement is preferably designed as a vibration sensor of a known type.
  • strain gauges in the area of Inner cell and vibration sensors in the area of the drill head bearing device can an analysis of the load on the storage facility in Size and direction as well as the dynamic additional loads from vibrations occur.
  • reel-specific interference frequencies caused by a Filtered out suitable evaluation device it can be from the measured values the at least one first and at least one second measuring device both on the condition of the working face as well as on possible cutting roller defects conclude.
  • the ones obtained from the first and second measuring devices Signals can - after the normal operating state of the Tunnel boring machine characterizing values have been suitably compensated are - for the control of, for example, optical display instruments for the operating personnel are used.
  • suitable means the measured values obtained for regulating the operating parameters the tunnel boring machine, such as feed, drill head speed, etc., which keeps the operator from constant, concentrated observation the display instruments is relieved.
  • the tunnel boring machine designated as a whole by 100 comprises a drill head 1 facing the face O on its face Tools for loosening the soil, here cutting rollers 2, wearing.
  • the drill head is via a bearing device 3 - also the drill head main bearing called - rotatably mounted on a so-called inner frame 4.
  • the rotary drive of the drill head 1 about the axis of rotation S serve in the drawing Hydraulic or electric drives, not shown, that drive the drill head Set 1 in rotation with respect to inner kelly 4.
  • the inner kelly 4 is in turn rotationally fixed to the axis of rotation S, but along the axis of rotation S slidably mounted in a tensioning device 20, which over Supports 21 on the bore wall W and the inclusion of through reaction forces caused by the drilling process. That of the face opposite end of the inner kelly 4 comprises a support device 5, via the this end during the repositioning of the tensioning device as it progresses Tunnel drilling can be supported.
  • the evaluation device is designed such that the normal operating state characterizing vibrations or displacements stored and the current measured values are compared with this stored data can be. Any difference values that occur are recorded in the evaluation device downstream, also not shown in the drawing Display instruments supplied. It is also possible to use the difference values Regulation of the operating parameters of the tunnel boring machine to be used, whereby an almost automatic operation even with changing soil conditions at the face is possible.

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Abstract

Die Tunnelbohrmaschine (100) umfasst eine wahlweise in der Tunnelbohrung festlegbaren Verspanneinrichtung (20), die der Ableitung von durch den Bohrvorgang hervorgerufenen Reaktionskräften dient, eine in Bohrungsrichtung verlagerbare Innenkelly (4) und einen Bohrkopf (1), der am ortsbrustseitigen Ende der Innenkelly (4) mittels einer Lagereinrichtung (3) gelagert ist. Ferner umfasst die Tunnelbohrmaschine Mittel, die während des Betriebs vom dem Bohrkopf auf die Innenkelly übertragenen Reaktionskräfte erfassen, um so Belastungen, die über die Normalbelastungen des Bohrkopfes hinaus gehen, zu detektieren. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tunnelbohrmaschine der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.
Eine derartige Tunnelbohrmaschine ist beispielsweise aus der DE 197 22 000 A1 bekannt. Sie umfaßt einen mit Schneidrollen bestückten Bohrkopf, der dem Abtrag des an der Ortsbrust befindlichen Erdreichs beim Vortreiben der Tunnelbohrung dient. Der Bohrkopf ist rotierbar über eine Lagereinrichtung - auch Bohrkopfhauptlager genannt - an einer sogenannten Innenkelly gelagert, die ihrerseits in Bohrungsrichtung verschiebbar in einer Verspannvorrichtung gelagert ist, die zur Aufnahme von Bohrungs-Reaktionskräften zwischen den Tunnelwandungen verspannt ist. Zur Erzeugung des Vorschubs sind längenvariable Krafterzeuger vorgesehen, mittels derer die Innenkelly relativ zur Verspanneinrichtung verlagert werden kann.
Der Bohrungsvortrieb erfolgt schrittweise. Wenn die Innenkelly relativ zu der Verspanneinrichtung in Bohrungsrichtung gesehen maximal verlagert worden ist, wird der Vortrieb unterbrochen, das der Ortsbrust abgewandte Ende der Innenkelly abgestützt und die Verspanneinrichtung zur Ortsbrust hin nachgesetzt, so daß ein erneuter Vortriebsschritt durchgeführt werden kann.
Während des Vortriebs wird der Bohrvorgang von mindestens einer Bedienperson überwacht und gesteuert, die sich dazu üblicherweise in einer Position kurz hinter dem Bohrkopf außerhalb des sogenannten Bohrkopfraumes in einem hierfür vorgesehenen Steuerstand befindet. Dieser mindestens einen Bedienperson obliegt es insbesondere auch, Betriebsstörungszustände, die eine Erhöhung der mechanischen Belastung von Teilen der Tunnelbohrmaschine zur Folge haben, zwecks Vermeidung von erhöhtem Verschleiß oder Zerstörung einzelner oder mehrerer Maschinenkomponenten frühzeitig zu erfassen und die Betriebsparameter der Tunnelbohrmaschine, wie Vortriebsgeschwindigkeit, Bohrkopfdrehzahl, etc. geeignet zu steuern.
Diese Tätigkeit stellt an das Bedienpersonal hohe Anforderungen. Es bedarf nämlich einer erheblichen Erfahrung, Abweichungen von den normalen Betriebszuständen zu erfassen, da während des Vortriebs naturgemäß im Bereich des Steuerstandes eine hohe Geräuschentwicklung herrscht und zudem Vibrationen durch das Lösen des Erdreichs unvermeidlich sind. Auch erfahrene Bedienpersonen sind daher häufig erst dann in der Lage, Störungszustände zu erfassen, wenn diese ein Ausmaß angenommen haben, daß bereits Bauteile der Tunnelbohrmaschine in Mitleidenschaft gezogen worden sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Tunnelbohrmaschine derart weiterzubilden, daß eine sensiblere Erfassung von Störungszuständen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
Dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, die während des Betriebs der Tunnelbohrmaschine von dem Bohrkopf auf die Innenkelly übertragene Reaktionskräfte erfassen, können auftretende Belastungen, die über die Normalbelastungen hinausgehen, detektiert werden, bevor dies den Sinnesorganen der Bedienperson zugänglich ist.
Vorzugsweise ist an der Innenkelly mindestens eine erste Meßanordnung zur Erfassung von Verlagerungen der Innenkelly zumindest quer zur Bohrungseinrichtung und mindestens eine zweite Meßanordnung zur Erfassung von Schwingungen im Bereich der Lagereinrichtung vorgesehen, da die während des Betriebs auftretende Belastungen, die über die Normalbelastungen hinausgehen, sich regelmäßig in einer Veränderung der Frequenzen und/oder Amplituden, mit denen sich die den Bohrkopf tragende Lagereinrichtung bzw. die Innenkelly sich verlagert bzw. schwingt, auswirken.
Es ist zwar erfindungsgemäß vorgesehen, eine erste Meßanordnung zur Erfassung von Verlagerungen der Innenkelly quer zur Bohrungsrichtung und eine zweite Meßanordnung zur Erfassung von Schwingungen im Bereich der Lagereinrichtung vorzusehen, je nach Art und Größe der Tunnelbohrmaschine kann jedoch auch lediglich die erste oder lediglich die zweite Meßanordnung zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ausreichen.
Die mindestens eine erste Meßanordnung umfaßt vorzugsweise mindestens einen Dehnmeßstreifen, wogegen die mindestens eine zweite Meßanordnung vorzugsweise als Schwingungsaufnehmer bekannter Bauart ausgebildet ist.
Durch die Anordnung und Auswertung von Dehnmeßstreifen im Bereich der Innenkelly und Schwingungsaufnehmern im Bereich der BohrkopfLagereinrichtung kann eine Analyse der Belastung der Lagereinrichtung in Größe und Richtung sowie der dynamischen Zusatzlasten aus Vibrationen erfolgen. Werden bekannte, schneidrollenspezifische Störfrequenzen durch eine geeignete Auswerteeinrichtung herausgefiltert, so läßt sich aus den Meßwerten der mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Meßeinrichtung sowohl auf den Zustand der Ortsbrust, als auch auf eventuelle Schneidrollendefekte schließen. Die von den ersten und zweiten Meßeinrichtungen erhaltenen Signale können - nachdem die den normalen Betriebszustand der Tunnelbohrmaschine charakterisierenden Werte geeignet kompensiert worden sind - zur Ansteuerung von beispielsweise optischen Anzeigeinstrumenten für das Bedienpersonal verwendet werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, über geeignete Mittel die erhaltenen Meßwerte zur Regelung der Betriebsparameter der Tunnelbohrmaschine, wie Vorschub, Bohrkopfdrehzahl etc. zu verwenden, wodurch das Bedienpersonal von der ständigen, konzentrierten Beobachtung der Anzeigeinstrumente entlastet wird.
In der Zeichnung ist - schematisch - ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tunnelbohrmaschine dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch die Tunnelbohrmaschine sowie
Fig. 2
einen Querschnitt gemäß Schnittlinie A-A in Fig. 1.
Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Tunnelbohrmaschine, von der in der Zeichnung lediglich die für die Erfindung wesentlichen Bauteile schematisch dargestellt sind, umfaßt einen Bohrkopf 1, der an seiner der Ortsbrust O zugewandten Seite Werkzeuge zum Lockern des Erdreichs, hier Schneidrollen 2, trägt. Der Bohrkopf ist über eine Lagereinrichtung 3 - auch Bohrkopf-Hauptlager genannt - drehbar an einer sogenannten Innenkelly 4 gelagert. Dem Drehantrieb des Bohrkopfes 1 um die Drehachse S dienen in der Zeichnung nicht dargestellte, hydraulische oder elektrische Antriebe, die den Bohrkopf 1 gegenüber der Innenkelly 4 in eine Rotation versetzen.
Die Innenkelly 4 ist ihrerseits zur Drehachse S drehfest, aber entlang der Drehachse S verschiebbar in einer Verspanneinrichtung 20 gelagert, die sich über Stützen 21 an der Bohrungswandung W abstützt und der Aufnahme von durch den Bohrvorgang hervorgerufenen Reaktionskräften dient. Das der Ortsbrust abgewandte Ende der Innenkelly 4 umfaßt eine Stützeinrichtung 5, über die dieses Ende während des Nachsetzens der Verspanneinrichtung bei fortschreitender Tunnelbohrung abgestützt werden kann.
An der der Ortsbrust abgewandten Stirnseite der Lagereinrichtung 3 sind über den Umfang verteilt vier Schwingungsaufnehmer 6 angeordnet, die die Schwingungsbelastungen in Frequenz und Amplitude der Lagereinrichtung 3 während des Bohrbetriebs erfassen. Die entsprechenden Meßwerte werden einer in der Zeichnung nicht erkennbaren Auswerteeinrichtung zugeleitet.
Nahe dem ortsbrustseitigen Ende der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Innenkelly 4 sind im Bereich der Kanten jeweils zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Dehnungsmeßstreifen 7 vorgesehen, die die Verlagerung der Innenkelly insbesondere auch quer zur Bohrungsrichtung während des Bohrbetriebs erfassen. Die entsprechenden Meßwerte werden wiederum der in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteeinrichtung übermittelt.
Die Auswerteeinrichtung ist derart ausgestaltet, daß die den normalen Betriebszustand charakterisierenden Schwingungen bzw. Verlagerungen gespeichert und die aktuellen Meßwerte mit diesen gespeicherten Daten verglichen werden können. Eventuell auftretende Differenzwerte werden in der Auswerteeinrichtung nachgeschalteten, in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten Anzeigeinstrumenten zugeleitet. Ferner ist es möglich, die Differenzwerte zur Regelung der Betriebsparameter der Tunnelbohrmaschine zu benutzen, wodurch ein nahezu automatischer Betrieb auch bei sich ändernden Erdreichverhältnissen an der Ortsbrust möglich ist.

Claims (5)

  1. Tunnelbohrmaschine (100) zum Vortreiben einer Tunnelbohrung,
    mit einer wahlweise in der Tunnelbohrung festlegbaren Verspanneinrichtung (20), die der Ableitung von durch den Bohrvorgang hervorgerufenen Reaktionskräften dient,
    mit einer in Bohrungsrichtung verlagerbaren Innenkelly (4), und
    mit einem Bohrkopf (1), der am ortsbrustseitigen Ende der Innenkelly (4) mittels einer Lagereinrichtung (3) gelagert ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Mittel vorgesehen sind, die während des Betriebs der Tunnelbohrmaschine vom dem Bohrkopf auf die Innenkelly übertragene Reaktionskräfte erfassen.
  2. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß an der Innenkelly (4) mindestens eine erste Meßanordnung (Dehnungsmeßstreifen (7)) zur Erfassung von Verlagerungen der Innenkelly (4) zumindest quer zur Bohrungsrichtung und/oder mindestens eine zweite Meßanordnung (Schwingungausnehmer (6)) zur Erfassung von Schwingungen im Bereich der Lagereinrichtung (3) vorgesehen ist.
  3. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Meßanordnung mindestens einen Dehnmeßstreifen (7) umfaßt.
  4. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die aus den Meßwerten der mindestens einen ersten und/oder mindestens einen zweiten Meßeinrichtung durch Bohrkopfdefekte und/oder Inhomogenitäten in der Lagereinrichtung und/oder der Innenkelly hervorgerufene Schwingungen bzw. Verlagerungen ermittelt und in ein zur Ansteuerung von Anzeige- und/oder Regeleinrichtungen geeignetes Signal umsetzt.
  5. Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Auswerteeinrichtung angesteuerte, die Betriebsparameter der Tunnelbohrmaschine wie Vorschub, Bohrkopfdrehzahlen usw. beeinflussende Regeleinrichtung vorgesehen ist.
EP00123042A 1999-11-05 2000-10-24 Tunnelbohrmaschine Withdrawn EP1098066A1 (de)

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