NL1015324C2

NL1015324C2 - Device and method for drilling in a substrate.

Info

Publication number: NL1015324C2
Application number: NL1015324A
Authority: NL
Inventors: Bastiaan Karel Jacques Obladen
Original assignee: Ballast Nedam Infra B V
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-05-14
Also published as: WO2001034941A1; EP1228291A1; AU773458B2; AU1740301A

Description

INRICHTING EN WERKWIJZE VOOR HET BOREN IN EEN ONDERGRONDDEVICE AND METHOD FOR DRILLING IN A SUBSTRATE

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een inrichting voor het boren in een ondergrond, meer in het bijzonder voor het boren van een tunnel in een bodem.The present invention relates to a method and an apparatus for drilling in a subsurface, more in particular for drilling a tunnel in a ground.

5 Voor het boren van tunnels of andere bouwwerken in een deformatiegevoelige bodem zijn recent ontwikkelde tunnelboormachines bekend, waarbij met behulp van een graaf wiel aan het uiteinde van een stalen mantel, een schild genoemd, bodemmateriaal wordt ontgraven welk 10 bodemmateriaal met behulp van een vloeistof getransporteerd wordt tot boven het maaiveld. Het schild sluit aan op het reeds vervaardigde deel van de tunnelwand, welke is opgebouwd uit achter elkaar geplaatste ringen, waarbij per vooraf bepaalde verplaatsing van het schild telkens 15 een extra ring aan de tunnelwand wordt toegevoegd. De voortgang van het schild met het daarin geplaatste graaf-wiel wordt bewerkstelligd door het schild met behulp van een aantal aandrukvij zeis tegen de tunnelwand af te zetten.Recently developed tunnel boring machines are known for drilling tunnels or other structures in a deformation-sensitive soil, in which soil material is excavated with the aid of a digging wheel at the end of a steel jacket, called a shield, which material is transported using a liquid. above ground level. The shield connects to the already manufactured part of the tunnel wall, which is built up of rings placed one behind the other, whereby an additional ring is added to the tunnel wall for each predetermined displacement of the shield. The progress of the shield with the digging wheel placed therein is effected by depositing the shield against the tunnel wall by means of a number of pressure scythe.

20 Dergelijke tunnelboormachines worden groten deels handmatig aangestuurd door een daartoe opgeleide bestuurder of operator. De operator kan het boorproces besturen met behulp van een aantal stuurparameters, waaronder de rotatiesnelheid van de boor, de mate van het 25 afzetten van elk van de aandrukvijzeis, de afvoersnelheid van het losgewoelde bodemmateriaal, etc.Such tunnel boring machines are largely controlled manually by a trained driver or operator. The operator can control the drilling process using a number of control parameters, including the rotation speed of the drill, the degree of deposition of each of the compression screw, the discharge rate of the loosened soil material, etc.

Een bezwaar van dergelijke tunnelboormachines is dat aan het oppervlak van de ondergrond deformaties, dat wil zeggen verplaatsingen van de ondergrond zowel in 30 horizontale als in verticale richting, kunnen optreden, welke grote schade kunnen toebrengen aan de infrastructuur en de bebouwing aan het oppervlak.A drawback of such tunnel boring machines is that deformations, that is to say displacements of the substrate in both horizontal and vertical directions, can occur on the surface of the substrate, which can cause great damage to the infrastructure and the buildings on the surface.

1015324 21015324 2

Teneinde de genoemde deformaties te minimaliseren, past de operator op basis van zijn opleiding en ervaring de stuurparameters van de boormachine aan. Hierbij kan de operator tevens gebruik maken van theore-5 tisch bepaalde stuurparameters, die met behulp van bijvoorbeeld een eindige-elementenmodel van de bodem en de boormachine op basis van de gemeten deformaties en bodem-parameters, die representatief zijn voor de eigenschappen van de bodem, berekend zijn.In order to minimize the mentioned deformations, the operator adjusts the steering parameters of the drill based on his training and experience. The operator can also make use of theoretically determined control parameters, using, for example, a finite element model of the soil and the drilling machine based on the measured deformations and soil parameters, which are representative of the properties of the soil. , are calculated.

10 _ Een bezwaar hiervan is dat het berekenen van dergelijke stuurparameters een lange berekeningstijd vraagt. Een verder bezwaar is dat voor het berekenen van de stuurparameters een grote hoeveelheid gegevens over de opbouw van de bodem voorhanden dient te zijn, hetgeen een 15 uitgebreid systeem voor metingen (boringen) in de bodem vergt. Deze gegevens zullen bovendien telkens ververst moeten worden aangezien de opbouw van de bodem over het traject aan veranderingen onderhevig is.A drawback of this is that calculating such control parameters requires a long calculation time. A further drawback is that a large amount of data about the structure of the soil must be available for calculating the control parameters, which requires an extensive system for measurements (drilling) in the soil. Moreover, these data will have to be refreshed each time since the build-up of the soil over the course is subject to change.

Het is derhalve een doel van de onderhavige 20 uitvinding een werkwijze en inrichting voor het boren in een ondergrond te verschaffen waarbij bovengenoemde bezwaren zijn ondervangen.It is therefore an object of the present invention to provide a method and device for drilling in a subsoil, wherein the above drawbacks are obviated.

Volgens een eerste aspect van de onderhavige uitvinding wordt een werkwijze voor het boren in een 25 ondergrond verschaft, welke de stappen omvat van: - het a priori bepalen van de wijze van besturen van boormiddelen voor het boren en/of persen in de ondergrond; - het op de a priori bepaalde wijze aansturen 30 van de boormiddelen; - het bij het boren bepalen van deformatiegege-vens van de ondergrond; - het afhankelijk van de deformatiegegevens in hoofdzaak real-time bepalen van de wijze van aansturen 35 van de boormiddelen. Bij voorkeur omvat de werkwijze bovendien het het tijdens het boren herhaaldelijk bepalen van de deformatiegegevens, en het afhankelijk van de deformatiegegevens telkens bepalen van de optimale aan- 1015324 3 stuurwijze van de boormiddelen. Een dergelijke wijze van aansturen is bij voorkeur geparametriseerd in een aantal stuurparameters. Uitgangspunt voor het boren zijn dan a priori bepaalde stuurparameters waarmee het boren kan 5 aanvangen. Tijdens het boren worden vervolgens de deformaties aan het oppervlak van de ondergrond gemeten, hetzij direct door middel van op de bodem geplaatste zakbakens of indirect door het meten van verplaatsingen van de bebouwing. Opgemerkt wordt dat de wijze van aan-10 sturen^niet alleen afhankelijk kan worden gemaakt van de uitkomst van de deformatiemetingen, maar ook van de uitkomst van metingen aan andere toestandsgegevens, zoals de druk op een aantal posities nabij de boormiddelen, de druk en debiet in bepaalde leidingen of andere elementen 15 van de tunnelboormachine. Gebruik makend van de deforma-tiegegevens en eventueel rekening houdend met vooraf vastgelegde specifieke deformatiegrenzen wordt een al dan niet aangepaste optimale wijze van aansturen van de boormiddelen bepaald. Deze bepaling van de wijze van aanstu-20 ring geschiedt in hoofdzaak real-time, zodat min of meer directe relaties tussen de stuurparameters enerzijds en de gemeten deformaties en/of toestandgegevens anderzijds te leggen zijn.According to a first aspect of the present invention there is provided a method for drilling in a subsurface, comprising the steps of: - determining a priori the manner of controlling drilling means for drilling and / or pressing in the subsurface; - controlling the drilling means in the a priori manner; - determining the deformation data of the substrate when drilling; - depending on the deformation data, determining in real time the manner of controlling the drilling means. Preferably, the method also comprises of repeatedly determining the deformation data during drilling, and in each case determining the optimum driving method of the drilling means, depending on the deformation data. Such a control method is preferably parameterized in a number of control parameters. The starting point for drilling is then a priori determined control parameters with which drilling can start. During drilling, the deformations on the surface of the subsurface are then measured, either directly by means of pocket beacons placed on the bottom or indirectly by measuring displacements of the buildings. It is noted that the manner of actuation can be made dependent not only on the outcome of the deformation measurements, but also on the outcome of measurements on other state data, such as the pressure at a number of positions near the drilling means, the pressure and flow rate. in certain pipes or other elements of the tunnel boring machine. Using the deformation data and possibly taking into account predetermined specific deformation limits, an optimum or non-adapted manner of controlling the drilling means is determined. This determination of the manner of control takes place essentially in real time, so that more or less direct relationships can be established between the control parameters on the one hand and the measured deformations and / or state data on the other.

Een verder voordeel van de werkwijze volgens de 25 uitvinding is dat de wijze van besturing in wezen onafhankelijk van de opbouw van de bodem en onafhankelijk van de ruis in de gebruikte meetgegevens is. Bovendien zijn de veranderingen van de bodem in de tijd cg. afgelegde weg in de meetgegevens zelf opgenomen.A further advantage of the method according to the invention is that the method of control is essentially independent of the structure of the soil and independent of the noise in the measurement data used. In addition, the changes of the soil over time are cg. included in the measurement data itself.

30 De bepaling van stuurparameters aan de hand van deformatiegegevens van de ondergrond en de toestandgegevens geschiedt in een bepaalde voorkeursuitvoering met behulp van stuurparameterbepalingsmiddelen zoals kennissystemen waarin kennis en ervaring over de verbanden 35 tussen de formatiegegevens en stuurparameters zijn opgenomen. Dergelijke kennissystemen kunnen een groot aantal "regels" of vaste relaties omvatten waarmee de juiste stuurparameters worden bepaald. In een bijzondere voorde- 1015324 4 lige uitvoeringswijze van de uitvinding omvat het kennissysteem een neuraal netwerk waarin de verbanden tussen de deformatiegegevens, toestandgegevens en stuurparameters vast te leggen is. Volgens een voorkeursuitvoering van de 5 uitvinding omvat de werkwijze derhalve: -a) het a priori bepalen van stuurparameters voor het besturen van boormiddelen; -b) het met de a priori bepaalde stuurparameters aansturen van boormiddelen voor het boren en/of 10 persen_in de ondergrond; -c) het tijdens het boren en/of persen bepalen van def ormatiegegevens van de ondergrond; -d) het tijdens het boren en/of persen bepalen van toestandgegevens; 15 -e) het invoeren van de def ormatiegegevens en de toestandgegevens in stuurparameterbepalingsmiddelen die afhankelijk van de def ormatiegegevens en toestandgegevens de stuurparameters bepalen waarmee de boormiddelen zijn aan te sturen, en het vervolgens met stap c.The determination of control parameters on the basis of deformation data of the subsoil and the state data takes place in a particular preferred embodiment with the aid of control parameter determination means such as knowledge systems in which knowledge and experience about the relationships between the formation data and control parameters are included. Such knowledge systems can contain a large number of "rules" or fixed relationships with which the correct steering parameters are determined. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the knowledge system comprises a neural network in which the relationships between the deformation data, state data and control parameters can be determined. According to a preferred embodiment of the invention, the method therefore comprises: -a) determining a priori control parameters for controlling drilling means; -b) controlling the drilling parameters for the drilling and / or pressing into the subsurface determined with the a priori control parameters; -c) determining the formation data of the subsurface during drilling and / or pressing; -d) determining state data during drilling and / or pressing; -E) inputting the deflation data and the state data into control parameter determining means which, depending on the deflation data and state data, determine the control parameters with which the drilling means can be controlled, and then with step c.

2 0 Volgens de bovengenoemde voorkeursuitvoering omvat stap e van de werkwijze het invoeren van de defor-matiegegevens en toestandgegevens in een neuraal netwerk en het uitvoeren van de met het neurale netwerk bepaalde stuurparameters. De uitvoer van het neurale netwerk ver-25 schaft aan de operator een aantal stuurparameters ter besturing van de boormiddelen. De operator kan hiervan al dan niet gebruik maken bij het besturen van de tunnel-boormachine.According to the above preferred embodiment, step e of the method comprises inputting the deformation data and state data into a neural network and outputting the control parameters determined with the neural network. The neural network output provides the operator with a number of control parameters for controlling the drilling means. The operator may or may not use this when operating the tunnel boring machine.

Bij voorkeur worden de stappen van het bepalen 3 0 van de def ormatiegegevens en het invoeren van def ormatie gegevens in een neuraal netwerk zodanig vaak herhaald, dat aan de hand van de toestandgegevens, de ingevoerde def ormatiegegevens en de uiteindelijk door de operator voor het besturen van de boormiddelen gekozen stuurpara-35 meters het neurale netwerk getraind wordt. Hierdoor is het bijvoorbeeld mogelijk om de bij de operator aanwezige kennis en ervaring over te brengen op het neurale netwerk .Preferably, the steps of determining the deformation data and inputting deformation data into a neural network are repeated so often that, based on the state data, the entered deflation data and the operator control data the neural network of the selected drilling means is controlled. This makes it possible, for example, to transfer the knowledge and experience available to the operator on the neural network.

1015324 51015324 5

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm wordt het neurale netwerk van tevoren getraind, bijvoorbeeld tijdens het boren van een eerdere tunnel of leiding, zodat het trainen van het neurale netwerk tijdens 5 het boren van een volgende tunnel of leiding achterwege kan blijven.According to another preferred embodiment, the neural network is trained in advance, for example during the drilling of a previous tunnel or pipe, so that the training of the neural network during the drilling of a subsequent tunnel or pipe can be omitted.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding omvat de werkwijze het aan een bedienend persoon of operator tonen van één of meer van de bepaalde 10 stuurparameters. Het bedienend persoon of de operator kan dan aan de hand van de getoonde stuurparameters bepalen met welke stuurparameters hij de boormiddelen zou willen aansturen.According to another preferred embodiment of the invention, the method comprises of showing one or more of the determined control parameters to an operator or operator. The operator or operator can then determine on the basis of the control parameters shown with which control parameters he would like to control the drilling means.

Volgens een andere voorkeursuitvoeringsvorm 15 worden de boormiddelen direct aangestuurd met de door het neurale netwerk berekende stuurparameters, dat wil zeggen zonder directe tussenkomst van de operator. Afhankelijk van de situatie kan een goed getraind neuraal netwerk betere boorprestaties leveren dan een operator.According to another preferred embodiment 15, the drilling means are directly controlled with the control parameters calculated by the neural network, i.e. without direct intervention by the operator. Depending on the situation, a well-trained neural network can provide better drilling performance than an operator.

20 Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de werkwijze het vergelijken van de a priori bepaalde wijze van aansturen (stap a) met de in stap e bepaalde wijze van aansturen van de boormiddelen, en het afhankelijk van het resultaat van de vergelijking kiezen 25 van een voorkeurswijze van aansturen van de boormiddelen. Het vergelijken omvat bijv. het bepalen van het verschil tussen de stuurparameters. Indien het verschil groter is dan een vooraf bepaalde waarde, wordt bijv. de operator daarvan verwittigd door middel van een akoestisch of 30 optisch waarschuwingssignaal.According to a further preferred embodiment, the method comprises comparing the a priori determined manner of control (step a) with the manner determined in step e of the control of the drilling means, and depending on the result of the comparison selecting a preferred method of controlling the drilling means. The comparison includes, for example, determining the difference between the control parameters. If the difference is greater than a predetermined value, eg the operator is notified thereof by means of an acoustic or optical warning signal.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de werkwijze het herhalen van de stappen a tot en met e per een vooraf bepaalde boorafstand, die bij voorkeur overeenkomt met de lengte van de eerder genoemde 35 ringen van de tunnelwand. Voor elke nieuwe ring wordt uitgegaan van de a priori bepaalde startwaarde van de stuurparameters, die vervolgens al dan niet worden aange- 1015324 6 past aan de hand van de resultaten van de berekeningen met behulp van het neurale netwerk.According to a further preferred embodiment, the method comprises repeating steps a to e for a predetermined drilling distance, which preferably corresponds to the length of the aforementioned rings of the tunnel wall. For each new ring, the a priori determined starting value of the control parameters is assumed, which is then adjusted or not adjusted on the basis of the results of the calculations using the neural network.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de werkwijze het aan het neurale netwerk toevoegen 5 van a priori analytisch bepaalde grenswaarden voor het voorspellen van onstabiele situaties, waardoor dergelijke situaties op verbeterde wijze te vermijden zijn.According to a further preferred embodiment, the method comprises adding a priori analytically determined limit values to the neural network for predicting unstable situations, whereby such situations can be avoided in an improved manner.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm worden tijdens het boren van een eerste tunnel of leiding 10 toegepaste stuurparameters opgeslagen, bijv. in een database, terwijl bij het boren van een tweede tunnel deze stuurparameters worden opgehaald en vergeleken met de voor het boren van de tweede tunnel of leiding bepaalde stuurparameters. Hierdoor kan gebruik worden gemaakt 15 van de ervaring die is opgedaan bij het boren van de eerste tunnel, waardoor de kans op deformaties, en dergelijke verder verkleind kan worden.According to a further preferred embodiment, control parameters used during the drilling of a first tunnel or pipe 10 are stored, e.g. in a database, while when drilling a second tunnel these control parameters are retrieved and compared with those for drilling the second tunnel or pipe certain control parameters. Hereby, use can be made of the experience gained when drilling the first tunnel, whereby the chance of deformations, and the like can be further reduced.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm omvat de stap van het bepalen van deformatiegegevens het 20 meten van deformaties op posities voor, boven en achter het boorschild van de boormiddelen, en/of omvat deze stap het meten van deformaties als functie van de verstreken tijd.According to a further preferred embodiment, the step of determining deformation data comprises measuring deformations at positions in front, above and behind the drill shield of the drilling means, and / or comprising measuring deformations as a function of elapsed time.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm 25 van de uitvinding omvat de werkwijze het op basis van een fysisch model van onder meer de ondergrond en van de boormiddelen simuleren van het boren van de tunnel of leiding in de ondergrond. In plaats van het uitvoeren van daadwerkelijke boring, wordt in deze uitvoeringsvorm het 30 boren gesimuleerd met behulp van het fysische model. Bij voorkeur wordt een dergelijke simulatie uitgevoerd voor het trainen van een operator, waarbij deze ervaring kan opdoen zonder dat er gevaar voor schade kan optreden. Bovendien kunnen dergelijke simulaties a priori, dat wil 35 zeggen alvorens te boren, worden uitgevoerd voor teneinde het boren te kunnen optimaliseren.According to a further preferred embodiment of the invention, the method comprises simulating the drilling of the tunnel or pipe in the subsurface on the basis of a physical model of, inter alia, the subsurface and of the drilling means. In this embodiment, instead of performing actual drilling, the drilling is simulated using the physical model. Preferably, such a simulation is performed for the training of an operator, whereby this experience can be gained without the risk of damage occurring. Moreover, such simulations can be performed a priori, ie before drilling, in order to optimize the drilling.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm omvat de werkwijze het testen van een of meer onderdelen van de 1015324 7 boormiddelen door het simuleren van het boren. Hierdoor kan in een fabriek of ter plaatse ten minste een onderdeel getest worden, zonder dat daarvoor een kostbare proefboring vereist is.According to a further embodiment, the method comprises testing one or more parts of the 1015324 7 drilling means by simulating the drilling. As a result, at least one part can be tested in a factory or on site, without the need for an expensive test drilling.

5 Volgens een verdere uitvoeringsvorm omvat de werkwijze, bijv. bij het optreden van een calamiteit, het stopzetten van de boren, het simuleren van een aantal boorvarianten, het kiezen van een boorvariant en het vervolgen van het boren, met de gekozen boorvariant. Door 10 het simuleren van een aantal mogelijke boorvarianten, kan de meest optimale boorvariant gekozen worden waarmee het boren vervolgd kan worden. Hierbij worden de nadelige gevolgen van de calamiteit geminimaliseerd.According to a further embodiment, the method comprises, for instance in the event of an emergency, stopping the drilling, simulating a number of drilling variants, choosing a drilling variant and continuing the drilling with the selected drilling variant. By simulating a number of possible drilling variants, the most optimal drilling variant can be selected with which drilling can be continued. The adverse consequences of the emergency are thereby minimized.

Volgens een ander aspect van de onderhavige 15 uitvinding wordt een inrichting verschaft voor het boren in een ondergrond, omvattende - boormiddelen voor het boren in een ondergrond ? - met de boormiddelen verbonden besturingsmid-20 delen voor het besturen van de boormiddelen; - deformatiebepalingsmiddelen voor het bepalen van de deformatiegegevens die een maat zijn voor de door het boren veroorzaakte deformaties; - toestandbepalingsmiddelen voor het bepalen 25 van de toestandgegevens die kenmerkend zijn voor het bporproces; - communicatiemiddelen voor het communiceren tussen de deformatiebepalingsmiddelen, de toestandbepalingsmiddelen en de besturingsmiddelen; waarbij de bestu- 30 ringsmiddelen zijn uitgerust voor het in hoofdzaak realtime bepalen van de wijze van aansturen van de boormiddelen.According to another aspect of the present invention there is provided a device for drilling in a substrate, comprising - drilling means for drilling in a substrate? control means connected to the drilling means for controlling the drilling means; deformation determination means for determining the deformation data which is a measure of the deformations caused by drilling; - state determining means for determining the state data characteristic of the drilling process; - communication means for communicating between the deformation determination means, the state determination means and the control means; wherein the control means are equipped to determine the real-time manner for controlling the drilling means.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding omvatten de boormiddelen: 35 - een schildorgaan met daaraan aangebracht een roteerbaar boorelement; 1015324 8 - een aantal duworganen tussen een tegenover het boorelement liggend uiteinde van het schildorgaan en de tunnelwand voor het voortduwen van het schildorgaan; waarbij zowel het boorelement als de duworganen via de 5 besturingsmiddelen zijn aan te sturen.According to a further preferred embodiment of the invention, the drilling means comprise: - a shield member with a rotatable drilling element arranged thereon; 1015324 8 - a number of pushing members between an end of the shield member opposite the drilling element and the tunnel wall for pushing the shield member; wherein both the drilling element and the pushing members can be controlled via the control means.

Het boren zelf geschiedt in een bepaalde voorkeursuitvoeringsvorm door het roteren van een boorelement, zoals bijvoorbeeld een graafwiel, dat bestuurd wordt door besturingsmiddelen, terwijl het verplaatsen 10 van het schildorgaan plaatsvindt door een aantal duworganen, zoals aanduwvijzeis, en dergelijke, die eveneens met behulp van besturingsmiddelen zijn aan te sturen. In een andere voorkeursuitvoeringsvorm geschiedt het boren in de ondergrond door het persen van een element, zoals bij-15 voorbeeld een stalen leiding, door de bodem. Ook in een dergelijk geval kunnen deformaties aan het oppervlak van de ondergrond optreden. Wanneer in het vervolg derhalve de term "boren" voor het maken van een opening in de ondergrond wordt gebruikt, wordt daarmee ook het "persen" 20 of het op soortgelijke wijze "aanbrengen" van elementen in een ondergrond verstaan.The drilling itself takes place in a certain preferred embodiment by rotating a drilling element, such as, for instance, an excavating wheel, which is controlled by control means, while the displacement of the shielding member takes place by a number of pushing members, such as push screw, and the like, which are also operated by means of control means can be controlled. In another preferred embodiment, drilling in the subsurface is effected by pressing an element, such as, for example, a steel pipe, through the bottom. Also in such a case deformations on the surface of the substrate can occur. Therefore, when the term "drilling" is used hereinafter to make an opening in the substrate, this also includes "pressing" or similarly "applying" elements in a substrate.

Bij voorkeur omvatten de boormiddelen tevens spuitmiddelen voor het spuiten van vulmateriaal, welke spuitmiddelen aansluitbaar zijn aan de besturingsmiddelen 25 voor het aansturen van daarvan. De werking en het doel van de bovengenoemde spuitmiddelen zullen hierna worden verduidelijkt. Door aansturing van de spuitmiddelen is de wijze van boren aan te passen.Preferably, the drilling means also comprise spraying means for spraying filling material, which spraying means can be connected to the control means 25 for controlling them. The operation and purpose of the above spraying agents will be explained below. The method of drilling can be adjusted by controlling the spraying means.

Het boorelement, de duworganen en de spuitmid-30 delen zijn door de besturingsmiddelen aanstuurbaar, waarbij de wijze van aansturing hiervan wordt bepaald door het daaraan verschaffen van de juiste stuurparame-ters.The drilling element, the pushing means and the spraying means are controllable by the control means, the manner of controlling this being determined by providing the correct control parameters thereto.

Verdere, voordelen, kenmerken en details van de 35 onderhavige uitvinding volgen uit de navolgende beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm daarvan. In de beschrijving wordt verwezen naar de bijgevoegde figuren, waarin tonen: 1015324 9 - figuur 1 een schematisch aanzicht in perspectief van een tunnelboormachine, die een tunnel onder een tweetal gebouwen boort; - figuur 2 een uitvergroot aanzicht van de 5 voorkeursuitvoeringsvorm van figuur 1, en - figuur 3 een diagram, waarin schematisch de werking van de uitvoeringsvorm van fig. 1 wordt verklaard .Further, advantages, features and details of the present invention follow from the following description of a preferred embodiment thereof. Reference is made in the description to the accompanying figures, in which: figure 1 shows a schematic perspective view of a tunnel boring machine drilling a tunnel under two buildings; figure 2 is an enlarged view of the preferred embodiment of figure 1, and figure 3 is a diagram schematically explaining the operation of the embodiment of figure 1.

Bij het aanleggen van een tunnel of een soort-10 gelijk^bouwwerk in een deformatiegevoelige ondergrond, zoals bijvoorbeeld een relatief slappe bodem, zijn ondermeer twee technieken beschikbaar. Als eerste kan in de ondergrond een sleuf worden gegraven, waarin tunnelseg-menten worden aangebracht, waarna de sleuf al dan niet 15 weer wordt toegedekt. Een dergelijke techniek is zowel op het land als onder het water toepasbaar. De bouwkosten voor het volgens een dergelijke techniek aanleggen van een tunnel zijn relatief laag. Een bezwaar van deze bekende techniek is echter dat deze niet of zeer moeilijk 20 toepasbaar is in dichtbebouwde gebieden. Bovendien is het in bepaalde gevallen maatschappelijk nauwelijks acceptabel om dergelijke tunnels in natuurgebieden, gebieden van bijzonder cultuurhistorische aard of soortgelijke gebieden aan te leggen. Een verder bezwaar is dat bij de bouw 25 van een dergelijke tunnel in zo'n geval de bestaande infrastructuur van wegen, water-, electriciteits-, en communicatieleidingen etc. gedurende langere tijd aangepast moet worden, hetgeen tot hoge indirecte kosten kan leiden.When constructing a tunnel or a similar structure in a deformation-sensitive subsurface, such as, for example, a relatively soft bottom, two techniques are available. First, a trench can be dug in the underground, in which tunnel segments are arranged, after which the trench may or may not be covered again. Such a technique can be applied both on land and under water. The construction costs for constructing a tunnel according to such a technique are relatively low. A drawback of this known technique, however, is that it is not or very difficult to apply in densely built-up areas. Moreover, in certain cases it is hardly socially acceptable to construct such tunnels in natural areas, areas of particular cultural-historical nature or similar areas. A further drawback is that in the construction of such a tunnel in such a case the existing infrastructure of roads, water, electricity, communication lines etc. must be adapted for a longer period of time, which can lead to high indirect costs.

30 Volgens een tweede techniek wordt de tunnel in een deformatiegevoelige ondergrond geboord met behulp van een tunnelboormachine 1 (TBM). Een dergelijke tunnelboormachine 1 is weergegeven in figuur 1. In de figuur wordt in een bodem B een tunnel gegraven met behulp van 35 tunnelboormachine 1. Het reeds voltooide deel van de tunnelwand bestaat uit een aantal achter elkaar geplaatste betonnen tunnelwandringen R. Aan het booruiteinde van de tunnel is een stalen mantel of schild 6 voorzien, welk- 1015324 10 schild in meer detail in figuur 2 is weergegeven en afmetingen heeft die enigszins groter zijn dan die van de tunnelwandringen R, zodat het schild 6 over enige afstand over de laatste tunnelwandringen van de tunnelwand ge-5 schoven is (fig. 2). Aan het booruiteinde van het schild 6 is een roteerbaar graafwiel 2 voorzien. Het graafwiel 2 wordt in rotatie gebracht (linksom of rechtsom) door een aan het schild 6 aangebrachte (elektrische) aandrijfmotor 3. Het graafwiel 2 woelt al roterend het bodemmateriaal 10 van de bodem B los waarbij tegelijkertijd in een transle-rende beweging in de richting van pijl A het schild 6 wordt voortgeduwd. Dit voortduwen geschiedt door middel van een aantal tussen het schild 6 en de laatste tunnel-wandring R aangebrachte drukvijzels 5. De drukvijzels 5 15 zijn hierbij gelijkmatig over het eindoppervlak van de tunnelwandring R verdeeld.According to a second technique, the tunnel is drilled in a deformation-sensitive surface using a tunnel boring machine 1 (TBM). Such a tunnel boring machine 1 is shown in figure 1. In the figure, a tunnel is dug in a ground B by means of tunnel boring machine 1. The already completed part of the tunnel wall consists of a number of concrete tunnel wall rings R placed one behind the other. the tunnel is provided with a steel jacket or shield 6, which shield is shown in more detail in figure 2 and has dimensions slightly larger than those of the tunnel wall rings R, so that the shield 6 extends some distance over the last tunnel wall rings of the tunnel wall is slid (fig. 2). A rotatable digging wheel 2 is provided at the drilling end of the shield 6. The digging wheel 2 is brought into rotation (counterclockwise or clockwise) by an (electric) drive motor 3 mounted on the shield 6. The digging wheel 2, while rotating, loosens the bottom material 10 from the bottom B while simultaneously in a translating movement in the direction from arrow A the shield 6 is pushed forward. This pushing is effected by means of a number of pressure jacks 5 arranged between the shield 6 and the last tunnel wall ring R. The pressure jacks 15 are evenly distributed over the end surface of the tunnel wall ring R.

Elke tunnelwandring R is opgebouwd uit een aantal, bijv. zeven segmenten S. Bij het monteren van een tunnelwandring R dienen de genoemde aandrukvijzels 5 20 paarsgewijs te worden teruggetrokken om ruimte te maken voor het te plaatsen segment S. Door het successievelijk aanbrengen van nieuwe tunnelwandsegmenten S wordt telkens een nieuwe tunnelwandring R tegen de laatste tunnelwand-ring aangebracht, waardoor de lengte van de tunnel in 25 stappen van één tunnelwandring vergroot wordt.Each tunnel wall ring R is made up of a number, for example seven segments S. When mounting a tunnel wall ring R, the above-mentioned pressure jacks 5 must be withdrawn in pairs to make room for the segment S to be placed. By successively installing new tunnel wall segments S, a new tunnel wall ring R is placed against the last tunnel wall ring, so that the length of the tunnel is increased in 25 steps from one tunnel wall ring.

Het bij het graven losgewoelde bodemmateriaal b wordt in de weergegeven uitvoeringsvorm als volgt afgevoerd. Via een vloeistoftoevoerbuis 12 wordt bentoniet-vloeistof toegevoerd in een ruimte tussen het graafwiel 2 30 en een daarachter geplaatste drukwand 14 van het schild 6. In deze ruimte komt tevens het losgewoelde bodemmateriaal b terecht. De bentonietvloeistof vermengt zich met het losgewoelde bodemmateriaal en het mengsel wordt via een afzuigmond 13 en een niet-weergegeven afvoerleiding 35 afgevoerd naar een lokatie boven het maaiveld.The soil material b, which has been loosened during digging, is discharged as follows in the illustrated embodiment. Bentonite liquid is supplied via a liquid supply tube 12 into a space between the excavating wheel 2 and a pressure wall 14 of the shield 6 placed behind it. The loosened soil material b also ends up in this space. The bentonite liquid mixes with the loosened soil material and the mixture is discharged via a suction nozzle 13 and a discharge pipe 35 (not shown) to a location above ground level.

Ter realisering van voldoende stabiliteit is op de bentonietvloeistofspiegel een verhoogde luchtdruk nodig om de water- en gronddruk op de desbetreffende 10153?4 11 diepte te kunnen weerstaan. Daartoe is in het schild 6 een tweede wand geplaatst, de zogenoemde duikwand 15.In order to achieve sufficient stability, an elevated air pressure is required on the bentonite liquid level in order to withstand the water and ground pressure at the respective 10153? 4 11 depth. For this purpose a second wall is placed in the shield 6, the so-called diving wall 15.

Door tussen de duikwand 15 en de drukwand 14 een lucht-drukkussen of luchtdrukbel 17 te verschaffen, wordt deze 5 druk via de bentonietvloeistof overgebracht op het boor-front.By providing an air pressure pad or air pressure bubble 17 between the diving wall 15 and the pressure wall 14, this pressure is transferred via the bentonite liquid to the drilling front.

In figuur 2 heeft de duikwand 15 aan de onderzijde een opening zodat het losgewoelde bodemmateriaal via zuigmond 13 is af te zuigen. In geval van onderhouds-10 werkzaamheden is de duikwand 15 echter te sluiten, en kan onderhoudspersoneel via luchtsluis 16 de ruimte tussen de drukwand 14 en duikwand 15 betreden.In figure 2, the diving wall 15 has an opening at the bottom, so that the loosened bottom material can be extracted via suction mouth 13. In case of maintenance work, however, the diving wall 15 can be closed, and maintenance personnel can enter the space between the pressure wall 14 and diving wall 15 via airlock 16.

De tunnelboormachine 1 omvat tevens één of meer verplaatsbare volgwagens 7, waarop een voorraad tunnel-15 segmenten S rust. Bovendien is op de volgwagens 7 een aantal pompen aangebracht voor het via een aantal toe- en afvoerleidingen, ondermeer voor het toevoeren van bentonietvloeistof respectievelijk het afvoeren van het mengsel van bentonietvloeistof en losgewoeld bodemmateriaal. 20 Tussen het zich over de tunnelwand uitstrekken de uiteinde van het schild 6 enerzijds en de tunnelwand anderzijds is een staartafdichting 10 voorzien, waarin een aanvoermechanisme 19 voor het aanvoeren van een groutmengsel kan zijn aangebracht. Het aanvoermechanisme 25 dient voor het spuiten van groutmateriaal in de ruimte die bij het boren rondom de tunnelwand ontstaat, met name doordat de buitendiameter van het schild 6 groter is dan de buitendiameter van de tunnelwand en doordat het schild 6 in veel gevallen niet geheel evenwijdig met de tunnel-30 wand is gepositioneerd. Deze ruimte wordt gevuld met groutmateriaal, teneinde verzakkingen aan het oppervlak van de bodem B zoveel mogelijk te voorkomen.The tunnel boring machine 1 also comprises one or more movable support vehicles 7 on which a stock of tunnel segments S rests. In addition, a number of pumps are provided on the support vehicles 7 for the purpose of supplying bentonite liquid or discharging the mixture of bentonite liquid and loosened soil material via a number of supply and discharge pipes, inter alia. Between the end of the shield 6 on the one hand and the tunnel wall on the other, a tail seal 10 is provided in which a feed mechanism 19 for supplying a grout mixture can be arranged. The feed mechanism 25 serves for spraying grout material into the space that arises during drilling around the tunnel wall, in particular because the outer diameter of the shield 6 is larger than the outer diameter of the tunnel wall and in many cases the shield 6 is not completely parallel to the tunnel-30 wall is positioned. This space is filled with grout material, in order to prevent subsidence on the surface of the bottom B as much as possible.

De tunnelboormachine 1 is te bedienen met een aantal instelbare stuurparameters, zoals bijvoorbeeld de 35 draaisnelheid en draairichting van het graafwiel 2, het moment dat door de graafwielaandrijving 23 op het graaf-wiel 2 wordt overgebracht, de aandrukkracht van elk van de aandrukvijzeis 5, de druk van het via de toevoer 12 1015324 12 toegevoerde bentoniet, de mate van afzuiging via zuigmoncl 13, de hoeveelheid en samenstelling van het groutmateri-aal dat via het aanvoermechanisme 19 rondom de tunnelwancl wordt gespoten, etc. Bij het instellen kan gebruik worden 5 gemaakt van toestandinformatie die verkregen is via een groot aantal sensoren, zoals druksensoren 20 voor het meten van de druk in de graaf kamer, sensoren 21 voor het meten van de hydraulische druk van elk van de vijzels 5 en/of de afstand waarover elk van de vijzels 5 is uitge-10 duwd, in aanvoerkanaal 19 aangebrachte debietmeter 22 voor het meten van het debiet van het aangevoerde grout-materiaal, etc.The tunnel boring machine 1 can be operated with a number of adjustable steering parameters, such as, for example, the rotational speed and direction of rotation of the excavating wheel 2, the moment that is transferred by the excavating wheel drive 23 to the excavating wheel 2, the pressing force of each of the pressing screw 5, the pressure of the bentonite supplied via the inlet 12 1015324 12, the degree of extraction via the suction sample 13, the amount and composition of the grout material that is sprayed around the tunnel channel via the feed mechanism 19, etc. Use can be made during adjustment of state information obtained from a large number of sensors, such as pressure sensors 20 for measuring the pressure in the excavation chamber, sensors 21 for measuring the hydraulic pressure of each of the jacks 5 and / or the distance over which each of the jacks 5 is pushed out, flow meter 22 arranged in supply channel 19 for measuring the flow rate of the supplied grout material, etc.

Aan het oppervlak van de bodem B worden metingen uitgevoerd van de verplaatsingen in opwaartse en 15 neerwaartse richting als gevolg van het naderen en passeren van de tunnelboormachine 1. De zettingen wanneer slechts verticale verplaatsingen beschouwd worden of de deformaties wanneer tevens de horizontale verplaatsingen beschouwd worden kunnen direct gemeten worden met behulp 20 van zakbakens 24 of indirect met behulp van een aan een gebouw G aangebrachte meetapparatuur 25. De meetgegevens worden opgevangen in een verwerkingseenheid en van daaruit verzonden naar de tunnelboormachine 1. De meetgegevens kunnen grafisch worden weergegeven. De metingen 25 worden zowel een positie voor, boven alsmede achter het schild van de tunnelboormachine geplaatst, teneinde een goed beeld te kunnen verkrijgen van de door het boren veroorzaakte deformaties van het bodemoppervlak.At the surface of the bottom B measurements are made of the displacements in the upward and downward directions as a result of the approach and passing of the tunnel boring machine 1. The settlements when only vertical displacements are considered or the deformations when also the horizontal displacements can be considered can be measured directly using pocket beacons 24 or indirectly using measuring equipment 25 attached to a building G. The measurement data is collected in a processing unit and sent from there to the tunnel boring machine 1. The measurement data can be displayed graphically. The measurements 25 are placed both in front, above and behind the shield of the tunnel boring machine, in order to obtain a good picture of the deformations of the bottom surface caused by drilling.

Alvorens te boren worden aan de hand van grond-30 mechanische sommen de aanvangsparameters voor de besturing van de tunnelboormachine bepaald. De boring vangt aan met de instelling van deze aanvangsparameters. Tijdens het boren worden in hoofdzaak real-time de deformat.-iegegevens naar de operator verstuurd, welke deformatie-35 gegevens samen met de toestandgegevens worden gebruikt om de tunnelboormachine zodanig met stüurparameters aan te sturen, dat deformaties (zettingen) minimaal blijven. De stappen van het bepalen van de zettingegevens tot en met .Before drilling, the initial parameters for the control of the tunnel boring machine are determined on the basis of basic mechanical sums. The bore starts with the setting of these initial parameters. During drilling, essentially the real-time deformation data is sent to the operator, the deformation data together with the state data being used to control the tunnel boring machine with steering parameters such that deformations (settlements) remain minimal. The steps from determining the settlement data to.

1015324 13 het aansturen van de tunnelboormachine 1 geschiedt tijdens het boren en wordt derhalve in hoofdzaak real-time uitgevoerd, hetgeen wil zeggen dat de tijdsvertraging minimaal is. In de praktijk treedt een tijdsvertraging op 5 van maximaal circa een half uur. Een tijdsvertraging van maximaal 5 & 10 minuten is echter in sommige gevallen realiseerbaar.The driving of the tunnel boring machine 1 takes place during the drilling and is therefore performed essentially in real time, which means that the time delay is minimal. In practice, a time delay of up to about half an hour occurs. However, a time delay of up to 5 & 10 minutes is achievable in some cases.

In figuur 3 is schematisch de werking van de tunnelboormachine weergegeven. De tunnelboormachine 1 10 wordt bestuurd met behulp van een TBM-besturing 40. Deze besturing 40 is met behulp van een groot aantal verbindingslijnen 41a, 41b, ...., 41c, 4ld verbonden met de diverse elementen van de tunnelboormachine 1 voor het besturen van onder meer de vijzeldruk, de rotatiesnelheid 15 en rotatierichting van het graafwiel 2, etc. alsmede met toestandsbepalingssensoren, zoals sensoren 20, 21, 22. In de praktijk kunnen vele honderden of meer sensoren worden toegepast voor het bepalen van één van de grootheden die representatief zijn voor het boorproces. Hierbij kan 20 gedacht worden aan druksensoren op diverse posities, temperatuursensoren, etc.Figure 3 shows schematically the operation of the tunnel boring machine. The tunnel boring machine 1 10 is controlled by means of a TBM control 40. This control 40 is connected to the various elements of the tunnel boring machine 1 by means of a large number of connecting lines 41a, 41b, ...., 41c, 4ld. of, among other things, the jack pressure, the rotation speed 15 and direction of rotation of the excavating wheel 2, etc. as well as with state-determining sensors, such as sensors 20, 21, 22. In practice, many hundreds or more sensors can be used for determining one of the quantities be representative of the drilling process. This could include pressure sensors at various positions, temperature sensors, etc.

De besturing 40 van de tunnelboormachine 1 is aangesloten op een stuurcomputer 45 die door een operator O te bedienen is. Besturing van de tunnelboormachine 1 25 geschiedt bijvoorbeeld door de verplaatsingssnelheid van het schild 6 te verkleinen (bijvoorbeeld door de vijzeldruk in de vijzels 5 te verkleinen) . Hierdoor kunnen grote deformaties vermeden worden, aangezien door het inspuiten van groutmateriaal, zoals hier eerder is aange-30 geven, aan de buitenzijde van de tunnelwand de bodem B in voldoende mate gestabiliseerd kan worden. Een dergelijke lage verplaatsingssnelheid zal het boren echter economisch onrendabel maken. Wanneer echter de verplaatsingssnelheid wordt vergroot, neemt echter de kans op deforma-35 ties toe, hetgeen schade aan gebouwen en infrastructuur kan veroorzaken.The control 40 of the tunnel boring machine 1 is connected to a control computer 45 which can be operated by an operator O. The tunnel boring machine 1 is controlled, for example, by decreasing the displacement speed of the shield 6 (for example by reducing the auger pressure in the augers 5). Large deformations can hereby be avoided, since the bottom B can be sufficiently stabilized on the outside of the tunnel wall by injecting grout material, as indicated here before. However, such a slow travel speed will make drilling economically unprofitable. However, as the displacement speed is increased, the chance of deformations increases, which can cause damage to buildings and infrastructure.

Voor het bepalen van het tunnelproject wordt de operator 0 op een in het vakgebied bekende wijze geholpen 1015324 14 door een (niet-weergegeven) laser die in de tunnel wordt opgesteld en die het ideale boortraject weergeeft. Gebruik makend van de laser krijgt de operator 0 via de besturing 40 en stuurcomputer 45 een indicatie van hoever 5 het daadwerkelijk geboorde tunneltrajeet afwijkt van het ideale traject.To determine the tunnel project, the operator 0 is assisted in a manner known in the art by a laser (not shown) which is arranged in the tunnel and which represents the ideal drilling path. Using the laser, the operator 0 receives an indication via the control 40 and control computer 45 of how far 5 the actually drilled tunnel trajectory deviates from the ideal trajectory.

De operator O wordt bij het besturen van de tunnelboormachine 1 geholpen door de tunnelboormachine-computer 45 die hetzij aangeeft welke voorkeurswaarden de 10 verschillende stuurparameters dienen te bezitten om gegeven het te volgen boortraject, de deformaties aan het oppervlak aan de ondergrond b te minimaliseren, hetzij de besturing 40 direct aanstuurt, in welk laatste geval de operator O slechts een controlerende functie heeft.The operator O is assisted in controlling the tunnel boring machine 1 by the tunnel boring machine computer 45, which either indicates which preferred values the 10 different steering parameters must have in order to minimize the deformations on the surface on the substrate b, given the drilling path to be followed, or the controller 40 directly controls, in which case the operator O has only a controlling function.

15 De bepaling van de voorkeurs stuurparameters ge schiedt door gegevens van de zakbakens 24 of de meetapparatuur 25, die de deformaties meten, in te voeren in een neuraal netwerk 46. Bovendien worden de toestandspara-meters die het boorproces karakteriseren in het neurale 20 netwerk 46 ingevoerd. In het geval dat het neurale netwerk 46 eenmaal getraind is, zal de uitvoer van dit netwerk de voorkeurs stuurparameters opleveren. De aldus bepaalde stuurparameters worden vervolgens op een willekeurige wijze aan de operator O kenbaar gemaakt, bijvoor-25 beeld door een grafische afbeelding op het beeldscherm van de stuurcomputer 45.The determination of the preferred control parameters is effected by entering data from the pocket beacons 24 or the measuring equipment 25, which measure the deformations, into a neural network 46. In addition, the state parameters characterizing the drilling process are entered into the neural network 46 implemented. In case the neural network 46 is trained once, the output of this network will yield the preferred control parameters. The control parameters thus determined are then made known to the operator O in an arbitrary manner, for example by a graphic image on the screen of the control computer 45.

Bij het bepalen van voorkeursstuurparameters kunnen de door het neurale netwerk 46 bepaalde stuurparameters vergeleken worden met stuurparameters die zijn 30 opgeslagen in de theoretische database 50, die vóór het boren is gevuld met theoretisch bepaalde stuurparameters. Deze stuurparameters kunnen bijvoorbeeld zijn bepaald door het uitvoeren van theoretische berekeningen aan de hand van een fysisch model van de ondergrond en van de 35 tunnelboormachine.In determining preferred steering parameters, the steering parameters determined by the neural network 46 can be compared with steering parameters stored in the theoretical database 50, which is filled with theoretically determined steering parameters before drilling. These steering parameters can for instance be determined by performing theoretical calculations on the basis of a physical model of the subsurface and of the tunnel boring machine.

Bovendien kunnen de voorkeursstuurparameters vergeleken worden met de stuurparameters uit een "as-built" database 51, waarin stuurparameters zijn opgesla-· 1015324 15 gen tijdens het boren van een eerdere tunnel, bijvoorbeeld de eerste tunnel van een tweelingtunnel, of een eerder in een soortgelijke bodem aangelegde tunnel. Bij te grote verschillen tussen de stuurparameters in de 5 theoretische database 50 en/of de "as-built" database 51 enerzijds en de door het neurale netwerk berekende stuurparameters anderzijds wordt een waarschuwing afgegeven, bijvoorbeeld in de vorm van een optisch of akoestisch signaal. Hierdoor kan de operator O handmatig de stuurpa-10 rameters aanpassen teneinde calamiteiten te vermijden.In addition, the preferred steering parameters can be compared with the steering parameters from an "as-built" database 51, in which steering parameters are stored when drilling an earlier tunnel, for example the first tunnel of a twin tunnel, or an earlier one in a similar bottom constructed tunnel. If there are too great differences between the control parameters in the theoretical database 50 and / or the "as-built" database 51 on the one hand, and the control parameters calculated by the neural network on the other hand, a warning is issued, for example in the form of an optical or acoustic signal. This allows the operator O to manually adjust the steering parameters to avoid calamities.

In het geval dat het neurale netwerk nog niet getraind is, worden de deformatiegegevens en de toestand-gegevens als invoer en de door een operator 0 gebruikte of toegepaste stuurparameters als uitvoer gebruikt om de 15 coëfficiënten van het neurale netwerk te trainen. Indien na verloop van tijd tijdens het boren het neurale netwerk in voldoende mate getraind is, kan de tunnelboormachine-computer 45 in voorkomende gevallen de besturing overnemen van de operator O.In case the neural network is not yet trained, the deformation data and the state data as input and the control parameters used or applied by an operator 0 are output to train the neural network coefficients. If, over time, the neural network has been sufficiently trained during drilling, the tunnel boring machine computer 45 may take over control from the operator O, if appropriate.

20 In een voorkeursuitvoering van de uitvinding wordt aangenomen dat voor het adaptief bij sturen van een tunnelboormachine er een relatie bestaat tussen wat er gemeten wordt en kan worden op en vóór de tunnelboormachine en de daarop volgende deformatie (bijvoorbeeld zet-25 ting) van de grond boven de werkzaamheden. De belangrijkste kandidaten voor deze relatie kunnen met behulp van diverse analyse hulpmiddelen worden geïdentificeerd, waarna er richtlijnen kunnen worden opgesteld zodanig dat de waarschijnlijke deformatie van de bodem geminimali-30 seerd wordt. Wanneer bijvoorbeeld, in het geval dat de deformaties aan het oppervlak van de bodem gemeten zettingen zijn, een aantal kandidaten voor zettingsvariabe-len zijn geïdentificeerd op basis van sterke korrelaties tussen de variaties in deze variabelen en variaties in de 35 oppervlaktezettingen direct boven de tunnelboormachine, kan een computerprogramma gedraaid worden dat een feedforward neuraal netwerk bevat, waarbij het neurale netwerk de historische waarde van de stuurparameters en de 1015324 16 daarbij behorende waarde voor de zettingsvariabelen leert. Het netwerk leert hierbij de relatie tussen stuur-parameters en zettingsvariabelen zoals die gelden voor de lokale bodemgesteldheid. Op basis van het geleerde ver-5 band kan dan een voorspelling worden gedaan voor de resulterende zettingsvariabelen gegeven aanpassingen aan de stuurparameters.In a preferred embodiment of the invention it is assumed that for the adaptive control of a tunnel boring machine, there is a relationship between what is measured and can be measured on and before the tunnel boring machine and the subsequent deformation (eg setting) of the ground above the work. The main candidates for this relationship can be identified using various analytical tools, and guidelines can be drawn up to minimize the likely deformation of the soil. For example, in case the deformations at the surface of the soil are measured settlements, when a number of candidates for settlement variables have been identified based on strong correlations between the variations in these variables and variations in the surface settlements directly above the tunnel boring machine, a computer program containing a feedforward neural network can be run, whereby the neural network learns the historical value of the control parameters and the associated value for the settlement variables. The network learns the relationship between control parameters and settlement variables as they apply to local soil conditions. Based on the learned relationship, a prediction can then be made for the resulting settlement variables given adjustments to the control parameters.

Stel dat bijvoorbeeld als toestandsgegevens twee met druksensoren gemeten drukparameters op het 10 boorschild een sterke korrelatie laten zien met de uit-, eindelijke zettingen direct boven de tunnelboormachine. Daar deze drukparameters niet direct te sturen zijn, moet er een verband gevonden worden tussen de te manipuleren stuurparameters (bijvoorbeeld druk aan het front, boor-15 snelheid en morteldruk) (x(l), x(n)), en de drukken op de twee posities op het schild (y(l) , y(2)). Een dergelijk verband wordt aangeduid met F((xl) ....... x(n)) = (y(l), y(2)). Gegeven een historische dataset, zoals beschikbaar komt tijdens het boren, kan de functie F(x) 20 geleerd worden in een feedforward neuraal netwerk met bijvoorbeeld adaptieve error-backpropagation als leerregel . De grootte van het netwerk dient beperkt te worden gehouden om zowel tot een goede generalisatie te komen alsmede "overfitting" van de trainingsset te voorkomen.For example, suppose that as state data two pressure parameters measured with pressure sensors on the drill shield show a strong correlation with the final settlements directly above the tunnel boring machine. Since these pressure parameters cannot be directly controlled, a relationship must be found between the control parameters to be manipulated (eg pressure at the front, drilling speed and mortar pressure) (x (l), x (n)), and the pressures on the two positions on the shield (y (l), y (2)). Such a relationship is denoted by F ((xl) ....... x (n)) = (y (l), y (2)). Given a historical data set, as it becomes available during drilling, the function F (x) 20 can be learned in a feedforward neural network with, for example, adaptive error-back propagation as a learning rule. The size of the network should be kept limited in order to achieve good generalization as well as to avoid "overfitting" of the training set.

25 Door een "tijdvenster" voor de historische waarden te gebruiken en het neurale netwerk regelmatig te hertrainen op deze zich wijzigende trainingsset, kan het netwerk impliciet geadapteerd worden aan een veranderende bodemsamenstelling, welke de relatie tussen zettingsvari-30 abelen en stuurparameters beïnvloedt (met andere woorden, de functie F(x) verandert als gevolg van verandering in de bodemsamenstelling, en door herhaaldelijk te hertrai-ning kan het netwerk deze zich wijzigende functie adaptief leren).By using a "time window" for the historical values and regularly retraining the neural network on this changing training set, the network can be implicitly adapted to a changing soil composition, which influences the relationship between settlement variables and steering parameters (with other words, the function F (x) changes as a result of changes in the soil composition, and through repeated retraining the network can adaptively adapt this changing function).

35 Voor de voorspelling kan een verschuivend venster (sliding window) van een historische trainingsda-taset worden gebruikt. Voor elk meetpunt aan het boor-front zijn vijf waarden berekend, het gemiddelde van de 1015324 17 laatste vijf meetpunten, het gemiddelde van metingen Tg-T , T -T,c, T -T,, en het gemiddelde van T -T,.. Als te leren uitgangswaarde is de waarde van een sensor op het schild genomen. In het geval van bijvoorbeeld acht in-5 voersensoren, zoals druksensoren aan het boorfront, zijn er derhalve 5 x 8 = 40 invoerknooppunten en in dit geval één uitvoerknooppunt. Als start wordt een trainingsset met 20 keer het eerste datapunt genomen, vervolgens wordt het netwerk getraind en voorspelt deze de volgende waar-10 den. De gemeten nieuwe waarden wordt volgens het first-in-first-out principe toegevoegd aan de trainingsset, waarna het netwerk opnieuw op de lichtgewijzigde trainingsset getraind wordt om het volgende te voorspellen.35 For the prediction, a sliding window of a historical training data set can be used. Five values were calculated for each measuring point on the drilling front, the average of the 1015324 17 last five measuring points, the average of measurements Tg-T, T -T, c, T -T ,, and the average of T -T, .. As a basic value to be learned, the value of a sensor is taken on the shield. For example, in the case of eight input-5 input sensors, such as pressure sensors on the drilling front, there are 5 x 8 = 40 input nodes and in this case one output node. As a start, a training set with 20 times the first data point is taken, then the network is trained and predicts the next values. The measured new values are added to the training set according to the first-in-first-out principle, after which the network is trained again on the slightly modified training set to predict the following.

Op basis van de geleerde functie kan het net-15 werk voor een set stuurvariabelen een correcte voorspelling doen voor de te verwachten drukken op het schild (y(l) en y(2)). Voor een stabiele bodemsamenstelling blijkt hier deze voorspelling ook voor langere tijd betrouwbaar. Dit maakt het mogelijk de resultaten van 20 eventuele bijsturingen te voorspellen en aldus een betere controle over de besturing van de tunnelboormachine te verwezenlij ken.Based on the learned function, the network can correctly predict the expected pressures on the shield (y (l) and y (2)) for a set of control variables. For a stable soil composition, this forecast also proves reliable for a longer period of time. This makes it possible to predict the results of possible adjustments and thus achieve better control over the control of the tunnel boring machine.

In figuur 3 is met een onderbroken lijn weergegeven dat de bij het boren toegepaste stuurparameters 25 alsmede de daarbij behorende waarden van de toestandgege-vens ten behoeve van later gebruik in een database, bijvoorbeeld de as-built database 51, zijn op te slaan.Fig. 3 shows by a broken line that the control parameters 25 used in drilling as well as the associated values of the state data for later use can be stored in a database, for instance the as-built database 51.

Naast de boven beschreven toepassing van de uitvinding op het in een ondergrond boren van tunnels, 30 moge het duidelijk zijn dat de uitvinding tevens andere toepassingen omhelst, zoals toepassing op het in een ondergrond persen van buizen, zoals bijvoorbeeld het persen van stalen buizen door een slappe bodem voor realiseren van een olieleiding, etc.In addition to the above-described application of the invention to drilling tunnels in a substrate, it will be clear that the invention also encompasses other applications, such as application to pressing pipes into a substrate, such as for instance pressing steel pipes through a soft bottom for realizing an oil pipe, etc.

35 In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding is het systeem van de turinelboormachinecompu-ter 45, het neurale netwerk 46, de zettingsmeetsensoren 24 en 25 en als optie de databases 50 en 51 aan te slui- .In a further preferred embodiment of the invention, the system of the rotary drill computer 45, the neural network 46, the position measuring sensors 24 and 25 and optionally the databases 50 and 51 can be connected.

101532.4 18 ten op een simulator 44 waarin het gedrag van de tunnel-boormachine 1 wordt gesimuleerd. Een dergelijke simulator kan softwarematig en hardwarematig worden geïmplementeerd.101532.4 18 at a simulator 44 in which the behavior of the tunnel boring machine 1 is simulated. Such a simulator can be implemented in software and hardware.

5 Aangezien aansluiting van de simulator 44 optioneel is, is deze in figuur 3 met onderbroken lijnen weergegeven. De simulator kan echter ook afzonderlijk van tunnelboormachine functioneren, bijvoorbeeld voor het simuleren van het boorproces alvorens tot het daadwerke-10 lijk boren wordt overgegaan, hetgeen verderop nader is uiteengezet.Since connection of the simulator 44 is optional, it is shown in broken lines in figure 3. However, the simulator can also function separately from the tunnel boring machine, for example to simulate the drilling process before the actual drilling is started, which is explained in more detail below.

In een eenvoudig simulatiemodel wordt bijvoorbeeld gedrag gesimuleerd van het schild 6, de drukschot-ten 14,15, de voortstuwingsvijzeis 5, het graafwiel of 15 snij rad 2 met verschuivingscilinders, een systeem voor het opvangen van drukvariaties, dat wil zeggen het systeem voor het luchtdrukkussen, het gedrag van het aan- en afvoersysteem voor vloeistof en losgewoeld bodemmateri-aal, van compressoren en luchtdrukregeling, het gevolg 20 van een bepaalde waterdruk, gronddruk, wrijving langs het schild 6, bodemtype, etc..For example, in a simple simulation model, behavior of the shield 6, the pressure plates 14,15, the propulsion screw 5, the digging wheel or the cutting wheel 2 with displacement cylinders, a system for absorbing pressure variations, i.e. air pressure cushion, the behavior of the supply and discharge system for liquid and loosened soil material, of compressors and air pressure regulation, the result of a certain water pressure, ground pressure, friction along the shield 6, soil type, etc.

Met de simulator kunnen van tevoren simulaties worden uitgevoerd voor het boortraject dat doorlopen zal gaan worden met als doel het boortraject te optimalise-25 ren. Een dergelijke simulator is tevens toepasbaar voor het trainen van bestuurders of operators. Aangezien het trainen van operators in de praktijk zeer veel tijd vergt (enige jaren) en bovendien gevaarlijke situaties niet of nauwelijks getraind kunnen worden, is het voordeliger om 30 een operator op een dergelijke simulator te trainen. De simulator kan tevens toegepast worden bij optredende calamiteiten. Hierbij wordt bijvoorbeeld het boren van de tunnel stopgezet, wordt een simulatie uitgevoerd van het uitgevoerde boorwerk, en wordt bekeken tot in welke 35 toestand men met de TBM terug moet gaan om weer in een stabiele situatie te geraken.With the simulator simulations can be carried out in advance for the drilling trajectory that will be completed with the aim of optimizing the drilling trajectory. Such a simulator can also be used for training drivers or operators. Since the training of operators requires a great deal of time in practice (several years) and, moreover, dangerous situations cannot or hardly be trained, it is more advantageous to train an operator on such a simulator. The simulator can also be used in case of emergencies. For example, the drilling of the tunnel is stopped here, a simulation of the drilling work carried out is carried out, and an assessment is made of the state to which the TBM must be returned in order to return to a stable situation.

In een andere voorkeursuitvoeringsvorm kan de simulator worden toegepast om subsystemen van de tunnel- 1015324 19 boormachine bij de fabrikant van de tunnelboormachine TBM te kunnen testen om te zien of alle sub-systemen juist functioneren. Tijdens het fabricageproces kan in een dergelijk geval de simulatie van bepaalde subsystemen 5 vervangen worden door de werkelijke subsystemen of componenten op het moment dat deze gereed zijn gekomen. Als de gehele machine gereed is, kan de simulator op alle subsystemen van de tunnelboormachine worden aangesloten en kan worden proefgedraaid. Hierdoor kan het in huidige 10 praktijk gebruikelijke proefboren (over meer dan 200 m) vermeden worden.In another preferred embodiment, the simulator may be used to test subsystems of the tunnel boring machine at the TBM tunnel boring machine manufacturer to see if all subsystems are functioning properly. During the manufacturing process, in such a case, the simulation of certain subsystems 5 can be replaced by the actual subsystems or components when they are ready. When the entire machine is ready, the simulator can be connected to all subsystems of the tunnel boring machine and a test run can be performed. This makes it possible to avoid test drills usual in current practice (over 200 m).

De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot de bovenbeschreven voorkeursuitvoeringsvormen daarvan; de gevraagde rechten worden bepaald door de navolgende 15 conclusies, binnen de strekking waarvan velerlei modificaties denkbaar zijn.The present invention is not limited to the above described preferred embodiments thereof; the requested rights are defined by the following claims, within the scope of which many modifications are conceivable.

10153241015324

Claims

1. Method for drilling and / or pressing into a substrate, the steps comprising: - determining a priori the manner of controlling drilling means for drilling and / or pressing into the substrate; - controlling the resources in the a priori manner; - determining the formation data of the subsurface during drilling and / or pressing; 10. depending on the formation data, determining in real time the manner of controlling the drilling means;

2. Method as claimed in claim 1, comprising of repeatedly determining the deformation data during drilling and / or pressing, and in each case determining the optimum driving method of the drilling means depending on the deformation data.

A method according to claim 1 or 2, wherein the manner of control is determined by a number of 20 control parameters.

Method for drilling and / or pressing into a substrate, preferably according to claim 3, comprising the steps of: -a) determining a priori control parameters for controlling drilling means for drilling and / or pressing into the substrate. ; -b) controlling the drilling parameters for drilling and / or pressing into the subsurface determined with the a priori control parameters; -C) determining deformation data of the substrate during drilling and / or pressing; -d) determining state data during drilling and / or pressing; -e) inputting the deformation data and the state data into control parameter determining means 1015324 which, depending on the deformation data and state data, determine the control parameters with which the drilling means can be controlled, and proceed to step c.

The method of claim 4, wherein step 5 e comprises inputting the deformation and state data into a neural network and outputting the control parameters determined with the neural network.

Method according to claim 5, comprising training the neural network during drilling and / or pressing on the basis of the input of the determined deformation data and the state data and the output of the control parameters.

A method according to claim 5 or 6, comprising training the neural network a priori.

A method according to any of claims 5-7, step e comprising: 10 -el) showing an operator one or more of the determined control parameters.

Method according to claim 8, step e comprising: - e2) whether or not the operator adjusts the steering parameters on the basis of the shown control parameters and controls the drilling means with the steering parameters whether or not adapted.

Method according to any one of claims 5-8, step e comprising: 20 -e3) controlling the drilling means with the determined control parameters.

A method according to any one of claims 5-10, comprising: - comparing the methods of controlling the drilling means determined in step a and in step 25.; and - depending on the result of the comparison, adjusting the manner in which the drilling means are controlled.

12. A method according to any one of claims 5-11, 30 comprising repeating steps a-e per a predetermined drilling distance. 1015324

A method according to any one of the preceding claims, wherein the drilling comprises digging a tunnel or pressing a pipe into the ground.

14. Method according to claim 12, wherein the predetermined drilling distance substantially corresponds to the length of an annular tunnel segment of the tunnel wall.

15. A method according to any one of the preceding claims, comprising adding a priori analytically determined limit values to the neural network.

A method according to claim 13, comprising storing the control parameters and / or condition data used during the drilling of a first tunnel or pipe.

A method according to claim 16, comprising comparing control parameters to be used when drilling a second tunnel or pipe with the control parameters used when drilling the first tunnel or pipe.

The method of claim 17, comprising adjusting the control parameters to be used depending on the comparison of the control parameters.

19. Method as claimed in claim 17 or 18, comprising of locating the first and second tunnel 25, respectively, pipe in proximity to each other.

The method of any preceding claim, wherein the step of determining deformation data comprises measuring deformations at positions in front, above and behind the drill shield of the drilling means. 3 0

A method according to any preceding claim, wherein the step of determining deformation data comprises measuring deformations as a function of elapsed time.

A method according to any one of claims 5-21, 35 in step a comprising applying soil mechanical and / or empirical relations to determine the a priori control parameters. 1015324

A method according to any one of the preceding claims, comprising of simulating the drilling of a tunnel in the underground on the basis of a physical model of, inter alia, the subsurface and of the drilling means.

The method of claim 23, comprising training an operator by simulating the drilling of a tunnel into the subsurface.

25. Method according to claim 23, comprising performing a priori simulations for optimization of the drilling.

The method of claim 23, comprising testing one or more parts of the drilling means by simulating the drilling.

27. A method according to claim 23, comprising stopping drilling, simulating a number of drilling variants, selecting a drilling variant, and continuing drilling with the selected drilling variant.

28. Device for drilling and / or pressing into a substrate, comprising: 0. means for drilling and / or pressing into a substrate; - control means connected to the drilling and / or pressing means for controlling the drilling and / or pressing means; 5. deformation determination means for determining the formation data which is a measure of the deformations caused by drilling and / or pressing; - state determining means for determining the state data characteristic of the drilling and / or pressing process; - communication means for communicating between the deformation determination means, the state determination means and the control means; wherein the control means are equipped for determining in real time the manner of controlling the drilling and / or pressing means.

The device of claim 26, wherein the control means comprises control parameter determining means for determining the optimal control parameters with which the drilling and / or pressing means can be controlled, depending on the deformation data and the state data.

30. An apparatus according to claim 29, wherein the control parameter determining means comprise a neural network which, input the formation data and the state data, determine the optimal control parameters with which the drilling and / or pressing means can be controlled.

31. Device as claimed in claim 29 or 30, wherein the means comprise: - a shield member with a rotatable drilling element arranged thereon; - a number of pushing members between an end of the shield member opposite the drilling element and the tunnel wall for pushing the shield member; wherein both the drilling element and the pushing members can be controlled via the control means.

32. Device as claimed in claim 29, 30 or 31, comprising spraying means for spraying grouting material, which spraying means can be connected to the control means for controlling them.

33. Device as claimed in any of the claims 29-32, comprising data storage means in which control parameters used for drilling and / or pressing can be stored.

34. Device for drilling and / or pressing into a substrate, wherein the method according to at least one of claims 1-27 is applied.

35. A method for drilling in a substrate, wherein the device according to any one of claims 28-34 is used. 1015324