NL1015324C2 - Inrichting en werkwijze voor het boren in een ondergrond. - Google Patents

Description

INRICHTING EN WERKWIJZE VOOR HET BOREN IN EEN ONDERGROND

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.

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.

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.

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.

1015324 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 .

1015324 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 .

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 .

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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- .

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.

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.

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..

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.

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.

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.

1015324

Claims (35)

1. Werkwijze voor het boren en/of persen in een ondergrond, de stappen omvattende van: - het a priori bepalen van de wijze van besturen van boormiddelen voor het boren en/of persen in de 5 ondergrond; - het op de a priori bepaalde wijze aansturen van deJooormiddelen; - het bij het boren en/of persen bepalen van de formatiegegevens van de ondergrond; 10. het afhankelijk van de de formatiegegevens in hoofdzaak real-time bepalen van de wijze van aansturen van de boormiddelen;

2. Werkwijze volgens conclusie 1, omvattende het tijdens het boren en/of persen herhaaldelijk bepalen 15 van de deformatiegegevens, en het afhankelijk van de deformatiegegevens telkens bepalen van de optimale aan-stuurwijze van de boormiddelen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de wijze van besturen wordt bepaald door een aantal 20 stuurparameters.

4. Werkwijze voor het boren en/of persen in een ondergrond, bij voorkeur volgens conclusie 3, de stappen omvattende van: -a) het a priori bepalen van stuurparameters 25 voor het besturen van boormiddelen voor het boren en/of persen in de ondergrond; -b) het met de a priori bepaalde stuurparameters aansturen van boormiddelen voor het boren en/of persen in de ondergrond; 30 -c) het tijdens het boren en/of persen bepalen van deformatiegegevens van de ondergrond; -d) het tijdens het boren en/of persen bepalen van toestandgegevens; -e) het invoeren van de deformatiegegevens en 35 de toestandgegevens in stuurparameterbepalingsmiddelen 1015324 die afhankelijk van de deformatiegegevens en toestandge-gevens de stuurparameters bepalen waarmee de boormiddelen zijn aan te sturen, en het vervolgen met stap c.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij stap 5 e omvat het invoeren van de deformatiegegevens en toe- standgegevens in een neuraal netwerk en het uitvoeren van de met het neurale netwerk bepaalde stuurparameters.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, omvattende het tijdens het boren en/of persen trainen van het neurale netwerk aan de hand van de invoer van de bepaalde deformatiegegevens en de toestandgegevens en de uitvoer 5 van de stuurparameters.

7. Werkwijze volgens conclusie 5 of 6, omvattende het a priori trainen van het neurale netwerk.

8. Werkwijze volgens een van de conclusies 5-7, stap e omvattende: 10 -el) het aan een bedienend persoon tonen van een of meer van de bepaalde stuurparameters.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, stap e omvattende : - e2) het door het bedienend persoon al dan 15 niet aanpassen van de stuurparameters aan de hand van de getoonde stuurparameters en het met de al dan niet aangepaste stuurparameters aansturen van de boormiddelen.

10. Werkwijze volgens een der conclusies 5-8, stap e omvattende: 20 -e3) het met de bepaalde stuurparameters aan sturen van de boormiddelen.

11. Werkwijze volgens een der conclusies 5-10, omvattende: - het vergelijken van de bij stap a en bij stap 25. bepaalde wijzen van aansturen van de boormiddelen; en - het afhankelijk van het resultaat van de vergelijking aanpassen van de wijze waarmee de boormiddelen worden aangestuurd.

12. Werkwijze volgens een der conclusies 5-11, 30 omvattende het herhalen van de stappen a-e per een vooraf bepaalde boorafstand. 1015324

13. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het boren omvat het graven van een tunnel of het persen van een leiding in de ondergrond.

14. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij de 5 vooraf bepaalde boorafstand in hoofdzaak overeenkomt met de lengte van een ringvormig tunnelsegment van de tunnel wand.

15. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, omvattende het aan het neurale netwerk toevoegen 10 van a priori analytisch bepaalde grenswaarden.

16. Werkwijze volgens conclusie 13, omvattende het opslaan van de tijdens het boren van een eerste tunnel of leiding toegepaste stuurparameters en/of toe-standgegevens.

17. Werkwijze volgens conclusie 16, omvattende het bij het boren van een tweede tunnel of leiding vergelijken van toe te passen stuurparameters met de bij het boren van de eerste tunnel of leiding toegepaste stuurparameters .

18. Werkwijze volgens conclusie 17, omvattende het aanpassen van de toe te passen stuurparameters afhankelijk van de vergelijking van de stuurparameters.

19. Werkwijze volgens conclusie 17 of 18, omvattende het situeren van de eerste en tweede tunnel 25 respectievelijk leiding in eikaars nabijheid.

20. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de stap van het bepalen van deformatie-gegevens omvat het meten van deformaties op posities voor, boven en achter het boorschild van de boormiddelen. 3 0

21. Werkwijze volgens een der voorgaande con clusies, waarbij de stap van het bepalen van deformatie-gegevens omvat het meten van deformaties als functie van de verstreken tijd.

22. Werkwijze volgens een der conclusies 5-21, 35 in stap a omvattende het toepassen van grondmechanische en/of empirische relaties voor het bepalen van de a priori stuurparameters. 1015324

23. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, omvattende het op basis van een fysisch model van ondermeer de ondergrond en van de boormiddelen simuleren van het boren van een tunnel in de ondergrond.

24. Werkwijze volgens conclusie 23, omvattende het trainen van een operator door het simuleren van het boren van een tunnel in de ondergrond.

25. Werkwijze volgens conclusie 23, omvattende het a priori uitvoeren van simulaties voor optimalisatie 10 van het boren.

26. Werkwijze volgens conclusie 23, omvattende het testen van een of meer onderdelen van de boormiddelen door het simuleren van het boren.

27. Werkwijze volgens conclusie 23, omvattende 15 het stopzetten van het boren, het simuleren van een aantal boorvarianten, het kiezen van een boorvariant, en het vervolgen van het boren met de gekozen boorvariant.

28. Inrichting voor het boren en/of persen in een ondergrond, omvattende: 0. middelen voor het boren en/of persen in een ondergrond; - met de boor- en/of persmiddelen verbonden besturingsmiddelen voor het besturen van de boor- en/of persmiddelen; 5. deformatiebepalingsmiddelen voor het bepalen van de de formatiegegevens die een maat zijn voor de door het boren en/of persen veroorzaakte deformaties; - toestandbepalingsmiddelen voor het bepalen van de toestandgegevens die kenmerkend zijn voor het 30 boor- en/of persproces; - communicatiemiddelen voor het communiceren tussen de deformatiebepalingsmiddelen, de toestandbepalingsmiddelen en de besturingsmiddelen; waarbij de besturingsmiddelen zijn uitgerust voor het in hoofdzaak real- 35 time bepalen van de wijze van aansturen van de boor-en/of persmiddelen.

29. Inrichting volgens conclusie 26, waarbij de besturingsmiddelen stuurparameterbepalingsmiddelen omvat- 1 0 15324 ten voor het afhankelijk van de deformatiegegevens en de toestandgegevens bepalen van de optimale stuurparameters waarmee de boor- en/of persmiddelen te besturen zijn.

30. Inrichting volgens conclusie 29, waarbij de 5 stuurparameterbepalingsmiddelen een neuraal netwerk omvatten die met als invoer de de formatiegegevens en de toestandgegevens de optimale stuurparameters bepalen waarmee de boor- en/of persmiddelen zijn aan te sturen.

31. Inrichting volgens conclusie 29 of 30, 10 waarbij de middelen omvatten: - een schildorgaan met daaraan aangebracht een roteerbaar boorelement; - een aantal duworganen tussen een tegenover het boorelement liggend uiteinde van het schildorgaan en 15 de tunnelwand voor het voortduwen van het schildorgaan; waarbij zowel het boorelement als de duworganen via de besturingsmiddelen zijn aan te sturen.

32. Inrichting volgens conclusie 29, 30 of 31, omvattende spuitmiddelen voor het spuiten van groutmate- 20 riaal, welke spuitmiddelen aansluitbaar zijn aan de besturingsmiddelen voor het aansturen daarvan.

33. Inrichting volgens een der conclusies 29-32, welke gegevensopslagmiddelen omvat waarin voor het boren en/of persen toegepaste stuurparameters zijn op te 25 slaan.

34. Inrichting voor het boren en/of persen in een ondergrond, waarbij de werkwijze volgens ten minste een van de conclusies 1-27 wordt toegepast.

35. Werkwijze voor het boren in een ondergrond, 30 waarbij de inrichting volgens een der conclusies 28-34 wordt toegepast. 1015324