DE102022104725A1

DE102022104725A1 - Tunnel drill

Info

Publication number: DE102022104725A1
Application number: DE102022104725.3A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Stern
Original assignee: Stern Didactic GmbH
Current assignee: Stern Didactic GmbH
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-09-14
Anticipated expiration: 2042-03-01
Also published as: DE102022104725B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tunnelbohrer 1 zum Herstellen eines Tunnels 100 in einem Erdreich 200 durch Verdrängung des Erdreichs 200 mit einem Grundkörper 2, mit einer Antriebseinheit bestehend aus mindestens einem Motor 7 und einer Antriebswelle 7.1, mit einem Bohrelement 3 zum Bohren von Erdreich 200, wobei das Bohrelement 3 eine Rotationsachse 2.1 aufweist und mit der Antriebseinheit in Antriebsverbindung um die Rotationsachse 2.1 steht, mit einer Ausgleichsschnecke 4, zum Räumen von Erdreich 200, die mit der Antriebseinheit in Antriebsverbindung um eine Rotationsachse 2.1 steht, wobei das Bohrelement 3 als Bohrer mit spiralförmig verlaufender Förderhelix 3.2, 5.1 ausgebildet ist und die Ausgleichsschnecke 4 als Schnecke und mit einer spiralförmig verlaufenden Flanke 4.3 ausgebildet ist, wobei die Förderhelix 3.2 und die Flanke 4.1 in Bezug auf die Rotationsachse 2.1 dem Vorzeichen nach unterschiedliche Steigung aufweisen, wobei eine Bohrschnecke 5 zum Räumen von Erdreich 200 vorgesehen ist, wobei die Bohrschnecke 5 mit der Antriebseinheit in Antriebsverbindung um die Rotationsachse 2.1 steht, wobei die Bohrschnecke 5 als Bohrer mit spiralförmig verlaufender Förderhelix 5.1 ausgebildet ist, die dem Vorzeichen nach die gleiche Steigung aufweist, wie das Bohrelement 3, wobei die Ausgleichsschnecke 4 und die Bohrschnecke 5 und das Bohrelement 3 koaxial zur Rotationsachse 2.1 angeordnet sind, wobei die Ausgleichsschnecke 4 zwischen der Bohrschnecke 5 und dem Bohrelement 3 angeordnet ist.The invention relates to a tunnel drill 1 for producing a tunnel 100 in a soil 200 by displacing the soil 200 with a base body 2, with a drive unit consisting of at least one motor 7 and a drive shaft 7.1, with a drilling element 3 for drilling soil 200 , wherein the drilling element 3 has a rotation axis 2.1 and is in drive connection with the drive unit about the rotation axis 2.1, with a compensating screw 4, for clearing soil 200, which is in drive connection with the drive unit about a rotation axis 2.1, the drilling element 3 as a drill is designed with a spiral-shaped conveying helix 3.2, 5.1 and the compensating screw 4 is designed as a screw and with a spiral-shaped flank 4.3, the conveying helix 3.2 and the flank 4.1 having a different pitch in relation to the axis of rotation 2.1, with a drilling auger 5 for clearing soil 200 is provided, the auger 5 being in drive connection with the drive unit about the axis of rotation 2.1, the auger 5 being designed as a drill with a spiral-shaped conveying helix 5.1, which has the same sign as the drilling element 3 , wherein the compensating screw 4 and the drilling auger 5 and the drilling element 3 are arranged coaxially to the axis of rotation 2.1, with the compensating screw 4 being arranged between the drilling auger 5 and the drilling element 3.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tunnelbohrer zum Herstellen eines Tunnels in einem Erdreich durch Verdrängung bzw. Bewegen des Erdreichs mit einem Grundkörper, mit einer Antriebseinheit bestehend aus mindestens einem Motor und einer Antriebswelle, mit einem Bohrelement zum Bohren von Erdreich, wobei das Bohrelement eine Rotationsachse aufweist und mit der Antriebseinheit in Antriebsverbindung um die Rotationsachse steht, mit einer Ausgleichsschnecke zum Räumen von Erdreich, die mit der Antriebseinheit in Antriebsverbindung um eine Rotationsachse steht, wobei das Bohrelement als Bohrer mit spiralförmig verlaufender Förderhelix ausgebildet ist und die Ausgleichsschnecke als Schnecke und mit einer spiralförmig verlaufenden Flanke ausgebildet ist, wobei die Förderhelix und die Flanke in Bezug auf die Rotationsachse dem Vorzeichen nach unterschiedliche Steigungen aufweisen.The invention relates to a tunnel drill for producing a tunnel in a soil by displacing or moving the soil with a base body, with a drive unit consisting of at least one motor and a drive shaft, with a drilling element for drilling soil, the drilling element having an axis of rotation and is in drive connection with the drive unit about the axis of rotation, with a compensating screw for clearing soil, which is in drive connection with the drive unit about a rotation axis, the drilling element being designed as a drill with a spiral conveying helix and the compensating screw as a screw and with a spirally extending flank is formed, the conveying helix and the flank having different slopes in relation to the axis of rotation.

Die Erfindung bezieht sich zudem auf eine Verwendung eines Tunnelbohrers wie beschrieben zum Herstellen eines Tunnels in einem Erdreich durch Verdrängung des Erdreichs. Die Verwendung des Tunnelbohrers zum Herstellen eines Tunnels kann im Rahmen der Verlegung von Leerrohren stattfinden.The invention also relates to the use of a tunnel drill as described for producing a tunnel in a soil by displacing the soil. The use of the tunnel drill to create a tunnel can take place as part of the laying of empty pipes.

Der Tunnelbohrer kommt in einem Bodenverdrängungsverfahren zur Anwendung. Dieses Verfahren wird zum Beispiel zu der grabenlosen Verlegung von unterirdischen Leitungen genutzt. Bei dem Bodenverdrängungsverfahren wird das geräumte Erdreich an einer Tunnelwand verdichtet und nicht aus dem Erdreich gefördert. Schlussendlich wird das Erdreich, auch wenn es im ersten Schritt nur um den Tunnelbohrer bewegt wird, im Tunnel liegen bleiben und anschließend mit einem Dorn, welcher durch das Stahlseil gezogen wird, verdrängt. Die Leitungen können mit dem freien Tunnelbohrer selbst eingezogen werden oder nachträglich eingesteckt werden.The tunnel drill is used in a soil displacement process. This process is used, for example, for the trenchless laying of underground pipes. In the soil displacement process, the cleared soil is compacted on a tunnel wall and is not extracted from the soil. Ultimately, the soil, even if it is only moved around the tunnel drill in the first step, will remain in the tunnel and will then be displaced with a mandrel that is pulled through the steel cable. The cables can be pulled in yourself using the free tunnel drill or plugged in later.

Aus dem Stand der Technik ist ein Bodenverdrängungshammer bekannt, der in Bodenverdrängungsverfahren eingesetzt wird. Der Bodenverdrängungshammer weist ein Gehäuse mit einer Längsachse auf. Der Bodenverdrängungshammer wird in eine transversale Richtung angetrieben. An der Spitze des Bodenverdrängungshammers ist ein Meißel vorgesehen, der das Erdreich zermürbt, räumt und dabei in einer radialen Richtung zur Längsachse verdrängt. Der Bodenverdrängungshammer wird mittels Druckluft betrieben. Die Druckluft wird von einem externen Baustellenkompressor außerhalb des Erdreichs erzeugt und dem Bodenverdrängungshammer über einen Druckluftschlauch zugeführt.A soil displacement hammer is known from the prior art, which is used in soil displacement processes. The soil displacement hammer has a housing with a longitudinal axis. The soil displacement hammer is driven in a transverse direction. A chisel is provided at the tip of the soil displacement hammer, which wears down the soil, clears it and displaces it in a radial direction to the longitudinal axis. The soil displacement hammer is operated using compressed air. The compressed air is generated by an external construction site compressor outside the ground and supplied to the soil displacement hammer via a compressed air hose.

Zudem ist ein Tunnelbohrer aus der DE 1193081 A1 bekannt. Der Tunnelbohrer weist einen Motor und eine Antriebswelle auf, die in einer Basisschnecke angeordnet sind. Zudem weist der Tunnelbohrer ein Bohrelement zum Bohren von Erdreich auf, das mit der Antriebseinheit in Antriebsverbindung um eine Rotationsachse steht.There is also a tunnel drill from the DE 1193081 A1 known. The tunnel drill has a motor and a drive shaft arranged in a base screw. In addition, the tunnel drill has a drilling element for drilling soil, which is in drive connection with the drive unit about an axis of rotation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tunnelbohrer derart auszubilden und anzuordnen, dass die Räumfunktion des Tunnelbohrers verbessert wird.The invention is based on the object of designing and arranging a tunnel drill in such a way that the clearing function of the tunnel drill is improved.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass eine Bohrschnecke zum Räumen von Erdreich vorgesehen ist, wobei die Bohrschnecke mit der Antriebseinheit in Antriebsverbindung um die Rotationsachse steht, wobei die Ausgleichsschnecke und die Bohrschnecke und das Bohrelement koaxial zur Rotationsachse angeordnet sind, wobei die Ausgleichsschnecke zwischen der Bohrschnecke und dem Bohrelement angeordnet ist. Das Bohrelement und die Bohrschnecke können auch separate Motoren aufweisen, so dass sie unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten aufweisen können.The object is achieved according to the invention in that a drilling auger is provided for clearing soil, the auger being in driving connection with the drive unit about the axis of rotation, the compensating auger and the auger and the drilling element being arranged coaxially to the axis of rotation, the compensating auger between the Drilling auger and the drilling element is arranged. The drilling element and the auger can also have separate motors so that they can have different rotation speeds.

Der Tunnelbohrer bewegt sich in einer Bohrrichtung und auf einer Bohrbahn durch das Erdreich fort und bildet so einen Tunnel aus. Mittels des Bohrelements wird das Erdreich von der Bohrbahn geräumt. Das Bohrelement, das mit dem Erdreich einen Form- und/oder Kraftschluss eingeht, übt ein Drehmoment, nachfolgend als Bohrmoment bezeichnet, auf die Ausgleichsschnecke aus. Gleiches gilt für die Bohrschnecke, die synchron zum Bohrelement angetrieben ist. Die Ausgleichsschnecke wirkt diesem Drehmoment durch einen Form- und/oder Kraftschluss mit dem Erdreich entgegen. Hierdurch entsteht ein Gegenmoment, nachfolgend als Haltemoment bezeichnet. Durch das Haltemoment bleibt die Funktion des Bohrelements, das Erdreich zu räumen, gewährleistet, denn das Bohrelement rotiert weiterhin gegenüber dem Erdreich. Sollte das Bohrmoment zu groß werden bzw. das Haltemoment zu klein, rotiert die Ausgleichsschnecke im Erdreich in entgegengesetzte Drehrichtung zu Bohrelement und Bohrschnecke. Aufgrund der entgegengesetzten Steigung wird sodann Erdreich ebenfalls nach hinten zur Bohrschnecke gefördert. Im Idealfall drehen sich das Bohrelement, die Ausgleichsschnecke und die Bohrschnecke, wobei sich die Ausgleichsschnecke in entgegengesetzter Richtung dreht. In diesem Fall wird aufgrund der unterschiedlichen Helix- bzw. Flankenwinkel und der entgegengesetzten Drehbewegung eine Vortriebskraft durch das Fördern des Erdreiches erreicht. Es ist hierbei von Vorteil, wenn das Erdreich eben nicht vollständig verdrängt wird, sondern die Tunnelwand als Rohr ähnlich wie bei einer Förderschnecke dient.The tunnel drill moves through the ground in a drilling direction and on a drilling path, thus forming a tunnel. The soil is cleared from the drilling track using the drilling element. The drilling element, which forms a positive and/or frictional connection with the soil, exerts a torque, hereinafter referred to as drilling torque, on the compensating screw. The same applies to the drilling auger, which is driven synchronously with the drilling element. The compensating screw counteracts this torque through a positive and/or frictional connection with the soil. This creates a counter-torque, hereinafter referred to as holding torque. Due to the holding torque, the function of the drilling element to clear the ground is guaranteed, because the drilling element continues to rotate relative to the ground. If the drilling torque becomes too high or the holding torque is too small, the compensating screw rotates in the ground in the opposite direction of rotation to the drilling element and drilling screw. Due to the opposite gradient, soil is then also conveyed backwards to the auger. Ideally, the drilling element, the compensating auger and the auger rotate, with the compensating auger rotating in the opposite direction. In this case, due to the different helix or flank angles and the opposite rotational movement, a propulsive force is achieved by conveying the soil. It is advantageous if the soil is not completely displaced, but rather the tunnel wall serves as a pipe similar to a screw conveyor.

Das Bohrelement bildet die Spitze des Tunnelbohrers aus. Das Bohrelement ist in Bezug auf eine Bohrrichtung vor der Ausgleichsschnecke angeordnet. An dem Grundkörper ist die Ausgleichsschnecke vorgesehen, an die das Bohrelement und die Bohrschnecke unmittelbar vorne und hinten anschließen. Eine Antriebseinheit bzw. zwei Antriebseinheiten bewirken die Rotation des Bohrelements und der Bohrschnecke relativ zur Ausgleichsschnecke. Die Antriebseinheit kann ein Elektromotor sein. Der Grundkörper kann die Antriebseinheit umfassen.The drilling element forms the tip of the tunnel drill. The drilling element is arranged in front of the compensating screw with respect to a drilling direction. The compensating screw is provided on the base body, to which the drilling element and the drilling screw connect directly at the front and rear. One drive unit or two drive units cause the drilling element and the auger to rotate relative to the compensating auger. The drive unit can be an electric motor. The base body can include the drive unit.

Der Bohrer hat insofern auch vorteilhaft eine Förderfunktion. Die Förderhelix des Bohrelements ist derart in Bezug auf die Rotationsachse angestellt, dass der aktiv rotierende Bohrer das Erdreich entgegen der Bohrrichtung fördert. Die Förderhelix schließt mit der Längsachse zwei Nebenwinkel ein. Der kleinere dieser Nebenwinkel ist der Helixwinkel. Dies gilt entsprechend für die weiteren Winkel. Die Förderhelix kann gegenüber der Längsachse insofern in einem Helixwinkel zwischen 1° - 89° oder 50° - 70° oder 55° - 65° oder 60° angestellt sein. Gleiches gilt für die Förderhelix der Bohrschnecke.In this respect, the drill also advantageously has a conveying function. The conveying helix of the drilling element is positioned in relation to the axis of rotation in such a way that the actively rotating drill conveys the soil counter to the drilling direction. The conveyor helix includes two side angles with the longitudinal axis. The smaller of these secondary angles is the helix angle. This applies accordingly to the other angles. The conveying helix can be set at a helix angle between 1° - 89° or 50° - 70° or 55° - 65° or 60° relative to the longitudinal axis. The same applies to the conveying helix of the auger.

Die Steigung der Flanke der Ausgleichsschnecke ist derart ausgebildet, dass die im Erdreich rotierende Flanke das Erdreich entgegen der Bohrrichtung fördert. Damit bewirkt sie neben dem Ausgleich des Drehmoments des Bohrelements auch den axialen Vortrieb des Tunnelbohrers. Die Flanke schließt mit der Längsachse zwei Nebenwinkel ein. Der kleinere dieser Nebenwinkel ist der Flankenwinkel. Der Flankenwinkel kann zwischen 1° - 89° oder 65° - 85° oder 70 - 80° oder 75° groß sein.The slope of the flank of the compensating screw is designed in such a way that the flank rotating in the ground conveys the soil counter to the drilling direction. In addition to balancing the torque of the drilling element, it also effects the axial propulsion of the tunnel drill. The flank includes two side angles with the longitudinal axis. The smaller of these side angles is the flank angle. The flank angle can be between 1° - 89° or 65° - 85° or 70 - 80° or 75°.

Bei einer gegenläufigen Rotationsrichtung des Bohrelements bzw. Bohrschnecke und der Ausgleichsschnecke zwecks Drehmomentausgleichs ist insofern gewährleistet, dass die Förderrichtung bzw. die axiale Bewegungsrichtung im Erdreich beider Bauteile gleich ist. Damit kann das Erdreich entgegen der Bohrrichtung gefördert werden, wobei gleichzeitig ein Drehmomentausgleich und ein Vortrieb der Ausgleichsschnecke nach vorne in Bohrrichtung gewährleistet sind.If the drilling element or auger and the compensating auger rotate in opposite directions for the purpose of torque compensation, it is ensured that the conveying direction or the axial direction of movement in the ground of both components is the same. This allows the soil to be conveyed counter to the drilling direction, while at the same time ensuring torque compensation and propulsion of the compensating screw forward in the drilling direction.

Typische Bohrdurchmesser der Bohreinheit sind kleiner als 200 mm, kleiner als 160 mm oder liegen zwischen 25 mm und 75 mm oder sind etwa 50 mm. Der Tunnelbohrer erzeugt Tunnel, deren Durchmesser dem Bohrdurchmesser entsprechen. Diese Tunnel sind für die Aufnahme der entsprechenden Leerrohre geeignet, nachdem ein Dorn den Tunnel aufgedrückt hat. Typische Bohrbahnlängen liegen zwischen 1 m bis 40 m oder betragen etwa 10 m.Typical drilling diameters of the drilling unit are smaller than 200 mm, smaller than 160 mm or between 25 mm and 75 mm or are approximately 50 mm. The tunnel drill creates tunnels whose diameter corresponds to the drilling diameter. These tunnels are suitable for receiving the corresponding empty pipes after a mandrel has pushed open the tunnel. Typical drill path lengths are between 1 m and 40 m or approximately 10 m.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Ausgleichsschnecke, das Bohrelement und/oder die Bohrschnecke über ein Kopplungsglied oder ein Getriebe mit der Antriebswelle mechanisch gekoppelt ist. Bei einem direkten Antrieb bildet die Antriebswelle den Rotor bzw. den Stator des Motors während der Grundkörper den Stator bzw. den Rotor ausbildet. Der Grundkörper kann dabei unmittelbar gekoppelt sein mit der Ausgleichsschnecke. Somit erfahren das Bohrelement und die Bohrschnecke relativ zu der Ausgleichsschnecke zwangsläufig eine gegenläufige Winkelgeschwindigkeit. Dies gilt auch, wenn die Ausgleichsschnecke keine Relativbewegung zum Erdreich ausführt, mithin in Ruhe ist.It can also be advantageous if the compensating screw, the drilling element and/or the drilling screw is mechanically coupled to the drive shaft via a coupling member or a gear. With a direct drive, the drive shaft forms the rotor or the stator of the motor while the base body forms the stator or the rotor. The base body can be directly coupled to the compensating screw. The drilling element and the drilling screw therefore inevitably experience opposite angular speeds relative to the compensating screw. This also applies if the compensating screw does not move relative to the ground and is therefore at rest.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn zwei Motoren vorgesehen sind, wobei das Bohrelement und die Bohrschnecke mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten antreibbar sind. Durch die Ausbildung und Ansteuerung von Rotor bzw. Stator von dem Bohrelement und der Bohrschnecke lassen sich unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten realisieren.Furthermore, it can be advantageous if two motors are provided, with the drilling element and the auger being drivable at different speeds. By designing and controlling the rotor or stator of the drilling element and the auger, different angular velocities can be achieved.

Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die Förderhelix in einem Helixwinkel gegenüber der Rotationsachse angestellt ist und die Flanke in einem Flankenwinkel gegenüber der Rotationsachse angestellt ist, wobei beide Winkel dem Betrag nach gleich sind oder unterschiedlich sind. Der Helixwinkel und der Flankenwinkel bilden die genannte Steigung von Helix und Flanke. Beide Steigungen sind dem Vorzeichen nach entgegengesetzt, mithin negativ wie ein Linksgewinde bzw. positiv wie ein Rechtsgewinde.In addition, it can be advantageous if the conveying helix is set at a helix angle relative to the axis of rotation and the flank is positioned at a flank angle relative to the axis of rotation, with both angles being the same or different in magnitude. The helix angle and the flank angle form the said slope of the helix and flank. Both slopes are opposite in sign, i.e. negative like a left-hand thread or positive like a right-hand thread.

Bei unterschiedlichen Winkeln kann für den Helixwinkel HW und den Flankenwinkel FW das Verhältnis von HW/FW = 0,6 - 0,99, 0,7 - 0,9 oder 0,75 - 0,85 oder 0,8 vorgesehen sein.For different angles, the ratio of HW/FW = 0.6 - 0.99, 0.7 - 0.9 or 0.75 - 0.85 or 0.8 can be provided for the helix angle HW and the flank angle FW.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens ein Reaktionsrad vorgesehen ist, mittels dem zumindest die Ausgleichsschnecke um die Rotationsachse antreibbar ist. Durch Änderungen der Drehzahl des Reaktionsrads kann ein Drehmoment erzeugt werden, das auf die Ausgleichsschnecke wirkt. Alternativ oder ergänzend kann das Bohrelement und/oder die Bohrschnecke mit einem Reaktionsrads versehen werden. Insbesondere wenn das Haltemoment bei drehender Ausgleichsschnecke kleiner wird und das Bohrmoment der Bohrschnecke durch das nach hinten geförderte Erdreich größer wird, ist ein ergänzender Antrieb der Bohrschnecke zur Förderung von Erdreich notwendig. Im Prinzip wird durch eine Drehung der Ausgleichsschnecke das Spitzenmoment und die Winkelgeschwindigkeit erhöht bzw. ein Impuls gegeben, um etwaige Haltemomente an der Bohrschnecke zu überwinden und somit zusätzliches Material an die Ausgleichsschnecke zu befördern.Furthermore, it can be advantageous if at least one reaction wheel is provided, by means of which at least the compensating screw can be driven about the axis of rotation. By changing the speed of the reaction wheel, a torque can be generated that acts on the compensating screw. Alternatively or additionally, the drilling element and/or the drilling screw can be provided with a reaction wheel. In particular, if the holding torque becomes smaller when the compensating auger is rotating and the drilling torque of the auger increases due to the soil being conveyed backwards, a supplementary drive for the auger to convey soil is necessary. In principle, rotating the compensating screw increases the peak torque and the angular velocity or gives an impulse in order to overcome any holding torques on the auger and thus transport additional material to the compensating screw.

Sofern der Tunnelbohrer nicht von Erdreich umgeben ist, kann er sich nicht entlang der Bohrachse bewegen. In diesem Fall benötigt der Tunnelbohrer eine zusätzliche Vortriebskraft, um erneutes Material in die Bohrschnecke zu bekommen. Dies kann über weitere mit der Tunnelwand in Wirkkontakt stehende Antriebseinheiten oder translatorisch in Richtung der Bohrbahn bewegliche Schwungmassen erreicht werden.Unless the tunnel drill is surrounded by soil, it cannot move along the drilling axis. In this case, the tunnel drill needs additional driving force to get more material into the auger. This can be achieved via additional drive units that are in effective contact with the tunnel wall or flywheels that can be moved translationally in the direction of the drilling path.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

1 einen Tunnelbohrer im Erdreich;
2 eine Draufsicht auf den Tunnelbohrer;
3 eine Draufsicht auf das Bohrelement;
4 eine Draufsicht auf das Ausgleichselement;
5 eine Draufsicht auf die Bohrschnecke;
6 einen Innenansicht des Tunnelbohrers.

Further advantages and details of the invention are explained in the patent claims and in the description and shown in the figures. It shows:

1 a tunnel drill in the ground;
2 a top view of the tunnel boring machine;
3 a top view of the drilling element;
4 a top view of the compensation element;
5 a top view of the auger;
6 an inside view of the tunnel drill.

Gemäß 1 ist ein Tunnelbohrer 1 mit einer Längsachse 1.1 in einem Erdreich 200 dargestellt. Der Tunnelbohrer 1 durchquert das Erdreich 200 auf einer Bohrbahn BB in einer Bohrrichtung BR, die jeweils koaxial zueinander und zur Längsachse 1.1 sind. Der Tunnelbohrer 1 räumt das Erdreich 200 in der Bohrrichtung BR vor dem Tunnelbohrer 1 und fördert es entgegen der Bohrrichtung BR und in einer zur Längsachse 1.1 radialen Richtung R. So wird das geförderte Erdreich 200 in dem Erdreich 200 angelagert, das den Tunnelbohrer 1 seitlich umgibt, wobei dieses Erdreich 200 verdichtet bzw. bewegt wird. Bei der Durchquerung verdrängt der Tunnelbohrer 1 also das Erdreich 200. Insofern entsteht in der Bohrrichtung BR hinter dem Tunnelbohrer 1 ein Tunnel 100 auf der Bohrbahn BB.According to 1 a tunnel drill 1 with a longitudinal axis 1.1 is shown in a soil 200. The tunnel drill 1 traverses the soil 200 on a drilling path BB in a drilling direction BR, which are each coaxial with one another and with the longitudinal axis 1.1. The tunnel drill 1 clears the soil 200 in the drilling direction BR in front of the tunnel drill 1 and conveys it counter to the drilling direction BR and in a direction R radial to the longitudinal axis 1.1. The extracted soil 200 is thus deposited in the soil 200, which laterally surrounds the tunnel drill 1 , whereby this soil 200 is compacted or moved. When crossing, the tunnel drill 1 displaces the soil 200. In this respect, a tunnel 100 is created in the drilling direction BR behind the tunnel drill 1 on the drilling path BB.

In dem Ausführungsbeispiel nach 2 weist der Tunnelbohrer 1 die Längsachse 1.1 und einen Grundkörper 2 auf. Der Grundkörper 2 liegt im Inneren des Tunnelbohrers 1 und ist aus diesem Grund in der Draufsicht gestrichelt dargestellt. In Bezug auf die Längsachse 1.1 sind nebeneinander ein Bohrelement 3 und eine Ausgleichsschnecke 4 vorgesehen. Das Bohrelement 3 ist als Bohrer mit spiralförmig verlaufender Förderhelix 3.2 ausgebildet. Die Ausgleichsschnecke 4 ist als Schnecke mit einer spiralförmig verlaufenden Flanke 4.1 ausgebildet. Das Bohrelement 3 bildet die Spitze des Tunnelbohrers 1. Die Ausgleichsschnecke 4 ist in der Bohrrichtung BR hinter dem Bohrelement 3 vorgesehen. Zudem ist eine Bohrschnecke 5 vorgesehen. Sie weist eine spiralförmig verlaufende Förderhelix 5.1 auf.In the exemplary embodiment according to 2 the tunnel drill 1 has the longitudinal axis 1.1 and a base body 2. The base body 2 lies inside the tunnel drill 1 and is for this reason shown in dashed lines in the top view. In relation to the longitudinal axis 1.1, a drilling element 3 and a compensating screw 4 are provided next to each other. The drilling element 3 is designed as a drill with a spiral conveying helix 3.2. The compensating screw 4 is designed as a screw with a spiral-shaped flank 4.1. The drilling element 3 forms the tip of the tunnel drill 1. The compensating screw 4 is provided behind the drilling element 3 in the drilling direction BR. In addition, an auger 5 is provided. It has a spiral-shaped conveying helix 5.1.

Das zum Bohrer 1 mit Förderhelix 3.2 ausgebildete Bohrelement 3 ist detailliert in 3 dargestellt. Das Bohrelement 3 rotiert um eine Rotationsachse 2.1 mit einer Winkelgeschwindigkeit WB. Die Rotationsachse 2.1 und die Längsachse 1.1 sind koaxial. Die Förderhelix 3.2 ist in einem Helixwinkel HW gegenüber der Längsachse 1.1 angestellt. Die rotierende Förderhelix 3.2, mithin das Bohrelement 3, räumt das Erdreich 200 in Bohrrichtung BR vor dem Tunnelbohrer 1. Sie fördert das geräumte Erdreich 200 entgegen der Bohrrichtung BR.The drilling element 3 designed to form the drill 1 with a conveying helix 3.2 is detailed in 3 shown. The drilling element 3 rotates about a rotation axis 2.1 with an angular velocity WB. The rotation axis 2.1 and the longitudinal axis 1.1 are coaxial. The conveying helix 3.2 is set at a helix angle HW relative to the longitudinal axis 1.1. The rotating conveyor helix 3.2, i.e. the drilling element 3, clears the soil 200 in the drilling direction BR in front of the tunnel drill 1. It conveys the cleared soil 200 counter to the drilling direction BR.

Die Ausgleichsschnecke 4 weist gemäß 4 eine spiralförmige Flanke 4.1 auf. Zudem weist sie die Rotationsachse 2.1 auf. Die Ausgleichsschnecke 4 rotiert mit einer Winkelgeschwindigkeit WA. Die Rotationsachse 2.1 und die Längsachse 1.1 sind koaxial. Die spiralförmig verlaufende Flanke 4.1 ist gegenüber der Längsachse 1.1 in einem Flankenwinkel FW angestellt. Die Flanke 4.3 der Ausgleichsschnecke 4 ist in Bezug auf die Richtung der Winkelgeschwindigkeit WA derart angestellt, dass die aktiv im Erdreich 200 rotierende Flanke 4.1 das Erdreich 200 in einer Richtung entgegen der Bohrrichtung BR fördert.The compensating screw 4 points according to 4 a spiral edge 4.1. It also has the axis of rotation 2.1. The compensating screw 4 rotates at an angular velocity WA. The rotation axis 2.1 and the longitudinal axis 1.1 are coaxial. The spiral-shaped flank 4.1 is positioned at a flank angle FW relative to the longitudinal axis 1.1. The flank 4.3 of the compensating screw 4 is adjusted in relation to the direction of the angular velocity WA in such a way that the flank 4.1, which actively rotates in the soil 200, promotes the soil 200 in a direction opposite to the drilling direction BR.

Die Bohrschnecke 5 weist gemäß 5 ebenso eine spiralförmige Förderhelix 5.1 auf. Zudem weist sie die Rotationsachse 2.1 auf. Die Bohrschnecke 5 rotiert mit einer Winkelgeschwindigkeit WB. Die Rotationsachse 2.1 und die Längsachse 1.1 sind koaxial. Die spiralförmig verlaufende Förderhelix 5.1 ist gegenüber der Längsachse 1.1 in einem Helixwinkel HW, der dem Helixwinkel HW des Bohrelements entspricht.The auger 5 points according to 5 also a spiral-shaped conveyor helix 5.1. It also has the axis of rotation 2.1. The auger 5 rotates at an angular speed WB. The rotation axis 2.1 and the longitudinal axis 1.1 are coaxial. The spiral-shaped conveying helix 5.1 is at a helix angle HW relative to the longitudinal axis 1.1, which corresponds to the helix angle HW of the drilling element.

Die Förderhelix 3.2 und die Flanke 4.1 sind in Bezug auf die Längsachse 1.1 in unterschiedliche Richtungen angestellt. Damit ist sichergestellt, dass bei gegenläufigen Winkelgeschwindigkeiten WA, WB die Bohrrichtung des Bohrelements 3 bzw. der Bohrschnecke und die Bewegungsrichtung der Ausgleichsschnecke 4 gleich ist. Zudem ist der Helixwinkel HW kleiner als der Flankenwinkel FW. Diese Maßnahme stellt den Vortrieb des Tunnelbohrers 1 in die Bohrrichtung BR sicher, soweit der Tunnelbohrer mit Erdreich 200 umgeben ist.The conveying helix 3.2 and the flank 4.1 are positioned in different directions with respect to the longitudinal axis 1.1. This ensures that with opposite angular velocities WA, WB, the drilling direction of the drilling element 3 or the drilling auger and the direction of movement of the compensating auger 4 are the same. In addition, the helix angle HW is smaller than the flank angle FW. This measure ensures the advance of the tunnel drill 1 in the drilling direction BR, as long as the tunnel drill is surrounded by soil 200.

Gemäß 7 sind die weiteren Komponenten, die im Inneren des Tunnelbohrers 1 liegen, dargestellt.According to 7 the other components that lie inside the tunnel drill 1 are shown.

Eine Antriebseinheit 7, mithin ein Elektromotor, mit einer Antriebswelle 7.1 gewährleistet die Rotation des Bohrelements 3 und der Bohrschnecke 5 relativ zu der Ausgleichsschnecke 4. Die Kopplung an die Antriebswelle 7.1 mit dem Bohrelement 3 und der Bohrschnecke 5 erfolgt über jeweils ein Kopplungsglied 7.2, 7.3. Es kann auch vorgesehen sein die Bohrbahn BB und die Bohrrichtung BR jeweils einen Motor 7.2, 7.3 aufweisen, während die Antriebseinheit 7 mit der Antriebswelle 7.1 den Stator bilden. Darüber hinaus ist ein Reaktionsrad 8 vorgesehen als Teil der Ausgleichsschnecke 4. Mittels des Reaktionsrads 8 kann die Ausgleichsschnecke 4 alternativ oder ergänzend um die Rotationsachse 2.1 angetrieben werden. Durch Änderungen der Drehzahl des Reaktionsrads 8 kann ein Drehmoment erzeugt werden, das auf die Ausgleichsschnecke 4 wirkt. Alternativ oder ergänzend kann das Bohrelement 3 und/oder die Bohrschnecke 5 mit einem Reaktionsrad 8 versehen werden. Zudem sind eine Steuerungseinheit 6 mit einem Mikrocontroller 6.1 und einem Wegmesssystem 6.2 vorgesehen.A drive unit 7, i.e. an electric motor, with a drive shaft 7.1 ensures the rotation of the drilling element 3 and the auger 5 relative to the compensating auger 4. The coupling to the drive shaft 7.1 with the drilling element 3 and the auger 5 takes place via a respective coupling member 7.2, 7.3 . The drilling path BB and the drilling direction BR can also be provided have a motor 7.2, 7.3, while the drive unit 7 forms the stator with the drive shaft 7.1. In addition, a reaction wheel 8 is provided as part of the compensating screw 4. By means of the reaction wheel 8, the compensating screw 4 can be driven alternatively or additionally about the axis of rotation 2.1. By changing the speed of the reaction wheel 8, a torque can be generated that acts on the compensating screw 4. Alternatively or additionally, the drilling element 3 and/or the drilling auger 5 can be provided with a reaction wheel 8. In addition, a control unit 6 with a microcontroller 6.1 and a position measuring system 6.2 are provided.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: TunnelbohrerTunnel drill
1.11.1: LängsachseLongitudinal axis
22: GrundkörperBasic body
2.12.1: RotationsachseAxis of rotation
33: Bohrelement, BohrerDrilling element, drill
3.23.2: Förderhelixconveyor helix
44: Ausgleichsschnecke, SchneckeCompensating snail, snail
4.14.1: FlankeFlank
55: BohrschneckeAuger drill
5.15.1: Förderhelixconveyor helix
66: SteuerungseinheitControl unit
6.16.1: MikrocontrollerMicrocontroller
6.26.2: WegmesssystemDistance measuring system
77: Antriebseinheit, Motor, Elektromotor, Rotor, StatorDrive unit, motor, electric motor, rotor, stator
7.17.1: Antriebswelle, Rotor, StatorDrive shaft, rotor, stator
7.27.2: Getriebe, Kopplungsglied, Motor, Rotor, StatorGearbox, coupling link, motor, rotor, stator
7.37.3: Getriebe, Kopplungsglied, Motor, Rotor, StatorGearbox, coupling link, motor, rotor, stator
88th: Reaktionsradreaction wheel
100100: Tunneltunnel
200200: Erdreichsoil
BBB.B: Bohrbahndrilling track
BRBR: BohrrichtungDrilling direction
FWFW: Flankenwinkel (kleinster Nebenwinkel gegenüber der Längsachse)Flank angle (smallest side angle compared to the longitudinal axis)
HWHW: Helixwinkel (kleinster Nebenwinkel gegenüber der Längsachse)Helix angle (smallest secondary angle compared to the longitudinal axis)
RR: Richtung radial zur LängsachseDirection radial to the longitudinal axis
WAWA: Winkelgeschwindigkeit der AusgleichsschneckeAngular velocity of the compensating screw
WBWB: Winkelgeschwindigkeit des Bohrelements bzw. der BohrschneckeAngular velocity of the drilling element or the drilling auger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 1193081 A1 [0005]DE 1193081 A1 [0005]

Claims

Tunnelbohrer (1) zum Herstellen eines Tunnels (100) in einem Erdreich (200) durch Verdrängung des Erdreichs (200) mit einem Grundkörper (2), mit einer Antriebseinheit bestehend aus mindestens einem Motor (7) und einer Antriebswelle (7.1), mit einem Bohrelement (3) zum Bohren von Erdreich (200), wobei das Bohrelement (3) eine Rotationsachse (2.1) aufweist und mit der Antriebseinheit (7) in Antriebsverbindung um die Rotationsachse (2.1) steht, mit einer Ausgleichsschnecke (4), zum Räumen von Erdreich (200), die mit der Antriebseinheit in Antriebsverbindung um eine Rotationsachse (2.1) steht, wobei das Bohrelement (3) als Bohrer mit spiralförmig verlaufender Förderhelix (3.2, 5.1) ausgebildet ist und die Ausgleichsschnecke (4) als Schnecke und mit einer spiralförmig verlaufenden Flanke (4.1) ausgebildet ist, wobei die Förderhelix (3.2) und die Flanke (4.1) in Bezug auf die Rotationsachse (2.1) dem Vorzeichen nach unterschiedliche Steigung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bohrschnecke (5) zum Räumen von Erdreich (200) vorgesehen ist, wobei die Bohrschnecke (5) mit der Antriebseinheit (7) in Antriebsverbindung um die Rotationsachse (2.1) steht, wobei die Bohrschnecke (5) als Bohrer mit spiralförmig verlaufender Förderhelix (5.1) ausgebildet ist, die dem Vorzeichen nach die gleiche Steigung aufweist, wie das Bohrelement (3), wobei die Ausgleichsschnecke (4) und die Bohrschnecke (5) und das Bohrelement (3) koaxial zur Rotationsachse (2.1) angeordnet sind, wobei die Ausgleichsschnecke (4) zwischen der Bohrschnecke (5) und dem Bohrelement (3) angeordnet ist.Tunnel drill (1) for producing a tunnel (100) in a soil (200) by displacing the soil (200) with a base body (2), with a drive unit consisting of at least one motor (7) and a drive shaft (7.1), with a drilling element (3) for drilling soil (200), wherein the drilling element (3) has a rotation axis (2.1) and is in drive connection with the drive unit (7) about the rotation axis (2.1), with a compensating screw (4), for Clearing soil (200), which is in drive connection with the drive unit about a rotation axis (2.1), the drilling element (3) being designed as a drill with a spiral conveying helix (3.2, 5.1) and the compensating screw (4) as a screw and with a spiral-shaped flank (4.1), the conveying helix (3.2) and the flank (4.1) having a different gradient in relation to the axis of rotation (2.1), characterized in that a drilling auger (5) for clearing soil (200) is provided, the auger (5) being in driving connection with the drive unit (7) about the axis of rotation (2.1), the auger (5) being designed as a drill with a spiral conveying helix (5.1), which has the sign has the same pitch as the drilling element (3), the compensating screw (4) and the drilling screw (5) and the drilling element (3) being arranged coaxially to the axis of rotation (2.1), with the compensating screw (4) between the drilling screw (5 ) and the drilling element (3) is arranged.

Tunnelbohrer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschnecke (4), das Bohrelement (3) und/oder die Bohrschnecke (5) über ein Kopplungsglied oder ein Getriebe (7.2, 7.3) mit der Antriebswelle (7.1) mechanisch gekoppelt ist.Tunnel drill (1). Claim 1 , characterized in that the compensating screw (4), the drilling element (3) and / or the drilling screw (5) is mechanically coupled to the drive shaft (7.1) via a coupling member or a gear (7.2, 7.3).

Tunnelbohrer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Motoren (7, 7.2, 7.3) vorgesehen sind, wobei das Bohrelement (3) und die Bohrschnecke (5) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten antreibbar sind.Tunnel drill (1) according to one of the preceding claims, characterized in that two motors (7, 7.2, 7.3) are provided, the drilling element (3) and the drilling screw (5) being drivable at different speeds.

Tunnelbohrer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderhelix (3.2, 5.1) in einem Helixwinkel (HW) gegenüber der Rotationsachse (2.1) angestellt ist und die Flanke (4.1) in einem Flankenwinkel (FW) gegenüber der Rotationsachse (2.1) angestellt ist, wobei beide Winkel (HW, FW) dem Betrag nach unterschiedlich oder gleich sind.Tunnel drill (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the conveying helix (3.2, 5.1) is set at a helix angle (HW) relative to the axis of rotation (2.1) and the flank (4.1) is at a flank angle (FW) relative to the axis of rotation (2.1) is employed, whereby both angles (HW, FW) are different or equal in magnitude.

Tunnelbohrer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reaktionsrad (8) vorgesehen ist, mittels dem die Ausgleichsschnecke (4), das Bohrelement (3) und/oder die Bohrschnecke (5) um die Rotationsachse (2.1) antreibbar ist.Tunnel drill (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one reaction wheel (8) is provided, by means of which the compensating screw (4), the drilling element (3) and / or the drilling screw (5) about the axis of rotation (2.1) can be driven.

Verwendung eines Tunnelbohrers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Herstellen eines Tunnels (100) in einem Erdreich (200) durch Verdrängung des Erdreichs (200).Use of a tunnel drill (1) according to one of the preceding claims for producing a tunnel (100) in a soil (200) by displacing the soil (200).