DE4333032A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage und Ausrichtung einer Tunnelvortriebsmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Tunnelbohrungen im Tief- und Bergbau ist die Einhaltung der vorgegebenen Sollrichtung einer Bohrung mit hoher Genauigkeit erforderlich. Abweichungen von der Sollrichtung sollen während des Bohrvorganges erkannt und durch Steuerkommandos korrigiert werden.

Bei geradlinigen Tunnelbohrungen wird diese Aufgabe meist über das Einbringen einer Laserquelle in den Tunnel gelöst, die entlang der Soll-Bohrachse ausgerichtet wird. An der Tunnel­ vortriebsmaschine bzw. am Bohrkopf wird eine Zielplatte angebracht, auf der das Laserlicht auftrifft. Ein Auswandern des Bohrkopfes macht sich optisch durch ein Fortwandern des Laserlichtes auf der Zielplatte bemerkbar und kann durch entsprechende Steuerkommandos korrigiert werden.

Tunnelbohrungen mit Kurvenradius konnten bisher mit diesem Meßprinzip nicht durchgeführt werden, da hier der Laserstrahl nicht der Kurvenkrümmung folgt und die Laserquelle auch nicht dem Bohrkopf nachgeführt werden kann.

Ein Problem bei derartigen Tunnelbohrungen besteht ferner darin, daß, hervorgerufen durch den Bohrvorgang und das schwere Gewicht des Bohrkopfes, beim Stillstand der Maschine Setzerscheinungen im Boden auftreten, die bei Wiederaufnahme des Betriebs kompensiert werden müssen. Bei einem geradlinigen Tunnelvortrieb und Vermessung mit einem Laserstrahl ergibt sich dieses Problem nicht, da das Meßverfahren ein integrierendes Verhalten aufweist und auch transversale Bewegungen zu erfassen gestattet. Nach dem Wiedereinschalten der Laserquelle ist auf der Zielplatte eine entsprechende Abweichung erkennbar, die wiederum durch Steuerkommandos kompensiert werden kann.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie auch bei einer gekrümmten Bahn, wo die Vermessung mit einem Laserstrahl nicht möglich ist, eine genaue Erfassung der Lage und Position des Bohrkopfes gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Anhand der einzigen Figur der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden die erfindungsgemäße Vorrichtung näher beschrieben.

Eine nicht weiter in Einzelheiten dargestellte Tunnelvortriebs­ maschine 10 mit Bohrkopf ist mit einem inertialen Meßsystem (INU = Inertial Navigation Unit) ausgerüstet. Ein solches intertiales Meßsystem umfaßt in bekannter Weise drei Beschleunigungssensoren und drei Kreisel für die Bestimmung der Lage im Raum, wodurch es in der Lage ist, zu jeder Zeit Position und Lage des Bohrkopfes zu bestimmen. Insbesondere bei Verwendung von Ringlaserkreiseln ergeben sich sehr präzise Messungen.

Das inertiale Meßsystem 12 ist über einen Datenbus 14 an eine Auswertestation 16 angeschlossen, die mit Rechenfähigkeiten ausgestattet ist. Zusätzlich ist ein getrenntes Höhenmeßsystem 18 angeordnet, das einen flüssigkeitsgefüllten Schlauch 20 umfaßt, der an beiden Enden durch Drucksensoren 22, 24 abgeschlossen ist. Das eine Ende des Schlauches 20 und der Drucksensor 22 werden stationär auf einer Referenzhöhe 26 gehalten und das andere Ende des Schlauches 20 und der Drucksensor 24 sind auf der Meßhöhe 28 an der Tunnelvortriebs­ maschine 10 angeordnet. Die Drucksensoren 22 und 24 liefern entweder ihre Meßsignale über getrennte Leitungen an Analog/ Digitalwandler der Auswertestation 16 oder sie können an den Datenbus 14 angeschlossen sein, falls entsprechende Analog/ Digitalwandler in die Sensoren integriert sind.

Die Drucksensoren am Anfangs- und Endpunkt des Schlauches erfassen den hydrostatischen Differenzdruck

Δp = ρ · g · ΔH.

Aus diesem gemessenen hydrostatischen Differenzdruck ergibt sich der gesuchte Höhenunterschied wie folgt:

ΔH= Δp/ρ · g.

Über diesen Zusammenhang kann zu jedem Zeitpunkt neben der Messung der aktuellen Bohrtiefe in bezug auf die Referenzhöhe auch eine Kontrolle von Setzerscheinungen durchgeführt werden. Auch dieses Meßverfahren bietet ein integrierendes Verhalten, so daß auch Veränderungen der Bohrtiefe erfaßt werden können, die sich bei einem abgeschalteten Tunnelvortrieb ereignet haben.

Die Messung des Differenzdruckes, der der Differenzhöhe proportional ist, kann sehr genau über piezoresistive Druck/ Spannungswandler erfolgen. Diese schließen den Flüssigkeits­ schlauch jeweils an seinen Enden ab, der z. B. aus einem Stück von 100 m Länge bestehen kann, das am Beginn der Tunnelbohrung noch auf eine Trommel aufgerollt sein kann. Der Querschnitt des Schlauches muß ausreichend groß gewählt sein, damit keine Kapillarwirkungen die Meßergebnisse verfälschen. Die Auflösung der Meßanordnung läßt sich steigern, wenn eine Flüssigkeit mit möglichst hohem spezifischen Gewicht ρ ausgewählt wird. Die Flüssigkeit sollte ein Gefrierpunkt von unter -30°C haben.

Die durch die Druckwandler gemessenen Spannungen werden der Auswertestation des vorhandenen inertialen Meßsystems zugeführt, welche im allgemeinen durch einen PC-Arbeitsplatz vorgegeben ist und wo nach entsprechender Analog/Digitalwandlung die Datenerfassung und rechnertechnische Verarbeitung und Anzeige erfolgen kann.

In der Auswertestation wird die Verbindung zwischen dem inertialen Meßsystem und dem Druckmeßsystem hergestellt. Die Aufbereitung der Daten erfolgt so, daß für den Bediener nur die Abweichung von der Sollrichtung dargestellt wird. Die Information, ob die Abweichung durch das Inertialsystem oder den Drucksensor ermittelt wurde, ist für den Bediener ohne Bedeutung.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage und Ausrichtung einer sich insbesondere auf einer gekrümmten Bahn bewegenden Tunnelvortriebsmaschine, insbesondere eines Bohrkopfes, gekennzeichnet durch die an sich bekannte Anordnung eines inertialen Meßsystems (INU-12) auf der Tunnelvortriebsmaschine (10) und ein getrenntes Höhenmeßsystem (18) für die Tunnelvortriebsmaschine.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Höhenmeßsystem (18) auf dem Prinzip einer Schlauchwaage.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlauchwaage aus einem an beiden Enden durch Drucksensoren (22, 24) verschlossenen flüssigkeits­ gefüllten Schlauch (20) besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Differenzdruckauswertung der beiden Drucksensoren (22, 24).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Auswertestation (16), der sowohl die Signale des inertialen Meßsystems (INU-12) als auch der beiden Drucksensoren (22, 24) zugeführt werden.