EP1333153B1 - Kaliberaufweitungsschneidwerkzeug für Tunnelbohrmaschinen - Google Patents

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EP1333153B1
EP1333153B1 EP02002618A EP02002618A EP1333153B1 EP 1333153 B1 EP1333153 B1 EP 1333153B1 EP 02002618 A EP02002618 A EP 02002618A EP 02002618 A EP02002618 A EP 02002618A EP 1333153 B1 EP1333153 B1 EP 1333153B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cutting
bore
widening
hub
tunnel
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02002618A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1333153A1 (de
Inventor
Andreas Ulkan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Herrenknecht AG
Original Assignee
Herrenknecht AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Herrenknecht AG filed Critical Herrenknecht AG
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Priority to AT02002618T priority patent/ATE325257T1/de
Priority to EP02002618A priority patent/EP1333153B1/de
Publication of EP1333153A1 publication Critical patent/EP1333153A1/de
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Publication of EP1333153B1 publication Critical patent/EP1333153B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/1006—Making by using boring or cutting machines with rotary cutting tools
    • E21D9/104—Cutting tool fixtures

Definitions

  • the invention relates to a Kaliberaufweitungs cutting roller for tunnel boring machines and a method for expanding the caliber of a tunnel according to the preamble of the respective independent claim.
  • Tunnel boring machines have a drill head, which can be provided with different cutting elements depending on the soil conditions.
  • cutting rollers used when drilling in rock or rock come as cutting elements, inter alia, so-called cutting rollers used. It is distinguished whether the cutting rollers are arranged on the end face of the drill head and for working the working face (as the rock face is called in front of the end face of the drill head) serve or if the cutting rollers are arranged so that they are to edit the transition region from the working face serve the tunnel wall, so determine the diameter or the "caliber" of the tunnel.
  • the latter cutting rollers are therefore also referred to as "caliber cutting rollers”.
  • FIG. 10 A section through an embodiment of a drill head of such a tunnel boring machine is shown in FIG. It can be seen in particular the caliber cutting roller 10 of the drill head 1, which determines the diameter or caliber of the tunnel to be drilled.
  • the caliber cutting roller 10 is shown in a sectional view on a tunnel wall TW, in the right half a caliber cutting roller 10 in the unworn state and in the left half a worn caliber cutting roller 10.
  • the caliber cutting roller 10 includes a hub 100 on which a cutting ring 101 is firmly seated.
  • the cutting ring 101 is subject to wear.
  • the diameter D (indicated by the corresponding arrow) of the tunnel bored with such a worn caliber cutting roller is smaller than before, as can be seen in the left half of FIG.
  • the caliber cutting roller 10 is arranged in the drill head 1 so that a certain reduction of the diameter - that is a certain wear of the cutting ring 101 - can be tolerated.
  • the outer cutting edge 101a of the cutting ring 101 of the caliber cutting roller does not protrude so far beyond the rest of the drill head 1 that any wear of the cutting ring 101 can be tolerated.
  • There is a constructive limit which guarantees that the tunnel boring machine will still pass through the reduced diameter tunnel until this limit value is reached.
  • the worn caliber cutting rollers must be replaced at the latest when reaching the limit, which is a relatively expensive process, since the caliber cutting rollers are relatively difficult to access, namely through the inside of the drill bit of the tunnel boring machine, because you do not drill the tunnel Move back the drill head and outside of the tunnel boring machine can pass over the drill head so that you could perform the replacement of the outside of the tunnel boring machine ago.
  • FIG. 3 is an embodiment of a (caliber) Cutting roller 10 shown a little more complete.
  • the hub 100 of the caliber cutting roller 10 is mounted on a bearing 102 (FIG. 3) and the bearing 102 is disposed on an axis 103.
  • the axis 103 in turn is firmly clamped in a cutting roller housing box 11 (FIG. 4), which sits firmly in the drill head 1.
  • the housing box 11 has a slot 110 which is open at a location inwardly.
  • the axle 103 with the bearing 102 mounted thereon and the bearing on the hub 100 with the cutting ring 101 is inserted from the inside into the slot 110 of the housing box 11 and then moved in the circumferential direction in the slot 110.
  • the axis 103 is firmly clamped in the housing box 11.
  • the removal of a caliber cutting roller is accordingly in reverse order: Loosen the clamping elements 104,105, moving the axis 103 in the slot 110 in the circumferential direction and subsequent removal of the caliber cutting roller (axis, bearing, hub, cutting ring) inside.
  • the tunnel diameter D is smaller than when drilling with an unworn caliber cutting roller (see FIG. 2).
  • the worn caliber cutting roller 10 removed from the housing box 11 so can not readily a new, unworn caliber cutting roller 10 are inserted into the housing box 11, because the tunnel diameter - the caliber - for the newly inserted caliber cutting roller 10 (which is not worn) is too small.
  • the caliber Before inserting a new, unworn caliber cutter roll 10, the caliber must be widened so that the new, unworn caliber cutter roll 10 can be inserted into the housing box 11 of the drill head 1 at all.
  • the boring head with the worn caliber cutting roller has been allowed to carry out tumbling movements, which, however, is possible only to a small extent and therefore often leads to an insufficient expansion of the caliber.
  • Another way to widen the caliber is, after removing the worn caliber cutting roller, for example, to chop the tunnel wall through the interior of the boring head of the tunnel boring machine.
  • This chiselling is relatively complex and due to the small amount of space available inside the drill bit also very cumbersome and also takes a considerable amount of time in which the tunnel boring machine stands.
  • the invention seeks to remedy this by simplifying this exchange of the caliber cutting roller in total of the implementation forth and also the time during which the tunnel boring machine is shortened.
  • the cutting ring is displaceably arranged in the axial direction on the hub.
  • the cutting ring is initially in a position in which the caliber widening cutting roller exactly replaces the worn caliber cutting roll.
  • the drill head thus still has the (reduced) cutting diameter, which corresponds to the existing with a worn caliber cutting roller. If the rotating drill head is driven in the direction of the tunnel axis, the cutting ring in the axial direction (axially means in this context in the direction of the longitudinal axis of the hub) on the hub, until it braced between hub and tunnel wall, so no longer on the Hub can move.
  • the widening of the caliber can thus be done simply by replacing the very cumbersome and time-consuming tapping with a caliber widening cutting roller inserted into the drill head and then widening the caliber of the tunnel by driving the drill head becomes.
  • the caliber widening cutter roll is removed from the drill head and the new, unworn caliber cutter roll inserted into the drill bit and the tunnel then bored as normal with the new caliber cutter roll become.
  • the hub has a stop at one end and the cutting ring is provided with a corresponding stop surface, the stop surface of the cutting ring abutting against the stop provided on the hub in the starting position of the cutting ring.
  • this position of the cutting ring must be ensured that the caliber widening cutting roller can be used in any case in the drill head.
  • this means that the cutting edge of the caliber widening cutting roll in this position may not protrude further in the direction of the diameter of the tunnel wall than that of a worn caliber cutting roll. This must be taken into account when designing the caliber expansion cutting roll.
  • the hub at the other end also has a stop which limits the maximum possible axial displacement of the cutting ring.
  • the inventive Kaliberaufweitungs cutting roller of the displaceable cutting ring is shorter by a predetermined length than the hub.
  • This predetermined length in the axial displacement of the Cutting ring on the hub corresponds to a predetermined widening of the caliber of the tunnel.
  • the predetermined widening of the caliber of the tunnel results from the length by which the cutting ring is axially displaceable and from the angle which encloses the longitudinal axis of the hub with the tunnel axis. This means that over this length (the angle is indeed determined by the arrangement of the cutting roller in the drill head) can determine the extent of expansion of the caliber (pre).
  • the hub of the cutting roll is arranged on a bearing and the bearing on an axis.
  • the axis can be used directly together with the bearing and the hub arranged thereon and the cutting ring in a arranged in the drill head housing box and the axis can then be clamped in the housing box of the drill head.
  • the housing box can form a stop for limiting the displacement of the cutting ring on the hub.
  • a positive connection is provided between the hub and the cutting ring.
  • It may be formed, for example, as a feather key (sliding spring), which is stuck in a recess (keyway) in the shell of the hub, while a continuous groove in the cutting ring by play allows a sliding movement.
  • the purpose of the feather key is to make sure that when rolling the cutting roll on the tunnel wall (when working the tunnel wall) not the cutting ring rotates relative to the hub, but rather that the hub with the help of the bearing on which it sits relatively rotates to the axis on which the bearing is arranged. This will be the well-defined and proven for the caliber cutting rollers rotary motion with the help of the camp guaranteed.
  • a caliber widening cutting roller according to one of the preceding claims is inserted into the drill head in order to widen the caliber of the tunnel with which the caliber of the tunnel is widened.
  • the caliber widening cutter roll is removed from the drill head and the new caliber cutter roll inserted into the drill bit. The expansion of the caliber of the tunnel thus takes place in a relatively simple manner and the time required for widening the caliber and during which the tunnel boring machine stands is shortened.
  • FIG. 5 an exemplary embodiment of a caliber widening cutting roller 20 according to the invention is shown on a tunnel wall TW in FIG. 5 in a similarly simplified representation.
  • the longitudinal axis 206 closes the.
  • Caliber widening cutting roller 20 with the tunnel axis (in Fig. 5 is an axis parallel to the tunnel axis TA shown) an angle ⁇ a.
  • the caliber widening cutting roller 20 is shown in the home position and in the left half after the widening operation in the end position.
  • the tunnel wall TW is shown with a solid line, wherein the tunnel has a reduced diameter D, because the cutting ring 101 of the caliber cutting roller 10 (see Fig.2) was worn.
  • the transition of the tunnel wall TW is indicated to the working face.
  • the dashed line running parallel to the solid line indicates the tunnel wall TW after the expansion process, which will be described in more detail below.
  • the caliber widening cutting roller 20 comprises a hub 200 and an on the hub 200 in the axial direction - ie in the direction of the longitudinal axis 206 of the Kaliberaufweitungs-cutting roller 20 - slidably disposed cutting ring 201.
  • the cutting ring 201 has on the inside a continuous, parallel to the axis of rotation Groove (208).
  • a groove 207 is provided in which a feather key (not shown here) is frictionally inserted.
  • the feather key acts as a positive connection between the hub 200 and the cutting ring 201, as will be explained.
  • the hub 200 is provided with a stop 200b and the cutting ring 201 with a corresponding stop surface 201b, wherein the stop surface 201b in the starting position (right half in Fig. 5) abuts against the stop 200b.
  • the hub 200 may also at the other end a (not shown here) stop for limiting the displacement of the cutting ring 201 on the hub 200.
  • the cutting ring 201 initially can not move in the axial direction on the hub 200 but works on the tunnel wall TW Driving force, the hub 200 is pressed like a wedge under the cutting ring 201, which thus braced between hub 200 and tunnel wall TW. If now some rocks are broken during machining of the tunnel wall TW, the diameter D of the tunnel in the region of the cutting edge 201a of the cutting ring 201 becomes larger. Thus, a clearance arises between the cutting edge 201a and the tunnel wall TW in the region of the cutting ring 201, ie because the drill head 1 is continuously advanced, the cutting ring 201 can move in the axial direction a little bit due to the resistance of the rock on the hub 200.
  • This process is then continued at least until the tunnel has a diameter D which is sufficiently large that subsequently a new, unworn caliber cutting roller 10 (FIG. 2) can be inserted into the housing box 11 of the drill head 1, or The process is continued until the cutting ring 201 has arrived in the end position, as shown in the left half in Fig. 5.
  • the diameter D of the tunnel is increased in relation to the diameter D of the tunnel before the beginning of the expansion process in each case so far 2) can be inserted into the housing box 11 (see FIG. 4) and with the new, unworn caliber cutting roller 10, the tunnel can then be bored in the usual way.
  • the displaceable cutting ring 201 is shorter than the hub 200 by a predetermined length .DELTA.L.
  • the length .DELTA.L can be calculated from the maximum extension of the tunnel caliber and the angle .alpha. From the starting position of the cutting ring 201 (abutment surface 201b) Stop 200b, see Fig. 5, right half) and the end position of the cutting ring 201 (see Fig. 5, left half) emanates.
  • the caliber widening cutting roller 20 can in principle be of the same design as the (caliber) cutting roller 10, that is, it can in particular have a bearing which is arranged on an axis, as in FIG. 3 for the caliber cutting roller 10 and has already been explained above.
  • the hub 200 when rolling the Kaliberaufweitungs-cutting roller 20 on the tunnel wall TW, the hub 200 is rotated via the bearing relative to the axis and not the cutting ring 201 relative to the hub 200, in the illustrated embodiment, the inventive caliber widening cutting roller 20 in the recess (Groove) 207 arranged in the mantle of the hub 200 a feather key, which acts as a sliding spring.
  • the cutting ring 201 has a corresponding groove (208).
  • the sliding spring forms a positive connection, which transmits a torque acting on the cutting ring 201 when the caliber widening cutting roller 20 rolls on the tunnel wall TW.
  • the caliber widening cutting roller 20 (including the bearing and the axle) is removed again from the housing box 11 of the drill head 1 and a new, unworn caliber cutting roller 10 is (together with the associated bearing and the axis) inserted and fixed in the housing box 11. Subsequently, the tunnel can be drilled further with the newly inserted, unworn caliber cutting roller 10.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kaliberaufweitungs-Schneidrolle für Tunnelbohrmaschinen sowie ein Verfahren zum Aufweiten des Kalibers eines Tunnels gemäss dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs.
  • Tunnelbohrmaschinen weisen einen Bohrkopf auf, der je nach Bodenbeschaffenheit mit verschiedenen Schneidelementen versehen sein kann. Insbesondere beim Bohren in Gestein oder Fels kommen dabei als Schneidelemente unter anderem sogenannte Schneidrollen zum Einsatz. Dabei wird unterschieden, ob die Schneidrollen an der Stirnfläche des Bohrkopfs angeordnet sind und zur Bearbeitung der Ortsbrust (so wird die Gesteinsfläche vor der Stirnfläche des Bohrkopfs bezeichnet) dienen oder ob die Schneidrollen so angeordnet sind, dass sie zur Bearbeitung des Übergangsbereiches von der Ortsbrust zu der Tunnelwand dienen, also den Durchmesser oder das "Kaliber" des Tunnels bestimmen. Die zuletzt genannten Schneidrollen werden daher auch als "Kaliber-Schneidrollen" bezeichnet.
  • Ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Bohrkopfs einer solchen Tunnelbohrmaschine ist in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt dabei insbesondere die Kaliber-Schneidrolle 10 des Bohrkopfs 1, welche den Durchmesser oder das Kaliber des zu bohrenden Tunnels bestimmt.
  • In Fig. 2 ist in einer Schnittdarstellung die Kaliber-Schneidrolle 10 an einer Tunnelwand TW dargestellt, und zwar in der rechten Hälfte eine Kaliber-Schneidrolle 10 in unverschlissenem Zustand und in der linken Hälfte eine verschlissene Kaliber-Schneidrolle 10. Die Kaliber-Schneidrolle 10 umfasst eine Nabe 100, auf welcher ein Schneidring 101 fest aufsitzt. Beim Abtragen des Gesteins bzw. Felses (beim Bohren des Tunnels) unterliegt der Schneidring 101 einem Verschleiss. Entsprechend dem Mass des Verschleisses am Schneidring ist der Durchmesser D (durch den entsprechenden Pfeil angedeutet) des mit einer solchen verschlissenen Kaliber-Schneidrolle gebohrten Tunnels geringer als vorher, wie in der linken Hälfte der Fig. 2 zu erkennen ist.
  • Die Kaliber-Schneidrolle 10 ist im Bohrkopf 1 so angeordnet, dass eine gewisse Reduktion des Durchmessers - also ein gewisser Verschleiss des Schneidrings 101 - toleriert werden kann. Andererseits steht die äussere Schneidkante 101a des Schneidrings 101 der Kaliber-Schneidrolle nicht so weit über den Rest des Bohrkopfes 1 nach aussen vor, dass ein beliebiger Verschleiss des Schneidrings 101 toleriert werden kann. Es existiert ein konstruktiv vorgegebenes Limit, welches garantiert, daß bis zum Erreichen dieses Grenzwertes die Tunnelbohrmaschine noch durch den im Durchmesser reduzierten Tunnel passt.
  • Deshalb müssen die verschlissenen Kaliber-Schneidrollen spätestens bei Erreichen des Limits ausgetauscht werden, was ein relativ aufwendiger Vorgang ist, da die Kaliber-Schneidrollen nur vergleichsweise schwer zugänglich sind, nämlich durch das Innere des Bohrkopfs der Tunnelbohrmaschine, weil man beim Bohren des Tunnels nicht den Bohrkopf zurück bewegen und aussen an der Tunnelbohrmaschine vorbei vor den Bohrkopf gelangen kann, sodass man den Austausch von ausserhalb der Tunnelbohrmaschine her durchführen könnte.
  • In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer (Kaliber-) Schneidrolle 10 etwas vollständiger dargestellt. Die Nabe 100 der Kaliber-Schneidrolle 10 ist auf einem Lager 102 (Fig. 3) und das Lager 102 auf einer Achse 103 angeordnet. Die Achse 103 wiederum ist in einem Schneidrollen-Gehäusekasten 11 fest eingespannt (Fig. 4), der fest im Bohrkopf 1 sitzt. Der Gehäusekasten 11 weist einen Schlitz 110 auf, der an einer Stelle nach innen hin offen ist.
  • Zum Einsetzen einer Kaliber-Schneidrolle wird die Achse 103 mit dem darauf angeordneten Lager 102 und der auf dem Lager aufsitzenden Nabe 100 mit dem Schneidring 101 von innen her in den Schlitz 110 des Gehäusekastens 11 eingeführt und dann in Umfangsrichtung im Schlitz 110 verschoben. Mit Hilfe von zwei Spannelementen 104,105 , die von innen her betätigbar sind, wird dann die Achse 103 in dem Gehäusekasten 11 fest eingespannt. Der Ausbau einer Kaliber-Schneidrolle erfolgt dementsprechend in umgekehrter Reihenfolge: Lösen der Spannelemente 104,105 , Verschieben der Achse 103 im Schlitz 110 in Umfangsrichtung und anschliessende Entnahme der Kaliber-Schneidrolle ( Achse, Lager, Nabe, Schneidring) nach innen.
  • Da nun kurz vor dem fälligen Austausch einer Kaliber-Schneidrolle 10 der Tunnel mit einer verschlissenen Kaliber-Schneidrolle 10 gebohrt worden ist, ist der Tunneldurchmesser D geringer als beim Bohren mit einer unverschlissenen Kaliber-Schneidrolle (siehe Fig. 2). Wird nun die verschlissene Kaliber-Schneidrolle 10 aus dem Gehäusekasten 11 ausgebaut, so kann nicht ohne Weiteres eine neue, unverschlissene Kaliber-Schneidrolle 10 in den Gehäusekasten 11 eingesetzt werden, weil der Tunneldurchmesser - das Kaliber - für die neu einzusetzende Kaliber-Schneidrolle 10 (die ja unverschlissen ist) zu klein ist.
  • Infolgedessen muss vor dem Einsetzen einer neuen, unverschlissenen Kaliber-Schneidrolle 10 das Kaliber aufgeweitet werden, damit die neue, unverschlissene Kaliber-Schneidrolle 10 überhaupt in den Gehäusekasten 11 des Bohrkopfs 1 eingesetzt werden kann.
  • Zur Aufweitung des Kalibers hat man beispielsweise den Bohrkopf mit der verschlissenen Kaliber-Schneidrolle Taumelbewegungen ausführen lassen, was aber nur in geringem Umfang möglich ist und daher häufig zu einer nicht ausreichenden Aufweitung des Kalibers führt.
  • Eine andere Möglichkeit, das Kaliber aufzuweiten, besteht darin, nach dem Ausbau der verschlissenen Kaliber-Schneidrolle beispielsweise die Tunnelwand durch das Innere des Bohrkopfs der Tunnelbohrmaschine hindurch aufzumeisseln. Dieses Aufmeisseln ist verhältnismässig aufwendig und aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Raumes im Inneren des Bohrkopfs auch sehr beschwerlich und nimmt ausserdem auch eine recht erhebliche Zeit in Anspruch, in der die Tunnelbohrmaschine steht.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen, indem sie diesen Austausch der Kaliber-Schneidrolle insgesamt von der Durchführung her vereinfacht und auch die Zeit, während der die Tunnelbohrmaschine steht, verkürzt.
  • Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch eine Kaliberaufweitungs-Schneidrolle, wie sie durch die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs charakterisiert ist, gelöst, bzw. durch ein Verfahren zur Aufweitung des Kalibers eines Tunnels, wie es durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs charakterisiert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
  • Bei der erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle ist der Schneidring in axialer Richtung auf der Nabe verschiebbar angeordnet. Zu Beginn des Aufweitungsvorgangs befindet sich der Schneidring zunächst in einer Position, in welcher die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle exakt die verschlissene Kaliber-Schneidrolle ersetzt. Der Bohrkopf weist somit noch den (reduzierten) Schneiddurchmesser auf, der dem mit einer verschlissenen Kaliber-Schneidrolle existierenden entspricht. Wird der rotierende Bohrkopf in Richtung der Tunnelachse vorgetrieben, so wird der Schneidring in axialer Richtung (axial bedeutet in diesem Zusammenhang in Richtung der Längsachse der Nabe) auf der Nabe verschoben, bis er sich zwischen Nabe und Tunnelwand verspannt, sich also nicht mehr auf der Nabe bewegen kann. Beim weiteren Vorschub des Bohrkopfs erfolgt dann durch den am Übergangsbereich zur Tunnelwand abrollenden Schneidring eine Bearbeitung dieser Zone, es werden Stücke aus dem Gestein bzw. Fels herausgebrochen und somit das Kaliber des Tunnels aufgeweitet. Erfolgt dies, entsteht ein Freiraum für den Schneidring, und beim weiteren Vortrieb des Bohrkopfs wird der Schneidring aufgrund seiner axialen Beweglichkeit auf der Nabe und der Reaktionskräfte des Felses auf die Vorschubkraft (Widerstand) weiter auf der Nabe verschoben, bis er sich wieder gegen die Tunnelwand verspannt und so weiter.
  • Die Aufweitung des Kalibers kann also einfach dadurch erfolgen, dass anstelle des sehr beschwerlichen und zeitaufwendigen Aufmeisselns eine Kaliberaufweitungs-Schneidrolle in den Bohrkopf eingesetzt wird und dann durch Vortreiben des Bohrkopfs das Kaliber des Tunnels aufgeweitet wird. Ist die vollständige oder zumindest eine ausreichende Aufweitung des Kalibers erfolgt, so wird die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle wieder aus dem Bohrkopf ausgebaut und die neue, unverschlissene Kaliber-Schneidrolle kann in den Bohrkopf eingesetzt und der Tunnel kann dann ganz normal mit der neuen Kaliber-Schneidrolle weitergebohrt werden.
  • Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle weist die Nabe an einem Ende einen Anschlag auf und der Schneidring ist mit einer entsprechenden Anschlagfläche versehen, wobei die Anschlagfläche des Schneidrings in der Ausgangsposition des Schneidrings an dem an der Nabe vorgesehenen Anschlag anliegt. In dieser Position des Schneidrings muss gewährleistet sein, dass die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle auf jeden Fall in den Bohrkopf eingesetzt werden kann. Mit anderen Worten gesagt heisst das, dass die Schneidkante der Kaliberaufweitungs-Schneidrolle in dieser Position nicht weiter in Richtung des Durchmessers der Tunnelwand vorstehen darf als die einer verschlissenen Kaliber-Schneidrolle. Dies ist bei der Auslegung der Kaliberaufweitungs-Schneidrolle zu berücksichtigen.
  • Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle weist die Nabe am anderen Ende ebenfalls einen Anschlag auf, welcher die maximal mögliche axiale Verschiebung des Schneidrings begrenzt.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle ist der verschiebbare Schneidring um eine vorbestimmte Länge kürzer als die Nabe. Diese vorbestimmte Länge beim axialen Verschieben des Schneidrings auf der Nabe entspricht einer vorbestimmten Aufweitung des Kalibers des Tunnels. Die vorbestimmte Aufweitung des Kalibers des Tunnels ergibt sich dabei aus der Länge, um welche der Schneidring axial verschiebbar ist sowie aus dem Winkel, den die Längsachse der Nabe mit der Tunnelachse einschliesst. Das heisst, dass man über diese Länge (der Winkel ist ja durch die Anordnung der Schneidrolle im Bohrkopf vorgegeben) das Mass der Aufweitung des Kalibers (vor-)bestimmen kann.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle ist die Nabe der Schneidrolle auf einem Lager und das Lager auf einer Achse angeordnet. Die Achse ist mitsamt dem Lager und der darauf angeordneten Nabe und dem Schneidring in einen in dem Bohrkopf angeordneten Gehäusekasten direkt einsetzbar und die Achse kann dann im Gehäusekasten des Bohrkopfs eingespannt werden. Der Gehäusekasten kann dabei einen Anschlag bilden zur Begrenzung der Verschiebung des Schneidrings auf der Nabe.
  • Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle ist zwischen der Nabe und dem Schneidring eine formschlüssige Verbindung vorgesehen. Sie kann beispielsweise als Passfeder (Gleitfeder) ausgebildet sein, welche in einer Aussparung (Passfedernut) im Mantel der Nabe festsitzt, während eine durchgehende Nut im Schneidring per Spiel eine Gleitbewegung ermöglicht. Zweck der Passfeder ist es, zu erreichen, dass beim Abrollen der Schneidrolle an der Tunnelwand (bei der Bearbeitung der Tunnelwand) nicht der Schneidring sich relativ zur Nabe dreht, sondern dass vielmehr die Nabe mit Hilfe des Lagers, auf welchem sie aufsitzt, sich relativ zu der Achse dreht, auf welcher das Lager angeordnet ist. Dadurch wird die wohldefinierte und für die Kaliber-Schneidrollen bewährte Drehbewegung mit Hilfe des Lagers gewährleistet.
  • Um nun zu erreichen, dass sich die Nabe mit Hilfe des Lagers relativ zur Achse und nicht der Schneidring relativ zur Nabe dreht, muss die Passfeder die aus der Lagerreibung resultierende Umfangskraft übertragen können.
    Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Aufweitung des Kalibers eines Tunnels wird also - wie bereits beschrieben - zum Aufweiten des Kalibers des Tunnels eine Kaliberaufweitungs-Schneidrolle gemäss einem der vorangehenden Ansprüche in den Bohrkopf eingesetzt, mit welcher das Kaliber des Tunnels aufgeweitet wird. Nach dem Aufweiten des Kalibers mit Hilfe der Kaliberaufweitungs-Schneidrolle wird die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle wieder aus dem Bohrkopf ausgebaut und die neue Kaliber-Schneidrolle in den Bohrkopf eingesetzt. Die Aufweitung des Kalibers des Tunnels erfolgt also auf relativ einfache Art und Weise und die Zeit, die zur Aufweitung des Kalibers benötigt wird und während der die Tunnelbohrmaschine steht, wird verkürzt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle mit Hilfe der Zeichnung. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Bohrkopfs mit Kaliber-Schneidrolle einer Tunnelbohrmaschine,
    Fig. 2
    eine unverschlissene Kaliber-Schneidrolle sowie eine verschlissene Kaliber-Schneidrolle an einer Tunnelwand (vereinfachte Darstellung),
    Fig. 3
    die Kaliber-Schneidrolle mitsamt einem Lager und einer Achse,
    Fig. 4
    einen Ausschnitt aus einem Bohrkopf mit einem Schneidrollen-Gehäusekasten, in welchem die Kaliber-Schneidrolle angeordnet ist,
    und
    Fig. 5
    ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle (vereinfachte Darstellung) an einer Tunnelwand, sowohl in der Ausgangsstellung des Schneidrings vor dem Aufweitvorgang als auch in der Endstellung des Schneidrings nach dem Aufweitvorgang.
  • Während die Kaliber-Schneidrolle 10 und deren Anordnung in einem Bohrkopf 1 bereits anhand der Fig. 1-4 beschrieben wurde, ist nun in Fig. 5 in einer ähnlich vereinfachten Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 an einer Tunnelwand TW dargestellt. Dabei schliesst die Längsachse 206 der. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 mit der Tunnelachse (in Fig. 5 ist eine zur Tunnelachse parallele Achse TA dargestellt) einen Winkel α ein.
  • In Fig. 5 ist in der rechten Hälfte die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 in der Ausgangsposition dargestellt und in der linken Hälfte nach dem Aufweitungsvorgang in der Endposition. In der rechten Hälfte der Fig. 5 ist mit einer durchgezogenen Linie die Tunnelwand TW dargestellt, wobei der Tunnel einen reduzierten Durchmesser D aufweist, weil der Schneidring 101 der Kaliber-Schneidrolle 10 (siehe Fig.2) verschlissen war. Mit der daran anschliessenden gekrümmten gestrichelten Linie ist der Übergang der Tunnelwand TW zur Ortsbrust angedeutet. Die parallel zu der durchgezogenen Linie verlaufende gestrichelte Linie bezeichnet die Tunnelwand TW nach dem Aufweitungsvorgang, der weiter unten noch genauer beschrieben wird.
  • Die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 umfasst eine Nabe 200 und einen auf der Nabe 200 in axialer Richtung - also in Richtung der Längsachse 206 der Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 - verschiebbar angeordneten Schneidring 201. Der Schneidring 201 weist auf der Innenseite eine durchgehende, zur Drehachse parallel verlaufende Nut (208) auf. Im Mantel der Nabe 200 ist eine Nut 207 vorgesehen, in welcher eine Passfeder (hier nicht dargestellt) reibschlüssig eingesetzt ist. Die Passfeder fungiert als Formschlussverbindung zwischen der Nabe 200 und dem Schneidring 201, wie noch erläutert werden wird.
  • Die Nabe 200 ist mit einem Anschlag 200b und der Schneidring 201 mit einer entsprechenden Anschlagfläche 201b versehen, wobei die Anschlagfläche 201b in der Ausgangsposition (rechte Hälfte in Fig. 5) an dem Anschlag 200b anliegt. Die Nabe 200 kann auch am anderen Ende einen (hier nicht dargestellten) Anschlag aufweisen zur Begrenzung der Verschiebung des Schneidrings 201 auf der Nabe 200. Wird nun der Bohrkopf rotierend in Richtung der Achse TA vorgetrieben - entsprechend dem Pfeil V in Fig. 5 - und liegt die Schneidkante 201a des Schneidrings 201 wie in der rechten Hälfte in Fig. 5 dargestellt an der Tunnelwand TW an, so kann sich der Schneidring 201 zunächst nicht in axialer Richtung auf der Nabe 200 bewegen, sondern er bearbeitet die Tunnelwand TW, wobei durch die Vortriebskraft die Nabe 200 wie ein Keil unter den Schneidring 201 gedrückt wird, welcher sich somit zwischen Nabe 200 und Tunnelwand TW verspannt. Werden nun bei der Bearbeitung der Tunnelwand TW einige Gesteinsbrocken herausgebrochen, so wird der Durchmesser D des Tunnels im Bereich der Schneidkante 201a des Schneidrings 201 grösser. Es entsteht also zwischen der Schneidkante 201a und der Tunnelwand TW im Bereich des Schneidrings 201 ein Spiel, d.h. weil der Bohrkopf 1 kontinuierlich vorgetrieben wird, kann sich der Schneidring 201 durch den Widerstand des Gesteins auf der Nabe 200 in axialer Richtung ein Stückchen verschieben. Durch diese axiale Verschiebung des Schneidrings 201 relativ zu der Nabe 200 erfolgt eine Zustellung der Schneidkante 201a nach aussen, was so lange erfolgt, bis die Schneidkante wieder an der (aufgeweiteten) Tunnelwand TW anliegt. Danach erfolgt erneut eine Bearbeitung der Tunnelwand TW (gemeint ist immer die Kante zwischen Tunnelwand TW und Übergangsbereich zur Ortsbrust) wie zuvor beschrieben, bis wiederum einige Gesteinsbrocken aus der Tunnelwand TW herausgebrochen sind. Sodann wird durch den Vortrieb des Bohrkopfs erneut der Schneidring 201 in axialer Richtung relativ zur Nabe 200 verschoben, wodurch die Schneidkante 201a des Schneidrings 201 wieder nach aussen zugestellt wird, und so weiter.
  • Dieser Vorgang wird nun zumindest so lange fortgesetzt, bis der Tunnel einen Durchmesser D aufweist, der genügend gross ist, dass anschliessend eine neue, unverschlissene Kaliber-Schneidrolle 10 (Fig. 2) in den Gehäusekasten 11 des Bohrkopfs 1 eingesetzt werden kann, bzw. der Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis der Schneidring 201 in der Endstellung angekommen ist, wie sie in der linken Hälfte in Fig. 5 dargestellt ist. In dieser Endstellung des Schneidrings 201 ist der Durchmesser D des Tunnels gegenüber dem Durchmesser D des Tunnels vor Beginn des Aufweitungsvorgangs in jedem Falle so weit vergrössert worden, dass eine neue, unverschlissene Kaliber-Schneidrolle 10 (siehe Fig. 2) in den Gehäusekasten 11 (siehe Fig. 4) eingesetzt werden kann und mit der neuen, unverschlissenen Kaliber-Schneidrolle 10 dann der Tunnel in gewohnter Weise weitergebohrt werden kann. Der verschiebbare Schneidring 201 ist um eine vorbestimme Länge ΔL kürzer als die Nabe 200. Über die maximal vorgesehene Aufweitung des Kalibers des Tunnels und den Winkel α lässt sich die Länge ΔL errechnen, wenn man von der Ausgangsposition des Schneidrings 201 (Anschlagfläche 201b liegt an dem Anschlag 200b an, siehe Fig. 5, rechte Hälfte) und der Endposition des Schneidrings 201 (siehe Fig. 5, linke Hälfte) ausgeht.
  • Innerhalb der Nabe 200 kann die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 prinzipiell gleich ausgebildet sein wie die (Kaliber-) Schneidrolle 10, sie kann also insbesondere ein Lager aufweisen, welches auf einer Achse angeordnet ist, so wie dies in Fig. 3 für die Kaliber-Schneidrolle 10 dargestellt und weiter oben bereits erläutert worden ist.
  • Damit nun beim Abrollen der Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 an der Tunnelwand TW die Nabe 200 über das Lager relativ zu der Achse gedreht wird und nicht der Schneidring 201 relativ zu der Nabe 200, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 in der Aussparung (Nut) 207 im Mantel der Nabe 200 eine Passfeder angeordnet, die als Gleitfeder fungiert. Der Schneidring 201 weist eine entsprechende Nut (208) auf. Die Gleitfeder bildet eine formschlüssige Verbindung, die ein beim Abrollen der Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 an der Tunnelwand TW auf den Schneidring 201 wirkendes Drehmoment überträgt.
  • Ist nun eine Kaliber-Schneidrolle 10 verschlissen (siehe Fig. 2, linke Hälfte), so wird gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren die Kaliber-Schneidrolle 10 mitsamt dem Lager 102 und der Achse 103 aus dem Gehäusekasten 11 (siehe Fig. 4) des Bohrkopfs 1 ausgebaut. Sodann wird eine erfindungsgemässe Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 (ebenfalls mitsamt dem Lager und der Achse) in den Gehäusekasten 11 des Bohrkopfs 1 eingesetzt, und zwar in der Ausgangsposition, in welcher die Anschlagfläche 201b des Schneidrings 201 an dem Anschlag 200b der Nabe 200 anliegt. Die Aufweitung des Kalibers des Tunnels erfolgt sodann in der oben beschriebenen Art und Weise. Ist das Kaliber des Tunnels aufgeweitet worden, wird die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle 20 (mitsamt dem Lager und der Achse) wieder aus dem Gehäusekasten 11 des Bohrkopfs 1 ausgebaut und eine neue, unverschlissene Kaliber-Schneidrolle 10 wird (mitsamt dem zugehörigen Lager und der Achse) in den Gehäusekasten 11 eingesetzt und fixiert. Anschliessend kann der Tunnel mit der neu eingesetzten, unverschlissenen Kaliber-Schneidrolle 10 weiter gebohrt werden.

Claims (9)

  1. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle (20) für Tunnelbohrmaschinen, mit einer Nabe (200) und einem auf dieser Nabe (200) angeordneten Schneidring (201), dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidring (201) in axialer Richtung (206) auf der Nabe (200) verschiebbar angeordnet ist.
  2. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle nach Anspruch 1, bei welcher die Nabe (200) an einem Ende einen Anschlag (200b) aufweist und der Schneidring (201) mit einer entsprechenden Anschlagfläche (201b) versehen ist, wobei die Anschlagfläche (201b) des Schneidrings (201) in der Ausgangsposition des Schneidrings (201) an dem an der Nabe (200) vorgesehenen Anschlag (200b) anliegt.
  3. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle nach Anspruch 2, bei welcher die Nabe (200) einen weiteren Anschlag aufweist, welcher die maximal mögliche axiale Verschiebung des Schneidrings (201) begrenzt.
  4. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Schneidring (201) um eine vorbestimmte Länge (ΔL) kürzer ist als die Nabe (200), wobei diese vorbestimmte Länge (ΔL) beim axialen Verschieben des Schneidrings (201) auf der Nabe (200) einer vorbestimmten Aufweitung des Kalibers des Tunnels entspricht.
  5. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Nabe (200) der Schneidrolle (20) auf einem Lager und das Lager auf einer Achse (103) angeordnet ist, und dass die Achse (103) mitsamt dem Lager und der darauf angeordneten Nabe (200) und dem Schneidring (201) in einen in dem Bohrkopf (1) angeordneten Gehäusekasten (11) einsetzbar ist.
  6. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle nach Anspruch 5, bei welcher der Gehäusekasten (11) einen Anschlag zur Begrenzung der Verschiebung des Schneidrings (201) bildet.
  7. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher zwischen der Nabe (200) und dem Schneidring (201) eine formschlüssige Verbindung vorgesehen ist.
  8. Kaliberaufweitungs-Schneidrolle nach Anspruch 7, bei welcher die formschlüssige Verbindung als Passfeder, insbesondere als Gleitfeder, ausgebildet ist, welche in einer Aussparung (207) im Mantel der Nabe (200) angeordnet ist, und dass in der Innenwand des Schneidrings (201) eine entsprechende Aussparung (208) vorgesehen ist, in welche die Passfeder eingreift.
  9. Verfahren zur Aufweitung des Kalibers eines Tunnels, welcher mit Hilfe einer Tunnelbohrmaschine gebohrt wird, die einen Bohrkopf (1) mit einer Kaliber-Schneidrolle (10) umfasst, bei welchem Verfahren die Kaliber-Schneidrolle (10) aus dem Bohrkopf (1) ausgebaut wird, bei welchem Verfahren dann das Kaliber des Tunnels aufgeweitet wird und bei welchem Verfahren nach dem Aufweiten des Kalibers eine neue Kaliber-Schneidrolle (10) in den Bohrkopf (1) eingesetzt wird, sodass der Tunnel anschliessend mit der neu eingesetzten Kaliber-Schneidrolle (10) weitergebohrt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufweiten des Kalibers des Tunnels eine Kaliberaufweitungs-Schneidrolle (20) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche in den Bohrkopf (1) eingesetzt wird, mit welcher das Kaliber des Tunnels aufgeweitet wird, und dass nach dem Aufweiten des Kalibers mit Hilfe der Kaliberaufweitungs-Schneidrolle (20) die Kaliberaufweitungs-Schneidrolle (20) wieder aus dem Bohrkopf (1) ausgebaut und die neue Kaliber-Schneidrolle (10) in den Bohrkopf (1) eingesetzt wird.
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