EP0534338A2 - Control system for a tunnel boring machine - Google Patents
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- EP0534338A2 EP0534338A2 EP92116084A EP92116084A EP0534338A2 EP 0534338 A2 EP0534338 A2 EP 0534338A2 EP 92116084 A EP92116084 A EP 92116084A EP 92116084 A EP92116084 A EP 92116084A EP 0534338 A2 EP0534338 A2 EP 0534338A2
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- sensor unit
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- control
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- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
- E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
- E21B7/201—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes with helical conveying means
Definitions
- the laser beam acts on eccentrically arranged photodiodes on the target.
- control signals are generated which act on the control unit of the jacking head and thereby return the jacking to the alignment with the target axis.
- a laser beam that is to say a light beam for controlling the advance
- a number of disadvantages which are caused by the properties of the laser beam and have a negative influence on the implementation of the control. This includes that uneven heating of the air in the tunnel tube can cause air stratifications that break the laser beam and thus cause an arcuate deviation from the target axis. Due to air turbulence in the tunnel tube, the laser beam can also be deformed to such an extent that that control is made impossible. If obstacles push the tunneling path out of the prescribed tunnel so much that the laser beam no longer strikes the target plate, tunneling control is also made impossible. Finally, a fundamental disadvantage of laser beam control is that, due to the linear propagation of the laser beam, a curved tunneling path cannot be traversed.
- US-A-4 282 470 also shows an electrically bound gyroscope with a digital captive circuit.
- DE-C-29 22 415 shows a navigation device for land, air or sea vehicles.
- the navigation device contains an inertial sensor unit with a two-axis, electrically bound gyroscope and two accelerometers. Location parameters are obtained from the signals of the sensor unit. The position is calculated from the position parameters and speed information from a speed sensor.
- this object is achieved in that an autonomous inertial sensor unit, which responds to changes in position in space, is connected as a control signal generator to the propulsion head or its carrier.
- the inertial sensor unit can be constructed with gyroscopes and accelerometers. However, the sensors of the inertial sensor unit can also contain rotational speed sensors that are based on the Sagnac effect, e.g. "Laser gyroscope”.
- control signals are supplied by an autonomous inertial sensor unit which is connected to the propulsion head.
- the sensor unit is independent of a laser beam or the visibility of a CCD camera. However, the sensor unit continuously delivers control signals.
- the sensor unit can expediently be coupled to the propulsion head in a defined position by releasable connecting means and can optionally be returned to a precisely measured starting position for drift correction.
- This starting position can be measured using a meridian gyro.
- the sensor unit is used for a working according to the shield construction
- the tunnel boring machine is expediently returned to the starting position whenever a new pipe section is inserted into the tunnel bore.
- the sensor unit can advantageously be guided in a guide tube running in the tunnel bore.
- the sensor unit can then be guided in a defined position to the wall of the guide tube by guide members.
- the sensor unit contains a two-axis, electrically bonded turning gyroscope with two input axes perpendicular to one another and to the swirl axis.
- the control unit has two accelerometers which respond to accelerations in the direction of one of the input axes or the swirl axis of the biaxial gyroscope.
- a displacement sensor can be provided which provides a measure of the feed path of the sensor unit in relation to a reference point, means for determining the position of the sensor unit from position signals of the sensor unit and displacement signals of the displacement sensor according to the Method of dead reckoning are provided.
- the displacement sensor can consist of a cable that can be unwound from a cable memory arranged in the reference point or in another known and measured point. The cable can contain supply and measurement lines of the sensor unit at the same time.
- the sensor unit 18 is detachably connected to the propulsion head 4 in the manner described below and connected to a cable 20 which contains all supply and data transmission lines for the sensor unit 18.
- the cable 20 is formed in one strand without connecting elements and can be wound up and unwound on a drum 22, as a result of which the sensor unit 18 is moved in the running tube 16.
- the cable 20 is through a connection line 24, only indicated schematically, is connected to a control unit 26 arranged above ground. Through the connecting line 24, control signals coming from the sensor unit 18 are fed to the control unit 26, which monitors the propulsion of the jacking head 4 and controls them in accordance with the control signals coming from the sensor unit 18.
- the connecting line 24 is also intended to indicate that the drum 22 is actuated via this connecting line 24 in order to wind up or unwind the cable 20 and thereby move the sensor unit 18 accordingly in the running tube 16.
- the drum 20 contains a conventional path length measuring device which is used to measure the unwound cable length and is connected to the control unit 26.
- the sensor unit contains a conventionally built, dynamically tuned gyroscope that is equipped with two linear accelerometers in two mutually orthogonal measuring axes and thus responds to azimuthal and pitching movements.
- the starting pit 1A there is a starting and reference ramp as a reference point 15, via which the sensor unit 18 is aligned and extended and retracted into the running tube 16 with the aid of a telescopic tube.
- the start and reference ramp is aligned azimuthally, for example, by terrestrial measurement or by means of a north-searching gyroscope with an angular accuracy of 1.5 angular minutes.
- the tunnel tube 10 is composed of tube sections which are inserted one after the other into the tunnel bore 8 in the shield construction. Only the two pipe sections 10A and 10B are shown, which are held together in the usual way by an overlapping collar 10C.
- the running tube 16 is also composed of individual sections which are fixedly connected to the tube sections 10A and 10B and are therefore inserted into the tunnel bore 8 together with the tube sections of the tunnel tube 10.
- the sensor unit 18 is located in a housing 28 which can be moved in the running tube 16 between a working position and a reference position by means of the cable 20. 2, the measuring probe 18 is released from the working position on the head 4.
- the connection is made in the working position by a plug connection 30 between the housing 28 and a connection box 33.
- the running tube 16 has a rectangular cross section.
- the housing 28 of the sensor unit 18 is provided with guide elements which move the housing 28 within the running tube 16 in a reproducible setting lead to the running tube 16. It is thereby achieved that the sensor unit 18 assumes reproducible positions within the running tube 16.
- the housing 28 of the sensor unit 18 is cylindrical.
- the guide elements include, for example, a skid 32, which is attached to the upper side of the housing 28 and guided on the upper side of a rectangularly shaped running tube 16, and rollers 38 and 40, which on radially protruding from the housing 28 of the measuring probe 18 in opposite corners the bottom of the rectangular tube 16 are guided.
- other common guide elements and other geometric shapes for the running tube 16 and the guideways or grooves formed therein can be selected in order to ensure that the housing 28 and thus the sensor unit 18 are always guided in the running tube 16 in a reproducible position.
- the skid 32 extends over a substantial part of the axial length of the housing 28 of the sensor unit 18 and is supported on springs 34.
- the springs 34 are supported in spring housings 36 in the middle on the upper side of the housing 28 of the sensor unit 18.
- two opposing pairs of rollers 38 and 40 are each provided near the axial ends of the housing 28.
- a sensor unit 18 contains a two-axis, electrically tied dynamically tuned gyro 64 and two accelerometers 66 and 68 in a sensor block 70.
- the signals from the gyro 64 and the signals from the accelerometers 66 and 68 are connected to sensor electronics 72.
- the sensor electronics 72 contains the gyro operating electronics 74 and an analog-digital converter 76.
- the analog-digital converter 76 receives the acceleration signals from the accelerometers 66 and 68 and, via the gyro operating electronics 74, angular velocity signals from the gyro 64.
- the digitized signals are in one Signal processor 78 switched on. The signals are processed in the signal processor 78.
- a digital-analog conversion then takes place, the two analog output signals obtained being connected via lines 80 and 82 to torque generators of the dynamically tuned gyro 64.
- the Signal processor 78 digital output signals which correspond to the angular velocities around the input axes of the gyro 64.
- the power supply of the sensor unit 18 is designated.
- the arrangement corresponds approximately to EP-A-0 251 157 or US-A-4 823 626.
- the swirl axis of the dynamically tuned gyro is in the direction of advance.
- the input axes of the gyro are essentially horizontal and vertical.
- the gyro 64 thereby provides angular velocities about the pitch and yaw axes.
- the input axes of the accelerometers 66 and 68 are parallel to the one input axis falling in the direction of the pitch axis and to the swirl axis.
- the digital angular velocities at the output 84 are connected via the line 24 to the control unit 26 (FIG. 1) arranged on the surface of the earth.
- the control unit 26 contains a central computer 88 for navigation and control.
- the angular speeds of the gyro 64 and the accelerations of the accelerometers 66 and 68 are applied to the central computer 88 via an interface 90.
- the control unit 26 furthermore contains a path length measuring device 92.
- the path length measuring device 92 supplies the feed path of the sensor unit 18 on the basis of the length of the cable 20 which has been unwound from the drum 22. This feed path is also connected to the central computer 88 via the interface 90.
- the central computer 88 receives inputs from a display and operating unit 94.
- the power supply to the control unit 26 is designated 96.
- the central computer 88 determines angular velocities of the sensor unit 18 from the device-fixed angular velocity and acceleration signals in an earth-fixed one System. From these angular velocities, position angles or elements of the direction cosine matrix are calculated. The respective position of the sensor unit 18 can be determined from the position angles or the elements of the direction cosine matrix in connection with the feed path from the path length measuring device 92.
- the signal processing can be carried out in a similar manner to that described in DE-A-29 22 415.
- the control unit 26 supplies control signals for the propulsion head 4, which seek to keep the propulsion head 4 in a predetermined direction of advance but also work towards maintaining a predetermined path.
- the control unit 26 also receives from the path length measuring device of the drum 20 the data about the path covered from the unrolled cable length, so that the position of the sensor unit 18 and thus the position of the propulsion head 4 is precisely determined at all times by the navigation computer of the control unit 26 during the propulsion . If the propulsion of the Tunnel bore 8 over the length of the tube section 10A of the tunnel tube 10, the drum 22 is driven to wind up the cable 20, to detach the housing 28 of the sensor unit 18 from the plug connection 30 and the housing 28 with the sensor unit 18 in the running tube 16 to move from the working position into the reference position on the start and reference ramp 58. When the housing 28 of the sensor unit 18 has reached the reference position, the adjustment of the sensor unit 18 is checked.
- the pipe section 10B is inserted into the tunnel bore 8 and brought into engagement with the flange 10C at the rear end of the pipe section 10A already inserted.
- a further section of the running tube 16 is introduced in alignment with the section already present.
- the housing 28 is re-inserted into the elongated running tube 16 by unwinding the cable 20 from the drum 22 from the starting and reference ramp 58 via the telescopic tube and is moved in an exactly reproducible manner to the working position in which the plug connection 30 to the connection box 33 is restored.
- the jacking head 4 is then ready for further jacking in alignment with the desired axis 6 by a further pipe section length.
- the readjustment of the sensor unit 18 after the advance of the head 4 over a pipe section length has the advantage that a sensor unit 18 and thus a gyroscope of relatively small installation size and with relatively low accuracy requirements can be used, in particular with regard to long-term constancy.
- the sensor unit 18 can also detect a parallel offset of the propulsion head 4 to the desired axis 6.
- control device with the sensor unit 18 has been described above in connection with a tunnel boring machine 2 operating according to the shield construction. It is self-evident that such a control device can also be used in conjunction with tunnel boring machines operating according to other principles in the case of corresponding modifications which are readily accessible to the person skilled in the art.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zur Steuerung des Vortriebs eines Vortriebskopfes, beispielsweise für eine Tunnelbohrmaschine), mit einem Signalgeber, von welchem Steuersignale im Sinne einer Führung des Vortriebskopfes längs einer vorgegebenen Bahn ableitbar sind.The invention relates to a control device for controlling the propulsion of a propulsion head, for example for a tunnel boring machine), with a signal transmitter, from which control signals can be derived in the sense of guiding the propulsion head along a predetermined path.
Es ist bekannt, bei Tunnelbohrmaschinen die Vermessung und Steuerung des Vortriebs des Vortriebskopfes beispielsweise durch einen Theodoliten oder einen Laserstrahl als Leitstrahl vorzunehmen, vgl. z.B. D. Stein, K. Möllers und R. Bielecki; "Leitungstunnelbau"; Ernst und Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften, Berlin 1988, Seiten 195 bis 204. Dabei trifft der Laserstrahl über grössere Entfernungen auf eine mit Photodioden besetzte Zieltafel die als Matrix geschaltet ist und sich im Vortriebskopf der Tunnelbohrmaschine befindet. Bei kleineren Entfernungen bis zu 40 Meter kann auch ein Theodolit in Verbindung mit einer beleuchteten Zielscheibe im Vortriebskopf eingesetzt werden.It is known in tunnel boring machines to measure and control the advance of the advance head, for example using a theodolite or a laser beam as a guide beam, cf. e.g. D. Stein, K. Möllers and R. Bielecki; "Line tunnel construction"; Ernst and Son, Publishing House for Architecture and Technical Sciences, Berlin 1988, pages 195 to 204. The laser beam strikes a target plate with photodiodes, which is switched as a matrix and is located in the tunnel head of the tunnel boring machine. At smaller distances up to 40 meters, a theodolite can also be used in conjunction with an illuminated target in the jacking head.
Weicht der Vortrieb des Vortriebskopfes von der Ausrichtung zu der Sollachse ab, die durch den Laserstrahl vorgegeben wird, so werden aussermittig an der Zielscheibe angeordnete Photodioden von dem Laserstrahl beaufschlagt. Dadurch werden Steuersignale erzeugt, die auf die Steuereinheit des Vortriebskopfes einwirken und dadurch den Vortrieb wieder auf die Ausrichtung zur Sollachse zurückführen.If the propulsion of the propulsion head deviates from the orientation to the desired axis, which is predetermined by the laser beam, then the laser beam acts on eccentrically arranged photodiodes on the target. As a result, control signals are generated which act on the control unit of the jacking head and thereby return the jacking to the alignment with the target axis.
Die Verwendung eines Laserstrahls, also eines Lichtstrahls zur Steuerung des Vortriebs ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden, die durch die Eigenschaften des Laserstrahls bedingt sind und die Durchführung der Steuerung negativ beeinflussen. Dazu gehört, dass ungleichmässige Erwärmungen der Luft im Tunnelrohr Luftschichtungen hervorrufen können, die den Laserstrahl brechen und dadurch eine bogenförmige Abweichung von der Sollachse bewirken. Durch Luftturbulenzen im Tunnelrohr kann der Laserstrahl ferner so weit deformiert werden, dass die Steuerung unmöglich gemacht wird. Wird der Vortriebsweg durch Hindernisse so stark aus dem vorgeschriebenen Vortriebsweg gedrängt, dass der Laserstrahl nicht mehr auf die Zieltafel trifft, wird die Vortriebssteuerung ebenfalls unmöglich gemacht. Schliesslich besteht ein grundsätzlicher Nachteil der Laserstrahlsteuerung darin, dass wegen der geradlinigen Fortpflanzung des Laserstrahls ein gekrümmter Vortriebsweg nicht durchlaufen werden kann.The use of a laser beam, that is to say a light beam for controlling the advance, is associated with a number of disadvantages which are caused by the properties of the laser beam and have a negative influence on the implementation of the control. This includes that uneven heating of the air in the tunnel tube can cause air stratifications that break the laser beam and thus cause an arcuate deviation from the target axis. Due to air turbulence in the tunnel tube, the laser beam can also be deformed to such an extent that that control is made impossible. If obstacles push the tunneling path out of the prescribed tunnel so much that the laser beam no longer strikes the target plate, tunneling control is also made impossible. Finally, a fundamental disadvantage of laser beam control is that, due to the linear propagation of the laser beam, a curved tunneling path cannot be traversed.
Aus der genannten Literaturstelle (Seiten 201 und 202) ist weiterhin eine Laser-Positions- und Richtungsüberwachungseinrichtung bekannt, bei welcher ein mit einer Vortriebsmaschine verbundenes optisches Empfangsgerät "aktive Zieltafeln" aufweist, die von einem Laserstrahl beaufschlagt sind und Ablagesignale liefern. In dem optischen Empfangsgerät sind zwei um 90° versetzte Neigungsmesser vorgesehen, welche den Rollwinkel und den Nickwinkel des Empfangsgerätes liefern. Aus den Ablagesignalen und Roll- und Nickwinkel liefert ein Steuerrechner die Parallelabweichungen sowie den Gierwinkel bezogen auf den Laserstrahl.A laser position and direction monitoring device is also known from the cited literature reference (pages 201 and 202), in which an optical receiving device connected to a tunneling machine has "active target plates" which are acted upon by a laser beam and which deliver storage signals. Two inclinometers offset by 90 ° are provided in the optical receiving device and provide the roll angle and the pitch angle of the receiving device. A control computer supplies the parallel deviations and the yaw angle in relation to the laser beam from the storage signals and roll and pitch angles.
Auch hier wird die Vortriebsmaschine nach einem Laserstrahl geführt.Here, too, the tunneling machine is guided by a laser beam.
Es ist weiterhin bekannt eine Vortriebsmaschine durch eine CCD-Kamera zu steuern. Die CCD-Kamera beobachtet eine an dem Vortriebskopf angebrachte Zielscheibe. Deren Auslenkungen aus einer Sollage werden von der CCD-Kamera erfasst und in Steuersignale umgesetzt. An der CCD-Kamera sind Neigungsmesser angebracht. Dadurch wird die Lage der CCD-Kamera bestimmt. Auch hier machen sich temperaturbedingte Brechungen in Luftschichten genau wie bei der Steuerung nach einem Laserstrahl störend bemerkbar.It is also known to control a tunneling machine using a CCD camera. The CCD camera observes a target attached to the head. Their deflections from a target position are recorded by the CCD camera and converted into control signals. Inclinometers are attached to the CCD camera. This determines the position of the CCD camera. Here too, temperature-related refractions in layers of air are noticeable, just as in the case of control after a laser beam.
Es ist weiterhin bekannt, die Vortriebsrichtung mittels eines nordsuchenden Kreisels oder eines Kreiselkompasses zu bestimmen. Dabei wird die Lage der Vortriebsmaschine mit dem Kreisel diskontinuierlich nach dem Einbau jedes Rohres bestimmt und die Winkelabweichung zu Nord notiert. Durch ein Rechnerprogramm wird daraus die Vortriebsrichtung bestimmt.It is also known to determine the direction of advance using a north-seeking gyro or a gyro compass. The position of the tunneling machine with the gyroscope is determined discontinuously after the installation of each pipe and the angular deviation to the north is noted. The direction of advance is determined from this by a computer program.
Durch die US-A-4 823 626 und die EP-A-0 251 157 ist eine Trägheitssensoranordnung mit zwei elektrisch gefesselten, dynamisch abgestimmten Kreiseln und drei Beschleunigungsmessern bekannt. Die Kreisel bestimmen drei zueinander senkrechte Eingangsachsen. Abgriffsignale werden nach A/D-Wandlung einem digitalen Rechner zugeführt, der einen Teil der Fesselkreise bildet. Die Ausgangssignale sind auf einen D/A-Wandler geschaltet, der entsprechende Ströme auf die Drehmomenterzeuger der Kreisel gibt.From US-A-4 823 626 and EP-A-0 251 157 an inertial sensor arrangement with two electrically bound, dynamically tuned gyros and three accelerometers is known. The gyros determine three mutually perpendicular input axes. Tapping signals are fed to a digital computer after A / D conversion, which forms part of the captive circles. The output signals are connected to a D / A converter, which sends corresponding currents to the torque generators of the gyros.
Einen elektrisch gefesselten Kreisel mit digitalem Fesselkreis zeigt auch die US-A-4 282 470.US-A-4 282 470 also shows an electrically bound gyroscope with a digital captive circuit.
Die DE-C-29 22 415 zeigt ein Navigationsgerät für Land-, Luft- oder Seefahrzeuge. Das Navigationsgerät enthält eine inertiale Sensoreinheit mit einem zweiachsigen elektrisch gefesselten Kreisel und zwei Beschleunigungsmessern. Aus den Signalen der Sensoreinheit werden Lageparameter gewonnen. Aus den Lageparametern und Geschwindigkeitsinformationen von einem Geschwindigkeitsgeber wird die Position berechnet.DE-C-29 22 415 shows a navigation device for land, air or sea vehicles. The navigation device contains an inertial sensor unit with a two-axis, electrically bound gyroscope and two accelerometers. Location parameters are obtained from the signals of the sensor unit. The position is calculated from the position parameters and speed information from a speed sensor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für einen Vortriebskopf (z. B. für eine Tunnelbohrmaschine) so auszubilden, dass sie eine kontinuierliche, genaue Steuerung des Vortriebskopfes bzw. seines Trägers weitgehend unabhängig von äusseren Einflüssen gestattet.The invention is based on the object of designing a control device for a jacking head (for example for a tunnel boring machine) in such a way that it permits continuous, precise control of the jacking head or its carrier largely independently of external influences.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass als Steuersignalgeber mit dem Vortriebskopf bzw. seinem Träger eine autonome, auf Lageänderungen im Raum ansprechende inertiale Sensoreinheit verbunden ist.According to the invention, this object is achieved in that an autonomous inertial sensor unit, which responds to changes in position in space, is connected as a control signal generator to the propulsion head or its carrier.
Die inertiale Sensoreinheit kann mit Kreiseln und Beschleunigungsmessern aufgebaut sein. Die Sensoren der inertialen Sensoreinheit können aber auch Drehgeschwindigkeitssensoren enthalten, die auf dem Sagnac-Effekt beruhen, z.B. "Laserkreisel".The inertial sensor unit can be constructed with gyroscopes and accelerometers. However, the sensors of the inertial sensor unit can also contain rotational speed sensors that are based on the Sagnac effect, e.g. "Laser gyroscope".
Auf diese Weise werden die Steuersignale von einer autonomen inertialen Sensoreinheit geliefert, die mit dem Vortriebskopf verbunden ist. Die Sensoreinheit ist unabhängig von einem Laserstrahl oder den Sichtverhältnissen einer CCD-Kamera. Die Sensoreinheit liefert aber kontinuierlich Steuersignale.In this way, the control signals are supplied by an autonomous inertial sensor unit which is connected to the propulsion head. The sensor unit is independent of a laser beam or the visibility of a CCD camera. However, the sensor unit continuously delivers control signals.
Um den Einfluss von Driften der inertialen Sensoren zu vermindern, ist zweckmässigerweise die Sensoreinheit an den Vortriebskopf durch lösbare Verbindungsmittel in definierter Lage ankuppelbar und zur Driftkorrektur wahlweise in eine genau vermessene Ausgangsposition zurückführbar. Diese Vermessung der Ausgangsposition kann mittels eines Meridiankreisels erfolgen. Die Sensoreinheit wird bei einer nach der Schildbauweise arbeitenden Tunnelbohrmaschine zweckmässigerweise jedesmal dann in die Ausgangsposition zurückgeführt, wenn ein neuer Rohrabschnitt in die Tunnelbohrung eingeführt wird.In order to reduce the influence of drifts of the inertial sensors, the sensor unit can expediently be coupled to the propulsion head in a defined position by releasable connecting means and can optionally be returned to a precisely measured starting position for drift correction. This starting position can be measured using a meridian gyro. The sensor unit is used for a working according to the shield construction The tunnel boring machine is expediently returned to the starting position whenever a new pipe section is inserted into the tunnel bore.
Dabei kann vorteilhafterweise die Sensoreinheit in einem in der Tunnelbohrung verlaufenden Führungsrohr geführt sein. Die Sensoreinheit kann dann durch Führungsglieder in dem Führungsrohr in definierter Lage zu dessen Wandung geführt sein.The sensor unit can advantageously be guided in a guide tube running in the tunnel bore. The sensor unit can then be guided in a defined position to the wall of the guide tube by guide members.
Bei einer bevorzugten Ausführung enthält die Sensoreinheit einen zweiachsigen, elektrisch gefesselten Wendekreisel mit zwei zueinander und zu der Drallachse senkrechten Eingangsachsen. Weiterhin weist die Steuereinheit zwei Beschleunigungsmesser auf, die auf Beschleunigungen in Richtung einer der Eingangsachsen bzw. der Drallachse des zweiachsigen Wendekreisels ansprechen.In a preferred embodiment, the sensor unit contains a two-axis, electrically bonded turning gyroscope with two input axes perpendicular to one another and to the swirl axis. Furthermore, the control unit has two accelerometers which respond to accelerations in the direction of one of the input axes or the swirl axis of the biaxial gyroscope.
Zur Bestimmung nicht nur der Lage sondern auch der Position des Vortriebskopfes kann ein Weggeber vorgesehen sein, der ein Mass für den Vorschubweg der Sensoreinheit bezogen auf einen Referenzpunkt liefert, wobei Mittel zur Bestimmung der Position der Sensoreinheit aus Lagesignalen der Sensoreinheit und Wegsignalen des Weggebers nach der Methode der Koppelnavigation vorgesehen sind. Der Weggeber kann dabei aus einem Kabel bestehen, das von einem im Referenzpunkt oder einem sonstigen bekannten und vermessenen Punkt angeordneten Kabelspeicher abwickelbar ist. Das Kabel kann gleichzeitig Versorgungs- und Messleitungen der Sensoreinheit enthalten.To determine not only the position but also the position of the propulsion head, a displacement sensor can be provided which provides a measure of the feed path of the sensor unit in relation to a reference point, means for determining the position of the sensor unit from position signals of the sensor unit and displacement signals of the displacement sensor according to the Method of dead reckoning are provided. The displacement sensor can consist of a cable that can be unwound from a cable memory arranged in the reference point or in another known and measured point. The cable can contain supply and measurement lines of the sensor unit at the same time.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- Fig. 1
- eine schematische Längsschnittansicht einer Tunnelbohrmaschine, die mit der erfindungsgemässen Steuereinrichtung ausgerüstet ist;
- Fig. 2
- eine Detailansicht von Fig. 1 in vergrössertem Maßstab;
- Fig. 3
- einen Querschnitt durch die Tunnelbohrmaschine nach Fig. 2 entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;
- Fig. 4
- eine schematische Seitenansicht des Gehäuses der Sensoreinheit in der Tunnelbohrmaschine nach Fig. 2.
- Fig. 5
- eine Draufsicht auf die Sensoreinheit von Fig. 4,
- Fig. 6
- zeigt den Aufbau der als Referenzpunkt für die Sensoreinheit dienenden Start- und Referenzrampe mit einer Kabeltrommel des Weggebers und die Anordnung dieser Teile in bezug auf eine Pressvorrichtung, durch welche Rohrabschnitte in die Tunnelbohrung hineinschiebbar sind.
- Fig. 7
- zeigt als Blockdiagramm die intertiale Sensoreinheit und die Verarbeitung der von dieser gelieferten Signale.
- Fig. 1
- is a schematic longitudinal sectional view of a tunnel boring machine which is equipped with the control device according to the invention;
- Fig. 2
- a detailed view of Figure 1 on an enlarged scale.
- Fig. 3
- a cross section through the tunnel boring machine of Figure 2 along the line 3-3 in Fig. 2.
- Fig. 4
- 2 shows a schematic side view of the housing of the sensor unit in the tunnel boring machine according to FIG. 2.
- Fig. 5
- 4 shows a plan view of the sensor unit from FIG. 4,
- Fig. 6
- shows the structure of the starting and reference ramp serving as a reference point for the sensor unit with a cable drum of the displacement sensor and the arrangement of these parts in relation to a pressing device, through which pipe sections can be pushed into the tunnel bore.
- Fig. 7
- shows as a block diagram the internal sensor unit and the processing of the of these delivered signals.
In der schematischen Längsschnittansicht von Fig. 1 erkennt man im Erdreich 1 eine nach der Schildbauweise arbeitenden Tunnelbohrmaschine 2 mit einem Vortriebskopf 4, der in einer Vortriebsrichtung von links nach rechts entlang einer Sollachse 6 von einer Startbaugrube 1A in das Erdreich 1 vorgetrieben wird. Die von dem Vortriebskopf 4 gebohrte Tunnelbohrung 8 ist mit einem Tunnelrohr 10 ausgekleidet, das am rückwärtigen Ende der Tunnelbohrung 8 durch eine an sich bekannte und daher nicht weiter beschriebene Tunnelrohreinführung 12 in die Tunnelbohrung 8 eingeführt wird.In the schematic longitudinal sectional view of FIG. 1, one can see in the ground 1 a
Innerhalb des Tunnelrohres 10 verläuft ausgehend vom rückwärtigen Ende des Vortriebskopfes 4 eine Fördereinrichtung 14 für das von dem Vortriebskopf 4 ausgebrochene Gestein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese als rohrförmige Fördereinrichtung ausgebildet, in deren Innerem das ausgebrochene Gestein durch bekannte Fördermittel abgefördert und ausgetragen wird.A conveying
Zwischen dem Tunnelrohr 10 und der rohrförmigen Fördereinrichtung 14 befindet sich ein Laufrohr 16, in dem eine Sensoreinheit 18 geführt ist. Die Sensoreinheit 18 ist in der weiter unten beschriebenen Weise mit dem Vortriebskopf 4 lösbar verbunden und an ein Kabel 20 angeschlossen, das alle Versorgungs- und Datenübertragungsleitungen für die Sensoreinheit 18 enthält. Das Kabel 20 ist in einem Strang ohne Verbindungselemente ausgebildet und an einer Trommel 22 auf- und abwickelbar, wodurch die Sensoreinheit 18 in dem Laufrohr 16 verfahren wird. Das Kabel 20 ist durch eine nur schematisch angedeutete Verbindungsleitung 24 mit einer oberirdisch angeordneten Steuereinheit 26 verbunden. Durch die Verbindungsleitung 24 werden von der Sensoreinheit 18 ausgehende Steuersignale der Steuereinheit 26 zugeführt, die den Vortrieb des Vortriebskopfes 4 überwacht und entsprechend den von der Sensoreinheit 18 ausgehenden Steuersignalen steuert. Die Verbindungsleitung 24 soll ferner andeuten, dass über diese Verbindungsleitung 24 die Trommel 22 angesteuert wird, um das Kabel 20 auf- oder abzuwickeln und dadurch die Sensoreinheit 18 entsprechend in dem Laufrohr 16 zu verfahren. Die Trommel 20 enthält eine übliche Weglängenmesseinrichtung, die zur Messung der abgewickelten Kabellänge dient und an die Steuereinheit 26 angeschlossen ist.Between the
Im einzelnen enthält die Sensoreinheit einen konventionell gebauten, dynamisch abgestimmten Kreisel, der mit zwei linearen Beschleunigungsmessern in zwei zueinander orthogonalen Messachsen versehen ist und dadurch auf Azimutal- und Nickbewegungen anspricht. In der Startbaugrube 1A befindet sich eine Start- und Referenzrampe als Referenzpunkt 15, über welche die Sensoreinheit 18 ausgerichtet und mit Hilfe eines Teleskoprohres in das Laufrohr 16 ein- und ausgefahren wird. Die Start- und Referenzrampe wird zum Beispiel durch terrestrische Vermessung oder mittels eines nordsuchenden Kreisels mit einer Winkelgenauigkeit von 1,5 Winkelminuten azimutal ausgerichtet.In detail, the sensor unit contains a conventionally built, dynamically tuned gyroscope that is equipped with two linear accelerometers in two mutually orthogonal measuring axes and thus responds to azimuthal and pitching movements. In the
Die Steuereinheit 26 enthält einen Navigationsrechner, der die von der Sensoreinheit 18 und der Weglängenmesseinrichtung ausgehenden Signale empfängt und auswertet. Dabei ist eine Koppelnavigation der Sensoreinheit 18 dadurch möglich, dass der dynamisch abgestimmte Kreisel mit den beiden linearen Beschleunigungsmessern in konventioneller Weise die Drehgeschwindigkeiten um die Azimut- und Nickachse und daraus durch Integration die jeweiligen Drehwinkel und die Weglängenmesseinrichtung Signale über den zurückgelegten Weg liefert. Von den Beschleunigungsmessern ausgehende Signale werden in zweifacher Weise genutzt: einerseits wird durch Rückführung dieser Signale der Lagealgorithmus gerechnet; andererseits werden die momentanen Signale zur Fehlerkompensation der beschleunigungsabhängigen Fehlerterme des Kreisels verwendet.The
In dem vergrösserten Maßstab von Fig. 2 erkennt man, dass das Tunnelrohr 10 aus Rohrabschnitten zusammengesetzt ist, die in der Schildbauweise nacheinander in die Tunnelbohrung 8 eingeführt werden. Es sind nur die beiden Rohrabschnitte 10A und 10B dargestellt, die durch einen übergreifenden Kragen 10C in üblicher Weise zusammengehalten werden. Das Laufrohr 16 ist ebenfalls aus einzelnen Abschnitten zusammengesetzt, die fest mit den Rohrabschnitten 10A und 10B verbunden sind und daher zusammen mit den Rohrabschnitten des Tunnelrohres 10 in die Tunnelbohrung 8 eingeführt werden.On the enlarged scale of FIG. 2 it can be seen that the
Die Sensoreinheit 18 befindet sich in einem Gehäuse 28, das in dem Laufrohr 16 mittels des Kabels 20 zwischen einer Arbeitsstellung und einer Referenzstellung verfahrbar ist. In der Darstellung von Fig. 2 ist die Meßsonde 18 aus der Arbeitsstellung am Vortriebskopf 4 gelöst. Die Verbindung wird in der Arbeitsstellung durch eine Steckverbindung 30 zwischen dem Gehäuse 28 und einem Verbindungskasten 33 hergestellt.The
Nach der Darstellung von Fig. 3 hat das Laufrohr 16 rechteckigen Querschnitt. Das Gehäuse 28 der Sensoreinheit 18 ist mit Führungselementen versehen, die das Gehäuse 28 innerhalb des Laufrohrs 16 in reproduzierbarer Einstellung zu dem Laufrohr 16 führen. Dadurch wird erreicht, dass die Sensoreinheit 18 innerhalb des Laufrohrs 16 reproduzierbare Stellungen einnimmt. Im einzelnen, vgl. Fig. 4 und 5, ist das Gehäuse 28 der Sensoreinheit 18 zylinderförmig ausgebildet. Die Führungselemente enthalten beispielsweise eine Gleitkufe 32, die an der Oberseite des Gehäuses 28 angebracht und an der Oberseite eines rechteckig ausgebildeten Laufrohrs 16 geführt ist, und Rollen 38 und 40, die an radial von dem Gehäuse 28 der Meßsonde 18 vorstehenden Trägern in gegenüberliegenden Ecken an der Unterseite des rechteckigen Laufrohrs 16 geführt sind. Es können aber auch andere gängige Führungselemente und andere geometrische Formen für das Laufrohr 16 und die darin ausgebildeten Führungsbahnen oder -rillen gewählt werden um sicherzustellen, dass das Gehäuse 28 und damit die Sensoreinheit 18 stets in reproduzierbarer Stellung in dem Laufrohr 16 geführt werden.3, the running
Wie Fig. 4 zeigt, erstreckt sich die Gleitkufe 32 über einen wesentlichen Teil der axialen Länge des Gehäuses 28 der Sensoreinheit 18 und ist auf Federn 34 abgestützt. Die Federn 34 stützen sich in Federgehäusen 36 mittig an der Oberseite des Gehäuses 28 der Sensoreinheit 18 ab. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei gegenüberliegende Rollenpaare 38 und 40 jeweils nahe den axialen Enden des Gehäuses 28 vorgesehen.As shown in FIG. 4, the
In Fig. 6 ist der "Referenzpunkt" in einem Vertikalschnitt dargestellt.6, the "reference point" is shown in a vertical section.
Mit 1A ist eine vertikale Startbaugrube bezeichnet, von welcher die waagerechte Tunnelbohrung 8 abgeht. In die Tunnelbohrung 8 ist ein Tunnelrohr 10, wie in Fig. 2 dargestellt, in einzelnen Abschnitten eingeschoben. Das geschieht in bekannter Weise mittels eines Preßschildes 44. Das Preßschild 44 wird auf einer waagerechten Führungsschiene 46 geführt. Die Führungsschiene 46 ist über Ständer 48, 50 auf dem betonierten Fundament 52 am Boden der Startbaugrube abgestützt. Das Preßschild 44 und die Führungsschiene 46 fluchten mit der Achse 54 der Tunnelbohrung 8. Das Preßschild 44 kann durch einen Preßzylinder 56 nach rechts in Fig. 6 vorbewegt werden und drückt dann einen Rohrabschnitt des Tunnelrohres 10 in die Tunnelbohrung 8.1A is a vertical starting pit, from which the horizontal tunnel bore 8 branches off. A
Der Referenzpunkt 15 für die Sensoreinheit 18 ist eine Start- und Referenzrampe 58, die über einen Ständer 60 und ein eigenes Fundament 62 unabhängig von dem Pressmechanismus auf dem Boden abgestützt ist. Die Start- und Referenzrampe 58 wird daher von den Schwingungen des Pressmechanismus praktisch nicht beeinflusst.The
Die Sensoreinheit 18 enthält gemäss Fig. 7 einen zweiachsigen, elektrisch gefesselten dynamisch abgestimmten Kreisel 64 und zwei Beschleunigungsmesser 66 und 68 in einem Sensorblock 70. Die Signale des Kreisels 64 und die Signale der Beschleunigungsmesser 66 und 68 sind auf eine Sensorelektronik 72 aufgeschaltet. Die Sensorelektronik 72 enthält die Kreiselbetriebselektronik 74 und einen Analog-Digital-Wandler 76. Der Analog-Digital--Wandler 76 erhält die Beschleunigungssignale von den Beschleunigungsmessern 66 und 68 sowie über die Kreiselbetriebselektronik 74 Winkelgeschwindigkeitssignale von dem Kreisel 64. Die digitalisierten Signale sind auf einen Signalprozessor 78 aufgeschaltet. In dem Signalprozessor 78 erfolgt die Verarbeitung der Signale. Es erfolgt dann eine Digital-Analog-Wandlung, wobei die beiden erhaltenen analogen Ausgangssignale über Leitungen 80 und 82 auf Drehmomenterzeuger des dynamisch abgestimmten Kreisels 64 aufgeschaltet sind. An einem Ausgang 84 liefert der Signalprozessor 78 digitale Ausgangssignale, welche den Winkelgeschwindigkeiten um die Eingangsachsen des Kreisels 64 entsprechen. Mit 86 ist die Stromversorgung der Sensoreinheit 18 bezeichnet.7, a
Die Anordnung entspricht etwa der EP-A-0 251 157 oder der US-A-4 823 626. Die Drallachse des dynamisch abgestimmten Kreisels liegt in Vortriebsrichtung. Die Eingangsachsen des Kreisels liegen im wesentlichen waagerecht und senkrecht. Der Kreisel 64 liefert dadurch Winkelgeschwindigkeiten um die Nick- und die Gierachse. Die Eingangsachsen der Beschleunigungsmesser 66 und 68 sind parallel zu der einen, in Richtung der Nickachse fallenden Eingangsachse bzw. zu der Drallachse.The arrangement corresponds approximately to EP-A-0 251 157 or US-A-4 823 626. The swirl axis of the dynamically tuned gyro is in the direction of advance. The input axes of the gyro are essentially horizontal and vertical. The
Die digitalen Winkelgeschwindigkeiten am Ausgang 84 sind über die Leitung 24 auf die an der Erdoberfläche angeordnete Steuereinheit 26 (Fig. 1) geschaltet. Die Steuereinheit 26 enthält einen Zentralrechner 88 für Navigation und Steuerung. Über eine Schnittstelle 90 sind auf den Zentralrechner 88 die Winkelgeschwindigkeiten vom Kreisel 64 und die Beschleunigungen von den Beschleunigungsmessern 66 und 68 aufgeschaltet. Die Steuereinheit 26 enthält weiterhin eine Weglängen-Messeinrichtung 92. Die Weglängen-Messeinrichtung 92 liefert den Vorschubweg der Sensoreinheit 18 anhand der von der Trommel 22 abgewickelten Länge des Kabels 20. Auch dieser Vorschubweg ist über die Schnittstelle 90 auf den Zentralrechner 88 geschaltet. Weiterhin erhält der Zentralrechner 88 Eingaben von einer Anzeige- und Bedieneinheit 94. Mit 96 ist die Stromversorgung der Steuereinheit 26 bezeichnet.The digital angular velocities at the
Der Zentralrechner 88 ermittelt aus den gerätefesten Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungssignalen Winkelgeschwindigkeiten der Sensoreinheit 18 in einem erdfesten System. Aus diesen Winkelgeschwindigkeiten werden Lagewinkel oder Elemente der Richtungskosinusmatrix berechnet. Aus den Lagewinkeln bzw. den Elementen der Richtungskosinusmatrix kann in Verbindung mit dem Vorschubweg von der Weglängen-Messeinrichtung 92 die jeweilige Position der Sensoreinheit 18 bestimmt werden.The
Die Signalverarbeitung kann in ähnlicher Weise erfolgen, wie das in der DE-A-29 22 415 beschrieben ist. Die Steuereinheit 26 liefert Steuersignale für den Vortriebskopf 4, welche den Vortriebskopf 4 in einer vorgegebenen Vortriebsrichtung zu halten trachten aber ausserdem auf die Einhaltung einer vorgegebenen Bahn hinwirken.The signal processing can be carried out in a similar manner to that described in DE-A-29 22 415. The
Die vorstehend beschriebene Steuereinrichtung arbeitet folgendermassen:
Der Vortriebskopf 4 der Tunnelbohrmaschine 2 wird im Erdreich entlang der Sollachse 6 vorgetrieben, wobei das ausgebrochene Gestein durch die rohrförmige Fördereinrichtung 14 ständig abgefördert und ausgetragen wird. Das Gehäuse 28 der Sensoreinheit 18 ist durch die Steckverbindung 30 mit dem Vortriebskopf 4 verbunden und wird gemeinsam mit diesem aber in dem gesonderten Laufrohr 16 vorgetrieben. Die von der Meßsonde 18 ausgehenden Daten oder Steuersignale werden über das Kabel 20 der Steuereinheit 26 zugeführt, wodurch der Vortrieb des Vortriebskopfes 4 laufend überwacht und zu der Sollachse 6 in Ausrichtung gehalten wird. Dabei erhält die Steuereinheit 26 von der Weglängenmesseinrichtung der Trommel 20 aus der abgewickelten Kabellänge auch die Daten über den zurückgelegten Weg, so dass die Position der Sensoreinheit 18 und damit die Position des Vortriebskopfes 4 durch den Navigationsrechner der Steuereinheit 26 während des Vortriebs jederzeit genau bestimmt ist. Wenn der Vortrieb der Tunnelbohrung 8 über die Länge des Rohrabschnittes 10A des Tunnelrohres 10 erfolgt ist, wird die Trommel 22 angetrieben, um das Kabel 20 aufzuwickeln, das Gehäuse 28 der Sensoreinheit 18 aus der Steckverbindung 30 zu lösen und das Gehäuse 28 mit der Sensoreinheit 18 in dem Laufrohr 16 aus der Arbeitsstellung in die Referenzstellung auf der Start- und Referenzrampe 58 zu verfahren. Wenn das Gehäuse 28 der Sensoreinheit 18 die Referenzstellung erreicht hat, wird die Justierung der Sensoreinheit 18 überprüft. Der Rohrabschnitt 10B wird in die Tunnelbohrung 8 eingeführt und in Eingriff mit dem Flansch 10C an dem rückwärtigen Ende des bereits eingebrachten Rohrabschnittes 10A gebracht. Dadurch entsteht ein um die Länge des Rohrabschnittes 10B verlängertes Tunnelrohr 10, dessen Rohrabschnite 10A und 10B genau zueinander ausgerichtet sind. Dadurch ist auch ein weiterer Abschnitt des Laufrohrs 16 fluchtend mit dem bereits vorhandenen Abschnitt eingebracht.The control device described above works as follows:
The driving
Danach wird das Gehäuse 28 durch Abwickeln des Kabels 20 von der Trommel 22 von der Start- und Referenzrampe 58 über das Teleskoprohr wieder in das verlängerte Laufrohr 16 eingeführt und darin in exakt reproduzierbarer Weise bis zur Arbeitstellung verfahren, in der die Steckverbindung 30 zu dem Verbindungskasten 33 wieder hergestellt wird. Der Vortriebskopf 4 ist dann zum erneuten Vortrieb in Ausrichtung zur Sollachse 6 um eine weitere Rohrabschnittslänge bereit.Thereafter, the
Die Neujustierung der Sensoreinheit 18 jeweils nach dem Vortrieb des Vortriebkopfes 4 über eine Rohrabschnittslänge hat den Vorteil, dass eine Sensoreinheit 18 und damit ein Kreisel relativ geringer Einbaugrösse und mit relativ geringen Genauigkeitsansprüchen insbesondere hinsichtlich der Langzeitkonstanz verwendet werden kann.The readjustment of the
Als weiterer Vorteil ergibt sich aus der vorstehend beschriebenen Betriebsweise, dass durch die Sensoreinheit 18 auch ein Parallelversatz des Vortriebskopfes 4 zur Sollachse 6 erfasst werden kann.Another advantage results from the above-described operating mode that the
Vorstehend ist die Steuereinrichtung mit der Sensoreinheit 18 im Zusammenhang mit einer nach der Schildbauweise arbeitenden Tunnelbohrmaschine 2 beschrieben worden. Es versteht sich, dass eine solche Steuereinrichtung bei entsprechenden, dem Fachmann ohne weiteres zugänglichen Modifikationen auch in Verbindung mit nach anderen Prinzipien arbeitenden Tunnelbohrmaschinen eingesetzt werden kann.The control device with the
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