WO2014166829A2 - Verfahren zur bestimmung der ausrichtung und position der den arbeitskopf tragenden basismaschine einer tunnelbohrmaschine - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der ausrichtung und position der den arbeitskopf tragenden basismaschine einer tunnelbohrmaschine Download PDF

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WO2014166829A2
WO2014166829A2 PCT/EP2014/056791 EP2014056791W WO2014166829A2 WO 2014166829 A2 WO2014166829 A2 WO 2014166829A2 EP 2014056791 W EP2014056791 W EP 2014056791W WO 2014166829 A2 WO2014166829 A2 WO 2014166829A2
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machine
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boring machine
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Inventor
Karsten Jansen
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Aker Wirth GmbH
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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
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/093—Control of the driving shield, e.g. of the hydraulic advancing cylinders

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the orientation and position of the working head of a tunnel boring machine-bearing base machine of a tunnel boring machine. It is known to determine the orientation and position of a tunnel boring machine with the aid of a stationary located in the tunnel theodolite, the measuring points on the tunnel boring machine misses.
  • the disadvantage here is that, especially in curved tunnels, a frequent displacement of the theodolite is required in order to maintain visual contact between the theodolite and the measuring points.
  • the invention has for its object to provide a method for determining the orientation and position of the base machine and a method for automatically positioning a base machine and a tunnel boring machine, which are improved in terms of this disadvantage.
  • tunnel boring machine refers to any machine for propelling routes, tunnels or the like, in particular also a machine in which the rock is removed by means of the undercutting technique.
  • the basic machine preferably comprises a walking mechanism operated by means of linear motors, preferably hydraulic cylinders, and therefore has a walking device.
  • the cylinder extraction paths of the walking mechanism are preferably detected by the machine control.
  • the invention is not limited to basic machines with walking gear.
  • the tunnel boring machine preferably has followers.
  • the trailers are preferably movable relative to the base machine, they preferably have axle landing gears.
  • the working head is preferably mounted on the base machine in such a way that the orientation and position of the working head can be deduced from the orientation and position of the base machine.
  • a direct measuring connection between the stationary reference point arranged in the tunnel and the main measuring point is no longer necessary in the method according to the invention. This can make a frequent implementation of the reference point, which is otherwise necessary in particular in the case of curved tunnels, unnecessary, which has an advantageous effect, in particular, in the case of tight curve radii.
  • the stationary reference point is preferably arranged on the tunnel wall.
  • the at least one main measuring point is preferably arranged on the base machine. Particularly preferably, two main measuring points are provided, in particular for determining the orientation of the base machine.
  • the at least one intermediate measuring point is preferably arranged on a follower.
  • a plurality of intermediate measuring points are provided, and more preferably the position of an intermediate measuring point is measured relative to the position of another intermediate measuring point.
  • the requirement of implementing the reference point can be further reduced.
  • At least one theodolite is further preferably arranged on the tunnel boring machine. So at least one theodolite goes with the tunnel boring machine.
  • a theodolite is arranged at each intermediate measuring point.
  • the at least one theodolite is preferably equipped with a distance measuring device, so it can also be called a tachymeter. More preferably, the theodolite is carried out electronically, so it can be referred to as a total station and most preferably has an automatic target tracking.
  • the at least one theodolite preferably interacts with a reflector, particularly preferably a reflection prism.
  • a theodolite is arranged at the fixed reference point.
  • This stationary theodolite preferably interacts with a stationary reference reflector, particularly preferably a reference prism, in particular for orientation of its horizontal angle measuring system.
  • the desired tunnel course, the coordinates of the stationary theodolite and of the reference reflector are preferably determined in advance by methods known from the prior art in a global coordinate system.
  • a measurement of the tunnel boring machine is carried out by means known from the prior art in advance to determine the positions of the main measuring points and intermediate measuring points relative to the axis of the tunnel boring machine or the axis of the working head, it.
  • theodolites Preferably, on the tunnel boring machine several theodolites, preferably distributed over the length of the tunnel boring machine, namely a Haupttheodolit that is closest to the working head and the at least one main measuring point and at least one, preferably three insects, with their help the position of the main theodolite relative is determined to the stationary theodolite.
  • each theodolite is measured by another theodolite.
  • a reflector is preferably arranged on each theodolite. The reflector arranged on a theodolite thus interacts with another theodolite.
  • the reflectors preferably comprise retroreflectors, which always reflect the incident light back in the direction from which it came. An alignment of such reflectors exactly on the source of light is therefore fundamentally unnecessary. Nevertheless, in one embodiment, the reflectors, in particular the reflection prisms, at least largely aligned with the theodolite, with which they interact. It has been shown that reflection losses can thereby be reduced and the measurement accuracy can be increased.
  • the theodolite, on which the reflector is arranged at least largely aligns it with another theodolite.
  • the reflector is preferably arranged on a co-rotating region of the theodolite. As a result, the at least extensive alignment or tracking takes place. tion of the reflector readily by the automatic target detection of the theodolite on which the reflector is arranged.
  • the position of one theodolite measured by another theodolite is the position of one theodolite measured by another theodolite, but in each case two theodolites, preferably neighboring theodolites, measure each other.
  • the quality of the measurement result increases solely by the duplication of the measurement and any averaging.
  • the reflectors, as already described at least largely aligned with the other theodolite. In addition, this can be done by an orientation of the horizontal angle measuring system arranged on the tunnel boring machine theodolite.
  • an at least one main measuring point an automatically dimming two main measuring points are provided, benefits.
  • the main measuring points are preferably measured successively by the same theodolite.
  • Each prism fades preferentially during surveying of the other prism to exclude disturbing influence.
  • the prism preferably fades out by means of a motor-operated shutter, which can be arranged in a cylindrical manner around the prism.
  • these are preferably spaced apart in the longitudinal direction of the tunnel boring machine.
  • the inclination of the base machine is measured by means of an inclinometer.
  • the pitch and curl are measured.
  • the inclinometer also includes an actuator for the dimmable prisms.
  • the measurement of the two main measuring points is preferably matched with the values of the inclinometer and in this way the accuracy of the measured values is checked.
  • the position of the basic machine in a global coordinate system is preferably determined from these local coordinates, before further calculating back to the actual tunnel axis.
  • the pull-out values of these cylinders are preferably measured and from this further information about the position of the base machine and the follower is generated.
  • the position and orientation of the followers are preferably also determined from the measured values of the theodolites.
  • the position and orientation of the basic machine and the trailer are preferably displayed to the driver of the tunnel boring machine.
  • the object is also achieved by a method for automatically positioning the working head-bearing base machine of a tunnel boring machine with Nachêtrn, with a positioning system and with a machine control, wherein the position and orientation of the base machine is measured by means of at least one theodolite, in particular by means of the method one of claims 1 to 7, with the following process steps:
  • the positioning system receives the signal from the machine control: "the trailer has stopped in a new position”.
  • the theodolites carry out a complete measurement and position determination of a theodolite arranged at the tunnel boring machine in the case of a plurality of theodolites arranged on the tunnel boring machine, preferably the foremost one, particularly preferably the theodolite arranged on the foremost follower, in the global coordinate system.
  • the positioning system receives the signal from the machine control: "Start local measurement” to reposition the basic machine.
  • the positioning system calculates the next position and required orientation of the basic machine in dependence on the specified target coordinates of the tunnel and sends corresponding setting values to the machine control.
  • the tunnel boring machine thus preferably automatically follows a predetermined desired course of the tunnel.
  • a referencing to the cutting profile creating the tunnel profile preferably takes place.
  • the set values include the pullout values of these cylinders.
  • the pitch and roll tendency of the base machine is measured by the inclinometer.
  • measurement is carried out by means of RFID technology.
  • the object is also achieved by a tunnel boring machine, with a positioning system for carrying out the method according to one of claims 1 to 9.
  • the tunnel boring machine preferably has a base machine carrying the working head and trailer, and a machine control.
  • the tunnel boring machine is preferably a machine for driving distances, tunnels or the like, having a working head rotatably drivable by means of a rotary drive and movable in the advancing direction, with tool arms which can be swiveled radially relative to a reference axis forming the axis of rotation of the working head by means of tool arm drives
  • the working head control system includes means for continuously measuring the angular position of the rotating working head and means for continuously measuring the pivot angle of the tool arms and a control computer operatively connected to said means and the angular position of the tool rotating working head and the pivot angle of the tool arms so coordinated that each pivotal tool arm is radially positioned for each angular position of the working head, according to a predetermined Schneidbahnverlaufs to cut the predetermined cutting path.
  • the base machine preferably comprises a support structure on which the working head is mounted, which is supported downwardly and together with a relative to this support structure longitudinally displaceable sliding device, which is also supported downward, forms a walking mechanism.
  • the positioning system preferably comprises at least one arranged on the tunnel boring machine theodolite.
  • the positioning system comprises a stationary theodolite and a plurality of theodolites distributed over the length of the tunnel boring machine. Particularly preferably, those at the Tunnel boring machine arranged Theodolite a Kleintheodolit, which is closest to the working head and with the at least one main measuring point vermessbar and at least one, preferably three insects, with the aid of the position of the main theodolite relative to the stationary theodolite is detectable.
  • each theodolite has a reflector arranged on it.
  • the reflector is preferably arranged co-rotatable with the theodolite, such that the theodolite, if it aligns itself, preferably by means of automatic target search, with another theodolite, also aligns the reflector at least largely with this other theodolite.
  • Each theodolite is preferably arranged on a self-leveling tripod.
  • the positioning system preferably comprises an automatically dimming prism arranged on the base machine and forming a main measuring point, very particularly preferably two such main prisms forming such prisms, preferably spaced apart in the longitudinal direction of the tunnel boring machine.
  • the positioning system comprises an inclinometer arranged on the base machine, by means of which the inclination of the base machine, preferably the pitch and roll tendency, can be measured and more preferably also the prisms can be dimmed.
  • the positioning system comprises a computer arranged in a control booth of the tunnel boring machine.
  • the positioning system preferably comprises a separate power supply for each theodolite, by means of which each theodolite can preferably also be connected to a network interconnecting all components of the positioning system.
  • the network connecting the computer to the tunneling theodolite is preferably a wired local area network, more specifically a LAN.
  • the stationary theodolite is preferably connectable by means of a local radio network, namely a WLAN or Wi-Fi, to the theodolite or its power supply traveling with it next.
  • FIG. 1 shows a view from above of a first exemplary embodiment of a tunnel boring machine according to the invention
  • FIG. 2 is a side view of the tunnel boring machine of FIG. 1; FIG.
  • Fig. 3 is a perspective view of a detail of Fig. 2;
  • Fig. 4 is a perspective view of another detail of Fig. 2;
  • Fig. 5 is an illustration as in Fig. 1, but of another embodiment
  • Fig. 6 is a schematic representation of the operation of the method for
  • the tunnel boring machine 100, 200 comprises a working head 21, 121 arranged on a base machine 23, 123. is net.
  • This basic machine 23, 123 is followed by three followers 22, 22 ', 22 ", 122, 122 ' , 122 " .
  • the base machine 23, 123 has a walkway not recognizable in the figures, as well as a crawler track 26, 126.
  • the trailer have axle trolleys and run on tires 27.
  • the main measuring points 3, 3 ', 103 are arranged in a main measuring area 24, 124 on the base machine 23, 123, which has a known and invariable orientation to the working head 21, 121, ie an immediate Conclusion on the position and orientation of the working head 21, 121 allows.
  • the positioning system of the tunnel boring machine shown in FIGS. 1 to 4 is shown schematically in FIG. It comprises exactly one theodolite 9 arranged at a stationary reference point 2 and four further theodolites 5, 6, 7, 8 arranged at an intermediate measuring point 1, 1 ', 1 ", 1"' on the tunnel boring machine 100.
  • theodolites 5, 6 , 7, 8, 9 are total stations.
  • a theodolite 8 is arranged at the end of the last follower 22 ", another theodolite 7 is arranged at the end of the middle follower 22 ', another theodolite is arranged at the end of the first follower 22 and a foremost theodolite 5 is at the beginning of the first follower 22
  • the theodolites cooperate with reflectors 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, which are designed as reflection prisms
  • the theodolite 9 arranged at the stationary reference point 2 acts with an approximately 60 m to 120 m
  • the reference prism 17 is oriented with the aid of the reference prism, the horizontal angle measuring system of the stationary theodolite 9.
  • the stationary theodolite 9 is arranged on the tunnel wall, also a movement of this fixed theodolite 9, as is not excluded with a freshly drilled tunnel, can be detected by measuring the reference prism 17.
  • De Stationary theodolite 9 is placed on the tunnel wall and behind the tunnel boring machine. Each traveling theodolite 5, 6, 7, 8 is arranged on a self-leveling stand 29.
  • the foremost theodolite 5 measures the main measuring points 3, 3 ' and can therefore be called the main theodolite.
  • the others traveling theodolites 6, 7, 8 serve to position the main theodolite relative to the stationary theodolite 9 and can therefore be termed intermediate theodolites.
  • the stationary theodolite 9 measures the prism 15, which is arranged on the intermediate theorem 8 located next to it on the last follower 22.
  • the stationary theodolite 9 therefore measures the position of the intermediate theodolite 8 nearest to it the next in the direction of travel of the tunnel boring machine 100 precedent Eisentheodolits 7, this misses the position of him driving intermediate Eisentheodolits 6 and this misses the position of him driving main Theodolits 5.
  • the main theodolite 5 measures successively the position of two main measuring points 3, 3 ' forming engine prisms 18, 19, which are arranged in the main measuring area 24. These can be dimmed motor so as not to interfere with the measurement of the other prism.
  • the theodolites not only measure the respective theodolite arranged in front of them, but also displace them behind each other at a later time arranged theodolite, as shown in Fig. 6 is indicated.
  • Theodolites 5, 6, 7, 8, 9 have automatic target acquisition. So they are able to automatically align themselves with the prism they are supposed to measure.
  • the measurement accuracy since two theodolites always measure each other, the measurement accuracy first increases, since then two measured values of two different theodolites are present, which can be averaged, for example.
  • the measurement accuracy can be increased by the fact that then arranged on each theodolite reflection prism, which preferably rotates with the theodolites, is aligned by at least largely by the automatic target detection of this theodolite on each closest other theodolite.
  • Fig. 5 shows a second embodiment of a tunnel boring machine 200.
  • the determination of the orientation and position of the working head 121 is not by optical measurement by means of theodolites, but RFID technology is used.
  • an RFID reader 125 is arranged at a fixed reference point 102 of the tunnel wall.
  • stationary intermediate measurement points 104 in the form of RFID tags (transponders), are located fixedly on the tunnel wall. Preferably, they are active transponders.
  • transponders are located at the tunnel boring machine.
  • further transponders are arranged at intermediate measuring points 101, 101 ', 101 ", 101"'.
  • further RFI D readers 125 ', 125 ", 125"', 125 "", 125 are arranged on the tunnel boring machine.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung und Position der den Arbeitskopf (21, 121) tragenden Basismaschine (23, 123) einer Tunnelbohrmaschine (100, 200), wobei die Position mindestens eines an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Zwischenmesspunktes (1, 1', 1'', 1''', 101, 101', 101'', 101''') relativ zu einem ortsfesten Referenzpunkt (2, 102) gemessen wird und die Position mindestens eines Hauptmesspunktes (3, 3', 103) relativ zu dem Zwischenmesspunkt gemessen wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung und Position der den Arbeitskopf tragenden Basismaschine einer Tunnelbohrmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung und Position der den Arbeitskopf einer Tunnelbohrmaschine tragenden Basismaschine einer Tunnelbohrmaschine. Es ist bekannt, die Ausrichtung und Position einer Tunnelbohrmaschine mit Hilfe eines ortsfest im Tunnel angeordneten Theodolits zu bestimmen, der Messpunkte an der Tunnelbohrmaschine vermisst. Nachteilig hierbei ist, dass, insbesondere bei kurvigen Tunnelverläufen, eine häufige Versetzung des Theodolits erforderlich ist, um den Sichtkontakt zwischen dem Theodolit und den Messpunkten aufrecht- zuerhalten.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung und Position der Basismaschine und ein Verfahren zur automatischen Positionierung einer Basismaschine und eine Tunnelbohrmaschine zu schaffen, welche hinsichtlich dieses Nachteils verbessert sind.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 wiedergegebenen Verfahren und die in Anspruch 10 wiedergegebene Tunnelbohrmaschine gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung und Position der den Arbeitskopf tragenden Basismaschine einer Tunnelbohrmaschine wird die Position mindestens eines an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Zwischenmesspunktes relativ zu einem ortsfesten Referenzpunkt gemessen. Die Position mindestens eines Hauptmesspunktes wird danach relativ zu dem Zwi- schenmesspunkt gemessen.
Mit dem Begriff „Tunnelbohrmaschine" wird im Rahmen dieser Druckschrift jede Maschine zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen bezeichnet, insbesondere also auch eine Maschine, bei der Gestein mit Hilfe der Hinterschneidtechnik abgetragen wird.
Bevorzugt umfasst die Basismaschine ein mittels Linearmotoren, bevorzugt Hydraulikzylindern betriebenes Schreitwerk, weist also eine Schreiteinrichtung auf. Die Zylinder-Ausziehwege des Schreitwerks werden bevorzugt von der Maschinensteuerung erfasst. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Basismaschinen mit Schreitwerk begrenzt.
Die Tunnelbohrmaschine weist bevorzugt Nachläufer auf. Die Nachläufer sind be- vorzugt zu der Basismaschine relativbeweglich, sie weisen bevorzugt Achs- Fahrwerke auf.
Der Arbeitskopf ist bevorzugt derart an der Basismaschine gelagert, dass aus der Ausrichtung und Position der Basismaschine auf die Ausrichtung und Position des Arbeitskopfes geschlossen werden kann.
Eine direkte Messverbindung zwischen dem im Tunnel angeordneten ortsfesten Referenzpunkt und dem Hauptmesspunkt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr erforderlich. Dies kann ein ansonsten insbesondere bei kurvigen Tunnelverläufen erforderliches häufiges Umsetzen des Referenzpunktes entbehrlich machen, was sich insbesondere bei engen Kurvenradien vorteilhaft auswirkt.
Der ortsfeste Referenzpunkt ist bevorzugt an der Tunnelwand angeordnet. Der mindestens eine Hauptmesspunkt ist bevorzugt an der Basismaschine angeordnet. Besonders bevorzugt sind zwei Hauptmesspunkte vorgesehen, insbesondere zur Bestimmung der Ausrichtung der Basismaschine.
Der mindestens eine Zwischenmesspunkt ist bevorzugt an einem Nachläufer angeordnet.
Bevorzugt sind mehrere Zwischenmesspunkte vorgesehen und weiter bevorzugt wird die Position eines Zwischenmesspunktes relativ zur Position eines anderen Zwischenmesspunktes gemessen. Es findet bevorzugt eine Zwischenmesspunkt- verkettung statt. Hierdurch kann das Erfordernis des Umsetzens des Referenzpunktes weiter reduziert werden. Bevorzugt wird optisch gemessen, mit Hilfe mindestens eines Theodolits. Mindestens ein Theodolit ist weiter bevorzugt an der Tunnelbohrmaschine angeordnet. Mindestens ein Theodolit fährt also mit der Tunnelbohrmaschine mit.
Besonders bevorzugt ist an jedem Zwischenmesspunkt ein Theodolit angeordnet.
Der mindestens eine Theodolit ist bevorzugt mit einer Distanzmessvorrichtung ausgestattet, kann also auch als Tachymeter bezeichnet werden. Weiter bevorzugt ist der Theodolit elektronisch ausgeführt, kann also als Totalstation bezeichnet werden und weist ganz besonders bevorzugt eine automatische Zielverfolgung auf.
Der mindestens eine Theodolit wirkt bevorzugt mit einem Reflektor, besonders bevorzugt einem Reflexionsprisma zusammen. Bevorzugt ist (auch) an dem ortsfesten Referenzpunkt ein Theodolit angeordnet. Dieser ortsfeste Theodolit wirkt bevorzugt mit einem ortsfester Referenzreflektor, besonders bevorzugt einem Referenzprisma zusammen, insbesondere zur Orientierung seines Horizontalwinkelmesssystems. Der Soll-Tunnelverlauf, die Koordinaten des ortsfesten Theodolits und des Referenzreflektors werden bevorzugt im Vorfeld durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren in einem globalen Koordinatensystem ermittelt.
Bevorzugt wird auch eine Vermessung der Tunnelbohrmaschine mittels aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren im Vorfeld durchgeführt, um die Positionen der Hauptmesspunkte und Zwischenmesspunkte relativ zur Achse der Tunnelbohrmaschine bzw. zur Achse des Arbeits köpf es, zu ermitteln.
Bevorzugt sind auf der Tunnelbohrmaschine mehrere Theodolite, bevorzugt über die Länge der Tunnelbohrmaschine verteilt angeordnet, und zwar ein Haupttheodolit, der dem Arbeitskopf am nächsten ist und den mindestens einen Hauptmesspunkt vermisst und mindestens ein, bevorzugt drei Zwischentheodolite, mit deren Hilfe die Position des Haupttheodolits relativ zu dem ortsfesten Theodolit ermittelt wird.
Bevorzugt wird die Position jedes Theodolits von einem anderen Theodolit vermessen. Zu diesem Zweck ist bevorzugt an jedem Theodolit ein Reflektor ange- ordnet. Der an einem Theodolit angeordnete Reflektor wirkt also mit einem anderen Theodolit zusammen.
Die Reflektoren umfassen bevorzugt Retroreflektoren, diese reflektieren das einfallende Licht stets in die Richtung zurück, aus der es gekommen ist. Eine Aus- richtung derartiger Reflektoren genau auf die Quelle des Lichts ist daher grundsätzlich nicht erforderlich. Dennoch werden in einer Ausführungsform die Reflektoren, insbesondere die Reflexionsprismen, zumindest weitgehend auf den Theodolit ausgerichtet, mit dem sie zusammenwirken. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch Reflexionsverluste reduziert werden können und die Messgenauigkeit er- höht werden kann. Mit Vorteil richtet der Theodolit, an dem der Reflektor angeordnet ist, diesen zumindest weitgehend auf einen anderen Theodolit aus. Bevorzugt ist der Reflektor an einem mitdrehenden Bereich des Theodolits angeordnet. Hierdurch erfolgt die zumindest weitgehende Ausrichtung beziehungsweise Nachfüh- rung des Reflektors ohne weiteres durch die automatische Zielerfassung des Theodolits, an dem der Reflektor angeordnet ist.
Bevorzugt wird nicht nur die Position eines Theodolits von einem anderen Theodo- lit vermessen, sondern je zwei Theodolite, und zwar bevorzugt benachbarte Theodolite, vermessen sich gegenseitig. Hierdurch steigt allein durch die Dopplung der Messung und eine etwaige Mittelung die Qualität des Messergebnisses. Auch werden die Reflektoren, wie bereits beschrieben, zumindest weitgehend auf den jeweils anderen Theodolit ausgerichtet. Zudem kann hierdurch eine Orientierung des Horizontalwinkelmesssystems der auf der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodolite erfolgen.
Mit Vorteil ist an dem mindestens einen Hauptmesspunkt ein selbsttätig abblendendes zwei Hauptmesspunkte vorgesehen sind, Vorteile. Die Hauptmesspunkte werden bevorzugt von demselben Theodolit nacheinander vermessen. Jedes Prisma blendet sich bevorzugt während des Vermessens des anderen Prismas ab, um störenden Einfluss auszuschließen. Das Prisma blendet sich bevorzugt mittels einer motorisch betätigten Blende ab, die zylinderförmig um das Prisma herum angeordnet sein kann.
In der bevorzugten Ausführungsform mit zwei Hauptmesspunkten sind diese bevorzugt in Längsrichtung der Tunnelbohrmaschine voneinander beabstandet.
Mit Vorteil wird mittels eines Inklinometers die Neigung der Basismaschine ge- messen. Bevorzugt werden die Nickneigung und die Rollneigung gemessen. Weiter bevorzugt umfasst das Inklinometer auch eine Betätigungseinrichtung für die abblendbaren Prismen.
In der bevorzugten Ausführungsform mit zwei Hauptmesspunkten wird die Vermessung der beiden Hauptmesspunkte bevorzugt mit den Werten des Inklinometers abgeglichen und auf diese Weise die Genauigkeit der Messwerte überprüft. Mittels des bevorzugten permanenten Vermessens der Hauptmesspunkte durch die Theodolite und den Werten des Inklinometers wird aus diesen lokalen Koordinaten bevorzugt die Position der Basismaschine in einem globalen Koordinatesystem ermittelt, bevor weiter bevorzugt auf die Ist-Tunnelachse zurückgerechnet wird.
In der Ausführungsform, in der die Basismaschine eine Hydraulikzylinder- Schreiteinrichtung aufweist, werden bevorzugt die Auszugs-Werte dieser Zylinder gemessen und hieraus weitere Information über die Position der Basismaschine und der Nachläufer generiert.
Bevorzugt werden auch die Position und Ausrichtung der Nachläufer aus den Messwerten der Theodolite bestimmt. Bevorzugt werden dem Fahrer der Tunnelbohrmaschine Position und Ausrichtung der Basismaschine und der Nachläufer angezeigt.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Positionierung der den Arbeitskopf tragenden Basismaschine einer Tunnelbohrmaschine mit Nachläufern, mit einem Positionierungssystem und mit einer Maschinensteuerung, wobei die Position und Ausrichtung der Basismaschine mit Hilfe mindestens eines Theodolits gemessen wird, insbesondere mit Hilfe des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den folgenden Verfahrensschritten:
1 . Das Positionierungssystem erhält von der Maschinensteuerung das Signal: „die Nachläufer haben in neuer Position gestoppt".
2. Die Theodolite führen eine vollständige Vermessung und Positionsbestimmung eines an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodolits, bei mehreren an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodoliten bevorzugt des vordersten, ganz besonders bevorzugt des Theodolits, der an dem vordersten Nachläufer angeordnet ist, im globalen Koordinatensystem durch.
3. Dieser Theodolit vermisst ständig den mindestens einen und insbesondere die zwei Hauptmesspunkte an der Basismaschine, die einen Rückschluss auf die Position und Ausrichtung der Basismaschine zulassen. 4. Bevorzugt überprüfen bei mehreren an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodoliten alle bis auf den vordersten Theodolit anschließend ihre Position, um Bewegungen der Nachläufer der Tunnelbohrmaschine zu ermitteln, oder diese Theodolite stoppen bis zum nächsten Signal.
5. Das Positionierungssystem erhält von der Maschinensteuerung das Signal: „Start lokale Messung" zur Wiederpositionierung der Basismaschine.
6. Das Positionierungssystem errechnet in Abhängigkeit der vorgegebenen Soll Koordinaten des Tunnels die nächste Position und erforderliche Ausrichtung der Basismaschine und sendet entsprechende Einstellwerte an die Maschi- nensteuerung.
7. Rückkehr zu Schritt 5 (viermalig).
8. Rückkehr zu Schritt 1 .
Die Tunnelbohrmaschine folgt bevorzugt also automatisch einem vorgegebenen Soll-Verlauf des Tunnels.
In einer Ausführungsform weist der Arbeitskopf an schwenkbaren Werkzeugarmen angeordnete Schneidwerkzeuge, insbesondere Schneidrollen auf. In dieser Ausführungsform erfolgt bevorzugt eine Referenzierung auf die das Tunnelprofil kreie- renden Schneidrollen.
In der Ausführungsform, in der die Basismaschine eine Hydraulikzylinder- Schreiteinrichtung aufweist, umfassen die Einstellwerte die Auszugs-Werte dieser Zylinder.
Bevorzugt wird vor dem sechsten Verfahrensschritt die Nick und Rollneigung der Basismaschine durch das Inklinometer gemessen.
In einer Ausführungsform wird anstelle oder zusätzlich zu der optischen Messung mittels Theodoliten mittels RFID-Technologie gemessen. Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Tunnelbohrmaschine, mit einem Positionierungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Die Tunnelbohrmaschine weist bevorzugt eine den Arbeitskopf tragende Basismaschine und Nachläufer auf, sowie eine Maschinensteuerung.
Bevorzugt handelt es sich bei der Tunnelbohrmaschine um eine Maschine zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen, mit einem mittels eines Dreh- antriebs drehbar antreibbaren und in Vortriebsrichtung bewegbaren Arbeitskopf, mit mittels Werkzeugarmantrieben relativ zu einer die Drehachse des Arbeitskopfes bildenden Bezugsachse radial schwenkbaren Werkzeugarmen mit schneidend arbeitenden Werkzeugen, mit einem Arbeitskopfsteuerungssystem, wobei das Ar- beitskopfsteuerungssystem Mittel umfasst, zum kontinuierlichen Messen der Win- kelposition des rotierenden Arbeitskopfes und Mittel zum kontinuierlichen Messen des Schwenkwinkels der Werkzeugarme und einen Steuerrechner, der mit den genannten Mitteln wirkverbunden ist und die Winkelposition des rotierenden Arbeitskopfes und die Schwenkwinkel der Werkzeugarme so aufeinander abstimmt, dass für jede Winkelposition des Arbeitskopfes jeder schwenkbare Werkzeugarm radial positioniert ist, gemäß eines vorbestimmten Schneidbahnverlaufs, um die vorbestimmte Schneidbahn zu schneiden.
Die Basismaschine umfasst bevorzugt eine Tragkonstruktion, an welcher der Arbeitskopf gelagert ist, welche nach unten abgestützt ist und zusammen mit einer gegenüber dieser Tragkonstruktion längsverschiebbaren Schreiteinrichtung, die ebenfalls nach unten abgestützt ist, ein Schreitwerk bildet.
Das Positionierungssystem umfasst bevorzugt mindestens einen auf der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodolit.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Positionierungssystem einen ortsfesten Theodolit und mehrere über die Länge der Tunnelbohrmaschine an dieser verteilt angeordnete Theodolite. Besonders bevorzugt umfassen die an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodolite einen Haupttheodolit, der dem Arbeitskopf am nächsten ist und mit dem der mindestens eine Hauptmesspunkt vermessbar ist und mindestens einen, bevorzugt drei Zwischentheodolite, mit deren Hilfe die Position des Haupttheodolits relativ zu dem ortsfesten Theodolit er- mittelbar ist.
Bevorzugt weist jeder Theodolit einen an ihm angeordneten Reflektor auf. Der Reflektor ist bevorzugt mit dem Theodolit mitdrehbar angeordnet, derart, dass der Theodolit, wenn er sich, bevorzugt mittels automatischer Zielsuche, auf einen an- deren Theodolit ausrichtet, auch den Reflektor zumindest weitgehend auf diesen anderen Theodolit ausrichtet.
Jeder Theodolit ist bevorzugt auf einem selbstnivellierenden Stativ angeordnet. Bevorzugt umfasst das Positionierungssystem ein an der Basismaschine angeordnetes und einen Hauptmesspunkt bildendes selbsttätig abblendendes Prisma, ganz besonders bevorzugt sind zwei zwei Hauptmesspunkte bildende derartige Prismen, bevorzugt in Längsrichtung der Tunnelbohrmaschine voneinander beabstandet, vorgesehen.
Weiter bevorzugt umfasst das Positionierungssystem ein an der Basismaschine angeordnetes Inklinometer, mittels welchem die Neigung der Basismaschine, bevorzugt die Nick und Rollneigung, messbar ist und weiter bevorzugt auch die Prismen abblendbar sind.
Vorzugsweise umfasst das Positionierungssystem einen in einer Kontroll-Kabine der Tunnelbohrmaschine angeordneten Computer.
Alle Resultate des Positionierungssystems, beispielsweise Messergebnisse, wer- den bevorzugt erlangt während das Programm läuft und weiter bevorzugt auf einem Monitor des Computers angezeigt. Das Positionierungssystenn umfasst bevorzugt für jeden Theodolit eine eigene Stromversorgung, mittels derer jeder Theodolit bevorzugt auch an ein alle Komponenten des Positionierungssystems miteinander verbindendes Netzwerk anschließbar ist.
Bei dem die an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodolite mit dem Computer verbindenden Netzwerk handelt es sich bevorzugt um ein kabelgebundenes lokales Netzwerk, genauer gesagt ein LAN. Der ortsfeste Theodolit ist bevorzugt mittels eines lokalen Funknetzes, nämlich eines WLAN bzw. Wi-Fi mit dem ihm nächsten mitfahrenden Theodolit bzw. dessen Stromversorgung verbindbar.
Die Erfindung soll nun anhand von in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht von oben auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Tunnelbohrmasch
Fig. 2 eine Seitenansicht der Tunnelbohrmaschine von Fig. 1 ;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts von Fig. 2;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Details aus Fig. 2;
Fig. 5 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch eines anderen Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Verfahrens zur
Bestimmung der Ausrichtung und Position des Arbeitskopfes des in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiels der Tunnelbohr- maschine.
Die Tunnelbohrmaschine 100, 200 umfasst in beiden gezeigten Ausführungsbeispielen einen Arbeitskopf 21 , 121 der auf einer Basismaschine 23, 123 angeord- net ist. Dieser Basismaschine 23, 123 folgen drei Nachläufer 22, 22', 22", 122, 122', 122" nach. Die Basismaschine 23, 123 weist ein in den Figuren nicht erkennbares Schreitwerk, sowie ein Raupenfahrwerk 26, 126 auf. Die Nachläufer weisen Achsfahrwerke auf und laufen auf Reifen 27. Die Hauptmesspunkte 3, 3', 103 sind in einem Hauptmessbereich 24, 124 an der Basismaschine 23, 123 angeordnet, der eine bekannte und unveränderliche Ausrichtung zum Arbeitskopf 21 , 121 aufweist, also einen unmittelbaren Rückschluss auf die Position und Ausrichtung des Arbeitskopfes 21 , 121 zulässt. Das Positionierungssystem der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Tunnelbohrmaschine ist schematisch in Fig. 6 wiedergegeben. Es umfasst genau einen an einem ortsfesten Referenzpunkt 2 angeordneten Theodolit 9 und vier jeweils an einem Zwischenmesspunkt 1 , 1 ', 1 ", 1 "' an der Tunnelbohrmaschine 100 angeordnete weitere Theodolite 5, 6, 7, 8. Bei den Theodoliten 5, 6, 7, 8, 9 handelt es sich um Totalstationen. Ein Theodolit 8 ist am Ende des letzten Nachläufers 22" angeordnet, ein weiterer Theodolit 7 ist am Ende des mittleren Nachläufers 22' angeordnet, ein weiterer Theodolit ist am Ende des ersten Nachläufers 22 angeordnet und ein vorderster Theodolit 5 ist am Beginn des ersten Nachläufers 22 angeordnet. Die Theodolite wirken mit Reflektoren 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17 zusam- men, die als Reflexionsprismen ausgeführt sind. Der am ortsfesten Referenzpunkt 2 angeordnete Theodolit 9 wirkt mit einem etwa 60 m bis 120 m von ihm entfernten Referenzprisma 17 zusammen, um die Korrektheit der Messbasis des Systems zu gewährleisten. Mit Hilfe des Referenzprismas wird das Horizontalwinkel- messsystem des ortsfesten Theodolits 9 orientiert. Der ortsfeste Theodolit 9 ist an der Tunnelwand angeordnet. Auch eine Bewegung dieses an sich ortsfesten Theodolits 9, wie sie bei einem frisch gebohrten Tunnel nicht ausgeschlossen ist, kann durch die Vermessung des Referenzprismas 17 erkannt werden. Der ortsfeste Theodolit 9 ist an der Tunnelwand und hinter der Tunnelbohrmaschine angeordnet. Jeder mitfahrende Theodolit 5, 6, 7, 8 ist auf einem selbstnivellierenden Stativ 29 angeordnet.
Der vorderste Theodolit 5 vermisst die Hauptmesspunkte 3, 3' und kann daher als Haupttheodolit bezeichnet werden. Die übrigen mitfahrenden Theodolite 6, 7, 8 dienen der Positionsbestimmung des Haupttheodolits relativ zu dem ortsfesten Theodolits 9 und können daher als Zwischentheodolite bezeichnet werden.
Auf jedem Theodolit 5, 6, 7, 8, 9 ist ein Reflexionsprisma 12, 13, 14, 15, 16 ange- ordnet. Der ortsfeste Theodolit 9 vermisst das Prisma 15, das auf dem ihm nächstliegenden, auf dem letzten Nachläufer 22" angeordneten Zwischentheodolit 8 angeordnet ist. Der ortsfeste Theodolit 9 vermisst also die Lage des ihm nächstliegenden Zwischentheodolits 8. Auf gleiche Weise vermisst der Zwischentheodolit 8 die Lage des nächsten ihm in Fahrtrichtung der Tunnelbohrmaschine 100 voraus- fahrenden Zwischentheodolits 7, dieser vermisst die Lage des ihm vorausfahrenden Zwischentheodolits 6 und dieser vermisst die Lage des ihm vorausfahrenden Haupttheodolits 5. Der Haupttheodolit 5 vermisst nacheinander die Position zweier die Hauptmesspunkte 3, 3' bildender Motorprismen 18, 19, die in dem Hauptmessbereich 24 angeordnet sind. Diese können motorisch abgeblendet werden, um die Messung des jeweils anderen Prismas nicht zu beeinträchtigen.
Zur Bestimmung der Ausrichtung und Position des Arbeitskopfes 21 der Tunnelbohrmaschine 100 werden also die Positionen von vier Zwischenmesspunkten 1 , V, 1 ", 1 "' relativ zu einem ortsfesten Referenzpunkt 2 gemessen, wobei genauer gesagt lediglich die Position eines Zwischenmesspunktes 1 relativ zu dem ortsfesten Referenzpunkt 2 direkt gemessen wird und die Positionen der weiteren Zwi- schenmesspunkte V, 1 ", 1 "' jeweils relativ zu dem ihnen vorausgehenden Referenzpunkt gemessen werden. Daraufhin wird die Position zweier an der Tunnelbohrmaschine angeordneter Hauptmesspunkte 3, 3' relativ zu dem vordersten Zwischenmesspunkt 1 "' gemessen.
Aus der Position der beiden Hauptmesspunkte 3, 3' und den Werten des Inklino- meters wird die Position und Richtung des Hauptmessbereiches 24 und damit die Position und Ausrichtung der Basismaschine 23 und des Arbeitskopfes 21 ermit- telt.
In einer Ausführungsform vermessen die Theodolite nicht nur den jeweils vor ihnen angeordneten Theodolit, sondern zeitversetzt hierzu auch den jeweils hinter ihnen angeordneten Theodolit, wie dies in Fig . 6 angedeutet ist. Die Theodolite 5, 6, 7, 8, 9 verfügen über eine automatische Zielerfassung. Sie sind also in der Lage, sich automatisch auf das Prisma, das sie messen sollen, auszurichten. Indem sich in dieser Ausführungsform stets zwei Theodolite gegenseitig vermessen, steigt die Messgenauigkeit zunächst, da dann zwei Messwerte von zwei verschiedenen Theodoliten vorliegen, die beispielsweise gemittelt werden können. Darüber hinaus kann die Messgenauigkeit dadurch gesteigert werden, dass dann das auf jedem Theodolit angeordnete Reflexionsprisma, welches bevorzugt mit den Theodoliten mitdreht, durch die automatische Zielerfassung dieses Theodolits zumin- dest weitgehend auf den jeweils nächstliegenden anderen Theodolit ausgerichtet wird.
Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Tunnelbohrmaschine 200. Bei diesem erfolgt die Bestimmung der Ausrichtung und Position des Arbeitskopfes 121 nicht durch optische Messung mittels Theodoliten, sondern es kommt RFID- Technologie zum Einsatz. Wie Fig. 5 zeigt, ist an einem ortsfesten Referenzpunkt 102 der Tunnelwand ein RFID-Lesegerät 125 angeordnet. Zudem befinden sich ortsfest an der Tunnelwand ortsfeste Zwischenmesspunkte 104, in Form von RFID-Tags (Transpondern). Bevorzugt handelt es sich um aktive Transponder. An der Tunnelbohrmaschine sind an Zwischenmesspunkten 101 , 101 ', 101 ", 101 "' weitere Transponder angeordnet. Darüber hinaus sind an der Tunnelbohrmaschine weitere RFI D-Lesegeräte 125', 125", 125"', 125"", 125 angeordnet. Diese Lesegeräte sind jeweils so in einem Bereich der Tunnelbohrmaschine 200 angeordnet, dass mit ihrer Reichweite 128 sowohl mit diesem Bereich mitbewegte Transponder erfasst werden, als auch relativ zu diesen Bereichen bewegliche Transponder. Auf diese Weise kann sowohl die Position und Ausrichtung des Arbeitskopfes 121 ermittelt werden, als auch ein 3D-Modell der aktuellen Position der Tunnelbohrmaschine 200 im Tunnelinneren. Bezugszeichenliste:
100, 200 Tunnelbohrmaschine
1 , r, 1 ", 1 "', 101 , i o , 101 ", 101 "' Zwischenmesspunkt
2, 102 ortsfester Referenzpunkt
3, 3', 103 Hauptmesspunkt
104 ortsfeste Zwischenmesspunkte
5 Haupttheodolit
6, 7, 8 Zwischentheodolite
9 ortsfester Theodolit
10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17 Reflektoren
18, 19 Motorprismen
20 Inklinometer
21 , 121 Arbeitskopf
22, 22', 22", 122, 122', 122" Nachläufer
23, 123 Basismaschine
24 Hauptmessbereich
125, 125', 125", 125"', 125"", 125 RFID-Lesegerät
26, 126 Raupenfahrwerk
27 Reifen
128 Reichweite
29 selbstnivellierendes Stativ

Claims

Patentansprüche: Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung und Position der den Arbeitskopf (21 , 121 ) tragenden Basismaschine (23, 123) einer Tunnelbohrmaschine (100, 200), wobei die Position mindestens eines an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Zwischenmesspunktes (1 , 1 ', 1 ", 1 "', 101 , 101 ', 101 ", 101 "') relativ zu einem ortsfesten Referenzpunkt (2, 102) gemessen wird und die Position mindestens eines Hauptmesspunktes (3, 3', 103) relativ zu dem Zwischen- messpunkt gemessen wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zwi- schenmesspunkte (1 , 1 ', 1 ", 1 "', 101 , 101 ', 101 ", 101 "') vorgesehen sind und die Position eines Zwischenmesspunktes relativ zur Position eines anderen Zwischenmesspunktes gemessen wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass optisch gemessen wird, mit Hilfe mindestens eines Theodolits (5, 6, 7, 8, 9), und dass mindestens ein Theodolit (5, 6, 7, 8) an der Tunnelbohrmaschine (100) angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein ortsfester Theodolit (9) vorgesehen ist und an der Tunnelbohrmaschine mehrere Theodolite (5, 6, 7, 8) über die Länge der Tunnelbohrmaschine (100) verteilt angeordnet sind, und zwar ein Haupttheodolit (5), der dem Arbeitskopf (21 ) am nächsten ist und den mindestens einen Hauptmesspunkt (3, 3') vermisst und mindestens ein Zwischentheodolit (6, 7, 8), mit dessen Hilfe die Position des Haupttheodolits (5) relativ zu dem ortsfesten Theodolit (9) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Theodolit ein Reflektor (12, 13, 14, 15, 16) angeordnet ist und jeder Theodolit (5, 6, 7, 8, 9) den an ihm angeordneten Reflektor (12, 13, 14, 15, 16) zumindest weitgehend auf einen anderen Theodolit (5, 6, 7, 8, 9) ausrichtet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Hauptmesspunkt (3, 3') ein selbsttätig abblendendes Prisma (18, 19) angeordnet ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Inklinometers (20) die Neigung der Basismaschine (23, 123) gemessen wird. Verfahren zur automatischen Positionierung der den Arbeitskopf (21 ) tragenden Basismaschine (23) einer Tunnelbohrmaschine (100), mit Nachläufern (22, 22', 22"), mit einem Positionierungssystem und mit einer Maschinensteuerung, wobei die Position und Ausrichtung der Basismaschine (23) mit Hilfe mindestens eines Theodolits gemessen wird, insbesondere mit Hilfe des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den folgenden Verfahrensschritten:
1 . Das Positionierungssystem erhält von der Maschinensteuerung das Signal: „die Nachläufer (22, 22', 22") haben in neuer Position gestoppt".
2. Die Theodolite (6, 7, 8, 9) führen eine vollständige Vermessung und Positionsbestimmung eines an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodolits (5) im globalen Koordinatensystem durch.
3. Dieser Theodolit vermisst ständig den mindestens einen und insbesondere die zwei Hauptmesspunkte (3, 3') an der Basismaschine (23).
4. Bevorzugt überprüfen bei mehreren an der Tunnelbohrmaschine angeordneten Theodoliten alle bis auf den vordersten Theodolit anschließend ihre Position, um Bewegungen der Nachläufer der Tunnelbohrmaschine zu ermitteln oder diese Theodolite stoppen bis zum nächsten Signal.
5. Das Positionierungssystem erhält von der Maschinensteuerung das Signal: „Start lokale Messung" zur Wiederpositionierung der Basismaschine (23).
6. Das Positionierungssystem errechnet die nächste Position und erforderliche Ausrichtung der Basismaschine (23), und sendet entsprechende Positionie- rungseinrichtungseinstellwerte an die Maschinensteuerung.
7. Rückkehr zu Schritt 5 vorzugsweise viermalig.
8. Rückkehr zu Schritt 1 .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels RFID-Technologie gemessen wird.
Tunnelbohrmaschine (100, 200) mit einem Positionierungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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