DE-102025113658-B3 - Verfahren zum Vortrieb einer Tunnelbohrmaschine entlang einer geplanten Trasse beim Auffahren einer Tunnelbohrung

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vortrieb einer Tunnelbohrmaschine entlang einer geplanten Trasse beim Auffahren einer Tunnelbohrung mit einer Regelung, die ein präzises Abfahren einer Solltrajektorie als geplante Tunneltrasse ermöglicht, und eine Tunnelbohrmaschine mit einer Regelung zur Umsetzung des Verfahrens.

Inventors

• Kerstin Eisenkolb
• Stefan Mauerberger
• Arshad Hussain Kazmi

Assignees

• HERRENKNECHT AKTIENGESELLSCHAFT

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20250407

Priority Date

20250406

Claims (20)

1. Verfahren zum Vortrieb einer Tunnelbohrmaschine entlang einer geplanten Trasse beim Auffahren einer Tunnelbohrung mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Tunnelbohrmaschine mit einem Schneidrad und einer Vorschubmöglichkeit mit wenigstens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungsrichtung der Tunnelbohrmaschine entlang der geplanten Trasse; b) Bereitstellen wenigstens einer Regelungseinheit für die Bewegungsrichtung der Tunnelbohrmaschine mit wenigstens einer Datenspeichereinheit, mit wenigstens einer Recheneinheit, mit wenigstens einer Eingabeeinheit und mit wenigstens einer Ausgabeeinheit, wobei die Eingabeeinheit wenigstens Messdaten und/oder Auswertungsdaten empfängt, und wobei die Ausgabeeinheit analoge und/oder digitale Steuerungsdaten und/oder Regelungsdaten ausgibt; c) Hinterlegen in der wenigstens einen Regelungseinheit einer festgelegten Tunneltrasse im Boden von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt als Soll-Trajektorie; wobei die Soll-Trajektorie als mathematische Kurve aus wenigstens zwei Raumkoordinaten in einem Koordinatensystem ausgehend von einem Referenzpunkt, beispielsweise (0;0;0) hinterlegt wird; d) Hinterlegen in der wenigstens einen Regelungseinheit von wenigstens einem festgelegten Soll-Wert pro Raumkoordinate der mathematische Kurve, wobei es sich bei dem wenigstens einen festgelegten Sollwert um eine Soll-Ablage, eine Soll-Tendenz und/oder um eine Soll-Drift handelt; e) Berechnen und Hinterlegen in der wenigstens einen Regelungseinheit einer Soll-Bewegung pro Raumkoordinate durch Bildung einer Differenz aus der Soll-Tendenz minus der Soll-Drift, f) Hinterlegen in der wenigstens einen Regelungseinheit eines ersten Toleranzablagegrenzwertes für die Soll-Ablage wenigstens für zwei Raumkoordinaten; g) Hinterlegen in der wenigstens einen Regelungseinheit eines ersten Toleranzbewegungsgrenzwertes für die Soll-Bewegung wenigstens für zwei Raumkoordinaten; h) Während des Vortriebs der Tunnelbohrmaschine entlang der Soll-Trajektorie werden die nachfolgenden Schritte 1 bis 11 durchgeführt, wobei die Reihenfolge variabel ist: 1. Erfassen einer Ist-Ablage an einer IST-Raumkoordinate, einer Ist-Tendenz, und eine Ist-Drift; 2. Berechnen einer Ist-Bewegung durch Bildung einer Differenz aus der Ist-Tendenz minus der Ist-Drift; 3. Berechnen einer Differenz ΔAblage aus der Soll-Ablage minus der Ist-Ablage; 4. Berechnen einer Differenz ΔBewegung aus der Soll-Bewegung minus der Ist-Bewegung, 5. Prüfen, ob ΔBewegung gleich einem Bewegungsdifferenzwert ist; 6. Prüfen, ob ΔAblage gleich einem Ablagedifferenzwert ist; 7. Sind ΔBewegung gleich dem Bewegungsdifferenzwert und ΔAblage gleich dem Ablagedifferenzwert, dann wird wenigstens ein Ausgabewert zur Ansteuerung der Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungsrichtung der Tunnelbohrmaschine errechnet und an diese zur Beeinflussung der Bewegungsrichtung der Tunnelbohrmaschine übermittelt, und anschließend Wiederholen ab Schritt h)-1. für die nächste Raumkoordinate und Fortsetzen des Vortriebs entlang der mathematischen Kurve; 8. Ist ΔBewegung ungleich dem Bewegungsdifferenzwert , und/oder ist ΔAblage ungleich dem Ablagedifferenzwert , dann wird geprüft, ob ΔAblage kleiner dem ersten Toleranzablagegrenzwert und/oder ob ΔBewegung kleiner dem Toleranzbewegungsgrenzwert ist; 9. Ist die Bedingung zu h)-8. erfüllt, dann wird basierend auf wenigstens einem der ungleichen Werte gemäß 8. wenigstens ein Ausgabewert zur Ansteuerung der Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungsrichtung der Tunnelbohrmaschine errechnet und an diese zur Beeinflussung der Bewegungsrichtung der Tunnelbohrmaschine übermittelt, anschließend Wiederholen ab Schritt h)-1. für die nächste Raumkoordinate und Fortsetzen des Vortriebs entlang der mathematischen Kurve, 10. Ist die Bedingung zu h)-8. nicht erfüllt, dann Wiederholen ab Schritt c.), wobei ein Abschnitt der mathematischen Kurve durch eine Annäherungskurve ersetzt, die eine Annäherung auf die mathematische Kurve der Soll-Trajektorie ermöglicht, und wobei als die Soll-Werte der aktuellen Position als die erste Raumposition der Annäherungskurve die Ist-Werte der aktuellen Position für Soll-Ablage Soll-Tendenz, und Soll-Bewegung, festgelegt und hinterlegt werden, und die Schritte c.) bis h)-10. wiederholt werden bis die Annäherungskurve wieder der mathematischen Kurve der Soll-Trajektorie entspricht. 11. Wiederholen ab Schritt c.), wobei die mathematischen Kurve die Annäherungskurve ersetzt, und ab dem Übergangspunkt die hinterlegten Soll-Werte mathematischen Kurve der Soll-Trajektorie verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass ein festgelegter Soll-Wert als horizontaler Soll-Wert und als vertikaler Soll-Wert festgelegt wird, so dass es sich bei der Soll-Ablage um eine horizontale Soll-Ablage und eine vertikale Soll-Ablage handelt, und/oder so dass es sich bei der Soll-Tendenz um eine horizontalen Soll-Tendenz und eine vertikale Soll-Tendenz handelt, und/oder so dass es sich bei der Soll-Drift um eine horizontalen Soll-Drift und eine vertikale Soll-Drift handelt, wobei die Soll-Drift bzw. die horizontale Soll-Drift und die eine vertikale Soll-Drift bevorzugt jeweils gleich null ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass das Hinterlegen einer festgelegten Tunneltrasse im Boden und/oder das Hinterlegen des wenigstens eine festgelegten Soll-Wert pro Raumkoordinate in einer Navigationseinheit erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass das Berechnen der Soll-Bewegung als eine Berechnung einer horizontale Soll-Bewegung durch Bildung einer Differenz aus der horizontalen Soll-Tendenz minus der horizontalen Soll-Drift und als eine Berechnen einer vertikalen Soll-Bewegung durch Bildung einer Differenz aus der vertikalen Soll-Tendenz minus der vertikalen Soll-Drift erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass das Hinterlegen des ersten Toleranzablagegrenzwertes für die Soll-Ablage für alle Raumkoordinaten und/oder des ersten Toleranzbewegungsgrenzwertes für die Soll-Bewegung für alle Raumkoordinaten erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet , dass das Hinterlegen des ersten Toleranzablagegrenzwertes als ein erster horizontaler Toleranzablagegrenzwert für die horizontale Soll-Ablage und als ein erster vertikaler Toleranzablagegrenzwert für die vertikale Soll-Ablage erfolgt, und/oder das Hinterlegen des ersten Toleranzbewegungsgrenzwertes als ein erster horizontaler Toleranzbewegungsgrenzwert für die horizontale Soll-Bewegung und als ein erster vertikaler Toleranzbewegungsgrenzwert für die vertikale Soll-Bewegung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet , dass die IST-Ablage in eine horizontale Ist-Ablage und eine vertikale Ist-Ablage aufgeteilt ist, und/oder dass die Ist-Tendenz in eine horizontale Ist-Tendenz und eine vertikale Ist-Tendenz aufgeteilt ist, und dass die Ist-Drift in eine horizontale Ist-Drift und eine vertikale Ist-Drift aufgeteilt ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet , dass die IST-Bewegung als eine horizontalen Ist-Bewegung durch Bildung einer Differenz aus der horizontalen Ist-Tendenz minus der horizontalen Ist-Drift und als eine vertikale Ist-Bewegung durch Bildung einer Differenz aus der vertikalen Ist-Tendenz minus der vertikalen Ist-Drift berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die Differenz ΔAblage als eine Differenz ΔAblage-horizontal aus der horizontalen Soll-Ablage minus der horizontalen Ist-Ablage und als eine Differenz ΔAblage-vertikal aus der vertikalen Soll-Ablage minus der vertikalen Ist-Ablage berechnet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , dass das Prüfen von ΔAblage als Prüfen erfolgt, ob ΔAblage -horizontal und ΔAblage -vertikal gleich dem horizontalen Ablagedifferenzwert und gleich dem vertikalen Ablagedifferenzwert sind.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 , dadurch gekennzeichnet , dass der Ablagedifferenzwert, der horizontale Ablagedifferenzwert und/oder der vertikale Ablagedifferenzwert gleich 0 sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet , dass die Differenz ΔBewegung als ein Differenz ΔBewegung-horizontal aus der horizontalen Soll-Bewegung minus der horizontalen Ist-Bewegung und als eine Differenz ΔBewegung-vertikal aus der vertikalen Soll-Bewegung minus der vertikalen Ist-Bewegung berechnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet , dass das Prüfen von ΔBewegung als Prüfen erfolgt, ob ΔBewegung-horizontal und ΔBewegung-vertikal gleich dem horizontalen Bewegungsdifferenzwert und gleich dem vertikalen Bewegungsdifferenzwert sind.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet , dass der Bewegungsdifferenzwert, der horizontale Bewegungsdifferenzwert und/oder der vertikale Bewegungsdifferenzwert gleich 0 sind.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14 , dadurch gekennzeichnet , dass falls ΔBewegunghorizontal und ΔBewegung-vertikal gleich dem horizontalen Bewegungsdifferenzwert und gleich dem Bewegungsdifferenzwert sind, und falls ΔAblage-horizontal und ΔAblage-vertikal gleich dem horizontalen Ablagedifferenzwert und gleich dem vertikalen Ablagedifferenzwert sind, dann wird wenigstens ein Ausgabewert zur Ansteuerung der Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungsrichtung der Tunnelbohrmaschine errechnet und an diese zur Beeinflussung der Bewegungsrichtung der Tunnelbohrmaschine übermittelt, und anschließend Wiederholen ab Schritt h)-1. für die nächste Raumkoordinate und Fortsetzen des Vortriebs entlang der mathematischen Kurve.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14 , dadurch gekennzeichnet , dass falls ΔBewegunghorizontal ungleich dem horizontalen Bewegungsdifferenzwert und/oder ΔBewegung-vertikal ungleich dem vertikalen Bewegungsdifferenzwert sind, und/oder falls ΔAblage-horizontal ungleich dem horizontalen Ablagedifferenzwert und/oder ΔAblage-vertikal ungleich der ungleich dem vertikalen Ablagedifferenzwert sind, dann wird geprüft, ob alle ungleichen Werte kleiner dem für den Wert jeweils festgelegten ersten Toleranzablagegrenzwert und/oder Toleranzbewegungsgrenzwert sind.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 , dadurch gekennzeichnet , dass in Schritt h)-10. als Soll-Werte die IST-Werte der aktuellen Position als die erste Raumposition der Annäherungskurve für horizontale Soll-Ablage und vertikale Soll-Ablage, horizontale Soll-Tendenz und vertikale Soll-Tendenz, und horizontale Soll-Bewegung und vertikale Soll-Bewegung festgelegt und hinterlegt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 , dadurch gekennzeichnet , dass der wenigstens eine Ausgabewert eine Einstellangabe für einen Aktuator eines Schildsteuergelenks ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 , dadurch gekennzeichnet , dass der wenigstens eine Ausgabewert wenigstens eine Koordinate eines Gesamtdruckschwerpunkts zur Ansteuerung von Vorschubpressen der Tunnelbohrmaschine ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19 , dadurch gekennzeichnet , dass die Regelung der wenigstens einen Koordinate eines Gesamtdruckschwerpunkts über eine PID-Regeleinheit erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vortrieb einer Tunnelbohrmaschine entlang einer geplanten Trasse beim Auffahren einer Tunnelbohrung mit einer Regelung, die ein präzises Abfahren einer Solltrajektorie als geplante Tunneltrasse ermöglicht, und eine Tunnelbohrmaschine mit einer Regelung zur Umsetzung des Verfahrens. Eine Möglichkeit, den Vortrieb einer Turbomaschine in der Richtung zu steuern, erfolgt über den Gesamtdruckschwerpunkt der Vortriebpressen beim Vorschieben des Schneidrads der Tunnelbohrmaschine. DE102018102330A1 offenbart hierzu eine Tunnelbohrmaschine, die über ein Schneidrad und über eine Anzahl von Vortriebspressen verfügt, mit denen das Schneidrad in einer Vortriebsrichtung verschiebbar ist. Weiterhin ist eine Vortriebspressensteuereinheit vorhanden, mit der die Vortriebspressen ansteuerbar sind, wobei hierfür Mittel zum Visualisieren eines aus der Druckwirkung der Vortriebspressen resultierenden Gesamtdruckschwerpunkts vorgesehen sind. Offenbart ist weiterhin eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kontinuierlichen Vortreiben eines Tunnels entlang einer vorgegebenen Solltrajektorie, indem über einen Regelkreis für das Ansteuern von Pressen, die auf verbaute Tübbinge ausgeübte Anpresskräfte derart zu beeinflussen, dass während des Vortriebs und während des Verbaus von Tübbingen beispielsweise durch Stabilisierung, vorzugsweise Regelung eines Istkräfteschwerpunkts eine Isttrajektorie in einem zum Einhalten der vorgegebenen Solltrajektorie zulässigen Bereich bleibt. Dabei lässt sich bei einem kontinuierlichen Vortreiben eines Tunnels auch bei einem Verbau von Tübbingen allein durch in axialer Richtung wirkende Anpresskräfte die vorbestimmte Solltrajektorie einhalten. DE102018102330A1 offenbart weiterhin, dass wenigstens einige Vortriebspressen an ein Wandlermodul zum Messen eines an einer auf einen Tübbing ausgeübten Anpresskraft zugeordneten Druckwertes angeschlossen sind, dass eine Zentraleinheit mit einem Zentralsteuermodul vorhanden ist, an das die Wandlermodule zum Übergeben der Druckwerte angeschlossen sind, dass die Zentraleinheit weiterhin über ein Navigationsmessmodul, über ein Presskräftekorrekturmodul und über ein Navigationsprognosemodul verfügt, die derart zusammenwirken, dass mit dem Navigationsprognosemodul bei wenigstens einer gegebenen Verteilung der von den Pressen ausgeübten Anpresskräfte eine anfängliche Trajektorienprognose über eine zukünftige Isttrajektorie bestimmbar ist, wobei bei Abweichung der zukünftigen oder einer tatsächlichen Isttrajektorie von der von dem Navigationsmodul vorgegebenen Solltrajektorie über das Presskräftekorrekturmodul die durch die Pressen ausgeübten Anpresskräfte zum Stabilisieren eines sich aus den ausgeübten Anpresskräften ergebenden Istkräfteschwerpunkts so einstellbar sind, dass sich die Abweichung der zukünftigen oder tatsächlichen Isttrajektorie von der Solltrajektorie gegenüber der anfänglichen Trajektorienprognose verringert. Weiterhin ist offenbart, dass für eine effektive Regelung es zweckmäßig ist, dass zum Bestimmen der Trajektorienprognose mit dem Navigationsprognosemodul die Abweichung des Istkräfteschwerpunkts aller Anpresskräfte von einem Sollkräfteschwerpunkt bestimmbar ist und dass die Abweichung des Istkräfteschwerpunkts von dem Sollkräfteschwerpunkt eine Regelgröße eines das Presskräftekorrekturmodul, das Navigationsprognosemodul und das Zentralsteuermodul umfassenden Regelkreises bildet. WO002023057217A1 beschreibt eine Tunnelbohrmaschine und ein Verfahren zum Vortreiben eines Tunnels. Offenbart wird eine Vereinfachung der Steuerung der Tunnelbohrmaschine Die Tunnelbohrmaschine ist mit einem Schneidrad ausgestattet, das durch Vortriebspressen in der Vortriebsrichtung verschiebbar ist. Eine Vortriebspressensteuereinheit steuert diese Vortriebspressen und visualisiert den Gesamtdruckschwerpunkt. Die Bedieneinheit der Maschine ermöglicht die Eingabe der Soll-Gesamtvortriebskraft und die Anpassung des Ist-Gesamtdruckschwerpunkts durch Koordinatenwerte in einem Koordinatensystem. Die Steuerung der Tunnelbohrmaschine erfolgt ein Ansteuern der Vortriebspressen durch eine direkte Eingabe von Koordinatenwerten eines Soll-Gesamtdruckschwerpunkts. Ein berührungsempfindlicher Bildschirm zeigt sowohl den Soll- als auch den Ist-Gesamtdruckschwerpunkt an, was die Steuerung der Maschine durch den Bediener erheblich vereinfacht. Weiterhin ist offenbart, dass hierdurch verschiedene Kräfteverläufe für Geradeausfahrten und Kurvenfahrten bereitgestellt werden können, um den Vortrieb der Tunnelbohrmaschine zu steuern. Der Gesamtdruckschwerpunkt wird allgemein auch als Center of Trust (CoT) bezeichnet. Bevorzugt wird er für seine Einstellung während des Betriebs einer Tunnelbohrmaschine in einer horizontale und eine vertikale Komponente des Koordinatensystems aufgeteilt. Als eine weitere Möglichkeit den Vortrieb einer Tunnelbohrmaschine zu steuern, ist dem Fachmann die sogenannte Schildgelenksteuerung bekannt. Bei einem Schild handelt es si