[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Spritzbeton auf
eine Oberfläche eines Hohlraums oder eines Gegenstands mit Hilfe einer Spritzbetonmaschine
und eines Messsystems.
[0002] Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise durch die DE 196 52 811 A1 bekannt geworden.
[0003] Die zufriedenstellende Kontrolle der Schichtdicke während des Spritzvorgangs stellt
ein bisher ungelöstes Problem dar, da sie rein visuell nur sehr grob möglich ist.
Die Fläche ist einheitlich grau und strukturiert. Die Sicht ist stark eingeschränkt
und der Bezug zur Sollgeometrie fehlt.
[0004] Nachträglich kann die Schichtdicke nur durch sehr kostspielige und zerstörende Bohrungen
festgestellt werden. Diese werden daher praktisch nie durchgeführt. Ein großflächiger
Nachweis der Schichtdicke ist bisher nicht möglich. Es gibt zwar Verfahren zur Kontrolle
der Spritzbetondicke. Diese können aber nicht während dem Spritzen eingesetzt werden.
[0005] Die Kontrolle der Profilgenauigkeit stellt ein weiteres Problem dar. Sowohl Unterprofile
als auch starke Überprofile verursachen hohe Folgekosten: Unterprofile (zu viel Beton
aufgetragen) müssen im Tunnel generell entfernt werden. Dies kann erst nach einer
Nachmessung geschehen. Der Beton ist dann bereits ausgehärtet und nur noch mit schwerem
Gerät zu entfernen. Bei starkem Nachbearbeiten entsteht immer die Frage: Erreicht
die verbleibende Schichtdicke noch das Mindestmaß? Überprofile (zu wenig Beton aufgetragen)
müssen später mit dem Beton der Innenschale aufgefüllt werden. Im Bereich starker
Überprofile muss noch Spritzbeton aufgetragen werden.
[0006] Die Kombination dieser beiden Probleme führt zu einer bedeutenden Verteuerung von
Tunneln.
[0007] In der DE 19652 811 A1 ist nur die Möglichkeit einer relativen Messung nach der Lehre
des bekannten Verfahrens beschrieben, einer Messung relativ zum aktuellen Abschlag.
Die Anordnung der Messsonde in unmittelbarer Nähe der Spritzbetondüse an der Spritzbetonmaschine
und die Mitbewegung mit der Spritzbetonmaschine führt zu einer großen Messungenauigkeit
und erlaubt keine In-situ-Messung.
[0008] Zur Erhöhung der Herstellgenauigkeit von Spritzbetonoberflächen wird ein Verfahren
gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 enthalten. Das erfindungsgemäße Prinzip beruht
darauf, die Oberfläche während des Spritzvorgangs permanent zu kontrollieren. Es werden
fortlaufend dynamische Werte der entstehenden Geometrie aufgenommen. So erhält man
bereits während der Fertigung die notwendigen Informationen, um die Soll-Geometrie
möglichst exakt zu erreichen. Ein ortsfest von der Spritzbetondüse räumlich beabstandet
oder getrennt angeordnetes Messinstrument stationiert sich selbst im übergeordneten
Koordinatensystem, also in einem Tunnel über vorhandene Referenzpunkte, die tagesaktuelle
Koordinaten haben können. Position und Orientierung des Messinstruments werden einmal
entweder durch das Messinstrument selbst oder das Aufstellen an einem bekannten Punkt
und die Orientierung an bekannten Referenzpunkten bestimmt. Anschließend ist eine
absolute Definition der Sollgeometrie und der Istgeometrie möglich.
[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren kann manuell oder vollautomatisch eingesetzt werden.
Die Spritzbetonmaschine kann von einem Maschinisten gesteuert werden. Der Maschinist
wird durch das Messsystem informiert, wo er noch Beton aufbringen sollte. Eine Weiterentwicklung
des Systems könnte direkt in die Spritzbetonmaschine eingreifen und die Steuerung
der Spritzbetondüse übernehmen. Als einfache mechanische oder elektrische Realisierung
kann das Messsystem über Kabel oder eine Funkstrecke mit der Spritzbetonmaschine verbunden
und auf dieser montiert sein. Dazu muss die Spritzbetonmaschine eine passende Hard-
und Software-Schnittstelle besitzen. Bei einer Steuerung der Spritzbetonmaschine,
ist es auch nötig, zwischen dem Koordinatensystem der Spritzbetonmaschine und dem
des Messsystems transformieren zu können. Dazu ist eine entsprechende Anzahl von Anschlusspunkten
im voraus an der Maschine einzumessen, die das Koordinatensystem der Spritzbetonmaschine
realisieren. Diese können dann bei jedem Messablauf eingemessen werden, um die Transformationsparameter
zwischen Maschinensystem und Instrumentensystem zu bestimmen. Um eine vollautomatische
Steuerung zu erzielen, muss ein Arm der Spritzbetonmaschine die Spritzbetondüse exakt
führen, und diese Führung muss im voraus berechnet werden. Maschinenseitig müssen
natürlich entsprechende Sensoren in die Maschine eingebaut werden, die eine Messung
der Winkel erlauben. Feinfühlige Servomotoren wären evtl. leichter anzusteuern als
hydraulische Elemente.
[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand schematischer Darstellungen eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- ein Pictogramm für eine mögliche Programmoberfläche zur einfachen Auswahl der Sollgeometrie
bei dem Anwendungsbeispiel Tunnel;
- Fig. 2
- eine Einfärbungsregel für die gescannte Topographie;
- Fig. 3
- eine Messanordnung.
[0011] Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Topographie eines Tunnels, wie
er in der Figur 1 angedeutet ist, während des Spritzvorgangs permanent erfasst. Zur
Durchführung des Verfahrens wird eine Spritzbetonmaschine und ein Laserprofil-Messsystem
verwendet. Die Oberfläche innerhalb des Tunnels wird abgescannt. Das Messsystem umfasst
als Messinstrument einen reflektorlos messenden Laserscanner, der durch die staubige
Atmosphäre in der Nähe einer Spritzbetondüse noch messen kann und der gegenüber leichten
Erschütterungen unempfindlich ist.
[0012] Möglich sind ein räumliches Abtasten, automatischer oder manueller Betrieb, reflektorlose
Bereiche bis zu 60 Metern, Genauigkeit im Millimeterbereich und eine umfassende 3D-Datenerfassung.
[0013] Ohne Verwendung eines Retro-Reflektors berechnet das Messinstrument den Abstand zu
der betreffenden Oberfläche auf der Basis der Flugzeitmessung eines Kurzlaserimpulses.
Der Aufprallpunkt des Infrarot-Meßlaserstrahls kann, falls gewünscht, durch einen
roten Markierungslaserstrahl beobachtet werden. Eine Schwenk- und Kippbeweglichkeit
dient dazu, den Messstrahl automatisch durch integrierte Schrittmotoren mit einer
Genauigkeit von 0,009 Grad zu positionieren. Bedienungsräder für manuellen Betrieb
sind ebenfalls vorgesehen.
[0014] Das Messinstrument umfasst eine entsprechende Software, einen Joystick für schnelles
manuelles Anordnen und Ausrichten, den roten Markierungslaserstrahl oder ein Teleskop
mit Zoom mit einer Vergrößerung, ein stabiles Tragegehäuse mit angelenkten Handgriffen
und Feintrieben und ein Dreibein zum Aufstellen.
[0015] Die Steuer-Software des Messsystems muss Einzelmessungen auf signalisierte Ziele
unterstützen und deren Mittelpunkt mit hoher Genauigkeit ermitteln können. Die so
erfasste Ist-Geometrie innerhalb des Tunnels wird mit einer zuvor definierten Soll-Geometrie
des Tunnels verglichen. Das Messsystem berechnet Über- und Unterprofile. Die Soll-Geometrie
ist in einem übergeordneten Koordinatensystem angegeben - z.B. 12 cm außerhalb des
Sollprofils eines Tunnels. Optional können die Informationen auch zur Ansteuerung
der Spritzbetonmaschine selbst zur Verfügung gestellt werden. Eine automatische Steuerung
der Spritzbetondüse ist damit möglich.
[0016] In einem ersten Verfahrensschritt wird die Definition der Soll-Geometrie vorbereitet
bzw. vorgegeben, damit diese vor Ort nur noch abgerufen bzw. ausgewählt werden muss.
Die Soll-Geometrie der herzustellenden Oberfläche ergibt sich aus einer bekannten
mathematischen Definition - im Tunnel etwa die Trassierung und Profildefinition des
Tunnels. Die vorhandene Oberflächendefinition kann natürlich auch noch modifiziert
werden - im Tunnel etwa: 15 cm außerhalb des Soll-Profils.
[0017] In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Lage und Orientierung des Messinstruments
vor Ort in einem übergeordneten Koordinatensystem an Hand von Referenzpunkten bestimmt,
die bekannt sind oder im Vorfeld des Verfahrens bestimmt werden. Die Koordinaten werden
in das Messsystem eingespielt. Die Definition der Sollgeometrie wird ebenfalls in
dem übergeordneten System angegeben. Typische Anwendung ist das Auftragen der Spritzbetonschale
auf einen frisch ausgebrochenen Tunnel bis auf einen Sollabstand vom vorgesehenen
Tunnelprofil und das Auftragen einer Sicherungsschicht auf die frische Ortsbrust.
Denkbar sind aber auch andere Anwendungen wie Voreinschnitte, Tunnelanschlagswände,
etc. oder geschwungene Formen wie z.B. Wohnhäuser.
[0018] Lage und Orientierung können durch Anmessen bekannter Punkte unter Verwendung an
sich bekannter und daher hier nicht näher beschriebener Algorithmen bestimmt werden.
Die Anzahl der mindestens anzumessenden Punkte richtet sich nach der zusätzlichen
Information, die über den Standpunkt des Messinstrumentes verfügbar ist. Wenn Lage
und Höhe des Messinstrumentes bekannt sind (etwa Aufstellen auf einer ortsfesten Konsole)
und das Messinstrument horizontiert aufgebaut wird, genügt ein Punkt um die Orientierung
zu ermitteln. Wenn keine Informationen verfügbar sind, werden vier Punkte benötigt.
Dazwischen sind andere Kombinationen möglich - etwa Ortsbestimmung des Systems mit
GPS.
[0019] Bei der Steuerung einer Spritzbetonmaschine in Deformationsbereichen, ist darauf
zu achten, dass die Anschlusspunkte aktuelle Koordinaten haben. Dies gilt z.B. beim
Tunnelvortrieb.
[0020] In einem weiteren Verfahrensschritt werden aktuelle Daten, wie Koordinaten und Soll-Geometrie,
vor Ort auf das Messsystem übertragen. Die Anschlusspunkte müssen geeignet signalisiert
sein, damit sie vom Messsystem identifiziert werden können.
[0021] Es muss sichergestellt werden, dass die Messung nicht durch andere, eventuell direkt
hinter dem eigentlichen Ziel befindliche Signale beeinträchtigt wird. Signale können
z.B. Retroreflektoren sein. Diese sind entweder abzudecken oder wegzudrehen. oder
auf eine andere Art unschädlich zu machen.
[0022] Der Bereich, der vom Messsystem überwacht, d. h. abgescannt werden soll, muss vom
Benutzer vorgegeben werden. Dazu stehen eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung,
die an die jeweilige Applikation angepasst werden können.
[0023] Die einfachste und allgemeinste Methode einen Bereich auszuwählen ist es, ein Umfahrungspolygon
anzugeben. Dazu misst der Benutzer mit dem Messinstrument die Eckpunkte des zu überwachenden
Bereichs einzeln an. Das Messinstrument hat dazu einen sichtbaren Aufsatzlaser adaptiert
oder misst im sichtbaren Spektrum. Das Messinstrument besitzt einen sichtbaren Laserstrahl,
der zu Zwecken der Anzielung permanent eingeschaltet werden kann.
[0024] Für die Anwendung im Tunnelbau wird eine Auswahl des Scannbereiches über ein Pictogramm
zur Verfügung gestellt. Der Scannbereich kann durch Eingabe der Nummern, die gemeinsam
bearbeitet werden sollen, ausgewählt werden. Die Station der Ortsbrust muss eingegeben
werden. Für die Bereiche, die für die Tunnellaibung stehen, hier also 1, 2, 3, 7,
11 und 13, muss außerdem noch angegeben werden, wie groß die Abschlagslänge ist.
[0025] Das Scannraster kann bestimmt werden durch Vorgabe eines Punktabstandes auf der Oberfläche
oder durch Definition eines festen Winkelinkrementes.
[0026] Nach dem Bestimmen des Scannrasters wird die Dauer für einen Scann in etwa abgeschätzt,
um dem Benutzer einen Anhaltspunkt zu geben, ob die Wahl für seine Anwendung sinnvoll
ist.
[0027] Um die Geometrie der unbehandelten Oberfläche zu erfassen, kann vor Beginn der Spritzarbeiten
die Oberfläche abgescannt werden. Man spricht von der Nullmessung. Je nach Definition
der Soll-Geometrie ist eine Nullmessung zwingend erforderlich oder sie kann optional
gewählt werden. Wenn der Ist-Zustand vor Beginn des Spritzens aufgenommen wird, kann
am Ende eine Massenberechnung des aufgebrachten Materials durchgeführt werden. Außerdem
kann nach der Nullmessung sofort berechnet werden, ob die minimale Schichtdicke überall
aufgetragen werden kann, ohne das Sollprofil zu unterschreiten. Gegebenenfalls kann
noch vor Beginn der Spritzarbeiten nachprofiliert werden.
[0028] Sobald die Nullmessung beginnt, wird das Schaubild gemäß Figur 2 aus Soll minus Ist
aufgebaut. Wenn die Nullmessung abgeschlossen ist, wird dies geeignet signalisiert
- akustisch und/oder optisch. Fig. 2 zeigt dabei eine schematische Darstellung. Für
jeden Messpunkt wird ein farbiges Quadrat angezeigt. Bei höherer Punktdichte wird
die Darstellung entsprechend feiner.
[0029] Bei der Nullmessung sind Fehlmessungen nach Möglichkeit auszuschließen. Zusätzlich
zu den unten definierten Methoden, die bei jeder Messung angewandt werden, ist zu
überlegen, wie Armierungen, die sich direkt vor der Oberfläche befinden erkannt werden
können, damit sie das Messergebnis der Nullmessung nicht verfälschen.
[0030] Eine Möglichkeit besteht darin, bei der Nullmessung das Scannraster deutlich zu erhöhen,
Ausreißer zu identifizieren und die Oberfläche "in vertretbarem Maße" zu glätten.
In diesem Fall wird die Scanndauer für die Nullmessung abgeschätzt und angezeigt.
[0031] Nach der Definition des Scannrasters und ggf. nach erfolgter Nullmessung beginnt
das Auftragen des Spritzbetons. Das Messsystem überwacht während dessen permanent
die Oberfläche und aktualisiert das Schaubild Soll minus Ist (Figur 2). Bei einem
sinnvoll gewählten Scannraster ist das Messsystem dabei wesentlich schneller als die
Bewegung der Spritzbetondüse. Der Führer der Spritzbetondüse hat somit einen klaren
Hinweis, wo noch Beton aufzubringen ist (grün: Bezugsziffer 20) und wo bereits zuviel
aufgebracht ist (rot: Bezugsziffer 21). Die Bereiche mit Überund Unterprofil werden
durch eine vorgegebene Einfärbungsregel in unterschiedlichen Farbtönen in dem Schaubild
graphisch farbig dargestellt. Der Maschinist hat so jederzeit den Überblick, wo noch
wie viel Beton aufgetragen werden muss. Die Ergebnisse werden dann in geeigneter Form
aufbereitet:
[0032] Das Schaubild enthält für jeden Messpunkt ein Quadrat, dessen Größe geeignet gewählt
ist. Die Farbe eines Quadrates ermittelt sich aus der Differenz von Soll-Geometrie
zu Ist-Geometrie an diesem Messpunkt.
[0033] Die Einfärbung der Bereiche ist konfigurierbar. Typisch ist eine lineare Farbskala
mit einem Farbwechsel alle 5 cm. Die Farben verlaufen von Dunkelgrün (Bezugsziffer
22) für starkes Überprofil über fast weißes Hellgrün (Bezugsziffer 23) für Sollprofil
und Gelb (Bezugsziffer 24) für leichtes Unterprofil nach Rot (Bezugsziffer 21) für
starkes Unterprofil.
[0034] Im Schaubild können signifikante Hilfslinien (Bezugsziffer 25) eingeblendet werden,
die dem Betrachter eine leichtere Orientierung ermöglichen. Diese könnten etwa sein:
Kämpfer, Firste, Mitte der Abschlagslänge.
[0035] Im Schaubild wird der aktuelle Messpunkt immer hervorgehoben. Hier ist er blau (Bezugsziffer
26) umrandet dargestellt.
[0036] Das Schaubild wird aus der Differenz zwischen der Soll-Geometrie und der letzten
Messung berechnet. Der gewünschte Scannbereich wird dabei geeignet dargestellt. Im
Falle einer Tunnellaibung ist eine Abwicklung, wie oben dargestellt, denkbar. Andere
Darstellungen - etwa Ist-Messung minus Nullmessung zur Anzeige der aufgetragenen Schichtdicke
sind denkbar und können parallel auch angezeigt werden.
[0037] Fehlmessungen, bzw. Messungen auf Ziele, die nicht auf der zu überwachenden Oberfläche
liegen, können und werden vorkommen. Es gilt, Algorithmen zu entwerfen, mit denen
sie mit hoher Wahrscheinlichkeit identifiziert werden können.
[0038] Beim Verfahren Spritzbeton werden "vor" der zu spritzenden Oberfläche wenig störende
Gegenstände stehen. Sicher befindet sich aber dort der Arm und die Düse der Spritzbetonmaschine
sowie wahrscheinlich der Maschinist. Diese Objekte befinden sich aber wenigstens 30
cm von der Soll-Oberfläche entfernt - eher mehr. Dies liefert den Hauptansatz zum
identifizieren von Fehlmessungen: Alle Punkte die mehr als ein konfigurierbares Maß
von der Soll-Geometrie entfernt sind, und zwar in Richtung auf die Maschine, werden
als Fehlmessungen betrachtet und daher nicht bei den Berechnungen berücksichtigt.
Da sich die genannten Objekte laufend bewegen, ist ein permanenter Messschatten auszuschließen.
Quadrate, die bei der letzten Messung nicht erfasst werden konnten, werden in der
Darstellung markiert, etwa durch einen roten Rand.
[0039] Nach der ersten normalen Messung des Scannbereichs wird der Zeitbedarf für einen
Scannvorgang angezeigt. Eine Kalottenmessung mit 1,5m Abschlagslänge und 7m Tunnelradius
und ca. 14m Kalottenabwicklungslänge dauert ca. 20 Sekunden. (Ortsbrust nicht mitgerechnet).
[0040] In konfigurierbaren Abständen wird automatisch eine Kontrolle der Stationierung durchgeführt.
Dazu wird eines der Ziele die bereits bei der Bestimmung von Lage und Orientierung
verwendet wurden, angemessen und das Messergebnis wird mit der Originalmessung verglichen.
Überschreitet die Abweichung ein konfigurierbares Maß, wird der Benutzer informiert.
Weitere optionale Kontrollmessungen auf andere Ziele können helfen, den Fehler zu
identifizieren. Eine Toleranzüberschreitung bei der Stationierungskontrolle führt
zum Abbruch der Messungen. Das System muss wieder neu eingemessen werden. Spätere
Ausbaustufen können vorsehen, die Stationierung evtl. automatisch zu wiederholen oder
zu "reparieren".
[0041] Während der Stationierungskontrolle kann keine Überwachung der Oberfläche stattfinden.
Daher wird der Benutzer darüber informiert - akustisch und / oder optisch - dass eine
Stationierungskontrolle durchgeführt wird und daher das Schaubild nicht aktualisiert
wird.
[0042] Zum Abschluss der Arbeiten kann der Maschinist noch eine Messung zur Bestandsdokumentation
auslösen. Diese kann zusammen mit der Nullmessung für eine Massenberechnung verwendet
werden.
[0043] Die Bestandsdokumentation wird sinnvoller Weise in demselben Raster erfolgen wie
die Nullmessung. Abweichende Definitionen sind aber denkbar.
[0044] Nach der Bestandsdokumentation wird noch einmal eine Stationierungskontrolle durchgeführt.
[0045] Danach kann das Messsystem ausgeschaltet und zum nächsten Einsatzort transportiert
werden.
[0046] Alternativ zur Bestimmung der Sollgeometrie anhand des übergeordneten Koordinatensystems
kann auch eine relative Bestimmung erfolgen. In diesem Modus wird die Geometrie der
aufzutragenden Schicht definiert. Typische Anwendung ist das Auftragen einer gleichmäßigen
Betonschicht auf eine bestehende Oberfläche - Zum Beispiel zur Sicherung der Ortsbrust
in einem Tunnel. Denkbar sind aber auch andere Definitionen wie lineare Verzüge der
Schichtdicke, Definition einer Ebene durch Anmessen von mehreren Punkten von der dann
ein gewisser Abstand gehalten werden muss, etc. Dazu muss das Messsystem zunächst
die Ist-Geometrie der Oberfläche erfassen. Zusammen mit der Schichtgeometrie ergibt
sich die Soll-Geometrie der Spritzbeton-Oberfläche.
[0047] Fig. 3 ist ein Grundriss einer typischen Messanordnung im Tunnel zu entnehmen. Die
Messanordnung befindet sich in einem bereits fertig mit Spritzbeton ausgekleideten
Tunnel 31. Bezugsziffer 32 bezeichnet mit Reflektoren signalisierte Anschlusspunkte
in dem Tunnel 31. Ein Messinstrument 33 befindet sich auf einem Stativ. Messstrahlen
34 treffen auf die Anschlusspunkte 32. An der Spritzbetonmaschine befinden sich optionale
Referenzpunkte 35. Eine Sollgeometrie 36 des Tunnels 1 ist in einem übergeordneten
Koordinatensystem bestimmt. Ein frisch ausgebrochener aktueller Abschlag 37 wird erfasst.
Es finden kontinuierliche Messungen 38 zum Soll-Ist-Vergleich statt, so dass die Spritzbetonmaschine
39 mit einem Arm und der daran angebrachten Spritzbetondüse entsprechend Beton aufbringt.
1. Verfahren zum Aufbringen von Spritzbeton auf eine Oberfläche eines Hohlraums oder
eines Gegenstands mit Hilfe einer Spritzbetonmaschine und eines Messsystems,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
i) Bestimmung und Angabe der Sollgeometrie des Hohlraums oder Gegenstands in einem
übergeordneten Koordinatensystem;
ii) Bestimmung der Lage und Orientierung des Messinstruments des Messsystems in dem
übergeordneten Koordinatensystem;
iii) Übertragung der Daten der Sollgeometrie auf das Messsystem;
iv) Abscannen eines Messbereichs des Hohlraums oder Gegenstands und Erfassung einer
Istgeometrie;
v) Vergleich der Istgeometrie mit der Sollgeometrie;
vi) Darstellung der Differenz zwischen Istgeometrie und Sollgeometrie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte kontinuierlich durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messinstrument räumlich beabstandet von einer Spitzbetondüse der Spritzbetonmaschine
angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzbetonmaschine eine Steuereinheit zur automatischen Steuerung der Spritzbetonmaschine
mit einer Datenübertragung von dem Messsystem aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen Istgeometrie und Sollgeometrie durch eine Einfärbungsregel
in einem Schaubild darstellbar ist.