Die Erfindung betrifft eine Bodenabtragsvorrichtung zum Erstellen eines Loches im Boden mittels eines Abtragswerkzeuges, welches zum Abtragen von Bodenmaterial ausgebildet und antreibbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erstellen eines Loches im Boden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 .

Für ein effizientes Abtragen von Bodenmaterial ist es von wesentlicher Bedeutung, die Art des zu bearbeitenden Bodens zu kennen. Jede Bodenart weist eine bestimmte Festigkeit auf, für welche jeweils die passenden Abtragsparameter, insbesondere hin sichtlich Schnittgeschwindigkeit und Vorschub, an einer Bodenabtragsvorrichtung ein zustellen sind. Insbesondere bei einem vertikalen Niederbringen eines Loches in den Boden besteht ein Problem darin, dass der Boden üblicherweise aus verschiedenen Bodenschichten aufgebaut ist. Werden etwa Maschinenparameter für einen Sand- o- der Tonboden eingestellt, so können diese Parameter beim Abtragen von felsigen Bo denschichten nachteilig sein. Insbesondere kann sich ein übermäßiger Verschleiß am Abtragswerkzeug einstellen, wenn eine Schnittgeschwindigkeit für Abtragszähne oder ein Vorschub zu groß eingestellt sind.

Aus der EP 3 536 900 A1 ist ein Verfahren und ein Baugerät zur Bodenbearbeitung bekannt, bei welchen ein Bodenbearbeitungswerkzeug drehend angetrieben wird. Mit tels einer Schallmesseinrichtung wird der beim Bearbeiten des Bodens entstehende Schall erfasst. Mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit wird anhand der erfassten Schallwerte die Art des Bodens bestimmt. Dies kann zur Steuerung des Baugeräts eingesetzt werden. Ein weiteres Verfahren zur Bodenbearbeitung und Bestimmung der Bodenart mittels Schallmessung bei einer Tunnelbohrmaschine sind aus der DE 10 2007 005 560 A1 bekannt.

Eine Bestimmung der Bodenart aufgrund der Schallabstrahlung des Bodens bei einer Einwirkung auf diesen stellt eine indirekte Ermittlung der Bodenart dar. Voraussetzung für eine Bestimmung der Bodenart ist dabei, dass vorausgehende Messungen durch geführt werden, anhand welcher ein Schallabstrahlungsverhalten der verschiedenen Bodenarten ermittelt ist. Allerdings können bereits kleine Änderungen am Boden, etwa hinsichtlich des Wassergehaltes von Bodenschichten, der Tiefe der Bodenschicht oder auch bei den Bearbeitungsparametern einer Maschine oder auch an den Abtragsele menten selbst einen Einfluss auf die Schallabstrahlung des Bodens haben. Hierdurch wird eine zuverlässige und schnelle Erkennung des Bodens erschwert.

Weiter sind Einpresssonden mit einem Schauglas bekannt, welche in einen Boden eingedrückt werden können. Durch das Schauglas kann mittels einer Kameraanord nung der umgebende Boden beobachtet werden. Über die hierbei erfassten Bilder kann eine Aussage über den Aufbau des Bodens getroffen werden.

Aus der KR 2015 0 139 108 A oder der EP 3 428 388 A1 gehen Tunnelbohrungen hervor, wie sie beispielsweise zum Bau von U-Bahn- oder Straßentunnels zum Einsatz kommen. Diese weisen ein Bohrschild mit einer Vielzahl von Rollenmeißeln auf, wobei die Bohrschilder einen Durchmesser von bis zu 10 Metern und mehr aufweisen kön nen. An den Bohrschildern kann eine Kameraeinheit vorgesehen sein.

Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine Bodenabtragsvorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen eines Loches im Boden anzugeben, welche ein besonders effizientes Abtragen von Bodenmaterial ermöglichen.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung zum einen durch eine Bodenabtragsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum andern durch ein Verfahren mit dem Merkmal des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Bodenabtragsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abtragswerkzeug mindestens eine Bilderfassungseinheit angeordnet ist, welche zum Erstellen eines Bildes des anstehenden Bodens beim Einbringen des Abtrags werkzeuges in den Boden unter Abtragen von Bodenmaterial ausgebildet ist.

Eine Grundidee der Erfindung kann darin gesehen werden, eine Bodenabtragsvorrich tung zum Erstellen eines Loches im Boden unter Abtragen von Bodenmaterial, also einem Zerkleinern und Abfördern von Bodenmaterial, mit mindestens einer Bilderfas sungseinheit an dem Abtragswerkzeug selbst zu versehen, mit welcher ein oder meh rere Bilder, welche auch einen Film bilden können, beim Einbringen des Abtragswerk zeuges in den Boden und beim Ausheben des Loches erstellt werden. Somit kann bereits während des Abtragens von Bodenmaterial der anstehende Boden erfasst wer den. Dabei wird eine direkte, unmittelbare Erfassung des anstehenden Bodens durch geführt. Bilder des anstehenden Bodens lassen einen unmittelbaren Rückschluss ins besondere auf die Bodenart, Bestandteile im Boden und/oder Eigenschaften des Bo dens zu.

Grundsätzlich kann die Bilderfassungseinheit das abgetragene Bodenmaterial erfas sen. Besonders bevorzugt ist es jedoch, dass die mindestens eine Bilderfassungsein heit an dem Abtragswerkzeug an einer Stelle angeordnet ist, an welcher der Boden unmittelbar angrenzt. Durch eine Erfassung des möglichst unbearbeiteten Bodens lässt sich eine besonders genaue Bodenerkennung durchführen. Die Bilderfassungs einheit kann dabei an einer Außenseite des Abtragswerkzeuges, insbesondere in ei nem unteren oder seitlichen Bereich angeordnet sein. Die Bilderfassungseinheit kann dabei einen oder mehrere elektronische Bilderfassungssensoren, insbesondere CCD- Sensoren aufweisen, welche eine elektronische Bilderfassung ermöglichen. Die licht empfindlichen Sensoren können unmittelbar an dem Abtragswerkzeug oder beab- standet hierzu angeordnet sein, wobei im letzteren Fall über eine Optik ein Bild erfasst und mit einem Lichtleiter an den Sensor weitergeleitet werden kann. Zusätzlich kann an der Bilderfassungseinheit ein Beleuchtungselement vorgesehen sein. Dieses kann ein natürliches Licht oder ein spezielles Licht, etwa ein farbiges und/oder polarisiertes Licht, aussenden, welches für die Bilderfassung und Auswertung geeignet ist. Die er fassten Bilder können vorzugsweise drahtlos oder mittels einer Datenleitung zu einer entsprechenden Auswerteeinheit an der Bodenabtragsvorrichtung weitergeleitet wer den.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass das Abtragswerk zeug als ein Bohrwerkzeug mit einer Bohrachse ausgebildet ist, um welche das Bohr werkzeug drehend antreibbar und entlang welcher das Bohrwerkzeug vortreibbar ist. Die Bohrachse kann dabei im Wesentlichen vertikal angeordnet sein, so dass ein Bohr loch von der Bodenoberfläche vertikal nach unten etwa zur Erstellung eines Grün dungspfahles im Boden eingebracht werden kann. Zum Antreiben können ein Drehan trieb und gegebenenfalls ein Vorschubantrieb vorgesehen sein. Das Bohrwerkzeug kann eine Bohrschnecke, ein Kastenbohrer oder ein sonstiges Bohrwerkzeug sein.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass das Bohrwerkzeug mit einer Pilotspitze an ei nem unteren Ende ausgebildet ist und dass die mindestens eine Bilderfassungseinheit im Bereich der Pilotspitze angeordnet ist. Eine Pilotspitze wird auch als Zentrierspitze bezeichnet und ist üblicherweise am unteren Ende des Bohrwerkzeuges mittig zur Bohrachse angeordnet. Die Pilotspitze ist dabei der unterste oder vorderste Bereich des Bohrwerkzeuges, welches in den noch weitgehend unbearbeiteten Boden vor dringt. Mit einer Bilderfassungseinheit im Bereich der Pilotspitze können so Bilder des unmittelbar anstehenden Bodens mit hoher Zuverlässigkeit erstellt werden.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann darin gesehen wer den, dass die Pilotspitze einen Schaft aufweist, an dessen unterem Ende mindestens ein Abtragselement angeordnet ist, und dass die mindestens eine Bilderfassungsein heit an dem Schaft angeordnet ist. Damit befindet sich die Bilderfassungseinheit nicht im vorderen Bereich der Pilotspitze. Dieser vordere Bereich wird von einem oder meh reren Abtragselementen, insbesondere Abtragsschneiden oder Abtragsspitzen, gebil det. In einer Bohrvortriebsrichtung hintenliegend ist die mindestens eine Bilderfas sungseinheit an einem vorzugsweise zylindrischen Schaft der Pilotspitze angeordnet. Die Bilderfassungseinheit ist dabei vorzugsweise von einem transparenten Schutzele ment abgedeckt und geschützt. Das transparente Schutzelement kann insbesondere ein gehärtetes Mineralglas sein. Der Schaft weist dabei einen entsprechenden Auf nahmeraum für die gesamte Bilderfassungseinheit oder einen Teil hiervon auf, wobei die Bilderfassungseinheit lösbar an der Pilotspitze gehaltert ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Abtragswerkzeug mindestens ein Fräsrad aufweist und dass die mindestens eine Bilderfassungseinheit an dem mindestens einen Fräsrad und/oder an einem Getriebe schild angeordnet ist, an welchem das mindestens eine Fräsrad drehend antreibbar gelagert ist. Zumindest ein Teil der Bilderfassungseinheit kann dabei vorzugsweise an einer Außenseite des Fräsrades in dessen Nabenbereich angeordnet sein. Der Naben bereich kann dabei feststehend oder mitdrehend mit dem drehend angetriebenen Fräsrad sein. Alternativ oder ergänzend kann eine Bilderfassungseinheit auch am Ge triebeschild der Bodenabtragsvorrichtung, insbesondere einer Schlitzwandfräse, an geordnet sein, an welchem das mindestens eine Fräsrad drehend gelagert ist. Vor zugsweise sind an einem Getriebeschild mindestens ein Paar Fräsräder zu beiden Seiten des Getriebeschildes oder insgesamt zwei Paare drehbar gelagert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Abtragswerkzeug Greiferschaufeln eines Greifers umfasst. Vorzugsweise kann wenigstens eine Bilderfassungseinheit an einem Außenbereich eines Greiferrahmens angeordnet sein.

Erfindungsgemäß ist die Bodenabtragsvorrichtung als ein Bohrgerät, eine Schlitz wandfräse oder ein Schlitzwandgreifer ausgebildet ist, welche jeweils ein mobiles Trä gergerät umfassen. Das Trägergerät kann insbesondere ein Raupenfahrwerk aufwei sen, an welchem das Bohrwerkzeug, die Fräse oder der Greifer vorzugsweise vertikal verfahrbar entlang eines Mastes gelagert sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass eine Rech nereinheit vorgesehen ist, welche mit der mindestens einen Bilderfassungseinheit in Verbindung steht und ausgebildet ist, Bilder, welche von der Bilderfassungseinheit auf genommen worden sind, auszuwerten und basierend hierauf eine Bodenart, Bestand teile im Boden und/oder Eigenschaften des Bodens zu bestimmen. Die Rechnereinheit ist mit einer entsprechenden Auswertesoftware versehen, welche beispielsweise eine Farbe des Bodens, die Konsistenz, Größen von Poren, Korngrößen von Bestandteilen des Bodens sowie eine Verteilung von Bestandteilen erfassen kann. Auf diese Weise können beispielsweise Sandschichten, Kiesschichten, Tonschichten oder felsige Bo denschichten unmittelbar erfasst werden. Auch können ohne Weiteres Anteile von Sand oder Kies und deren Korngrößen von einer entsprechenden Auswertesoftware erfasst und bestimmt werden. Basierend hierauf lässt sich auch feststellen, ob Schich ten wasserhaltig, wassersperrend oder bindig sind. Auch sonstige physikalische und chemische Eigenschaften des Bodens können bestimmt werden. Die Software kann dabei eine Datenbank mit bestehenden Bildern und zugeordneten Bodenarten, Be standteilen im Boden und/oder Eigenschaften des Bodens aufweisen, so dass gege benenfalls durch einen Vergleich mit hinterlegten Daten eine besonders genaue Be stimmung des Bodens ermöglicht wird.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass die Rechnereinheit mit einer Steuerung verbunden ist, durch welche mindestens ein Antrieb der Bodenabtragsvorrichtung abhängig von den ausgewerteten Bildern steuerbar ist. Wird beispielsweise durch die Rechnereinheit festgestellt, dass ein Über gang von einer Sandschicht im Boden zu einer felsigen Bodenschicht vorliegt, so kann anhand der ausgewerteten Bilder durch die Steuerung ein Antrieb der Bodenabtrags vorrichtung geändert und entsprechend dem neuen Boden angepasst werden. Bei ei nem Bohrgerät kann beispielsweise die Drehgeschwindigkeit des Bohrwerkzeuges re duziert und eine Vorschubkraft auf das Bohrwerkzeug oder Vorschubgeschwindigkeit herabgesetzt werden. Dabei werden durch die Steuerung entsprechende Werte ein gestellt, welche in einer Datenbank für die jeweilige Bodenart hinterlegt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zuvor be schriebene, erfindungsgemäße Bodenabtragsvorrichtung eingesetzt wird, wobei mit tels der mindestens einen Bilderfassungseinheit an dem Abtragswerkzeug beim Ein bringen des Abtragswerkzeuges in den Boden und Abtragen von Bodenmaterial ein oder mehrere Bilder des anstehenden Bodens erfasst werden.

Es erfolgt eine unmittelbare Erfassung des anstehenden Bodens beim Abtragen von Bodenmaterial. Hierdurch ist eine Steuerung in Echtzeit möglich, so dass unmittelbar auf Änderungen von Bodenschichten beim Abtragen von Bodenmaterial reagiert wer den kann.

Eine bevorzugte Verfahrensvariante der Erfindung besteht darin, dass die von der min destens einen Bilderfassungseinheit erfassten Bilder an eine Rechnereinheit weiter geleitet werden, welche die erfassten Bilder auswertet und basierend auf den erfassten Bildern eine Bodenart, Bestandteile im Boden und/oder Eigenschaften des Bodens bestimmt. Die Rechnereinheit kann dabei vorzugsweise außerhalb des Loches im Bo den an einem Trägergerät angeordnet sein.

Für eine unmittelbare Steuerung der Bodenabtragsvorrichtung ist es nach einer Wei terbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Rechnereinheit mit einer Steuerung verbunden ist, welche mindestens einen Antrieb der Bodenabtragsvorrichtung abhän gig von den ausgewerteten Bildern steuert.

Eine weitere vorteilhafte Verfahrensvariante kann darin gesehen werden, dass durch die Rechnereinheit basierend auf den ausgewerteten Bildern ein Bodenprofil über die Abtragstiefe erstellt wird. Das Bodenprofil kann dabei in der Rechnereinheit abgespei chert und bei der Erstellung weiterer Löcher im Nahbereich berücksichtigt werden. Ein derartiges abgespeichertes Bodenprofil vereinfacht bei einer nachfolgenden Bodenbe arbeitung insbesondere das Erkennen eines Überganges zwischen Bodenschichten.

Eine weitere Verbesserung der Auswertung kann nach einer Weiterbildung der Erfin dung dadurch erzielt werden, dass die Rechnereinheit vorausgehend durch Eingeben von Bildern mit einer zugeordneten Bodenart, Bestandteilen im Boden und/oder Ei genschaften des Bodens kalibriert wird. Eine derartige Kalibrierung kann insbesondere durch eine bestehende und vorab eingegebene Datenbank erreicht werden. Weiter kann an einem Bearbeitungsort ein erstes Probeloch erstellt werden, zu welchem dann ein Bodenprofil erstellt wird, bei welchem Bilder die jeweilige Bodenart, Bestandteil im Boden und/oder Eigenschaften des Bodens zugeordnet werden.

Nach der Erfindung kann die Bodenabtragsvorrichtung im Wesentlichen auf das Ab tragswerkzeug reduziert sein, oder ein Gerät mit Antriebseinheiten umfassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wei ter beschrieben, welches schematisch in den beigefügten Figuren dargestellt ist. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bodenabtragsvor richtung;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des unteren Bereiches der Bodenabtragsvorrich tung von Fig. 1 ; Fig. 3 eine Seitenansicht der Bodenabtragsvorrichtung von Fig. 1 in einem ver größerten Maßstab;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Bodenabtragsvorrichtung von Fig. 3.

Eine erfindungsgemäße Bodenabtragsvorrichtung 10 ist in der einfachsten Form ge mäß Fig. 1 als ein Abtragswerkzeug 20 ausgebildet, welches im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel ein Bohrwerkzeug 21 ist. Das Abtragswerkzeug 20 weist an seiner Ober seite eine Verbindungseinrichtung 26 auf, mit welcher eine Verbindung zu einem nicht dargestellten Bohrgestänge herstellbar ist, welches von einem Drehantrieb eines grundsätzlich bekannten Bohrgerätes angetrieben werden kann. Das nicht dargestellte Bohrgestänge und das nicht dargestellte Bohrgerät können Teil der erfindungsgemä ßen Bohrvorrichtung 10 sein.

An einem unteren Ende des Abtragswerkzeuges 20 ist ein Boden 40 mit einer nach unten vorstehenden Pilotspitze 30 angeordnet, welche näher in den Figuren 2 bis 4 dargestellt sind.

Das Bohrwerkzeug 21 ist als ein grundsätzlich bekannter Kastenbohrer ausgebildet, welcher auch als Bohreimer bezeichnet wird. Dieser weist einen zylindrischen Aufnah mekörper 22 auf, an dessen Unterseite ein Boden 40 über ein Drehgelenk 44 auf schwenkbar gelagert ist.

In der Darstellung gemäß den Figuren 2 bis 4 befindet sich der Boden 40 in einer geschlossenen oder verriegelten Position. Zum Verriegeln ist eine Verriegelungsein richtung 46 vorgesehen, welche über eine nur teilweise dargestellte Löseinrichtung 48 von der Oberseite des Abtragswerkzeuges 20 gelöst werden kann. Im gelösten Zu stand kann der Boden 40 zum Entleeren des Aufnahmekörpers 22 von abgetragenem Bodenmaterial nach unten aufgeschwenkt werden.

Der Boden 40 weist eine verriegelbare Bodenplatte 41 auf, an welcher verdrehbar ein Drehboden 42 gelagert ist, welcher zwischen einer Verschlussposition und einer Öff nungsposition drehbar ist. In der Öffnungsposition ist eine Öffnung 43 freigegeben, so dass von am Boden angebrachten Abtragszähnen 45 abgetragenes Bodenmaterial durch die Öffnung 43 in den inneren Hohlraum des Aufnahmekörpers 22 gelangen kann. Bei Erreichen eines bestimmten Füllgrades kann der Drehboden 42 verdreht und so die Öffnung 43 geschlossen werden. In diesem geschlossenen Zustand kann das gefüllte Bohrwerkzeug 21 aus einem Bohrloch gezogen und zu einer Entleerstelle be wegt werden. Der Aufnahmekörper 22 ist an seiner Oberseite mit einer Deckplatte 24 abgeschlossen, an welcher die Verbindungseinrichtung 26 angebracht ist.

An der Unterseite des Bodens 40 ist eine Pilotspitze 30 angeordnet. Die Pilotspitze 30 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Schaft 32 auf, an dessen unterem Ende Abtragselemente 34 ausgebildet sind, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenso wie die Abtragszähne 45 als Abtragsmeißel ausgeführt sind.

Im Bereich des Schaftes 32 der Pilotspitze 30 ist zumindest ein Teil einer Bilderfas sungseinheit 50 angeordnet. Die Bilderfassungseinheit 50 ist dabei im Wesentlichen radial gerichtet, um vorzugsweise farbige Bilder vom anstehenden Boden zu erstellen und diese an eine nicht gezeigte Rechnereinheit, welche beabstandet zu dem Abtrags werkzeug 20 ist, zu leiten, um eine Bodenart, Bestandteile im Boden und/oder Eigen schaften des Bodens zu erfassen und zu bestimmen.