Forschungsprojekt "REMATCH"

Ressourceneffizienter Tunnelbau
auf Basis einer Echtzeit-Charakterisierung des Ausbruchmaterials

Laufzeit: 2021 - 2024

REMATCH - Ressourceneffizienter Tunnelbau auf Basis einer Echtzeit-Charakterisierung des Ausbruchmaterials (Bild: Herrenknecht AG)

„REMATCH – Ressourceneffizienter Tunnelbau auf Basis einer Echtzeit-Charakterisierung des Ausbruchmaterials“ ist ein Forschungsprojekt, das vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der französischen Agence Nationale de la Recherche (ANR) im Rahmen einer bilateralen Kooperation „Förderung von deutsch-französischen Projekten zum Thema Künstliche Intelligenz“ von 2021 bis 2024 gefördert wird. Projektpartner sind Unternehmen und Forschungseinrichtungen.

Impressionen vom Tunnelbau (Bild: Herrenknecht AG)

Im Rahmen der angestrebten Ressourceneffizienz spielen Tunnelprojekte eine besondere Rolle, da große Mengen an Aushubmaterial zeitlich und örtlich punktuell anfallen. Fast die Hälfte der Tunnel wird mit Tunnelbohrmaschinen (TBM) gebaut. Bei den sogenannten Erddruckschilden (engl. Earth Pressure Balance Shield, kurz EPB) wird der  abgebaute Boden selbst als Stützmedium genutzt.

Hierfür werden am Schneidrad der TBM sogenannte Konditionierungsmittel in  Form von Suspensionen oder Schäumen zugegeben, sodass ein pastöser bis flüssiger Erdbrei vorliegt. Der typische Einsatzbereich einer EPB-TBM ist Lockergestein in Form von Tonen, Schluffen, Sanden und sogar Kiesen.

Von der Tunnelbaumaschine gefördertes Abbruchmaterial (Bild: Chistoph Budach, TH Köln)

Während Ausbruchmaterial aus Hartgestein vergleichsweise einfach, zum Beispiel als Gesteinskörnung in Beton, eingesetzt werden kann, ist dies bei Lockergestein ungleich schwieriger. Denn der konditionierte Erdbrei weist im Vergleich zur natürlichen Geologie eine wesentlich geringere Festigkeit auf.

Für eine Verwertung im Sinne der Kreislaufwirtschaft für andere bautechnische Zwecke (zum Beispiel einen Erdwall oder eine Straßenunterkonstruktion) ist daher eine aufwändige Bodenbehandlung durch Zugabe von Kalk o.ä. erforderlich. Wenn dies nicht wirtschaftlich möglich ist, wird das Ausbruchmaterial zumeist auf einer Deponie beseitigt. Zur Erhöhung der Ressourceneffizienz muss daher einerseits Ziel sein, so wenig Konditionierungsmittel wie möglich einzusetzen, und andererseits eine möglichst vollständige und hochwertige Verwertung des Ausbruchmaterials zu erreichen.

Eindrücke vom Versuchsstand und von der darauffolgenden Analyse des Materials im Labor für Geotechnik und Tunnelbau der TH Köln (Bild: TH Köln)

Zwar sind TBM heutzutage mit diversen Sensoren ausgestattet, jedoch erfolgt bislang anstelle einer automatisierten Regelung der Konditionierungsmittelzugabe eine manuelle Dosierung.

Grund hierfür ist vor allem, dass kein direkter Abgleich von Soll- und Ist-Werten der Bodenparameter auf dem Förderband möglich ist.

Aus diesem Grund ist das Ziel von REMATCH, eine Echtzeit-Charakterisierung von Ausbruchmaterial auf der Basis von Methoden Künstlicher Intelligenz (KI) vorzunehmen.

Aufnahme des bewegten Materials auf dem Testförderband und daraus abgeleitete Kornlinie (Bild: TH Köln / Herrenknecht AG)

Bilderkennung von Ausbruchmaterial

Aktuell wird in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern ein Modell trainiert, das eine Verknüpfung zwischen repräsentativen Bildern und sicher bestimmten Bodenparametern schafft.

Zentrum der Forschung ist ein rund 50 Meter langer Versuchsstand des Projektpartners Herrenknecht AG. Dort wird Material unterschiedlicher Beschaffenheit auf einem Förderband transportiert und gefilmt. Mit den Aufnahmen trainiert eine Künstliche Intelligenz (KI), die später auf der Tunnelbohrmaschine Aussagen über das gerade geförderte Material treffen soll. Die Aufgabe des Labors für Geotechnik und Tunnelbau der TH Köln ist unter anderem dabei die Analyse und genaue Beschreibung des Testmaterials, um sicherzustellen, dass die KI zu korrekten Ergebnissen kommt.

https://www.th-koeln.de/hochschule/sand-kies-oder-ton-das-erkennt-die-ki_105052.php

https://rematch.stuva.de/info

https://www.kooperation-international.de/foerderung/projekte/detail/info/verbundprojekt-rematch-ressourceneffizienter-tunnelbau-auf-basis-einer-echtzeit-charakterisierung-des-ausbruchmaterials

https://rematch.stuva.de/wp-content/uploads/2023/04/Flyer_REMATCH_DE_2023-01-26-Freigabe.pdf