Verschleiß im Tunnelbau: Forschungsprojekt optimiert Prognosen und Werkzeuge

Das TuBa-V Team (v.l.): Prof. Dr. Peter Erdmann, Prof. Dr. Christoph Budach und Prof. Dr. Danka Katrakova-Krüger (Bild: Costa Belibasakis / TH Köln)

„Bei Tunnelbauprojekten ist der ungeplante Maschinenstillstand ein erheblicher Kostentreiber. Studien zeigen, dass die Inspektion und der Austausch verschlissener Werkzeuge die Gesamtkosten eines Projekts um bis zu 20 Prozent erhöhen können“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Christoph Budach vom Institut für Baustoffe, Geotechnik, Verkehr und Wasser der TH Köln. „Bisher fehlen jedoch standardisierte Verfahren, um den Verschleiß im Lockergestein unter Realbedingungen exakt vorherzusagen.“

Besonderheiten des Tunnelbaus berücksichtigen

Das Team der TH Köln hat in abgeschlossenen Forschungsprojekten bereits umfangreich zur Abrasivität des Bodens – also seiner Fähigkeit, andere Oberflächen durch Reibung und mechanischen Kontakt abzunutzen – im Erdbau geforscht. In TuBA-V werden die dabei gewonnenen Erkenntnisse auf den Tunnelbau mit seinen spezifischen Randbedingungen übertragen. So kommen etwa sogenannte Hydroschilde beim Tunnelbau in nicht standfestem Untergrund zum Einsatz. Ein Wasser-Ton-Gemisch stützt dann den abgebauten Boden und wird mit ihm durch kilometerlange Rohre abtransportiert. Mithilfe einer sogenannten „Darmstädter Kipprinne“ untersucht das Team, welche Rohrtypen bei unterschiedlichen Böden die geringsten Verschleißerscheinungen aufweisen.

„Im Lockergestein kommen hingegen Erddruckschilde zum Einsatz, bei denen der Boden mit Schaum konditioniert wird, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Wir möchten wissen, wie die zugefügten Konditionierungsmittel den Verschleiß beeinflussen und werden dies mit umfangreichen Testreihen prüfen“, sagt Prof. Dr. Danka Katrakova-Krüger vom Labor für Werkstoffe der TH Köln.

Neues Abbauwerkzeug mit integrierten Sensoren

Die Forschungsarbeit umfasst zudem eine detaillierte Prozessanalyse. „Wir möchten die Wechselwirkungen zwischen Boden und Werkzeug digital abbilden. Dafür simulieren wir, wie die Werkzeuge am Schneidrad der Tunnelbohrmaschine Material abtragen und welche Kräfte auf sie wirken“, erläutert Prof. Dr. Peter Erdmann vom Institut für Bau- und Landmaschinentechnik der TH Köln. Auf Basis dieser Erkenntnisse soll ein Schneidwerkzeug (Schälmesser) geometrisch und technisch optimiert werden. Die so entwickelten Prototypen werden dann unter Praxisbedingungen validiert.

Parallel dazu entwirft das Team ein Messsystem, das direkt in die Abbauwerkzeuge integriert werden soll. Dessen Sensoren erfassen während des Tunnelvortriebs kontinuierlich Prozessgrößen wie Temperatur, Vibrationen und Materialabtrag. „Diese Echtzeit-Daten ermöglichen eine modellgestützte Zustandsbeobachtung. Das Ziel dabei ist, kritische Ereignisse wie zum Beispiel plötzliche Rissbildung frühzeitig erkennen und den optimalen Zeitpunkt für einen Werkzeugwechsel vorhersagen zu können“, so Erdmann weiter.

Enge Verzahnung von Labor und Baustelle

Zentrale Aspekte des Projekts sind die Übertragbarkeit der Laborergebnisse auf die reale Baustelle und die Einbindung von vier Industriepartnern, die unter anderem Bodenproben, Rohre und Abbauwerkzeuge zur Verfügung stellen. Am Ende der vierjährigen Laufzeit sollen verbesserte Modelle und konkrete Handlungsempfehlungen für die Branche vorliegen. Diese helfen Unternehmen dabei, die Abrasivität bereits in der Planungsphase genauer einzuschätzen, technische Beschreibungen anzupassen und Angebote realistisch zu kalkulieren.