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Es sind gewaltige Erdmassen, die bei einem Tunnelbau weggebaggert werden. Pro Stunde können mehr als 200 t Material anfallen. Dieser Aushub landet meist auf Deponien, wenn er nicht auf der gleichen Baustelle zwischengelagert und wieder eingesetzt werden kann. Deponieraum ist knapp, der Transport mit Lkw teuer. Nun haben die TH Köln und ihre Partner ein KI-gestütztes System entwickelt, mit dem das Bodenmaterial direkt nach dem Abtragen qualitativ untersucht wird, um eine nachhaltige Verwertung zu ermöglichen.
„Aushub aus dem Tunnelbau kann je nach Charakterisierung vielfältig genutzt werden, zum Beispiel als Straßenunterbau oder Betonzuschlagsstoff. Dazu muss das Material aber noch auf der Baustelle möglichst sortenrein getrennt werden. Um dies überhaupt möglich zu machen, haben wir ein System entworfen, das auf künstlicher Intelligenz basiert und künftig die für die Sortierung maßgeblichen geotechnischen Parameter in Echtzeit ermitteln soll“, erläutert Christoph Budach von der Fakultät für Bauingenieurwesen und Umwelttechnik der TH Köln.
Neuentwickelte Instrumente messen Kräfte im Materialstrom
Von Interesse ist zum Beispiel das sogenannte Setzmaß des Bodens, das die Verarbeitbarkeit bzw. die Fließfähigkeit des abgebauten Materials beschreibt. Auch Parameter wie die Scherfestigkeit und der Wassergehalt sind bei der Beurteilung wichtig, denn sie geben Auskunft über die Standsicherheit einzubauender Böden. „Diese Kenngrößen lassen sich mit den üblichen Methoden im laufenden Betrieb einer Erddruckschildmaschine, einem besonders häufig eingesetzten Typ einer Tunnelbohrmaschine, nicht kontinuierlich bzw. nur sehr schwer ermitteln“, sagt Pierre Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehr- und Forschungsgebiet Geotechnik und Tunnelbau der TH Köln. „Wir haben daher ein Kugelpendel und einen Pflug über dem laufenden Förderband montiert. Es wird dann gemessen, wie stark das vorbeifließende Material die Instrumente bewegt, und die Kraftverläufe werden dokumentiert. Diese Kräfte sehen etwa bei sandigem Boden ganz anders aus als bei tonhaltigem.“
Die Kölner Forschenden haben daher ein KI-System dahingehend trainiert, dass es aus der Krafteinwirkung auf die Messgeräte auf die geotechnischen Eigenschaften des Aushubmaterials schließen kann. Anhand der gewonnenen Daten können die Maschinenführer im Tunnel den Aushub bereits auf dem Förderband klassifizieren und eine entsprechende Sortierung einleiten.
Getestet unter realen Bedingungen mit Projektpartner Herrenknecht AG
Seine Fähigkeiten unter Beweis gestellt hat das System bereits beim Projektpartner der Stuva e. V. in Köln. Um den Verhältnissen auf einer Tunnelbohrmaschine besser gerecht zu werden, errichtete der Projektpartner Herrenknecht AG ein rund 50 m langes Testförderband im Maßstab 1:1 an seinem Hauptsitz in Schwanau, Baden-Württemberg. Dort konnten viele verschiedene Proben unter realen Bedingungen untersucht und klassifiziert werden. Zudem wurden die im Projekt neu entwickelten Messgeräte in einem realen Einsatz bei einem Tunnelbauprojekt erprobt.
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