Digitaler Zwilling im Tunnelbau: Risiken verstehen

Die Luftaufnahme zeigt den Eingang eines Tunnels, der von dichter Waldlandschaft umgeben ist.

Foto: Seequent

Digitale Zwillinge im Tunnelbau verändert grundlegend, wie wir den unsichtbaren Untergrund verstehen und beherrschen. Bauen im Untergrund bedeutet Arbeiten mit Unsicherheiten. Gerade im Tunnelbau treffen komplexe Geologie, alternde Infrastruktur und steigende Anforderungen an Nachhaltigkeit aufeinander. Digitale 3-D-Modelle, Simulationen und Digitale Zwillinge verändern den Umgang mit Risiken – und eröffnen neue Perspektiven für Planung, Bau und Betrieb.

Der Tunnelbau steht wie kaum ein anderer Bereich des Tiefbaus für technische Komplexität, hohe Risiken und enorme gesellschaftliche Verantwortung. Alternde Infrastruktur, steigende Nachhaltigkeitsanforderungen und immer dichter bebaute Räume verschärfen die Herausforderungen zusätzlich. Im Interview erklärt Manuel Aukenthaler, Bauingenieur und Geotechniker, warum der Bau im „Unsichtbaren“ neue digitale Antworten verlangt – und wie integrierte 3-D-Modelle, Simulationen und Digitale Zwillinge Planung, Bau und Betrieb von Tunneln grundlegend verändern.

Digitaler Zwilling im Tunnelbau: Wenn der Untergrund sichtbar wird

Aus Ihrer Erfahrung heraus: Warum gilt der Tunnelbau als einer der komplexesten Bereiche im Tiefbau, und welche Herausforderungen haben sich in den letzten Jahren besonders verschärft?

Manuel Aukenthaler: Die grundlegende Herausforderung im Tunnelbau war schon immer der Baugrund – das sprichwörtliche ‚Bauen im Unsichtbaren‘. Daran hat sich nichts geändert. Was sich aber dramatisch verschärft hat, sind die heutigen Rahmenbedingungen, die zu dieser bekannten Unsicherheit hinzukommen.

Zum einen bauen wir immer häufiger in dicht besiedelten Städten. Dort müssen wir nicht nur durch den Baugrund navigieren, sondern durch ein komplexes Netz aus Fundamenten und Leitungen, wo jede Setzung an der Oberfläche hohe Risiken birgt.

Zum anderen sind die Projekte selbst viel anspruchsvoller geworden. Wir realisieren heute technische Meisterleistungen wie den Brenner Basistunnel die über Jahrzehnte sicher funktionieren müssen. Gleichzeitig sind die gesellschaftlichen Anforderungen an Sicherheit, Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit enorm gestiegen – vom CO₂-Fußabdruck bis zum Brandschutz.

Und drittens kommt die riesige Aufgabe hinzu, unsere alternde Infrastruktur zu sanieren – oft bei laufendem Betrieb.

Es ist also genau diese Kombination: Die altbekannte geotechnische Unsicherheit trifft auf die extrem hohen Anforderungen moderner, urbaner und nachhaltiger Bauprojekte sowie den Sanierungsdruck. Das hebt die Komplexität heute auf ein völlig neues Level.

Digitalisierung im Tunnelbau: Vom punktuellen Wissen zum ganzheitlichen 3-D-Modell

Klassisch basiert die Planung oft auf Annahmen und punktuellen Erkundungen. Wie verändert der Einsatz digitaler Werkzeuge den Umgang mit dem „Unsichtbaren“ im Untergrund?

Aukenthaler: Digitale Werkzeuge machen das Unsichtbare sichtbar. Statt uns auf wenige, punktuelle Bohrungen zu verlassen, erschaffen wir ein vollständiges 3-D-Bild des Untergrunds. Mit Software wie Seequents Leapfrog Works führen wir alle verfügbaren Daten – von geophysikalischen Messungen und Berichterstattungen bis hin zu Bohrprofilen – zu einem einzigen, dynamischen Baugrundmodell zusammen. So können wir schon vor dem ersten Spatenstich virtuell durch den Baugrund sozusagen fliegen und verstehen, was uns auf der gesamten Trasse erwartet – und das noch vor Baubeginn.

Mit Software wie Seequents Plaxis lassen sich Boden- und Gebirgsreaktionen simulieren. Welche typischen Fehler oder Risiken können dadurch bereits in frühen Planungsphasen vermieden werden?

Aukenthaler: Durch Simulationen vermeiden wir teure Fehlentscheidungen, bevor der erste Bagger rollt. Ganz konkret können wir drei typische Risiken ausschließen:

Erstens unerwartete Setzungen an der Oberfläche: Das ist gerade im städtischen Raum entscheidend. Wir können realitätsnah und präzise berechnen, welche Auswirkungen der Tunnelbau auf bestehende Gebäude oder eine darüberliegende Bahnstrecke hat und so Schäden von vornherein vermeiden.

Zweitens Fehleinschätzungen der Gebirgsreaktion beim Vortrieb: Wir simulieren, wie der Baugrund des Gebirges auf die Entlastung durch den Ausbruch reagiert. Das hilft uns, die notwendigen Sicherungsmaßnahmen wie Anker oder Spritzbeton optimal zu dimensionieren – nicht zu viel und nicht zu wenig.

Drittens negative Auswirkungen auf Nachbarbauwerke: Ein sehr reales Risiko ist, dass der Tunnelbau bestehende Fundamente oder sogar einen benachbarten Tunnel beeinträchtigt. Mit der Software und Simulationen können wir diese Interaktion analysieren und sicherstellen, dass wir keine bestehende Infrastruktur gefährden.

Dynamische 3-D-Geologiemodelle, etwa aus Leapfrog Works, ersetzen zunehmend statische Modelle. Was ist der entscheidende Mehrwert solcher dynamischer Modelle für Planung und Bauausführung?

Aukenthaler: Der entscheidende Mehrwert ist, dass es sogenannte lebende Modelle sind. Ein statisches Modell ist ein Schnappschuss, der ziemlich schnell veraltet. Ein dynamisches Modell hingegen wächst mit dem Projekt mit. Wenn wir während des Vortriebs neue Erkenntnisse gewinnen – sei es durch geologische Kartierungen an der Ortsbrust oder durch Messdaten neuer Bohrungen oder anderweitigen neuen Informationen, die wir während des Projekts erhalten und die auf abweichende Gesteinseigenschaften hindeuten –, können wir das geologische Modell gezielt aktualisieren. Diese Aktualisierung wird sofort im Gesamtmodell sichtbar. Wir können deshalb die Auswirkungen direkt bewerten und den Plan proaktiv anpassen, anstatt nur auf Probleme zu reagieren. Das ist der Unterschied zwischen blindem Fahren, quasi Fahren mit einer alten Straßenkarte, und Fahren mit einem Navigationssystem, das Staus in Echtzeit berücksichtigt.

Integrierte Workflows: Wie vernetzte Daten Zusammenarbeit und Effizienz verbessern

In der Fallstudie zum italienischen Tunnelnetz von Tecne Systra wird die verbesserte Zusammenarbeit hervorgehoben. Welche Rolle spielt die Vernetzung von Daten und Modellen für große, nationale Infrastrukturprojekte?

Aukenthaler: Bei einem Projekt dieser Größenordnung von Tecne Systra, bei dem es um die Sanierung von Hunderten von Tunneln ging – ist die Vernetzung der Daten nicht nur eine Verbesserung, sie ist die Grundvoraussetzung für den Erfolg. Ohne sie wäre das Projekt im Chaos aus unzähligen Dateiversionen, E-Mail-Verkehr und Missverständnissen versunken.

Tecne Systra hat einen durchgängigen digitalen Faden geschaffen, mit dessen Hilfe die Prozesse optimiert werden können. Der Prozess sah so aus: Das geologische 3-D-Modell aus Leapfrog wurde direkt in den BIM-Entwurf in OpenTunnel Designer von Bentley Systems integriert und von dort zur geotechnischen Analyse an Plaxis übergeben. Alle Modelle und Daten liefen auf einer zentralisierten Projektplattform zusammen.

Diese Plattform wurde zur einzigen, verlässlichen Informationsquelle – zur ‚Single Source of Truth‘. Das vermeidet Fehler, beschleunigt Abstimmungen und stellt sicher, dass alle – vom Geologen im Büro bis zum Bauleiter vor Ort – auf Basis der exakt gleichen, geprüften Informationen arbeiten können. Bei dem Projekt für ein landesweites Infrastrukturprogramm ist das die Basis, um überhaupt den Überblick zu behalten.

Integrierter Tunnelbau-Workflow und Digitaler Zwilling

Seequent und Bentley sprechen von einem durchgängigen, integrierten Tunnelbau-Workflow. Wo lag früher die größte Lücke zwischen Geologie und Ingenieurbau – und wie wird sie heute geschlossen?

Aukenthaler: Die größte Lücke war der analoge Datenbruch bei der Übergabe. Der Geologe erstellte einen Papierbericht, und der Ingenieur musste diese Informationen manuell in seine Planungssoftware übertragen. Dabei gingen wertvolle Details und Informationen verloren. Heute schließen wir diese Lücke durch einen durchgängigen digitalen Faden wie bei dem Anwendungsfall Tecne Systra: Die geotechnischen Daten fließen direkt in das geologische 3-D-Modell, und dieses Modell wird als Referenz direkt in die BIM-Entwurfssoftware OpenTunnel Designer geladen. Es gibt keinen Medienbruch und keine manuelle Neueingabe mehr, der Prozess ist nahtlos.

Digitaler Zwilling im Tunnelbau als Entscheidungsgrundlage für Planung und Bau

Der Begriff Digitaler Zwilling wird häufig verwendet. Was verstehen Sie speziell im Tunnelbau unter einem Digitalen Zwilling – und was unterscheidet ihn von einem klassischen 3-D-Modell?

Aukenthaler: Ein klassisches 3-D-Modell ist nur die leere Hülle – die Geometrie. Ein Digitaler Zwilling im Tunnelbau ist ein intelligentes, lebendiges und dynamisches Abbild der Realität. Er unterscheidet sich dadurch, dass er drei Dinge vereint: Erstens verknüpft er das Bauwerksmodell mit dem Untergrundmodell. Zweitens integriert er alle Fachinformationen wie Kosten oder Bauphasen. Und der entscheidende dritte Punkt: Er wird durch Echtzeitdaten von IoT-Sensoren aus dem realen Bauwerk, dem fertigen Tunnel kontinuierlich aktualisiert. Er altert sozusagen mit dem echten Tunnel mit.

Welche Vorteile bringt ein gemeinsam genutzter, in Echtzeit aktualisierter Digitaler Zwilling für Entscheidungsprozesse während Planung und Bau?

Aukenthaler: Der größte Vorteil sind schnellere und bessere Entscheidungen. Weil alle auf dieselben, topaktuellen Daten schauen, wird die Abstimmung extrem beschleunigt. Ein praktisches Beispiel von Tecne Systra: Man konnte Kollisionen zwischen neuer Bewehrung und bestehenden Entwässerungssystemen um 30 % schneller erkennen. Wenn ein Problem auf der Baustelle auftaucht, wird der Zwilling aktualisiert, und das Planungsbüro kann sofort eine Lösung entwickeln. Das macht natürlich das gesamte Projektteam agiler und vermeidet teure Stillstände.

Inwiefern lassen sich mit einem Digitalen Zwilling Risiken frühzeitig erkennen, bevor sie auf der Baustelle relevant werden?

Aukenthaler: Der Digitale Zwilling ist quasi unsere Kristallkugel für das Projekt. Wir können damit zum Beispiel Was-wäre-wenn-Szenarien simulieren: Was passiert, wenn der Wasserdruck steigt? Das testen wir am digitalen Modell, ohne Risiko für das reale Bauwerk. Zudem erkennt die Software daneben auch automatisch Kollisionen. Wir sehen also schon in der Planung, ob unsere Trasse mit einer unerwarteten Felsformation kollidiert oder in eine Störungszone hineingerät – und nicht erst auf der Baustelle, wenn die Tunnelbohrmaschine davorsteht. Das spart enorm viel Geld und Zeit.

Erfolg, Nachhaltigkeit und Lebenszyklusdenken im Tunnelbau

Erfolg im Tunnelbau wird nicht nur am Bauabschluss gemessen. Welche Kriterien definieren aus Ihrer Sicht einen langfristig erfolgreichen Tunnel?

Aukenthaler: Ein langfristig erfolgreicher Tunnel ist vor allem langlebig, sicher und wirtschaftlich im Betrieb. Das bedeutet konkret: niedrige Lebenszykluskosten, da er nur minimale, planbare Wartung benötigt. Er ist resilient gegenüber Umwelteinflüssen. Und er ist anpassungsfähig, sodass er auch in Jahrzehnten noch an neue technische Standards oder eine veränderte Nutzung angepasst werden kann, ohne dass ein kompletter Neubau nötig wird.

Wie unterstützen Digitale Zwillinge ein Lebenszyklusdenken – vom Entwurf über den Bau bis hin zum Betrieb?

Aukenthaler: Der Digitale Zwilling ist das digitale Gedächtnis des Bauwerks und damit die technische Grundlage für das Lebenszyklusdenken. Er wird nicht nach der Bauphase archiviert, sondern an den Betreiber übergeben. Statt unzähliger veralteter Papierpläne erhält dieser ein vollständiges, ‚as-built‘ 3-D-Modell, wie wirklich gebaut wurde, mit allen Fachinformationen. Für den Betrieb ist der Zwilling dann das zentrale Werkzeug zur Planung von Wartung, zur Überwachung und zur Simulation von Sanierungsmaßnahmen.

Wie können Digitale Untergrundzwillinge für Monitoring, Wartung und Asset 
Management genutzt werden?

Aukenthaler: Sie sind im Endeffekt das Cockpit für den Tunnelbetreiber. Für das Monitoring fließen Live-Daten von Sensoren, die zum Beispiel Verformungen oder Wassereintritte messen, direkt in den Digitalen Zwilling. So hat man den aktuellen Gesundheitszustand des Tunnels immer im Blick. Für die Wartung können wir von einer reaktiven Reparatur zu einer vorausschauenden Instandhaltung wechseln, der sogenannten ‘predictive maintenance’. Eine KI analysiert die Sensordaten und der Zwilling meldet, wenn ein Bauteil gewartet werden muss, bevor es ausfällt und ein Schaden auftritt. Im Asset Management ist jeder einzelne Lüfter oder jede Lampe im Zwilling erfasst – inklusive technischer Daten und Wartungshistorie.

In Bezug auf Nachhaltigkeit: Welche Rolle spielen digitale Modelle bei der Optimierung von Materialeinsatz, Bauweisen und Wiederverwendung?

Aukenthaler: Ihre Rolle ist entscheidend, denn sie ermöglichen Präzision statt pauschaler Sicherheit. Das beste Beispiel ist die Tunnelauskleidung. Anstatt sie für den schlechtestmöglichen Baugrund zu dimensionieren, passen wir sie dank des detaillierten 3-D-Baugrundmodells dynamisch an. In stabilem Felsen verwenden wir weniger Material wie Beton und Stahl, in weichen Schichten verstärken wir gezielt. Dieser datengestützte Ansatz reduziert den Materialeinsatz und damit den CO₂-Fußabdruck direkt und signifikant.

Wie wichtig ist aus Ihrer Sicht die Datenkontinuität über Jahrzehnte, insbesondere für zukünftige Erweiterungen oder Sanierungen von Tunnelbauwerken?

Aukenthaler: Sie ist absolut entscheidend. Ein Tunnel ist ein Hundert-Jahre-Bauwerk. Ohne durchgängige Daten müssten Ingenieure beispielsweise in fünfzig Jahren wieder bei null anfangen und den Baugrund wiederum teuer und neu erkunden. Ein Digitaler Zwilling ‚Evergreen Digital Twin‘, der auf offenen Standards wie IFC basiert, stellt sicher, dass das gesamte Wissen aus der Bauzeit erhalten bleibt. Das macht zukünftige Sanierungen nicht nur günstiger und schneller, sondern vor allem auch sicherer.

Die Zukunft des Tunnelbaus und der Digitale Zwilling

Wenn Sie einen Blick in die Zukunft werfen: Wie wird sich der Tunnelbau in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren durch Digitalisierung und Simulation weiter verändern?

Aukenthaler: Die Baustelle selbst wird zum intelligenten, vernetzten System. Ich erwarte mehr Automatisierung, sowohl im Entwurf als auch bei den Bauprozessen. Tunnelbohrmaschinen werden sicherlich autonomer agieren und ihre Parameter in Echtzeit an die Daten aus dem Digitalen Zwilling angepasst werden. Künstliche Intelligenz wird als Standard-Assistent für Ingenieure dienen – einerseits zur Risikoanalyse, andererseits zur Optimierung. Die Grenze zwischen dem digitalen Modell und der physischen Realität wird immer weiter verschwimmen.

Welche Fähigkeiten werden Ingenieurinnen und Ingenieure im Tunnelbau künftig stärker benötigen – technisch wie auch interdisziplinär?

Aukenthaler: Die klassischen Ingenieurprinzipien bleiben das Fundament, aber das Skillset erweitert sich enorm. Technisch wird die Datenkompetenz – also die Fähigkeit, große Datenmengen zu analysieren und zu interpretieren – genauso wichtig sein wie Bodenmechanik und die Statik, Pfeiler, die man im Bauingenierstudium und in der Arbeit als Bauingenieur erlernt. Interdisziplinär sind vor allem Zusammenarbeit, Kollaboration und Kommunikation entscheidend. Ingenieure arbeiten künftig viel mehr in Teams mit Datenwissenschaftlern und IT-Spezialisten auf einer gemeinsamen Plattform. Die wichtigste Fähigkeit wird aber die Bereitschaft zum lebenslangen Lernen sein, um mit der rasanten technologischen Entwicklung Schritt zu halten. Daran wird sich nichts ändern.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Aukenthaler.

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