Stromversorgung und Datenkommuniktion Schneckentempo ade – wie ein Wettbewerb den Tunnelbau schneller macht

Von Ines Stotz

Ein Studierendenteam an der TU München ist Sieger der von Tesla-CEO Elon Musk ausgelobten „Not-a-Boring Competition“. Ihre eigene Tunnelbohrmaschine verdoppelt die bisher erreichte Geschwindigkeit – die das Tempo der Gartenschnecke hat. Auch Lapp-Komponenten sorgen für den Antrieb im Tunnelbau.

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Einen 30 m langen Tunnel innerhalb von drei Stunden bohren – das geht jetzt schneller als im Schneckentempo.
Einen 30 m langen Tunnel innerhalb von drei Stunden bohren – das geht jetzt schneller als im Schneckentempo.
(Bild: ©antimartina - stock.adobe.com)

Ein Team aus sechzig Studierenden aus verschiedenen Ländern, eine Bohrmaschine, und viel elektrische Verbindungstechnik – auf einem Kieswerk in Neuching bei München entsteht ein ambitioniertes Projekt: Das TUM Boring – Innovation in Tunneling Team der TU München, bestehend aus Studierenden der Bereiche IT, Ingenieurwesen, Luft- und Raumfahrttechnik, Physik, Marketing, Betriebswirtschaft und weiteren, hat sich ein Ziel gesetzt: Die urbane Mobilität durch eine neue Tunnelbohrtechnik neu zu gestalten. Dazu holten sich die angehenden Ingenieure und Ingenieurinnen auch Unterstützung von Verbindungstechnikspezialist Lapp.

Auf der Überholspur beim Tunnelbau

Den Verkehr unter die Erde zu verlegen bedeute eine enorme Erleichterung für Mensch und Natur, sagt Jona Roßmann, External Relations Management bei TUM Boring. Einen Haken gibt es allerdings: Aktuelle Tunnelbohrmaschinen sind viel zu langsam. Sie schaffen höchstens 5 m Bohrstrecke in einer Stunde – das ist das Tempo einer Gartenschnecke.

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Der Vorgang erfolgt meist hydraulisch, wobei die Maschine sich mit sogenannten „Gripper-Elementen“ an der Wand verhakt. Erst dann können die Vortriebspressen den Bohrkopf einige Meter nach vorne schieben. Das Abtragen des Erdmaterials und die Neupositionierung der Gripper-Elemente verhindern einen kontinuierlichen Bohrvorschub.

Eine Maschine mit kontinuierlichem Antrieb hat das TUM Boring Team nun entwickelt. Sie ist nicht nur deutlich effizienter und damit schneller als aktuelle Bohrmaschinen. Sie konnte es außerdem mit allen anderen Herausforderungen aufnehmen, die Elon Musk für den Wettbewerb ausgab: So schaffte das Team es, einen 30 m langen Tunnel innerhalb von drei Stunden zu bauen, eine Teststrecke für ein ferngesteuertes Auto nebenbei zu integrieren und das Führungssystem sorgte für eine präzise Bohrung.

Mit effizientem Antrieb zum Sieg

Die Tunnelbohrmaschine von TUM Boring arbeitet effizient mit parallel ablaufenden Antriebsprozessen, die durch intelligente Komponenten gesteuert werden. Vier 8,5 m lange und 1,2 t schwere Stahlrohre sind mit asynchron arbeitenden Stahlklammern umschlossen und werden in einem Revolver-Mechanismus gehalten. Ein hydraulischer Vortrieb, genannt „pipe jacking-System“, presst zunächst eines der Stahlrohre mit dem Bohrkopf an der Spitze nach vorne.

Nun ist Schnelligkeit angesagt, denn nach jedem fertig in das Erdreich gedrückten Bohrsegment dreht sich die Revolverhalterung um 90 Grad. So kann sofort ein weiteres Stahlrohr über die Strecke nachgeschoben werden, sodass der Bohrkopf einen kontinuierlichen Vortrieb erhält.

Jede Hydraulikpresse hat dabei eine Vortriebskraft von bis zu 500 kN im kontinuierlichen Modus, die ggf. auf 100 t im diskontinuierlichen Modus verdoppelt werden kann. Die Stahlrohre bergen Förderbänder für den Abtransport von Erdmaterial und bilden zugleich die Außenwand des Miniatur-Tunnels.

Der Antriebsmechanismus ist das Geheimrezept der Studierenden und abhängig von zuverlässigen Lösungen auf der Strom- und Datenseite. Denn jede Bewegung wird durch eine Steuereinheit überwacht, um den Bohrstand überprüfen und abfragen zu können.

Ein Lasermesssystem gleicht dauerhaft den Soll- und Ist-Zustand ab, wobei eine Steuereinheit am Bohrkopf automatisch auf Abweichungen reagieren kann.

Die Fahrstrecke für den Test zum Abschluss der Bohrung befindet sich bereits fest verschweißt in den Stahlrohren.

Um den sicheren Transport der Maschine zum Finale in Las Vegas vor einigen Wochen zu garantieren, wurde diese von Anfang an in einem 12 m langen und 2,5 m breiten sowie hohen Container verbaut.

Lapp greift in sein gesamtes Portfolio

Um das ausgeklügelte System in Gang zu halten, braucht es nicht nur Strom, sondern auch eine fehlerfreie Datenkommunikation in Echtzeit. Für beides wandten sich die Studierenden an Lapp. „Mittlerweile ist deren ganze Produktfamilie in der Tunnelbohrmaschine verbaut“, erklärt Alois Heimler, Business Development Manager Automotive bei Lapp, und spielt damit auf die rund zweihundert verbauten Produkte an.

Das TUM Boring Team fragte zuerst nur wenige Komponenten an, im Planungsprozess stellt es jedoch fest: Sie brauchen auch Steckverbinder, Switches, Kabelschutzschläuche und Schleppketten. Alois Heimler: „Um das Projekt bestmöglich zu unterstützen, war es wichtig, unseren System- und Lösungsgedanken, hier mit einzubringen. Das heißt: aufeinander abgestimmte Komponenten zu verwenden.“

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Dabei hatte das Team vor allem drei Herausforderungen zu lösen: Extrem wenig Platz, eine hohe geforderte Robustheit und enorme Geschwindigkeit im Antrieb. Denn während des Bohrvorgangs müssen die nachgeschobenen Segmente auf Daten- und Stromseite möglichst schnell neu verbunden werden, um die geforderte 30 m Bohrstrecke in der vorgegebenen Zeit absolvieren zu können.

Das A und O: maßgeschneiderte Lösungen

Besondere Herausforderungen erfordern maßgeschneiderte Lösungen: „Die Studierenden arbeiteten sich quasi über Nacht in unseren Steckerkonfigurator ein“, erzählt Stefan Koch, Produktmanager Epic bei Lapp. Kurzerhand konnte sich das TUM Boring Team ihren eigenen Unikat-Steckverbinder aus etwa 138 Mio. Kombinationsmöglichkeiten online konzipieren und direkt bestellen.

Weitere Epic-Steckverbinder sichern den flexiblen Einsatz in der Ethernet-Anwendung und die Versorgung der Servomotoren. Darüber hinaus sorgen Etherline-Switches, Leitungen und Patchkabel für eine zuverlässige Datenübertragung in der Maschine. Unitronic kommt für die Sensor/Aktor-Verdrahtung zum Einsatz; Skintop Mehrfacheinführungssysteme helfen dabei, Leitungen mit unterschiedlichen Außendurchmessern zugentlastet und abgedichtet ins Gehäuse einzuführen.

Darüber hinaus sorgen diverse Kennzeichnungslösungen von Fleximark für Steckverbinder, Leitungen und andere Komponenten für platzsparende und beständige Markierungen, um auch unter rauen Umgebungsbedingungen schnell die richtigen Komponenten identifizieren zu können.

Ölflex Steuer- und Anschlussleitungen sowie Servoleitungen sorgen in der Tunnelbohrmaschine für die Spannungsversorgung von Antrieben, Hydraulikaggregaten und Ventilen. Lapp führt dazu spezielle Servo-Anwendungen, die die verbaute elektrische Antriebstechnik auch unter rauen Bedingungen sichert. Diese spielen mit Energieführungsketten zusammen, auf denen im Projekt ein besonderes Augenmerk lag:

Praxiserprobte Anwendungen eingesetzt

„Der erste Ansatz der Studierenden war komplex, weshalb wir praxiserprobte Anwendungen vorgeschlagen und so gemeinsam eine pragmatische Lösung gefunden haben”, erläutert Alois Heimler. So kommt nun Silvyn Chain zum Einsatz. Mehrere Schleppketten beinhalten die zusätzlichen Leitungslängen, die benötigt werden, um die einzelnen Segmente der Tunnelbohrmaschine schnell und zuverlässig verbinden zu können. Dafür liegen sie in einer Art Schublade hinter dem Steckerboard. Eine weitere Schleppkette am Revolver dient der Leitungszuführung für Bohrkopf und Förderbänder.

So wurde aus der Tunnelbohrmaschine eine runde Sache. Alois Heimler zeigte sich bereits von Anfang an zuversichtlich mit Blick auf den Sieg: „Die Maschine besitzt durch uns zuverlässige Verbindungslösungen.“ Das sollte am Ende bestätigt werden: Das Team holte den Sieg jüngst nach Deutschland. Im Finale musste sich die Maschine gegen elf weitere Finalisten aus aller Welt durchsetzen.

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