Ein Schritt zur Nachhaltigkeit

Kai Ingmar Link,

KI-gestützte Verwertung von Aushub im Tunnelbau

Der Tunnelbau generiert enorme Mengen an Aushub, die oft auf Deponien landen, da sie nicht immer direkt auf der Baustelle wiederverwendet werden können.

Blick in eine Erddruckschildmaschine: Der Aushub wird mit hoher Geschwindigkeit per Förderband abtransportiert. © Herrenknecht

Um eine nachhaltige Verwertung zu ermöglichen, müssen die Eigenschaften des Materials genau bekannt sein. Die Technische Hochschule Köln (TH Köln) und ihre Partner haben ein KI-gestütztes System entwickelt, das die geotechnischen Parameter des Aushubs in Echtzeit ermitteln soll. Prof. Dr. Christoph Budach von der Fakultät für Bauingenieurwesen und Umwelttechnik der TH Köln erläutert: "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." Zu den relevanten Parametern gehören das Setzmaß, die Scherfestigkeit und der Wassergehalt, die Einfluss auf die Standsicherheit einzubauender Böden haben. Diese Kenngrößen lassen sich mit herkömmlichen Methoden während des laufenden Betriebs einer Erddruckschildmaschine nur schwer ermitteln.

Das Messsystem besteht unter anderem aus einem Kugelpendel, einem Pflug, Kameras und Beleuchtungsmitteln über dem laufenden Förderband © TH Köln

Daher wurden spezielle Instrumente entwickelt: Ein Kugelpendel und ein Pflug wurden über dem laufenden Förderband montiert, um die Kräfte zu messen, die das Material auf diese Instrumente ausübt. Diese Kräfte unterscheiden sich je nach Bodenart, was die KI nutzen kann, um die geotechnischen Eigenschaften zu bestimmen. Das Ziel des Forschungsprojekts war es, eine Künstliche Intelligenz zu trainieren, die aus der Krafteinwirkung auf die Messgeräte auf die Eigenschaften des Aushubmaterials schließen kann.

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Erprobt wurde das neue System unter anderem auf einem 50 Meter langen Förderband bei der Herrenknecht AG in Schwanau © Herrenknecht

Dies ermöglicht es den Maschinenführern, den Aushub bereits auf dem Förderband zu klassifizieren und eine entsprechende Sortierung einzuleiten. Um eine valide Datenbasis für das Training der KI zu erhalten, wurden Tests unter realen Bedingungen durchgeführt. Zunächst wurden Materialproben auf einem Kreisförderband beim Projektpartner STUVA e.V. in Köln getestet. Anschließend errichtete der Projektpartner Herrenknecht AG ein rund 50 Meter langes Testförderband im Maßstab 1:1 an seinem Hauptsitz in Schwanau, Baden-Württemberg.

Verschiedene abgebaute Böden bewirken unterschiedliche Kräfte und Impulse auf die Messinstrumente. © Stuva

Dort konnten viele verschiedene Proben unter realen Bedingungen untersucht und klassifiziert werden. Zudem wurden die neu entwickelten Messgeräte in einem realen Einsatz bei einem Tunnelbauprojekt erprobt. Prof. Dr. Budach resümiert: "Wir haben in unserem Projekt sehr gute Grundlagen gelegt, um ausgewählte geotechnische Parameter des Ausbruchmaterials und damit das Verwertungspotenzial hinreichend zu bestimmen. Weitere Untersuchungen sind bereits in Planung."

Messsystem im Praxiseinsatz auf einer Erddruckschildmaschine © TH Köln

Das Forschungsprojekt "REMATCH – REsource efficient tunnelling based on real-time excavation MATerial CHaracterization" wurde von 2021 bis 2024 gefördert und umfasste Partner wie die Studiengesellschaft für Tunnel und Verkehrsanlagen (STUVA) e.V., Herrenknecht AG sowie französische Partner wie Arcadis und LIRIS. Die TH Köln zählt zu den innovativsten Hochschulen für Angewandte Wissenschaften und bietet ein inspirierendes Umfeld für Studierende und Wissenschaftler. Mit diesem Projekt trägt die TH Köln zur nachhaltigen Verwertung von Baustoffen bei und zeigt, wie KI-gestützte Technologien die Effizienz und Umweltfreundlichkeit im Bauwesen steigern können.

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