Tunnelbau: Navigieren unter der Erde

Auch sorgfältigste Vorausberechnungen bei der Planung eines Tunnels bewahren die Ingenieure nicht vor Überraschungen auf der Baustelle: Sie müssen vor Ort entscheiden, wie schnell und mit welchem Druck die Tunnelbohrmaschine weiterarbeiten soll – natürlich immer mit dem Ziel, Schäden an der Oberfläche zu vermeiden. Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben eine Methode entwickelt, die es auf der Baustelle erlaubt, in Echtzeit zu simulieren, was an der Oberfläche passieren würde, wenn man einzelne Stellgrößen des Tunnelbaus verändert.

Moderne Tunnel werden heute von mobilen unterirdischen Fabriken gebaut. Sie bohren, stützen den Boden und kleiden letztlich die Tunnelröhre aus. Dabei legen sie bis zu 25 Meter pro Tag zurück. Um das Risiko für Schäden zu minimieren, wird in der Planungsphase eines Tunnels die städtische Bebauung zunächst erfasst, in Kategorien eingeteilt und ihre Verletzlichkeit abgeschätzt. Abhängig von den Ergebnissen legen die Ingenieure die Trasse des Tunnels fest. Die letzten Details erfahren sie aber erst vor Ort. Die Tunnelbaumaschine ist mit verschiedensten Sensoren ausgestattet, die ständig Werte übermitteln, aus denen die Ingenieure ihre Schlüsse ziehen und entscheiden müssen, wie der Bau weitergehen soll.

Berechnung würde Tage dauern

Die Bochumer Ingenieure haben in ihrem Teilprojekt des Sonderforschungsbereichs 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“, dessen Sprecher Prof. Dr. Günther Meschke ist, nun eine Software für den Tunnelbau entwickelt. Sie ermöglicht es dem Ingenieur vor Ort an der Baustelle, in Echtzeit zu simulieren, wie sich der Boden und die darauf befindlichen Bauwerke verhalten werden, wenn er verschiedene Stellgrößen des Tunnelbaus verändert.

Solche wirklichkeitsnahen Berechnungen werden mit Finite-Elemente-Simulationsmodellen vor dem Baubeginn durchgeführt, dauern aber selbst auf Großrechnern mehrere Tage. Daher haben die Ingenieure spezifisch für diese Vortriebssimulationen Modellreduktionsverfahren auf Basis künstlicher neuronaler Netze und der Proper Orthogonal Decomposition entwickelt, mit denen die Simulationszeiten auf wenige Sekunden reduziert werden können.

Dank der Echtzeitfähigkeit des Simulationsmodells entsteht nun eine App, die Tunnelbauingenieure vor Ort nutzen können. Die Nutzeroberfläche erlaubt es zum Beispiel, Obergrenzen für die maximal erlaubte Setzung des Geländes einzugeben und daraus die Vortriebsparameter abzuleiten, die gewährleisten, dass diese zulässige Setzung nicht überschritten wird.