Schneller als Schnecken: Tunnelbohrer auf der Überholspur

Bald ist es so weit, dann treten die Studierenden der TU München im Finale von Elon Musks internationalem Tunnelbohrmaschinen-Wettbewerb „Not-a-Boring Competition“ an und wollen dabei vor allem „schneller als eine Schnecke“ sein. Denn tatsächlich funktioniert das Tunnelbohren zurzeit nicht wirklich rasant. Mit einem schnelleren Tunnelbau aber könnte die Mobilität der Zukunft revolutioniert werden. Das Team TUM Boring – Innovation in Tunneling muss sich dabei gegen elf weitere Teams aus aller Welt durchsetzen – und wird dabei von Lapp für eine zuverlässige Strom- und Datenübertragung ausgestattet.

Eine Bohrmaschine, sechzig Studierende und sehr viel elektrische Verbindungstechnik – auf einem Kieswerk in Neuching bei München entsteht ein ambitioniertes Projekt. Das TUM Boring - Innovation in Tunneling Team der Technischen Universität München, bestehend aus Studierenden der Bereiche Ingenieurwesen, Luft- und Raumfahrttechnik, IT, Physik, Marketing, Betriebswirtschaft und vielen mehr, hat sich ein Ziel gesetzt: mit der Teilnahme am Tunnelbohr-Wettbewerb die urbane Mobilität umzudenken. Dazu holten sich die jungen Ingenieure auch Unterstützung von Lapp, weltweit bekannt für integrierte Lösungen im Bereich der Kabel- und Verbindungstechnologie.

Jona Roßmann, External Relations Management bei TUM Boring, weiß genau: Würde man den Verkehr unter die Erde verlegen, bedeutete das eine enorme Erleichterung für Mensch und Natur. Die große Herausforderung daran: Die Tunnelbohrmaschinen von heute sind viel zu langsam – mehr als zehnmal langsamer als eine Schnecke, heißt es vonseiten TUM Boring. In einer Stunde schaffen aktuelle Tunnelbohrmaschinen höchstens 5 m Bohrstrecke. 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 von Erdmaterial und die neue Positionierung der Gripper-Elemente verhindern einen kontinuierlichen Vorschub.

Die Herausforderung rund um kontinuierlichen Vorschub hat das Team von TUM Boring nun mit ihrer Tunnelbohrmaschine gelöst. Dabei ist die Maschine der Studierenden ist nicht nur deutlich effizienter und damit schneller als der aktuelle Standard an Bohrmaschinen. Sie erfüllt auch weitere hohe Anforderungen, die Elon Musk für den Wettbewerb ausgab. Im Finale werden die Lösungen der Teams auf die Probe gestellt: In 1,5 m Tiefe müssen diese einen 30 m langen Tunnel mit einem Durchmesser von 50 cm realisieren – in ca. 3 h. Und da am Ende ein ferngesteuertes Auto eine Testfahrt auf der Strecke absolviert, muss auch eine Fahrbahn in den Tunnel gelegt werden. Die drei Gewinnkategorien, in denen die Teams gemessen werden, lauten: Schnellster Tunnelbau, schnellster Tunnelbau inklusive testgefahrener Fahrstrecke und genauestes Führungssystem.

Der große Pluspunkt der Tunnelbohrmaschine von TUM Boring: Effiziente und parallel ablaufende Prozesse, 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. Nach jedem fertig in das Erdreich gedrückte Bohrsegment dreht sich die Revolverhalterung um 90 °. So kann sofort ein weiteres Stahlrohr über die Strecke nachgeschoben werden, sodass der Bohrkopf einen kontinuierlichen Vortrieb erhält. Jede der Hydraulikpressen 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.

Eine Steuereinheit behält jede Bewegung genau im Auge, um den Bohrstand überprüfen und abfragen zu können. Nebenbei gleicht ein Lasermesssystem dauerhaft den Soll- und Ist-Zustand ab, wobei eine Steuereinheit am Bohrkopf automatisch auf Abweichungen reagiert. Die Fahrstrecke für den Test zum Abschluss der Bohrung befindet sich bereits fest verschweißt in den Stahlrohren. Um die Maschine sicher in die USA zu transportieren, wo das Finale der „Not-a-Boring Competition“ stattfindet, wurde diese von Anfang an in einem 12 m langen und 2,5 m breiten sowie hohen Container gebaut.

Um das ausgeklügelte System am Laufen zu halten, braucht es sowohl Strom als auch eine fehlerfreie Datenkommunikation in Echtzeit. Für beides wandten sich das Team von TUM Boring an Lapp. „Mittlerweile ist die ganze Produktfamilie von Lapp in der Tunnelbohrmaschine verbaut“, erklärt Alois Heimler, Business Development Manager Automotive bei Lapp, und spielt damit auf die rund zweihundert verbauten Lapp-Produkte an. Während das TUM Boring Team zunächst nur wenige Komponenten anfragte, folgten im Laufe des Planungsprozesses schließlich Steckverbinder, Switches, Kabelschutzschläuche und Schleppketten. Alois Heimler: „Um das Projekt optimal zu unterstützen, war es für uns wichtig, den System- und Lösungsgedanken, den wir bei Lapp fahren, hier mit einzubringen. Das heißt: optimal aufeinander abgestimmte Komponenten zu verwenden.“

Drei große Herausforderungen kristallisierten sich schnell heraus: extrem wenig Platz, eine hohe geforderte Robustheit und enorme Geschwindigkeit. 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 zu schaffen. Hier mussten maßgeschneiderte Lösungen zum Einsatz kommen. „Die Studierenden arbeiteten sich quasi über Nacht in unseren Steckerkonfigurator ein“, so Stefan Koch, Produktmanager Epic bei Lapp. Kurzerhand konnte sich das TUM Boring Team ihren eigenen Steckverbinder als Unikat aus etwa 138 Mio. Kombinationsmöglichkeiten online konzipieren und direkt bestellen. Weitere Epic-Steckverbinder aus dem Lapp-Portfolio 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, Ölflex-Steuer- und Anschlussleitungen sowie Servoleitungen für die Spannungsversorgung von Antrieben, Hydraulikaggregaten und Ventilen. Skintop-Mehrfacheinführungssysteme helfen dabei, Leitungen mit unterschiedlichen Außendurchmessern zugentlastet und abgedichtet ins Gehäuse zu führen. Und schließlich 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.

Ein besonderer Fokus lag auf den Schleppketten. “Der erste Ansatz der Studierenden war sehr 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 sicher verbinden zu können. Dafür liegen sie in einer Art Schublade hinter dem Steckerboard. Am Revolver liegt eine weitere Schleppkette und dient der Leitungszuführung für Bohrkopf und Förderbänder.    

Die Tunnelbohrmaschine trotzt somit dem engen Raum und den extremen Bedingungen – durch unzählige miteinander kommunizierende Komponenten, wie Druck- und Wegsensoren, die dauerhaft funktionieren. Lapp vertraut auf den Erfolg des Teams – nicht zuletzt, weil die Tunnelbohrmaschine zuverlässige Verbindungslösungen besitzt. Damit ist die Maschine dazu gerüstet, den Tunnelbau und die Zukunft unserer Mobilität neu zu gestalten.