Auf der Baustelle des Huandao-Straßentunnels der Xiamen-Jinmen-Brücke (Xiamen-Abschnitt) in China arbeitet ein „Stahlarm“ mit elf Freiheitsgraden flexibel in einer Tunnelbohrmaschine (TBM) mit einem Durchmesser von 16,15 Metern. Er muss nicht mehr unter Druck in die Kammer einfahren und unter schlammigen, stickigen Bedingungen schwere Rollmeißel von über 200 Kilogramm von Hand transportieren. Stattdessen führt er unter der Steuerung eines digitalen Zwillingssystems eigenständig die Meißelerkennung, Pfadplanung und den präzisen Austausch durch. Am 25. Juni wurde der von der China Railway 14th Bureau Group nach sechs Jahren Forschung und Entwicklung entwickelte erste schwerlastfähige intelligente TBM-Meißelwechselroboter Chinas offiziell vorgestellt und erfolgreich eingesetzt. Dies markiert den Beginn einer neuen Phase des „meißellosen Wechsels“ im Tunnelbau mit großen Durchmessern.

Verschleiß der „Zähne“ der TBM – Meißelwechsel gleicht einer „Untergrund-Minenräumung“

Die Tunnelbohrmaschine ist ein nationales Schwergewicht für den Bau von Tunneln durch Berge und unter dem Meer. Die Meißel am Schneidrad wirken wie „Zähne“, die Gestein und Erde zerkleinern, und nutzen sich mit fortschreitendem Vortrieb ab. Ein effizienter und sicherer Meißelwechsel ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Leistungsfähigkeit der TBM.

Die traditionelle Arbeitsumgebung für den Meißelwechsel unter Druck ist jedoch äußerst widrig. Beim Bau mit Hydroschilden müssen Arbeiter unter Druck in die Kammer eindringen. Dies ist nicht nur körperlich anstrengend, sondern birgt auch multiple Risiken wie Instabilität der Ortsbrust, schädliche Gase und Dekompressionskrankheit. Die Wechselkammer ist eng, dunkel, stickig, feucht und die Luft ist trüb. Der traditionelle Wechsel benötigt drei Arbeiter und dauert über vier Stunden – ineffizient und teuer.

„Schwierige Erkennung, gefährlicher Wechsel“ – das ist ein branchenweit anerkanntes Problem. Besonders beim Bau von Tunneln mit sehr großen Durchmessern, wo die Anzahl der Meißel hoch und das Verschleißrisiko groß ist, steigen Häufigkeit und Schwierigkeit des Meißelwechsels exponentiell. Der Schildabschnitt des Huandao-Straßentunnels der Xiamen-Jinmen-Brücke (Xiamen-Abschnitt) wird mit einer TBM mit einem Bohrdurchmesser von 16,15 Metern gebaut – dem Tunnel mit dem größten Durchmesser in der Provinz Fujian. Der Tunnel verläuft unter einem dicht besiedelten Kerngebiet, weist eine lange Strecke mit weichem Boden über hartem Gestein auf, die Erdüberdeckung beträgt minimal nur 8,1 Meter, und das Risiko des Meißelverschleißes ist hoch. Der traditionelle manuelle Meißelwechsel kann die doppelten Anforderungen an Sicherheit und Effizienz nicht mehr erfüllen.

Vier technologische Kerndurchbrüche: Vom „manuellen Betrieb“ zur „intelligenten Automatisierung“

Das Forschungsteam der China Railway 14th Bureau Group begann mit den Ansätzen der Mechanisierung, Automatisierung und Intelligenz und entwickelte nach sechs Jahren Forschung diesen intelligenten TBM-Meißelwechselroboter mit vollständig eigenständigen geistigen Eigentumsrechten. Die Hard- und Software des gesamten Roboters ist zu 100 % im Inland hergestellt. Bisher wurden 38 Patente angemeldet, 5 Gebrauchsmusterpatente erteilt und 7 Software-Urheberrechte registriert.

Highlight 1: Hybrid-Roboterarm mit elf Freiheitsgraden – der Roboterarm mit den meisten Freiheitsgraden in der Branche

Der Meißelwechsel unter Druck findet hinter dem Schneidrad statt, der Raum ist extrem eng. Um in diesem begrenzten Raum Manövrierfähigkeit zu erreichen, entwickelte das Team einen Hybrid-Roboterarm mit elf Freiheitsgraden – ebenfalls der Roboterarm mit den meisten Freiheitsgraden in der Branche. Dank seiner flexibel einziehbaren Konstruktion und multi-quellbasierten Kollisionssensoren kann dieser Roboterarm das gesamte Schneidrad von TBMs mit einem Durchmesser von 10 bis 18 Metern abdecken.

Highlight 2: Schwerlast-Greifkapazität von 500 kg – mühelose Handhabung von über 200 kg schweren Rollmeißeln

Die TBM-Meißel bestehen aus Legierungen, viele Rollmeißel wiegen über 200 kg. Das Team kombinierte dies mit einem mehrstufig ausfahrbaren Schwerlast-Roboterarm, bewältigte die Stabilitätsprobleme bei großen Auslegerarbeiten und optimierte die Algorithmen, um die Tragfähigkeit des Geräts auf 500 kg zu erhöhen. So können schwere Rollmeißel mühelos gegriffen und präzise ausgetauscht werden.

Highlight 3: 3D-Infrarot-Maschinenvision zur Positionsbestimmung – Genauigkeit unter 1 mm

Beim Bau mit Hydroschilden füllt viel Schlamm die Kammer. Herkömmliche visuelle Erkennung kann die Anforderungen an die Automatisierung nicht erfüllen. Daher entwickelte das Team eine 3D-Infrarot-Maschinenvision zur Positionsbestimmung, die dem Roboter ein hochpräzises „stereoskopisches Auge“ verleiht. Es kann unter komplexen Bedingungen schnell die genaue Position und den Verschleißzustand jedes Meißels scannen und identifizieren, mit einer Positionsgenauigkeit von unter 1 mm.

Highlight 4: Digitales Zwillings-Intelligenz-Managementsystem – Simulation vorab, Eingriff während des Betriebs, Rückverfolgung nach Abschluss

In der komplexen Untergrundumgebung birgt die reine manuelle Steuerung weiterhin erhebliche Risiken. Das Team baute ein digitales Zwillings-Intelligenz-Managementsystem auf, das in Echtzeit Daten empfängt und automatisch die optimale Wechselreihenfolge der Meißel und die Bewegungsbahn des Roboterarms plant. Dies ermöglicht eine intelligente Steuerung des gesamten Wechselprozesses – von der Simulation vorab über den Eingriff während des Betriebs bis zur Rückverfolgung nach Abschluss.

Effizienzsteigerung um über 50 % – „Kein Personal in der Kammer“ wird Realität

Mit diesen technologischen Errungenschaften sind die praktischen Leistungen des intelligenten Meißelwechselroboters beeindruckend:

Mit dem intelligenten Meißelwechselroboter, gekoppelt mit dem digitalen Zwillings-Intelligenz-Managementsystem des Projekts, beträgt die Wechselzeit pro Rollmeißel nur 25 bis 40 Minuten, eine Effizienzsteigerung von über 50 %. Während des gesamten Prozesses ist kein Personal in der Kammer erforderlich, was eine echte Personalreduzierung und Automatisierung ermöglicht und die inhärente Sicherheit des TBM-Baus wirksam erhöht.

Bewertung durch Akademiemitglieder: „Insgesamt international führendes Niveau“

Bei der am Nachmittag desselben Tages von der China Highway and Transportation Society organisierten Bewertungskonferenz zu den Schlüsselergebnissen der Technologie für intelligente Meißelwechselroboter bei Großbohrmaschinen stellte die aus Akademiemitgliedern der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften, darunter Qian Qihu, Liang Wenhao, He Chuan und Xiao Mingqing, bestehende Bewertungsgruppe einstimmig fest: „Diese Forschungsergebnisse repräsentieren das höchste technologische Niveau Chinas in diesem Bereich und erreichen insgesamt international führendes Niveau.“

Akademiemitglied Qian Qihu lobte die Entwicklung der Ausrüstung sehr und sagte, dass die Wahl des Meißelwechselroboters als Forschungsschwerpunkt „gut gewählt und richtig gewählt“ sei, dem Trend zur Autonomie, Automatisierung und Intelligenz von Verkehrsausrüstung entspreche und neue Wege in Bezug auf Sicherheit, Effizienz und Kosten eröffne.

Von der Xiamen-Jinmen-Brücke zu Chinas Großdurchmesser-Schildtunnelprojekten

Das erste Einsatzgebiet des intelligenten TBM-Meißelwechselroboters ist der Huandao-Straßentunnel der Xiamen-Jinmen-Brücke (Xiamen-Abschnitt). Der Tunnel ist insgesamt 3.291 Meter lang, der Schildabschnitt wird mit einer TBM mit einem Bohrdurchmesser von 16,15 Metern gebaut – dem Tunnel mit dem größten Durchmesser in der Provinz Fujian. Der Roboter wurde erfolgreich an der 16-Meter-Klasse-TBM „Xiajin Hao“ eingesetzt und wird dazu beitragen, den Tunnel sicher und effizient voranzutreiben.

In Zukunft hat diese Technologie breite Anwendungsperspektiven:

Für Großdurchmesser-Schildtunnelprojekte in komplexer Geologie: Mit der Entwicklung der chinesischen Tunnelbauprojekte in Richtung „extrem tief, extrem lang, extrem komplexe Geologie“ steigt das Risiko des Meißelverschleißes kontinuierlich. Der intelligente Meißelwechselroboter bietet eine sichere und effiziente Lösung für risikoreiche und häufige Meißelwechselarbeiten.

Förderung des „Ersatzes von Menschen durch Maschinen“ im Schildtunnelbau: Die teilnehmenden Experten führten eingehende Diskussionen über zukünftige Szenarien des Schildtunnelbaus, mit Schwerpunkt auf den Richtungen „Ersatz von Menschen durch Maschinen“, Personalreduzierung und automatisierte intelligente Bauweise. Der erfolgreiche Einsatz des intelligenten Meißelwechselroboters markiert den Fortschritt des Schildtunnelbaus in Richtung einer vollständig automatisierten Prozesskette.

Förderung der Aufwertung der heimischen High-End-Ausrüstungsindustrie: Die Hard- und Software des gesamten Roboters ist zu 100 % im Inland hergestellt und verfügt über vollständig eigenständige geistige Eigentumsrechte. Dies durchbricht nicht nur das ausländische Technologiemonopol, sondern legt auch eine solide Grundlage für die industrielle Entwicklung der intelligenten Bauausrüstung für chinesische Schildtunnel.

Vom Einsatz von Arbeitern unter Druck in der Kammer, die unter schlammigen, stickigen Bedingungen von Hand über 200 kg schwere Rollmeißel transportieren, bis hin zum Roboterarm mit elf Freiheitsgraden, der unter der Steuerung des digitalen Zwillingssystems eigenständig die Meißelerkennung und den präzisen Austausch durchführt – der erfolgreiche Einsatz des ersten schwerlastfähigen intelligenten TBM-Meißelwechselroboters Chinas befreit den Menschen von den gefährlichsten Arbeiten unter der Erde und lässt den Tunnelbau mit großen Durchmessern wirklich in eine neue Ära des „meißellosen Wechsels“ eintreten.

Dies ist ein historischer Sprung von der „Massenstrategie“ zur „intelligenten Automatisierung“ und ein weiterer wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Autonomie und Intelligenz der chinesischen Ausrüstung für den Untergrundbau.