Elektro-hydraulischer Roboter Problemlösung im Crossrail-Tunnel in London bringt einzigartigen Roboter hervor.

Redakteur: M.A. Bernhard Richter

42 km Tunnel und 250.000 Löcher in der Tunnelwand sind zu bohren – dazu müssen unzählige Leitungen und Kabel an den Wänden angebracht werden. Nur mithilfe eines neu entwickelten Bohrautomaten kann das in der geforderten Zeit geschafft werden...

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Der Crossrail-Bohrautomat, bestehend aus zwei Maschinenteilen, bewegt sich durch die Tunnel und bohrt mehr als 250.000 Löcher ins Tunnelfutter.
Der Crossrail-Bohrautomat, bestehend aus zwei Maschinenteilen, bewegt sich durch die Tunnel und bohrt mehr als 250.000 Löcher ins Tunnelfutter.
(Bild: Eaton)

Die ATP Hydraulik AG (auch als ATP bekannt) entwickelt und produziert Hydrauliksysteme und mecha-tronische Lösungen in Kombination mit Automatisierung. Das Unternehmen erhielt einen Auftrag zur Gestaltung und Bereitstellung aller Zylinder, Hydraulikaggregate, kompletten Rohrleitungen, Elektro- und Hydrauliktechnik und Software auf zwei maßgeschneiderten Bohrinseln für das London Crossrail Programm. Neben der kompletten Rohrleitungen und Verkabelung lieferte ATP die Schmierkreise zusammen mit den Brandmelde- und Löschanlagen. Bei dem mechatronischen System, das elektrische und hy-draulische Komponenten integriert, entschied sich ATP für die Zusammenarbeit mit Eaton.

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Mithilfe des Unternehmens konnte ATP die Entwicklungszeit signifikant verkürzen. Crossrail, Europas größtes Bauprojekt, soll den Schienenverkehr in London und im Südosten Englands verändern, die zentrale Londoner Schienenkapazität um 10% steigern, die Regeneration unterstützen und die Reisezeiten durch die Stadt vermindern. Derzeit sind fast 20 km Gleis auf der sogenannte Elizabeth-Linie verlegt worden. Die Gesamtfinanzierung zur Lieferung von Crossrail umfasst £ 14,8 Mrd. (ca. 18 Mrd. €).

Millionen schneller in London

Das Ziel von Crossrail ist es, zusätzliche 1,5 Millionen Menschen näher als 45 Minuten zu der Londoner Innenstadt zu bringen und Londons wichtigste Beschäftigungs-, Freizeit- und Geschäftsbezirke zu verbinden – Flughafen Heathrow, West End, die Innenstadt, Docklands –, um so eine weitere wirtschaftliche Entwicklung zu ermöglichen. Die ersten Crossrail-Dienste durch das Zentrum von London starten Ende 2018 mit schätzungsweise 200 Millionen jährlichen Passagieren.

Für das ambitionierte Großprojekt müssen mehrere Lochmuster alle 6,4 m in die Beton-Tunnelverkleidung gebohrt werden, um die Schieneninfrastruktur zu sichern. Dazu gehören Klammern für die Notfall-Fluchtwege, Kabelmanagementsysteme, Feuerlöschleitungen und das 25-kV-Freileitungssystem, das die Crossrail-Züge antreibt. Eine der großen Herausforderungen ist, beim Bohren von 250.000 Löchern Zeit einzusparen und gleichzeitig die Gesundheit und Sicherheit der Arbeiter zu verbessern. In früheren Tunnelprojekten wurde diese Aufgabe manuell durchgeführt. Es wurden Vermesser eingesetzt, um jede Position physisch zu markieren. Die Löcher wurden dann von anderen Arbeitern mit Handhammerbohrern gebohrt.

Früher war alles gefährlicher

Für den 42 km langen Tunnel bei diesem Projekt hätte dies zwei bis drei Jahre in Anspruch genommen (abhängig von der Anzahl der Bauarbeiter). Die Vibrationen und Geräusche durch das Bohren von 250.000 Löchern hätten die Gesundheit und Sicherheit der Arbeiter gefährden können. Auch bei geeigneter persönlicher Schutzausrüstung (PSA) kann die Handarmschwingung (HAS) über einen längeren Zeitraum schwerwiegend und gesundheitsschädlich sein. Abgesehen davon, dass sie eine bekannte Ursache für das Karpaltunnelsyndrom und andere ergonomisch bedingte Verletzungen ist, kann die Hand-armschwingung zu direkten Verletzungen der Finger und Hand führen, wobei das Gefühl, die Geschicklichkeit und der Griff beeinträchtigt werden können. Aus diesen Gründen war eine Lösung erforderlich, um den Bohrvorgang zu beschleunigen und das Wohlergehen der Arbeiter zu verbessern.

Zeitplan erfüllen

Zur Erfüllung des Zeitplans von Crossrail wurde ATC (ein Joint Venture bestehend aus Alstom, TSO und Costain) beauftragt, zwei brandneue, hochmoderne Präzisions-Bohrautomaten einzusetzen. Die Crossrail-Bohranlagen wurden von der Rowa Tunneling Logistics in der Schweiz gefertigt und bis November 2015 fertiggestellt.

Für das mechatronische System, das elektrische und hydraulische Komponenten sowie die komplette Software und Schnittstellen integriert, arbeitete ATP Hydraulik mit Eaton zusammen. So musste ATP mit nur einem Hauptlieferanten kooperieren und konnte eine kurze Entwicklungszeit gewährleisten. Zu den elektrischen Komponenten gehören Schütze vom Typ DIL mit Smart-Wire-DT-Anbindung und Sicherungen für die Bohrmaschinen und Pumpen für das Staubunterdrückungssystem, das über ein Profinet/Smart-Wire-DT Gateway gesteuert wird. Die Verdrahtungs- und Kommunikationstechnik von Smart-Wire-DT vereinfacht die komplexe Steuerverdrahtung durch ein einziges Kabel. Eatons Heavy-Duty-Serie von Axialkolbenpumpen versorgt die Hydrauliksysteme mit Hydrauliköl, die sowohl die Arme bedienen und die 36 Bohrer steuern als auch die Proportional-, Patronen- und Wegeventile sowie die Rohrverschraubungen setzen.

Die erste Phase bestand darin, einen 3D-Scan entlang des Tunnels durchzuführen, der Messungen in kleinen Schritten vornahm. Diese Daten wurden in einer koordinierten Form in ein Computerprogramm eingespeist und mit Segmentvorlagen für die Bohrpositionen überlagert. Alle 6,4 m werden die Bohranlagen automatisch über Laser positioniert. Sie erhalten die Bohrdaten über einen USB-Stick. Alle Löcher werden gleichzeitig, vollautomatisch und genau auf ± 2 mm gebohrt.

Eine elegante Lösung

„Der mechatronische Ansatz, der hydraulische und elektrische Teile umfasst, hatte in Rekordzeit eine technische Errungenschaft zur Folge – einen Bohrautomat, der als Roboter verstanden werden kann“, sagt Michael Fabianek, CTO, ATP Hydraulik AG. „Durch die Integration von Eatons Verdrahtungs- und Kommunikationstechnologie rechnen wir mit einer Zeitersparnis von 80 Arbeitsstunden, um die beiden Schaltschränke für die beiden Bohrfahrzeuge zu bauen.“ Diese Einsparung wurde durch die Reduzierung der Verdrahtungszeit sowie der Zeit für die E/A-Prüfung und die Inbetriebnahme erreicht.

ATP brauchte vier Monate, um das Projekt bis zur Abnahmeprüfung (FAT) zu realisieren. Nach umfangreichen Regulierungs- und Sicherheitsprüfungen und einer FAT in der Schweiz wurde die Inbetriebnahme in Großbritannien mit realen, geänderten Daten abgeschlossen. Die Tunnelwandbohrungen begannen im April 2016. Die Unternehmen sind sich sicher, dass diese Art der Bohranlage auch für zukünftige Tunnelprojekte verwendet werden kann. (br)

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