Prozesssimulation als Planungsinstrument: Logistikoptimierung beim Güterzugtunnel Fürth
Die Durchführung von Großprojekten bedarf einer robusten Planung unter Berücksichtigung verschiedener Zielgrößen wie Nachhaltigkeit, Bauzeit und Kosten. In den letzten Jahren sind die Ansprüche an die Planung und Ausführung auf Grund einer stärkeren Gewichtung der Interessen der Träger öffentlicher Belange (Lärm-, Staub- & Verkehrsemissionen) sowie neuer gesetzlicher Regularien (ErsatzbaustoffV) gestiegen. Um in der Planung bereits in frühen Phasen den Bauablauf möglichst effizient und robust zu gestalten sowie den Einfluss von Änderungen im Planungsprozess für die Ausführung ganzheitlich abschätzen zu können, eignet sich die Methode der Prozesssimulation. Anhand des Projekts Güterzugtunnel Fürth zeigt dieser Beitrag, wie simulationsgestützte Planungsmethoden dazu beitragen können, Schnittstellen in der Logistikplanung transparent darzustellen und zu analysieren, Bauabläufe realitätsnah abzubilden und damit fundierte Entscheidungen zu unterstützen.
1 | Beim Infrastrukturprojekt Güterzugtunnel Fürth werden simulationsgestützte Planungsmethoden eingesetzt
Credit/Quelle: DB InfraGO
1 Einleitung
Im Zuge des Großprojekts VDE 8.1 „Nürnberg–Ebensfeld“ realisiert die DB InfraGO im Auftrag des Bundes den Aus- bzw. Neubau einer leistungsfähigen Bahnstrecke zwischen Nürnberg und Erfurt. Ein Teilvorhaben ist der Neubau der zweigleisigen Güterzugstrecke 5955 von Nürnberg-Kleinreuth nach Erlangen-Eltersdorf, die den stark frequentierten Hauptbahnhof Fürth (Bay) vom Güterverkehr entlasten und damit zusätzliche Kapazitäten für den Personenverkehr schaffen soll. Ein zentrales Bauwerk des Streckenabschnitts ist der Güterzugtunnel Fürth, der als einröhriger, zweigleisiger Tunnel in maschineller sowie offener Bauweise hergestellt werden soll. Der maschinell aufzufahrende Teil des Tunnels ist dabei etwa 6,5 km lang und hat einen Ausbruchdurchmesser von rund 13,0 m.
Angesichts der Komplexität des Vorhabens und der logistischen Anforderungen eines maschinellen Tunnelvortriebs im Einzugsgebiet der Stadt Nürnberg, mit wenigen unmittelbar angrenzenden Deponie- bzw. Aufbereitungsstandorten für Abraum, wurde frühzeitig entschieden, die Planung durch eine simulationsbasierte Logistikstudie zu unterstützen.
Ziel war es, Optimierungspotentiale in der Logistikplanung frühzeitig zu identifizieren und die Robustheit des Bauablaufs zu erhöhen. Dabei wurden nicht nur die Vortriebsprozesse der TBM modelliert und untersucht, sondern insbesondere auch sämtliche Prozesse zur Andienung der TBM und Logistikprozesse auf der Baustelleneinrichtungsfläche wie die Ver- und Entsorgungslogistik für Abraum und Tübbinge analysiert. Weiterhin wurden technische Störungen sowie zeitliche und logistische Restriktionen relevanter Entitäten (TBM, Separation, Multi-Service-Vehicle, Kran) berücksichtigt.
2 Projektvorstellung Güterzugtunnel Fürth
Der Streckenabschnitt zwischen Nürnberg und Fürth zählt zu den am stärksten frequentierten in Bayern, da hier ein Großteil des Nah- und Fernverkehrs aus westlicher Richtung (Würzburg) und nördlicher Richtung (Bamberg) gebündelt wird. Durch den Neubau der rund 15 km langen, zweigleisigen Güterzugstrecke wird eine nachhaltige Entlastung des Bahnknoten rund um die Stadt Fürth geschaffen. Zentrales Bauwerk ist der 7,5 km lange Güterzugtunnel (Bild 1).
Im Zuge des Ausbaus des Knotenbahnhofes Fürth soll eine neue Güterzugstrecke von Nürnberg nach Eltersdorf erstellt werden. Die Güterzugstrecke von Nürnberg Rangierbahnhof bis Eltersdorf ist rund 15 km lang. Sie beginnt mit dem viergleisigen Ausbau der vorhandenen zweigleisigen Strecke Hohe Marter–Fürth Güterbahnhof (5950) und taucht im Bahnhof Nürnberg Großmarkt in einen einröhrigen, zweigleisigen Tunnel ab. Der 7,5 km lange Tunnel unterfährt Stadtteile Nürnbergs und verläuft im Stadtgebiet Fürth unter der Trasse der Autobahn 73. Ab dem Tunnelende in Fürth-Kronach wird die Trasse eng mit der bestehenden A73 gebündelt und mündet im Bahnhof Eltersdorf in die bestehenden Gleisanlagen.
Die Einfahrt in das Tunnelbauwerk erfolgt von Süden kommend über einen 710 m langen Rampentrog, an welchen sich eine offene Tunnelbauweise mit einer Länge von 505 m anschließt. Der maschinell vorgetriebene Tunnelabschnitt wird von Norden nach Süden mittels einer Variable-Density-Tunnelbohrmaschine (VD-TBM) aufgefahren. Dieser TBM-Typ ermöglicht es, je nach vorliegender Geologie den Betriebsmodus anzupassen. Die Förderung von Abraum kann sowohl über eine hydraulische Förderung mit nachgeschalteter Separation (flüssigkeitsgestützter Betriebsmodus) als auch über ein Förderband (EPB-Betriebsmodus) erfolgen. Im Bereich der Pegnitz erreicht der Güterzugtunnel rund 30 m unter der Oberfläche seinen tiefsten Punkt. Auch im nördlichen Projektabschnitt führt der Güterzugtunnel über eine 435 m lange, offene Bauweise und ein 420 m langes Trogbauwerk an die Oberfläche. Entlang des Güterzugtunnels werden sieben Notausgänge bestehend aus Schachtbauwerk und Stollen errichtet.
Im oberirdischen Verlauf der Güterzugstrecke werden sechs Eisenbahnüberführungen und eine Straßenüberführung neu errichtet. Weiter werden zwei bestehende Straßenüberführungen an die Neubaustrecke angepasst.
Das Vorhaben erstreckt sich über drei Planfeststellungsabschnitte. Der Planfeststellungsabschnitt 13 (PFA 13) deckt den südlichen Streckenausbau und das angrenzende Tunnelbauwerk ab. Für diesen Abschnitt liegt das Baurecht vor. Die freie Strecke in gebündelter Lage zur A73 ist Bestanteil des PFA 16. Der Abschnitt befindet sich derzeit im laufenden Genehmigungsverfahren. Die Einfädelung der Güterzugstrecke in den Knotenpunkt Eltersdorf ist Bestandteil des PFA 17, welcher mit vorliegendem Baurecht bereits in Teilen realisiert ist.
Im Zuge der Planungen der Güterzugstrecke sind eine Vielzahl von Optimierungspotenzialen geprüft und umgesetzt worden. Mit der Umstellung der Vortriebstechnologie zur Variable-Density TBM können rund 3 km der Tunnelvortriebsstrecke ohne Zugabe von Stützflüssigkeit aufgefahren werden. So wird die Wiederverwertbarkeit des Tunnelausbruchmaterials verbessert. In diesem Zusammenhang wurde auch die Sohlauffüllung der Tunnelröhre mit Ortbeton neu bewertet. Fahrbahn im Tunnel und Randweg werden weiterhin auf einer Sohlplatte gegründet, die Verfüllung des verbleibenden Hohlraums erfolgt mit einem Kies-Sand-Gemisch. In Summe können so bereits durch Optimierungen in der Planung unter anderem Baustellenverkehre und CO2-Emissionen nachhaltig gesenkt werden.
Die fortlaufende Optimierung der Baustellenlogistik für Ver- und Entsorgung im Rahmen des maschinellen Tunnelvortriebs zur Minderung von Betroffenheiten und Umweltauswirkungen bei gleichzeitiger Gewährleistung eines reibungslosen Bauablaufs wird mit einem simulationsgestützten Ansatz fortgeführt. Mit dem Einsatz einer Prozesssimulation für das Vorhaben können verschiedene Planungsparameter überprüft und deren Einfluss auf den Bau der Güterzugstrecke bewertet werden.
3 Prozesssimulation
3.1 Hintergrund und Methodik
Prozesssimulationsmodelle sind virtuelle Abbilder eines realen Systems. Sie ermöglichen es, komplexe Abläufe sowie deren zeitliche, räumliche und ressourcenbezogene Abhängigkeiten vor ihrer Umsetzung zu analysieren, zu optimieren und transparent darzustellen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Verständnis sowie der Berücksichtigung von Prozessabhängigkeiten und -wechselwirkungen. Dabei wird der Gesamtprozess in einzelne Teilprozesse zerlegt, wie z. B. das Eintreffen eines Transportfahrzeugs, der Beginn eines Vortriebszyklus oder die Entladung von Material an einem Zwischenlager. Jedes Ereignis verändert den Zustand des Systems und wirkt sich auf nachfolgende Abläufe aus.
Während sich Prozesssimulationen in der Industrie bereits seit vielen Jahren etabliert haben, gewann ihr Einsatz im Bauwesen erst in den vergangenen Jahren an Bedeutung. Anwendungsbeispiele im Tunnelbau umfassen etwa simulationsbasierte Leistungsprognosen [1; 2], simulationsgestützte Optimierungen von Baustellendesigns [3; 4] oder Analysen der Versorgungslogistik [5]. Wissenschaftlich wurde der Einsatz von Prozesssimulationsmodellen im maschinellen Tunnelbau u. a. im Sonderforschungsbereich 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“ an der Ruhr-Universität Bochum vertieft untersucht [6].
Die Erstellung von Simulationsmodellen beschreibt die VDI-Richtlinie 3633 Blatt 1 [7], die ein strukturiertes Vorgehen von der Zieldefinition über die Modellbildung bis hin zur
Ergebnisanalyse und begleitender Verifikation & Validierung vorgibt. Der Abstraktions- und Detaillierungsgrad der Simulation wird dabei stets auf die Zielstellung abgestimmt. Abhängig von Fragestellung und Datenverfügbarkeit kann das Simulationsmodell zudem entweder deterministisch oder stochastisch aufgebaut werden. Stochastische Modelle ermöglichen die Abbildung von Unsicherheiten und zufallsbedingten Schwankungen innerhalb der Prozesse und erlauben damit eine realitätsnähere Simulation komplexer Bau- und Logistikabläufe. Typische Einsatzbeispiele sind die Modellierung von technischen Ausfällen, variierenden Lieferzeiten, Stau- oder Wartezeiten im Baustellenverkehr sowie Unsicherheiten in geotechnischen Parametern. Durch die Einbeziehung solcher Unwägbarkeiten lassen sich Risiken frühzeitig identifizieren und die Robustheit von Planungsentscheidungen erhöhen.
3.2 Anwendungspotentiale
2 | Anwendungspotentiale zum Einsatz der Prozesssimulation in verschiedenen Projektphasen
Credit/Quelle: BUNG-PEB
Die Methodik der Prozesssimulation ist grundsätzlich weder auf eine Leistungsphase noch auf ein spezifisches Bauverfahren beschränkt. Vielmehr bietet sie Anwendungspotentiale über alle Projektphasen hinweg – von der frühen Planung über Genehmigungs- und Ausschreibungsverfahren bis hin zur Ausführung und Projektsteuerung (Bild 2).
Bereits in der Vor- und Entwurfsplanung unterstützt die Simulation die systematische Bewertung alternativer Planungskonzepte unter Berücksichtigung von Logistik, Bauzeit und Ressourceneinsatz. In der Genehmigungsphase kann sie zur Abschätzung umweltrelevanter Auswirkungen – wie Verkehrsbelastung oder Lärmemissionen – beitragen und so die Nachvollziehbarkeit der Planung gegenüber Dritten erhöhen. Auch bei der Ausschreibung können Simulationsergebnisse zur Definition von Leistungskennwerten und Sollvorgaben dienen.
Während der Bauausführung unterstützt die Prozesssimulation eine dynamische Projektsteuerung sowie die frühzeitige Identifikation von Engpässen oder Zielabweichungen. Im Nachtragsmanagement kann sie darüber hinaus zur objektiven Bewertung gestörter Bauabläufe herangezogen werden. Insbesondere durch die Möglichkeit, reale Ist-Abläufe mit simulierten Soll-Prozessen zu vergleichen und damit ursächliche Verzögerungen nachvollziehbar darzustellen.
4 Simulationsstudie und Auswertung
Für die Logistikstudie am Güterzugtunnel Fürth entwickelte die BUNG-PEB ein flexibel anpassbares Prozesssimulationsmodell in der Python-basierten Simulationsumgebung Salabim [8], mit dem sich der Bauablauf und die Logistik von EPB-, Slurry- oder VDS-TBM abbilden lässt. Das Modell simuliert den Tunnelvortrieb mit seinen geologischen Randbedingungen, die An- und Abtransportprozesse von Tübbingen bzw. Abraummaterial sowie zeitliche Restriktionen der Transportprozesse (Nachtfahrverbot, Sonn- & Feiertage). Beim Abraumtransportprozess werden Liegezeiten des Abraummaterials zur Beprobung nach ErsatzbaustoffV berücksichtigt und der Fahrweg der LKW zwischen Deponie bzw. externem Tübbinglager in der Simulation abgebildet.
4.1 Modellvorstellung und Modellgrenzen
Die durchgeführte Simulationsstudie basiert auf der bestehenden Planung, Prognosen des geotechnisch-/tunnelbautechnischen Gutachtens, dem Separationskonzept, dem Logistikkonzept sowie dessen Interpretationen (u. a. geotechnische Kennwerte, Laborversuche, bautechnische Empfehlungen). Es wurde ein stochastisches Simulationsmodell entwickelt, in dem die Prozesszeiten bzw. Leistungsansätze auf Basis von Erfahrungswerten, Expertenschätzungen und ergänzenden Literaturwerten durch geeignete Verteilungsfunktionen abgebildet werden. Die angesetzte Vortriebsleistung der TBM variiert dabei je nach prognostizierter Geologie. Außerdem wird eine Lernkurve der Mineure beim Ringbau abgebildet.
Der maschinelle Tunnelvortrieb wurde durch die Modellierung verschiedener Entitäten mit einem diskreten ereignisorientierter Modellierungsansatz (DES) implementiert. Dabei wurden verschiedene Entitäten wie die TBM, Separation, Multi-Service-Vehicles und der Kran mit technischen Störungen modelliert. Die Dauer und Häufigkeit von Störungen wurden durch die Betriebsdauer zwischen Ausfällen (TBF) sowie Reparaturzeiten (TTR) definiert. Nach Ablauf der Betriebsdauer stoppt der Prozess für die Dauer der Reparaturzeit. Anschließend wird der Prozess fortgesetzt.
3 | Skizze der Baustelleneinrichtungsfläche für den maschinellen Tunnelvortrieb nördlich von Fürth-Kronach
Credit/Quelle: BUNG-PEB
Die TBM kann den Vortriebsmodus entsprechend der Variable-Density-Technik wechseln. Daher ist eine hydraulische Förderung mit anschließender nachgeschalteter Separation und die Förderung von Abraum per Förderband im Simulationsmodell umgesetzt worden. Die Zwischenlager für Tübbinge und Abraummaterial auf der Baustelleneinrichtungsfläche (BE-Fläche) wurden gemäß der vorherigen Planung im
4 | Dashboard-Visualisierung des Bauablaufs
Credit/Quelle: BUNG-PEB
Simulationsmodell berücksichtigt. Beim Abraumtransport wurden Liegezeiten von 16 Tagen eingeplant, in denen der Abraum gemäß Ersatzbaustoffverordnung (ErsatzbaustoffV) beprobt und analysiert werden muss. Zur sortenreinen Zwischenlagerung sind somit getrennte Haufwerke mit einem Gesamtvolumen von über 40 000 m3 vorgesehen (Bild 3). Zudem wurden zeitliche Restriktionen wie Nachtfahrverbote sowie Sonn- und Feiertagsfahrverbote im Bundesland Bayern in die Simulation integriert.
Zur vereinfachten Visualisierung wurde eine 2D-Animation des Vortriebs entwickelt (Bild 4). Die Animation erlaubt es, die durchgeführten Simulationsläufe nachzuvollziehen und die Plausibilität des simulierten Bauablaufs zu verifizieren.
4.2 Vorgehensweise der Simulationsstudie
Die Analyse und Optimierung des maschinellen Tunnelvortriebs erfolgten mehrstufig. In der ersten Stufe wurden zur Analyse und anschließenden Verifikation des Bauzeitenplans nur die Prozesse auf der Baustelleneinrichtungsfläche betrachtet. Die Modellgrenzen umfassten den An- und Abtransport von Tübbingen und Abraummaterial auf der Baustelle, jedoch ohne Berücksichtigung der externen LKW-Fahrwege. Zur Analyse wurden Monte-Carlo-Simulationsstudien (numerischer Rechenalgorithmus, bei dem wiederholte Zufallsstichproben für die Bewertung von Auftretenswahrscheinlichkeiten von Ergebnissen genutzt werden) durchgeführt und diese statistisch ausgewertet. Als Eingangsparameter wurden die Annahmen aus dem damaligen Stand der Entwurfsplanung gewählt.
In der zweiten Stufe wurden Variantenuntersuchungen zu Baulogistikstraßen im Zusammenhang mit dem übergeordneten Straßennetz durchgeführt.
4.3 Stufe 1 der Simulationsstudie (Intra-Logistik der Baustelle)
Im ersten Schritt wurde der damalige Stand der Entwurfsplanung simuliert. Die wichtigsten Erkenntnisse der Analyse der Entwurfsplanung werden nachfolgend zusammengefasst.
5 | Mittlere Zeitverteilung des kritischen Wegs
Credit/Quelle: BUNG-PEB
6 | Zustand der Haufwerke über die Bauzeit für einen Simulationslauf
Credit/Quelle: BUNG-PEB
7 | Abhängigkeit der mittleren Vortriebleistung von der Anzahl der eingesetzten Radlader
Credit/Quelle: BUNG-PEB
8 | Einfluss der Liegezeit zur Beprobung von Abraum auf die mittlere Vortriebsleistung
Credit/Quelle: BUNG-PEB
Bild 5 zeigt den durchschnittlichen Zeitbedarf der Prozesse auf dem kritischen Pfad des Tunnelvortriebs, basierend auf 300 Simulationsläufen. Die durchschnittliche tägliche Vortriebsleistung liegt bei ca. 9,5 m. Über 40 % der Bauzeit entfallen im Mittel auf ungeplante Stillstände, hauptsächlich aufgrund überfüllter Abraumhalden auf der BE-Fläche. Die im Entwurf angenommene Vortriebsleistung konnte insgesamt bestätigt werden.
Im nächsten Schritt wurde eine Engpassanalyse durchgeführt, um Ursachen der Verzögerungen in der Abraumlogistik zu identifizieren. Obwohl laut verkehrstechnischer Untersuchung bis zu 370 LKW-Fahrten pro Tag möglich wären, wurden im Mittel nur 185 Transporte realisiert. Die Analyse zeigt, dass über die gesamte Bauzeit hinweg kontinuierlich Abraum zur Abfuhr bereitstand (vgl. grüne Kurve in Bild 6).
Diese Untersuchung legt nahe, dass der Engpass des Bauablaufs nicht auf die erforderliche Liegezeit des Materials oder die verfügbaren täglichen LKW-Transporte für den Abraumtransport zurückzuführen ist. Der kritische Punkt im simulierten TBM-Vortrieb liegt im Beladevorgang der LKW auf der BE-Fläche, für den ursprünglich zwei Radlader vorgesehen waren.
Bild 7 verdeutlicht die Abhängigkeit der mittleren Vortriebsleistung von der Anzahl eingesetzter Radlader: Durch den Einsatz von vier statt zwei Radladern lässt sich die durchschnittliche tägliche Vortriebsleistung um etwa zwei Ringlängen steigern – bei gleichbleibender maximaler LKW-Anzahl. Wird darüber hinaus eine Erhöhung der Vortriebsleistung angestrebt, muss auch die tägliche Anzahl möglicher LKW-Transporte gesteigert werden.
Die erforderliche Dauer der Liegezeit des Abraummaterials war zum Zeitpunkt der Simulationsstudie noch nicht endgültig geklärt. Die Liegezeit ist im Allgemeinen von Unsicherheiten geprägt, da diese stark von der Auslastung der geotechnischen/umwelttechnischen Labore abhängt, welche die Beprobung des Materials durchführen werden. Daher wurde zusätzlich untersucht, welche Auswirkungen eine Verkürzung oder Verlängerung der Liegezeit auf die mittlere Vortriebleistung, respektive auf die Bauzeit hat. Die Liegezeit wurde von minimal einem Tag bis maximal 21 Tage variiert (Bild 8). Die Studie wurde mit zwei bzw. vier Radladern zum Verladen von Abraum durchgeführt. Für vier Radlader ist bis zu einem rechnerischen Wert von 13,2 Tagen der Liegezeit keine Auswirkung auf die Liegezeit zu beobachten. Wird die Liegezeit weiter erhöht, nimmt die mittlere Vortriebleistung jedoch rapide ab. Bei Berücksichtigung von zwei Radladern ist kein maßgebender Einfluss der Liegezeit auf die mittlere Vortriebleistung ersichtlich, da der Engpass des Bauablauf der Verladeprozess von Abraum ist.
Die Dauer eines Wechsels des Vortriebsmodus bei einer Variabel Density TBM kann je nach gewählter Maschinenkonfiguration acht bis zwölf Schichten betragen. Untersucht wurde, welche Auswirkungen ein zusätzlicher Moduswechsel beim Unterqueren eines fiktiven Zwangspunkts auf die mittlere Vortriebsleistung hat. Dabei wurde ein zweimaliger Umbau der TBM angesetzt, jeweils mit einer konservativen Dauer von sechs Tagen (zwölf Schichten). Aus den gewonnen Simulationsergebnissen geht hervor, dass bei gleichen Randbedingungen, wie in der Entwurfsplanung gewählt, keine signifikante Änderung der Bauzeit entsteht. Der beobachtete Effekt ist darauf zurückzuführen, dass der Abraumabtransport den Engpass des Bauablaufs darstellt und während der Umbauzeit Zwischenlagerkapazitäten auf der BE-Fläche durch Abtransport des Abraums geschaffen werden können. Daraus resultiert eine temporär höhere mittlere Vortriebsleistung nach der Umbauzeit, bevor sich der Engpass der Abraumlogistik erneut ausbildet. Dies kompensiert die Dauer der Umbauzeiten.
Weitergehend wurden die Auswirkungen wechselnder Randbedingungen auf die mögliche Vortriebsleistung untersucht. Dabei wurden folgende Parameter variiert:
Mögliche Fahrströme (LKW für Abraum- und
Tübbingtransport)
Einfluss der möglichen Einleitmenge des Prozesswassers der Separation
Einfluss auf die Anzahl an verfügbaren Beladestellen bzw. Radladern für Abraum
Die Optimierung der Andienung der TBM wurde weitergehend beleuchtet. Dabei wurden zwei von der Entwurfsplanung abweichende Varianten und deren Einfluss auf die erreichbare Vortriebsleistung untersucht:
Beladung der MSV in der Startbaugrube im Vergleich zur Beladung außerhalb der Startbaugrube
Zwei Portalkräne – jeweils separat zum Entladen von Tübbing-LKW und zum Beladen von MSV
Die gewonnen Erkenntnisse konnten zu einer robusten Planung beitragen und eventuell in späteren Planungsphasen aufkommende Fragenstellungen schon frühzeitig adressieren.
4.4 Stufe 2 der Simulationsstudie –Abschätzung Versorgungskette
9 | Einfluss der Anzahl eingesetzter LKW für den Abraumtransport auf die mittlere Vortriebsleistung
Credit/Quelle: BUNG-PEB
10 | Wartende LKW auf einem möglichen Bereitstellungsraum
Credit/Quelle: BUNG-PEB
11 | Einfluss der Entfernung eines fiktiven Bereitstellungsraums auf die mittlerer Vortriebsleistung
Credit/Quelle: BUNG-PEB
In der zweiten Analysestufe wurde die Versorgungskette der Baustelle weitergehend untersucht. Dazu wurde der Fahrweg der LKW zwischen Deponie bzw. externem Tübbinglager und Baustelle in der Simulation berücksichtigt. Es wurde untersucht, ob die benötigten LKW-Fahrten baupraktisch realisiert werden können, um die angestrebten Vortriebsleistungen zu erreichen. Dabei wurden zulässige Fahrzeiten und -geschwindigkeiten, zulässige Be- und Entladezeiten auf der Baustelle sowie Anlieferzeiträume an der Deponie und Beladezeiträume an einem externen Tübbinglager bzw. einer externen Tübbingproduktion berücksichtigt. Zudem wurden staubedingte Reduzierungen der Fahrgeschwindigkeiten zu den Hauptverkehrszeiten in die Simulation einbezogen. Die weiteren Untersuchungen wurden mit der optimierten Variante von vier Radladern durchgeführt.
Zum Stand der Simulationsstudie waren noch keine Deponiestandorte bekannt; deshalb wurden drei verschiedene Entfernungen von 100 km, 200 km und 300 km von der Baustelle untersucht. Die Anzahl an verfügbaren LKW für den Abraumtransport wurde ebenfalls variiert (Bild 9). Die erforderliche Anzahl an LKW kann daraus je nach Entfernung der Deponie ermittelt werden.
Die Tübbinglogistik wurde ebenfalls simulativ betrachtet, spielte jedoch eine nachgeordnete Rolle, da sie den Bauablauf in der vorliegenden Konstellation nicht signifikant beeinflusst.
Auf Basis der Simulation wurde der Verkehrsfluss zwischen Deponie bzw. Tübbinglager und der Baustelleneinrichtungsfläche (BE-Fläche) analysiert. Dabei zeigte sich – anders als noch in Stufe 1 angenommen – kein kontinuierlicher Verkehrsfluss, da durch die Vielzahl an betrieblichen Restriktionen (Fahrzeiten, Be- und Entladezeiten etc.) zeitweise Rückstaus entstehen. Die Anzahl wartender LKW an der BE-Fläche wurde dabei ebenfalls ausgewertet.
Der in Bild 10 dargestellte Simulationslauf basiert auf folgenden Annahmen: vier Radlader im Einsatz, 200 LKW für den Abraumabtransport und eine Deponie in 300 km Entfernung. Auf der BE-Fläche wurden insgesamt 14 Aufstellplätze für LKW vorgesehen. Diese dienen als temporäre Wartezonen für LKW, bis sie be- oder entladen werden können. Die Simulation zeigte, dass unter diesen Bedingungen bis zu 120 LKW gleichzeitig an der BE-Fläche warten, was zu einem Rückstau im öffentlichen Verkehrsnetz führt – eine Situation, die aus verkehrsplanerischer Sicht vermieden werden muss.
Da in der aktuellen Modelllogik LKW auch dann zur Baustelle fahren, wenn kein freier Aufstellplatz vorhanden ist, wurde im weiteren Verlauf der Studie ein alternatives Konzept untersucht: die Einrichtung eines vorgelagerten Bereitstellungsraums. In diesem können die LKW so lange warten, bis an der BE-Fläche ein Stellplatz verfügbar ist. Erst dann erfolgt eine „Just-in-time“-Anfahrt zur Baustelle. Auf diese Weise lassen sich Rückstaus auf öffentlichen Verkehrswegen signifikant reduzieren.
Ein möglicher Bereitstellungsraum muss zum Stand der Planung noch gefunden werden. Allerdings kann durch die Simulation der mögliche Suchradius sowie der Einfluss der Entfernung eines möglichen Bereitstellungsraums auf die Vortriebsleistung durch eine Sensitivitätsuntersuchung untersucht bzw. definiert werden. Die durchgeführten Simulationsläufe zeigen, dass bei einer Entfernung von rund 17 km zur Baustelle keine signifikanten Auswirkungen auf die mittlere Vortriebsleistung feststellbar sind (Bild 11).
5 Fazit
Obwohl eine Simulation stets eine vereinfachte Abbildung der Realität darstellt und nicht sämtliche Unsicherheiten vollständig erfassen kann, hat sie sich in der vorliegenden Studie als wirkungsvolles Instrument zur planerischen Unterstützung erwiesen.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die im Bauzeitenplan vorgesehene Vortriebsleistung von ca. 9 m pro Tag unter den gegebenen logistischen Randbedingungen grundsätzlich als realistisch erreichbar eingeschätzt werden kann. Ein zentraler Engpass im Bauablauf konnte im Bereich der Abraumlogistik, insbesondere beim Verladeprozess, identifiziert werden. Daraus lassen sich konkrete Empfehlungen für die weitere Planung ableiten – etwa zur Dimensionierung der Lagerflächen auf der BE-Fläche sowie zur Auswahl und Anzahl der einzusetzenden Maschinentechnik.
Die in der Studie empfohlenen ergänzenden Maßnahmen tragen dazu bei, die Leistungsfähigkeit des Bauablaufs zu erhöhen und die Robustheit gegenüber unvorhergesehenen Störungen zu verbessern. Insbesondere die Einrichtung eines Bereitstellungsraums für LKW kann helfen, zyklische Spitzenbelastungen im öffentlichen Verkehrsnetz deutlich zu reduzieren und somit auch den Anforderungen der Träger öffentlicher Belange gerecht zu werden.
Insgesamt unterstreicht die Untersuchung das Potenzial simulationsgestützter Analysen als wertvolle Ergänzung klassischer Planungsmethoden. Dies gilt insbesondere für komplexe Infrastrukturprojekte mit hoher Prozessdichte, wie z. B. maschinelle Tunnelvortriebe.
Ein besonderer Dank gilt der DB InfraGO AG Nürnberg für die Möglichkeit zur Durchführung der Studie sowie den Kolleginnen und Kollegen der Obermeyer Infrastruktur für die konstruktive Zusammenarbeit.
