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Vorgespannte Stollenauskleidung aus Beton, Mauerwerk u. dgl.
DieErfindung betrifft die Auskleidung von Druckstollen, Druckschächten, Kavernen, Tunneln u. dgl. mit vorgespanntem Beton, Mauerwerk usw., deren Vorspannglieder die Stollenverkleidung hauptsächlich aussen umschliessen und vornehmlich in dem den Hohlraum umhüllenden Fels verankert sind.
Mit dieser Erfindung soll eine Stollenverkleidung mit statischem Zusammenwirken von Fels, Beton und Vorspannstahl erreicht werden, die der inhomogenen und anisotropen Beschaffenheit des Felsens Rechnung trägt und eine rissefrei, wasserdichte, auch auf dieDauer in Verbundwirkung bleibende vorgespannte Konstruktion ergibt. Hiemit sollen die Nachteile der bekannten vorgespannten Stollenauskleidungen vermieden und durch auch im Verlaufe der Vorspannung ununterbrochenes Heranziehen des Felsens zur Übernahme vonLasten eine wirtschaftlicher. eBauweise geschaffen werden, welche auf die nach allen Richtungen unterschiedliche Festigkeit des Felsens Rücksicht nimmt.
Bekanntlich kann der Innendruck eines Triebwasserdruckstollens, Druckschachtes usw. vollständig durch eine Stahlpanzerung aufgenommen werden, welche nach der Kesselformel dimensioniert wird und keine Kräfte an den umgebenden Felsen abgibt. Dieser Art der Stollenauskleidung ist sehr kostspielig und musste bisher für Stollen oder Schächte in Hangnähe gewählt werden, wenn der Fels z. B. durch Firstspaltung geschwächt und aus der Übernahme von Zugkräften gefährdet worden wäre. Bei Druckstollen ist es bereits bekannt, dass dieStollenauskleidung durch denFelsen abgestützt wird, welcher den Hohlraum umschliesst, so dass das statischesystem einesDoppelrohres deninnendruck des Triebwasserstollens aufnimmt.
Soferne dieInnenleibung derStollenauskleidung noch mit einerStahlpanzerung versehen wird, übernimmt
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Austritt des TriebwassersdesVerkleidungsbetons und des Felsens gestützt. Auch diese Art der Stollenauskleidung ist sehr kostspielig ; sie ist auch kaum wirtschaftlich zu dimensionieren, da der Fels immer anisotrop und inhomogen ist, weshalb die Bemessung jeweils nach den ungünstigsten Verhältnissen eines Abschnittes erfolgen muss.
Um die leichter erzielbare höhere Druckfestigkeit des Verkleidungsmauerwerkes auszunutzen und seiner geringen Zugfestigkeit Rechnung zu tragen, ist man dazu übergegangen, dieses vorzuspannen ; d. h., dem Verkleidungsmauerwerk vor der Füllung des Stollens mit Triebwasser mittels besonderer Verfahren eine Druckvorspannung aufzuprägen, welche durch die bei der Vollfüllung auftretenden Zugspannungen nur teilweise abgebaut wird. Damit soll die Verkleidung rissefrei und dicht erhalten werden. Die Vorspannung wird nach einer Gruppe bekannter Vorspannbauweisen mit Vorspannstählen erregt, welche im Verkleidungsmauerwerk verankert sind, in Hüllrohren gleiten und nach dem Erhärten des Betons zwecks Bildung von Druckspannungen im Verkleidungsmauerwerk, angespannt werden.
Diese Verfahren haben den Nachteil, dass zufolge des Vorspannvorganges das Verkleidungsmauerwerk vom Felsen losgelöst und dass dadurch das Mittragen des Felsens ausgeschaltet wird, wenn der Innendruck des kalten Triebwassersim Stollen die Verkleidung nicht mehr genügend satt an den Fels anpresst, weil die vom Innendruck bewir- teDehnung der Verkleidung durchKälteschrumpfung und Schwinden aufgezehrt wird.
Man hat in Erkenntnis dieses Mangels versucht, den beim Vorspannen entstehenden Spalt zwischen der Stollenverkleidung und dem Felsen durch Mörteleinpressungen aufzufüllen, doch verbleibt hiebei wegen der Entmischungsvorgänge im Einpressgut und wegen des Kriechens und Schwindens des Felsens, der Verkleidung und des Einpressmörtels noch immer eine den Kraftschluss hemmende Fuge, so dass Risse in der Verkleidung und Wasserverluste entstehen.
Die Vorspanneinrichtungen für die in der Stollenauskleidung (auch Stollenwand genannt) verankerten
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Spannglieder sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Man hat Lisenen (z. B. nach dem System Dykerhoff und Widmann) an der Innenleibung der Stollenwand (-auskleidung) angeordnet, welche zur Unterbringung der Verankerung und zum Ansetzen der Spannpressen dienen ; diese Lisenen verengen aber den lichten Durchflussquerschnitt des fertig áusgekleideten Stollens. Um diese Nachteile der Innenverstärkungen zu vermeiden, hat man die in der Stollenauskleidung verankerten Spannglieder an tangentialen Aussparungen der inneren Stollenwand festgemacht und an diese Aussparungen die Spannpressen abgestützt.
Diese Aussparungen bedeuten Einkerbungen und damit unerwünschte Schwächungen der Stollenauskleidung (-wand). Es ist auch eine Ausführung bekannt (System Ros), bei welcher die Spannglieder durch eine Spannpresse radial gespannt werden, die über Zugelemente an der Stollenwandung verankert ist, und die über ein radial wirkendes Druckstück dieses Zugelement spreizt und dadurch unter Spannung setzt. Auch diese Zugelemente der Spannpresse sind im Beton der Stollenwand (-auskleidung) verankert.
Alle bekannten Vorspannsysteme, die mittels Spannstählen die Betonvorspannung bewirken, haben als gemeinsames Kennzeichen, dass die Vorspannglieder, nämlich yorspannstähle,-drahte u. dgl. in der Stollenwand bzw. -auskleidung und nicht im Fels verankert sind. Das Vorspannen bewirkt daher eine Verengung der ringförmigenBeton-Stollenauskleidung zufolge der demBeton aufgeprägtenDurckspannungund demnach. deren Ablösung vom Fels, welche durch die elastische Querdehnung des Betons nicht wettgemacht wird.
Man hat zur Einsparung von Vorspannstählen auch die Druckvorspajnung in der Weise in das Verlei- dungsmauerwerk eingeleitet, dass in die Fuge zwischen dem Felsen und dem Verkleidungsmauerwerk Mörtel unter hohem Druck eingepresst wurde. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass die Mörteleinpressungen in die Klüfte des Felsens, welche mit Wasser, Luft und Kluftletten erfüllt sind, nur unvollkommen und gebremst eindringen, so dass lange nach der Beendigung der Einpressungen ein Kriechen des Felsens zufolge Entleerung der Klüfte von Luft und Wasser eintritt, wodurch wieder eine Loslösung des Felsens von der Verkleidung erfolgt und damit die Druckvorspannungen, welche die Verkleidung vor Zugrissen bewahren sol- len, allmählich abgebaut werden ;
Risse in der Verkleidung und Wasserverluste waren die Folgen.
Es ist auch bereits bekannt, dass man Druckkissen in die Erzeugenden der Stollenauskleidung einbaute, um mit deren Hilfe eine Druckvorspannung des Verkleidungsgewölbes zu bewirken. Diese Methode hat wie die übrigen Vorspannmethoden den Nachteil, dass sie an die über den ganzen Umfang der Stollenauskleidung veränderliche Nachgiebigkeit des Gebirges nicht genügend angepasst werden kann, so dass die Druckvorspannung in den einzelnenRadialschnitten des Verkleidungsmauerwerkes entsprechend der unterschiedlichen Nachgiebigkeit des Gebirges und der demnach ungleichen Verformung der Ausmauerung sehr stark schwankt, wodurch Zugrisse in der Verkleidung und Wasserverluste unvermeidlich werden.
Es ist auch schon-bekannt, den Fels in der Weise vorzuspannen, dass er durch Andrehen von gegen die Stollenauskleidung abgestützten Stockschrauben mittels Platten von der Stollenachse weggedrückt wird.
Auch hiebei ist eine Mörteleinpressung mit deren Nachteilen nötig.
Die Erfindung stellt gegen alle bisherigen Vorspannverfahren eine grundsätzlich neue technische Lösung dar, weil erfindungsgemäss ein Verbundkörper von Fels, Vorspannankern, Spanngliedern und Stollenauskleidung geschaffen wird, deren technischer Effekt bisher noch nirgends erkannt und auch nicht erreicht wurde.
Allen bekannten bisherigen Verfahren ist nämlich gemeinsam, dass unter ihrer Anwendung der Fels nur so zum Mittragen herangezogen wird, indem er relativ von der Auskleidung wegbewegt wird. Der Fels wird also bereits beim Vorspannen in der gleichen Weise beansprucht, wie er dann später durch den Stolleninnendruck zusätzlich beansprucht wird und somit in seiner Arbeitsfähigkeit unter Umständen überfordert bzw. wird hiebei der Fels überhaupt nicht vorgespannt, wie etwa bei der Vorspannung mit in der Verkleidung verankerten Spanngliedern.
Durch die bisher bekannten Vorspannverfahren werden also die Klüfte des Felsens noch weiter geöffnet, wodurch es zu Kriecherscheinungen im Felsen kommt : ferner wird bei den bekannten Vorspannverfahren durch das Kriechen des Betons, des Felsens und durch die Abkühlung der Stollenverkleidung bei der Durchleitung des Betriebswassers eine Lösung des kraftschlüssigen Verbandes mit dem Felsen bewirkt, obgleich der Fortbestand des Kraftschlusses der Berechnung auf Rissesicherheit zugrunde gelegt wurde. In allen bekannten Vorspannverfahren wird somit nicht der Tatsache Rechnung getragen, dass der Fels wohl eine gute Druckfestigkeit, jedoch eine geringe Scherfestigkeit und nur eine mässige Zugfestigkeit hat und es wird keine zugfeste Verbindung der Verkleidung mit dem Felsen geschaffen.
Durch die Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Vorspannverfahren für Stollenauskleidungen so vermieden werden, dass die Vorspannanker mit dem Fels kraftschlüssig verbunden werden. Hiedurch wirdbeimSpannvorgangderFels gegen dieStollenauskleidung gepresst, wodurch dieSchwindfugen zwischen
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dem erhärteten Beton und dem Fels geschlossen werden. Die Stollenauskleidung wird gemäss der Erfindung sowohl beim Vorspannvorgang, als auch dann später durch den-Innendruck des Stollens gegen den Fels gepresst. Da die Ausmasse des Schwindens und das Schrumpfen des Verkleidungsbetons infolge der Abkühlung durch das Betriebswasser genau vorausberechenbar sind, kann dieser Formänderung beim Vorspannen Rechnung getragen werden.
Die Ankerenden der Vorspannstähle können während des Vortriebes zur Sicherung des Ausbruchprofiles dienen und eine Felsnagelung bilden ; sie ergeben ausserdem erwünschte Ansatzpunkte zur Messung der Querdehnung und des elastischen Verhaltens des Felsens. so dass die Dimensionierung der Vorspannstähle wirtschaftlich und den tatsächlichen Verhältnissen entsprechend erfolgen kann. Durch den Spannvorgang werden in den Fels umfangsgerichtete Druckvorspannungen eingeleitet, wodurch der Fels zum Mittragen des Innendruckes herangezogen werden kann, ohne dass er durch den auf ihn entfallenden Anteil von Zugspannungen aus den Wirkungen des Stolleninnendruckes aufgerissen werden würde.
Um trotz der verschiedenen Elastizitätszahlen des Stahles, der Verkleidung und der Felspartien verlässlich einevorspannung in der Verkleidung und im Fels zu erzwingen, kann die Verankerung der Spannstähle erfindungsgemäss ausser im Fels auch noch zusätzlich in der Verkleidung erfolgen.
Die erfindungsgemässeverankerung derSpannstähle im Fels hat auch den Vorteil, dass der Innendruck des Stollens auf den Fels über die Spannstähle Zugkräfte ausübt, die zur Stollenachse hingerichtet sind, während ihm die auswärts gerichteten Druckkräfte durch die Stollenauskleidung übertragen werden ; vermittels der Spannstähle können die Felspartien von hangnahe gelegenen Stollen und Schächten wirksam gegen eine Firstspaltung gesichert werden. Bei gefährdeten Felsüberlagerungen oder beim Vorhandensein übermässig nachgiebiger Felspartien können die Spannstähle vorwiegend in das Liegende oder in sonstige besonders tragfähige Felspartien verankert werden, da die Spannstähle schraubenlinienförmig um den Aussenrand der Stollenauskleidung geführt werden können.
Erfindungsgemäss wird der Vollausbruch des Felsens in bekannter Weise, z. B. durch Nagelung mittels Felsanker, gesichert. Beim Vollausbau werden vor dem Anbringen der Verkleidung die Vorspannstähle an den zurSicherung gebrauchten und an zusätzlichenFelsankern befestigt, in Hüllrohren um den Aussenumfang der Stollenauskleidung geführt und. nach dem Erhärten der Verkleidung mittels Spannelementen den Erfordernissen entsprechend vorgespannt. DieSpannelemente können zweckmässig an der Innenleibung der Stollenauskleidung angebracht werden, von wo aus auch die Verpressung der Hüllrohre oder ein Nachspannen der Spannstähle, oder auch eine weitere Abstützung der Spannglieder an der Verkleidung erfolgen kann.
Die Hüllrohre können erfindungsgemäss durch Lochung so ausgebildet werden, dass durch sie auch die Verpressung der Hohlräume zwischen dem Fels und der Stollenverkleidung mittels Füllmörtel vorgenommen werden kann.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen Fig. l eine vorgespannte Stollenauskleidung im Querschnitt, bei welcher die die Stollenauskleidung hauptsächlich von aussen umschlingendenSpannstähle kraftschlüssig vornehmlich im Fels, zum Teil auch inderstollenauskleidung verankert sind ; Fig. 2 denquerschnitt einer vorgespannten Stollenauskleidung, bei welcher die hauptsächlich die Stollenauskleidung von aussen umschlingenden Spannstähle eines hangnahen, von gebrächem Fels überlagerten Stollens, überwiegend im gesunden Fels verankert sind ; Fig. 3 im Stollenquerschnitt eine beispielsweise Verbindung des Spannstahlendes mit einem Felsanker, welcher hauptsächlich auf Zug beansprucht wird ;
Fig. 4 im Stollenquerschnitt eine beispielsweise Verbindung des Spannstahlendes mit einem Felsanker, welcher hauptsächlich auf Abscherung beansprucht wird ; Fig. 5 im Stollenquerschnitt eine beispielsweise Verankerung des Spannstahles im Beton der Stollenauskleidung ; Fig. 6 im Stollenquerschnitt den Spannvorgang als ein Ausführungsbeispiel für eine radiale Vorspannung mittels einer Spannpresse und einem zugehörigen Spannrahmen ; Fig. 7 im Stollenquerschnitt den zu Fig. 6 zugehörigen Auspressstutzen für die Einpressung von Mörtel in das Spannstahlhüllrohr bzw. in die Fuge zwischen Fels und Stollenauskleidung ; Fig. 8 im Stollenlängsschnitt ein Ausführungsbeispiel für einen axialen Spannvorgang zweier Spannstähle mittels einer hydraulischen Presse ;
Fig. 9 den zu Fig. 8 gehörigen Einpressanschluss zur, Verfüllung des durchlochten Spannstahlhüllrohres bzw. der Arbeitsfuge zwischen dem Fels und der Stollenauskleidung mittels Einpressmörtel ; Fig. 10 einen beispielsweisen axialen Spannvorgang im Stollengrundriss, zugehörig zum Längsschnitt der Fig. 8.
Im Fels 1 sind die Felsanker 2 beispielsweise mit Hilfe eines durchlochten Felsankerrohres 3 kraftschlüssig verbunden und sichern vermittels der Felsankerplatte 4 und der Felsankermutter 5 nach der bekannten Methode der Felsnagelung die Standfestigkeit des Felsausbruches. In der aus Beton bestehenden Stollenwandauskleidung 6 sind an ihrem äusseren Umfang innerhalb der Spannstahlhüllrohre 7 die Spannstähle 8 so untergebracht, so dass sie im Verlaufe eines Spannvorganges einen vorwiegend
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gegen das Stolleninnere wirkenden Druck auf die Stollenauskleidung ausüben. Der Spannstahlendkopf ist kraftschlüssig mit dem Felsanker 2, beispielsweise durch dieBolzenaugenkupplung 10 oder dun
Verschweissen verbunden.
Der zweite Spannstahlendkopf kann in der gleichen Weise mit einem Feisank kraftschlüssig-Kejbunden sein, so dass beide Spannstahlenden im Fels verankert sind.
Erfindungsgemäss kann aber auch ein Spannstahlende mit Widerhaken 11 im Auskleidungsbet@ verankert sein ; das zweite Spannstahlende kann vermittels der Sicherungsmutter 12 am Felsanker im Fels 1 und an der Stollenwandauskleidung 6 verankert sein. Die Vorspannung kann radial UI axial vorgenommen werden. Ein Beispiel für einen radialen Vorspannvorgang kann, wie es in Fig. 6 i
Stollenquerschnitt dargestellt ist, vor sich gehen. Die hydraulische Presse 13 stützt sich teils geg@ den Spannrahmen 14, teils gegen die am Ende des Vorspannstahles 8 befestigte Mutter 15. Na ( dem erfolgten S pannvorgang wird der Spannstahl 8 mittels der Sicherungsmutter 12 an der stoller
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lenwandauskleidung 6 und dem Fels 1.
Ein Beispiel für einen axialen Vorspannvorgang ist in der Fig. 8 im Stollenquerschnitt und in der Fig.1 im zugehörigen Stollengrundriss dargestellt. Eine hydraulische Presse 13 wirkt gleichzeitig auf zwe Vorspannstähle 8 vermittels ihrer beiden Spannknaggen 18, welche inSpannschlitzkästen 19 ein greifen, die auf die erweiterten Hüllrohre 7 längs der Stollenachse aufgesetzt sind. Nach dem Spann vorgang wird der verformte Spannstahl 8 vermittels einer Feststellungsmutter 20 festgehalten, di imSpannsch1itzkasten 19 angebracht ist. Die Kombination des radialen Spannvorganges mit dem axia len ermöglicht eine Abstimmung der Spannkräfte auf die jeweilige Nachgiebigkeit des Spannstahles, de Felsens und der Stollenverkleidung.
Das Verfüllen des Spannschlitzkastens 19 und des damit in Ver bindung stehenden Hüllrohres 7 mit Einpressmörtel erfolgt vermittels des Einpressstutzens 21, wo durch auch die Arbeitsfuge 17 zwischen dem Fels 1 und der Stollenwandauskleidung 6 verpref wird.
PATENTANSPRÜCHE :
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ausBeton, Mauerwerk u. dgl., dadurch gekennzeichnetkraftschlüssig im Fels (1) verankert sind.