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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stützung von Hohlraumbauten mittels Stahlankern, die durch ihre Anbringung in den Hauptzugspannungstrajektorien des den Hohlraum umschliessenden Felsens einen selbsttragenden Verbundkörper bilden.
Zur Abstützung der Firste von Abbaustrecken ist der Einbau von Gebirgsankern bekannt, deren in den Hohlraum vorstehenden Ankerköpfe durch vorgespannte Zugelemente miteinander verbunden sind, die aus Stahlbändern, oder einem einzigen Zugstab samt Spannschloss u. dgl. bestehen ; diese übertragen mittels Unterlegeblöcken Druckkräfte auf die Streckenfirste, sobald die Ankerzugkräfte das Zugelement spannen.
Es ist bereits bekannt, die Gebirgsanker unter einem Winkel von annähernd 450 zur Firste von der Stollenachse nach aussen geneigt so anzuordnen, dass sie mit den Unterlegeblöcken und dem Zugstab ein Hängewerk bilden ; dieses besteht im einfachsten Falle aus dem waagrechten Zugstab und je einem an dessen Enden entgegengesetzt geneigtem Gebirgsanker ; die Gebirgsanker können auch gruppenweise symmetrisch so angeordnet werden, dass die Ankerkräfte gemeinsam mit der Gurtkraft des waagrechten Zugbandes und mit den inneren Druckkräften des Gebirges das Kräftespiel eines Brückenfachwerksträgers bilden, wobei das Gebirge zwischen je einem Ankerkopf und dem Ende des benachbarten, parallel laufenden Gebirgsanker dessen Druckstäbe darstellen (DE-AS 1608289).
Dieses bekannte Sicherungsverfahren eignet sich nur für Hohlräume mit ebener Untersicht, da es den Lichtraum von gewölbten Ausbruchprofilen wegen der Sehnenstellung der Zugbänder in unzulässiger Weise einengen würde ; eine gleichmässige Neigung der parallelen Gebirgsanker unter 450 ist elastizitätstheoretisch nur bei einer ebenen Firste sinnvoll. Die Unterlegeblöcke rufen durch ihre Vertikaldrücke waagrechte Zugspannungen im Fels der Firste hervor, die zu einer Auflösung des Gesteinsverbandes und zum Versagen der Sicherungsvorkehrung führen können.
Falls in bekannter Weise die Gebirgsanker ohne Unterlegeblöcke an die Zugelemente angeschlossen werden, so erleiden die Ankerköpfe Biegebeanspruchungen und belasten die Anschlussstellen mit hohen Lochlaibungsdrücken auf das Gebirge ; auch damit kann die beabsichtigte Stützwirkung aufgehoben werden, weil die Gesteinszerstörung am Auflagerpunkt und die Biegeverformung der Ankerköpfe den Kraftschluss lösen.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile, indem die Ankerachsen tangential zu einer mit der Ausbruchsrandfläche gleichlaufenden Hüllfläche angeordnet werden, so dass sie umfangsgerichtete Zugkräfte übernehmen können. Bei ihrer paarweisen Anbringung und gegengerichteter Neigung können sie erfindungsgemäss ohne Zwischenschaltung eines sperrigen Zugbandes kraftschlüssig miteinander verbunden werden.
Es ist auch schon bekannt, im Bergbau zum Verankern relativ weicher Gesteinsschichten angespitzte Stahlstangen unter Weglassung einer Bohrung im wesentlichen senkrecht in die waagrechte Firste einzutreiben und dazwischen, unter einem Winkel zur Senkrechten, etwa gleichlange, angespitzte Bolzen einzupressen, um mit diesen ein Reissen der Deckgebirgsschichten zwischen den senkrechten Bolzen auszuschliessen, bzw. zu beheben (DE-AS 2038170). Mittels dieser Gesteinsnagelung lassen sich wohl lockere Randschichten am intakten Gestein des Hohlraumperimeters befestigen doch keine umfangsgerichtete Zugspannungen aufnehmen. Die eingepressten Stahlstangen übertragen, sobald die Einpresskraft zu wirken aufhört, über ihre Mantelreibung Zugkräfte in der Richtung der Anker in das Gestein, weil sie die beim Einpressen aufgeprägte Druckverkürzung elastisch rückgängig machen.
Eine tiefgreifende Stabilisierung des Hohlraumperimeters ist damit nicht möglich.
Die erfindungsgemäss hauptzugspannungsorientierten Felsanker werden hingegen in Bohrlöchern versetzt. Zufolge ihrer Befestigung sowohl im Bohrloch als auch ihrer kraftschlüssigen Verbindung an den Ausbruchsflächen vermittels der Ankerköpfe können sie über ihren Formänderungswiderstand den Verformungen des Hohlraumperimeters unter dessen Gebirgsdrücken entgegenwirken. Erfindungsgemäss können die hauptzugspannungsorientierten Felsanker sowohl auf ihre volle Länge mittels Mörteleinpressung u. dgl. im Bohrloch festgemacht werden oder als Freispielanker nur an den Ankerenden im Gebirgsinneren und mit den Ankerköpfen am Ausbruchsrand befestigt werden, wodurch sie in beiden Fällen eine tiefgreifende Stabilisierung des ausgehöhlten Gebirges bewirken, ohne die Kämpferdrücke zu steigern.
Es ist auch schon bekannt, zur Sicherung des hohlraumnahen Ausbruchsrandes elastisch oder plastisch verformbare Hohlanker einzubauen und diese durch Einpressen einer Flüssigkeit oder eines erstarrenden Mediums so aufzublähen, dass sie der umfangsgerichteten Zugdehnung des Ausbruchsrandes entgegenwirken. Diese "rock jacks" werden in gewölbten Ausbrüchen radial, in ebenen Firsten vertikal
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eingesetzt und bewirken durch ihre umfangsgerichteten Druckkräfte das Kräftespiel eines Stützgewölbes, dessen Kämpferdrücke auf die Ulmen abgetragen werden. (US-PS Nr. 3, 568, 450 und US-PS Nr. 3, 665, 719).
Diese Art der Hohlraumstützung versagt bei langzeitlichen Gebirgsverformungen, wie diese erfahrungsgemäss im plastischen Gebirge nach dem Anbringen der Stützmittel auftreten. Die dabei zunehmende Konvergenz der Ausbruchsränder kommt nicht so sehr durch die Zugdehnungen des Gesteins im Gewölbescheitel als vielmehr durch die Druckverformung der Gewölbewiderlager in den Ausbruchsulmen zustande. Wegen der radialen Scherverformungen im Gestein werden überdies die"rock jacks"locker und steigern durch ihre umfangsgerichteten Drücke noch die ungünstige Zusammenpressung des Gesteines der Ulmen, wodurch die Scheitelsenkung erhöht wird.
Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemässen, hauptzugspannungsorientierten Felsanker vermieden, da diese nicht nur Zugspannungen im Gewölbescheitel sondern auch im hohlraumferneren Perimeterbereich oberhalb der Ulmen aufzunehmen vermögen. Statt des Kräftespieles eines Gewölbes mit hohen Kämpferdrücken wird das Kräftespiel eines innerhalb des Gesteins befestigten Hängewerkes erreicht, dabei aber keine Einengung des Lichtraumprofiles bewirkt.
Es ist bereits bekannt, die Stützung von Hohlraumbauten in zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen, nämlich Sicherung und Stützung, vorzunehmen. Hiebei wird nach dem Ausbrechen des Felshohlraumes in herkömmlicher Weise im Sprengvortrieb, oder nach dem mechanischen Vortrieb mittels Vollschnittsfräsen oder Punktfräsen, der Ausbruchsrand von gelockertem Gestein gesäubert und zur Sicherung gegen eine weitere Auflockerung mittels Drahtnetzen, Rundstahlmatten, Ankerbolzen und Spritzbetonüberzügen versehen. Zwecks Aktivierung der inneren Reibungswiderstände werden Sicherungsanker normal zur Hauptklufrichtung gesetzt. Im zweiten Arbeitsgang, dessen Periode von der Standzeit des gesicherten Hohlraumes abhängt, werden Stahlanker als Stützmittel angebracht, durch deren Formänderungswiderstand der Felshohlraum standfest erhalten wird.
Die herkömmliche Anordnung der Felsanker erfolgt radial zum Hohlraumprofil, wobei die Ankerenden so tief im Hohlraumperimeter festgemacht werden, dass dort keine radialen Felsverformungen zu erwarten sind. Die Ankerköpfe werden am Ausbruchsrand befestigt. Die Radialanker erfordern einen übermässigen Stahlaufwand, da sie wegen ihrer Richtungsabweichung von den Hauptzugspannungstrajektorien auf die mit dem Secans ihres Abweichungswinkels vervielfachten Hauptzugkräfte dimensioniert werden müssen. Sie benötigen auch grössere Einspannlängen, während hauptzugspannungsorientierte Anker die volle Hauptzugkraft übernehmen und von den orthogonal zu ihnen wirkenden Hauptdruckspannungen in eine Verbundwirkung mit dem benachbarten Fels eingespannt werden.
Besonders am zugbeanspruchten Hohlraumrandscheitel, wo eine tangentiale Zugspannung in der Grössenordnung der Primärspannung des unverritzten Gebirges auftritt, sind Radialanker völlig falsch gerichtet angebracht und bringen überdies noch weitere Zugspannungen in den Fels des Hohlraumrandes, dessen Zugfestigkeit bekanntlich nur 1/7 bis 1/11 der Gesteinsdruckfestigkeit beträgt.
Die tangentialen Druckspannungen am Ulmenrand verformen dessen Gestein plastisch, da sie bis zum Dreifachen der Primärspannung des unverritzten Gebirges ansteigen, wodurch sich der Kalottenscheitel wegen der Nachgiebigkeit der Kalottenwiderlager senkt, was aber für die Standsicherheit des Felshohlraumes unbedenklich ist. Wird aber die Kalotte durch Radialanker in den unverformten hohlraumfernen Perimeter über der Kalotte zurückgehängt, so werden diese durch die Ulmensenkung stark beansprucht, ohne aber zur Erhöhung der Standfestigkeit wesentlich beizutragen, oder ein Aufreissen des Kalottenscheitels bzw. einen Zerfall des Gebirges in Bruchkörper verhindern zu können. Hingegen machen die über den Ulmen angebrachten Ankerenden von hauptzugspannungsorientierten Kalottenankern die Ulmensenkung ohne Zwang mit.
Während hauptzugspannungsorientierte Anker das Tragvermögen des Hohlraumperimeters aktivieren, ohne durch die unvermeidlichen Ulmensenkungen zusätzlich beansprucht zu werden, werden radiale Kalottenanker durch die von den Ulmensenkungen verursachten Scheitelsenkungen stark beansprucht und müssen daher stärker dimensioniert werden, weil sie ohne die Standfestigkeit zu erhöhen wesentlich grössere Kräfte übernehmen müssen.
Die Erfindung beruht auf der konsequenten Anwendung des an sich bekannten Prinzips von DE SAINT VENANT auf Hohlraumbauten. Nach diesem Prinzip klingen an einem Körper, an den örtlich ein Gleichgewichtssystem von Kräften angreift, die inneren Kräfte und Formänderungen von den Lastorten weg ab, so dass praktisch nur ein begrenzter, den Lastbereich umschliessender Perimeter verformt und unter Spannungen gesetzt wird. In den ausserhalb davon gelegenen Bereichen kommt es zu keinen
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wesentlichen Formänderungen und Kräften. Dieser Bereich ist für Hohlraumbauten erfahrungsgemäss ziemlich eng abgegrenzt und wird erfindungsgemäss mittels hauptzugspannungsorientierten Stahlankern zu einem Fels-Stahl-Verbundkörper gestaltet.
Aus theoretischen Erkenntnissen und praktischen Erfahrungen ist bekannt, dass das unverritzte Gebirge unter einem Primärspannungszustand steht, der eine latente Formänderungsbereitschaft bewirkt. Während seiner Aushöhlung kann sich das Gebirge gegen den Hohlraum hin entspannen und verformen, wobei innere Formänderungsarbeit geleistet wird, welche bei sprödem Gestein kurzfristig, bei plastischem Gestein langzeitig verläuft. Erfahrungsgemäss nähern sich die als Funktion der Zeit aufgetragenen Profilrand-Konvergenzkurven asymptotisch einem Grenzwert, wobei mit der Zeit immer geringer werdende Verformungen beobachtet werden.
Die Erfindung bezweckt, durch hauptzugspannungsorientierte Anbringung der Zuganker den Zerfall des Gesteins im Hohlraumperimeter in Bruchkörper zu verhindern, indem die auftretenden Zugkräfte durch Felsanker übernommen werden, welche durch die auf sie orthogonal gerichteten Hauptdruckkräfte optimal zur Verbundwirkung mit dem Fels kommen. Da es ausführungstechnisch nicht möglich ist, die Bohrlöcher zur Bettung der Zuganker gekrümmt auszuführen, entspricht eine Lage der Zuganker tangential zu einer, mit der Ausbruchfläche in einem Abstand gleichlaufenden Hüllfläche, der erfindungsgemässen Orientierung nach den Hauptzugspannungen ; diese Näherung ist zulässig, weil kein Gebirge isotrop und homogen ist.
Die tangentiale Lage der Felsanker zur Hüllfläche entspricht den Hauptzugspannungstrajektorien um einen Felshohlraum nach verschiedenen Berechnungsmethoden als gelochte Scheibe, als hoher Wandträger und für zwei, durch Aufreissen des Kalottenscheitels entstehende Kragträger mit gekrümmter Untersicht.
Es ist bereits bekannt, die Radialanker des Kalottenscheitels so lange zu machen, dass ihre Ankerenden über den Ulmen liegen, da sonst die Ankerköpfe bei Ulmensetzungen verbogen werden ; die erfindungsgemässe Ankeranordnung erreicht diesen Effekt mit wesentlich kürzeren Ankern.
In den seltensten Fällen wirkt der Gebirgsdruck in der Ausbruchsprofilebene normal zur Vortriebsrichtung, so dass bei radialer Ankerung zusätzliche Anker zur Stützung des Auflagerringes der Vortriebsbrust angebracht werden müssen, welche schräg nach aussen in die Vortriebsrichtung weisen. Mit den erfindungsgemäss tangential zur Hüllfläche versetzten Ankern lässt sich mit geringerem Kostenaufwand der Ausbruchsrand der Vortriebsbrust sichern, wenn die Zuganker in der Projektion auf die Fläche normal zur Vortriebsachse hauptzugspannungsorientiert und von der Vortriebsachse schräg nach vorne gerichtet angebracht werden ; die zusätzlichen Anker zur Sicherung des Auflagerringes der Stollenbrust im unverritzten Profilrandbereich können erfindungsgemäss eingespart und dadurch das Vortriebstempo gesteigert werden.
Ein Beispiel für das erfindungsgemässe Verfahren ist in den Fig. ! und Fig. 2 dargestellt.
Die Achsen der Felsanker--20--, deren Ankerköpfe --21-- an der Ausbruchsrandfläche --22-- eines Felshohlraumes--23--befestigt sind, und deren von der Profilachse --30-- weggerichteten Ankerenden --24-im Gebirgsinneren über den Ulmen --29- ;
- festgemacht sind, tangieren eine Hüllfläche --25--, die im Abstand --26--, der die Breite eines Arbeitsraumes zum Bohren der Ankerlöcher und zum Versetzen der Anker darstellt, mit der Ausbruchsrandfläche --21-- gleichläuft. Vermittels der Tangentialstellung der Felsanker --20-- zur Hüllfläche --25-- und zufolge der kraftschlüssigen Verbindung der Ankerköpfe - jedes Ankerpaares an je einem Ankersockel --26-- übernehmen die Felsanker --20-- die tangentialen Hauptzugkräfte, welche im ausgehöhlten Gebirge längs des Ausbruchsrandes mit dem Öffnungswinkel 2p, bzw.
an der Firste eines allfälligen Richtsollens --27-- auftreten. Durch ihre Anordnung tangential zur Hüllfläche --25-- decken sie auch die Zugkräfte, welche über den beiden Endpunkten der Profilsehne --28-- des Öffnungswinkels 2p auftreten, ebenso die Hauptzugkräfte an den Stützen eines ideellen hohen Wandträgers, der sich zwischen den beiden Ulmen --29-- spannt.
Die von der Hohlraumrandfläche--22--gegen die Hohlraumprofilachse --30-- symmetrisch und zur Hüllfläche --25-- tangential ansteigenden Anker --20-- decken die Zugkräfte, welche gemäss dem Berechnungsmodell einer gelochten Scheibe, bzw. eines hohen Wandträgers in der Nachbarschaft der Hohlraumprofilachse --30-- im Kalottenscheitel auftreten und entsprechen auch den Hauptzugspannungen in den beiden Kragträgern, welche beiderseits der Hohlraumprofilachse --30-- entstehen, wenn die Kalottenfirste aufreissen würde. Eine je nach dem Gebirgsdruck erforderliche Stützung der Hohlraumsohle kann erfindungsgemäss spiegelbildlich zum Hohlraumdurchmesser --31-- ausgeführt werden.
Wegen der einfacheren Darstellung ist in Fig. l der Gebirgsdruck in vertikaler Richtung wirkend vorausgesetzt. Im allgemeinen liegt die Profilachse --30-- vertikal und der Gebirgsdruck schräg dazu ; dann gilt der
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zwei benachbarten Ankern dienen, wenn die Anker nicht an jeder Ankerstelle paarweise gegensätzlich geneigt angebracht werden.
Zur Stützung des Auflagerringes der Vortriebsbrust im Perimeterbereich des Felshohlraumes --23-können die Felsanker --20-- erfindungsgemäss schräg zur Hohlraumlängsachse --33-- und in der Richtung des Vortriebes tangential zur Hüllfläche --25-- angebracht werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist sowohl für Freispielanker als auch für Anker, die auf volle Länge kraftschlüssig im Fels eingebettet sind, zur Herstellung eines selbsttragenden Verbundkörpers zur Stützung des eines Hohlraum umgebenden Gebirges geeignet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus Fels und Felsankern zur Stützung des einen Hohlraum umschliessenden Gebirges, dadurch gekennzeichnet, dass die Felsanker (20) in der Richtung der Hauptzugspannungen des Hohlraum-Perimeterbereiches versetzt werden.