AT392501B - Verfahren zur erhoehung der standfestigkeit von plastischem, tonig-schluffigem gebirge - Google Patents

Description

AT 392 501 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Standfestigkeit von plastischem, tonig-schluffigem Gebirge beim Auffahren von unterirdischen Hohlräumen durch Entwässerung unter Anwendung der Elektroosmose, wobei in die zu entwässernden Bereiche des Gebirges flächenverteilt und mit Abständen voneinander stabförmige Elektroden getrieben, mit den Polen einer eine Spannung von wenigstens 10 V aufweisenden Gleichstromquelle verbunden und das zu den Kathoden wandernde und sich dort ansammelnde Wasser durch Schwerkraft- oder Saugpumpenwirkung abgeleitet wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der AT-PS 367 821 und der DE-OS 29 34 116 bekannt. Derartige Verfahren werden bei der Herstellung von Tiefbauwerken verschiedenster Art eingesetzt, wenn Zonen von plastischem, tonig-schluffigem Gebirge aufzufahren oder zu durchschneiden sind. Derartige Zonen sind in hohem Maße wasserhaltig, lassen sich ab» mit anderen bekannten Verfahren, insbesondere reinen Pump- oder Saugmethoden, nur schwer entwässern, da sie das gespeicherte Wasser in ihrem Kapillarsystem festhalten. Erst eine ausreichende Entwässerung bzw. durch sonstige Maßnahmen, z. B. Einfrieren der Vortriebszone, erzielte zumindest temporäre Verfestigung ermöglicht aber einen einigermaßen gesicherten Vortrieb. Durch eine ausreichende Entwässerung wird es auch möglich, Gebirgsanker und ähnliche Befestigungselemente zum Halten zu bringen.

Es ist bekannt, im vorzutreibenden Bereich vor Beginn des Abschlages etwa auf einem Ring oder Bogen die stabförmigen Elektroden anzubringen und dadurch um den abzutragenden Bereich einen Mitwässerten Ring oder Bogen zu erzeugen, der eine erhöhte Standfestigkeit besitzt Falls notwendig bzw. möglich, können beim Ausfahren des Hohlraumes auch Radialanker gesetzt werden, die gegebenenfalls zugleich als die stabförmigen Elektroden für die Entwässerung Verwendung finden. In der Praxis wird mit Spannungen zwischen 10 und 60 V, vorzugsweise 40 V, und Elektroden in der Länge zwischen 2 und 6 m gearbeitet, die mit Abständen von 1 bis 4 m voneinander angebracht sind. Dabei werden bisher grundsätzlich für die Dauer des gesamten Entwässerungsvorganges die rohrförmigen Elektroden bzw. Anker mit dem negativen Pol der Stromquelle verbunden, so daß sie Kathoden bilden, wogegen einer oder mehreren dieser Kathoden mit dem anderen Pol der Stromquelle verbundene, stabförmige Elektroden als Anoden zugeordnet werden.

Es wurde festgestellt, daß die Geschwindigkeit, mit der die Umgebung der Anode entwässert wird, weitgehend von den Bodenkennwerten, wie Durchlässigkeit, Komzusammensetzung, Wassergehalt, Porenvolumen, E-Modul, Kohäsion, Leitfähigkeit und dem Mineralgehalt abhängt. Von diesen Bodenkennwerten hängt es auch ab, mit welchen Abständen voneinander die Elektroden angebracht werden müssen, um eine ausreichende Entwässerung zu erzielen und wie lange die Entwässerung ganz oder teilweise erhalten bleibt Bei ungünstigen Böden wird es bei den bekannten Verfahren notwendig, die Elektroden mit nur kleinen Abständen voneinander anzubringen, wobei am Tunnelumfang verschieden gepolte Elektroden miteinander abwechseln und häufig während des Entwässerungsbetriebes durch tieferes Eintreiben und andere Maßnahmen der sonst veriorengehende Kontakt mit der Lochwandung neuerlich hergestellt werden muß. Oft reichen auch diese Maßnahmen nicht aus, um eine ausreichende bzw. für längere Zeitspannen anhaltende Entwässerung zu erzielen.

Aus anderen bekannten Entwässerungsverfahren können für die besonderen Probleme bei der Herstellung unterirdischer Hohlräume keine brauchbaren Lehren entnommen werden. Für die Oberflächenentwässerung poröser Böden und von porösem Gestein ist es an sich bekannt, die Elektroosmose einzusetzen. Dabei werden nach der DD-PS 203 582 Hauptelektroden einzeln oder in Reihen angebracht und zwischen den als Hauptkathoden bzw. Hauptanoden dienenden Hauptelektroden Hilfselektroden eingesetzt, an die zusätzlich zur Hauptkathode und in einem bestimmten Zeitverhältnis zu deren Anschaltdauer negatives Potential angelegt wird, so daß diese Hilfselektroden als Hilfskathoden arbeiten, durch die ein Wandern des Energiefeldes bewirkt wird, so daß beim Nachlassen der Wirkung der Hauptkathode üb» die in kleinerem Abstand von den Hauptanoden angebrachten Hilfselektroden noch eine Entwäss»ungswirkung erzielt wird.

Auch bei einem aus der DD-PS 204123 bekannten Verfahren werden Zwischenkathoden als Hilfselektroden verwendet. Zusätzlich wird zwischen den Haupt- und Hilfskathoden unter etappenweis» Zuschaltung einzeln» Elektrodengruppen ein Wechselfeld angelegt Dabei können die Anoden als perforierte Rohre ausgeführt sein, üb» die Salzlösungen eingebracht werden, um Erdalkaliionen oder Karbonate zur Verfestigung des Gesteines einzutragen.

Aus der FR-PS 2 446 895 ist es bekannt, Füllmaterial dadurch zum Eindringen in die Wandung eines Bohrloches zu bringen, daß in das Bohrloch ein flüssiger Füllstoff eingebracht und in ihm durch elektrische Entladung zwischen zwei eingeführten Elektroden Schwingungen »zeugt werden, die das Eindringen dieses Füllmaterials in die Wandungsumgebung begünstigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, so daß es auch bei schwierigen Bodenverhältnissen rationell eingesetzt werden kann, bei allen Bodenverhältnissen eine ausreichende Entwäss»ung ermöglicht und auch die Zeitspanne, in der die Bodenentwässerung anhält, v»längert wird. Eine Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, Verfahrensschritte anzugeben, durch die die Dauer des Anhaltens der Entwässerung weiter verlängert bzw. die Tragfähigkeit des Gebirges und das Haltevermögen für Gebirgsank» verbessert wird.

Die gestellte Hauptaufgabe wird dadurch gelöst, daß die Elektroden für vorgebbare Zeitspannen vom momentan anliegenden Pol der Gleichstromquelle abgeschaltet und wenigstens während eines Teiles dieser Abschaltphasen mit dem anderen Pol d» Stromquelle verbunden werden.

Wie schon vorstehend ausgeführt wurde, hängt der Entwässerungsvorgang prinzipiell unter anderem auch vom -2-

AT 392 501B gegenseitigen Abstand der Elektroden und von der anliegenden Spannung ab. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde nun überraschend festgestellt, daß sich die der Erfindung zugrundeliegende Hauptaufgabe mit derartig einfachen Mitteln lösen läßt Dieses Phänomen läßt sich wie folgt «klären: Durch den nur periodischen Betrieb der Elektroden als Kathode, an denen die Wasserabscheidung stattfindet wird verhindert, daß in der ersten Phase der Entwässerung die in der unmittelbaren Nähe der Elektroden befindlichen Bodenschichten zu stark entwässert werden. Diese zu starke Entwässerung führt einerseits zu einer Wasserundurchlässigkeit und anderseits zu einer Schrumpfung der genannten Schichten, so daß im Extremfall Spaltbildungen zwischen Elektrode und Bohrloch auftreten, die den Übergangswiderstand erhöhen. Sowohl die Wasserundurchlässigkeit als auch der ungünstige Stromübergang beeinträchtigen die Entwässerung, so daß sich lange Entwässerungszeiten ergeben und der Umgebungsbereich der Elektrode, der überhaupt praktisch entwässert weiden kann, begrenzt wird. Bei ungünstigen Böden ergeben sich dann sehr kleine Elektrodenabstände und damit ein erhöhter Geräteaufwand, wenn nach den bisherigen Verfahren gearbeitet wird. Wenn man dagegen die Elektroden nur periodisch als Abscheiderelektroden einsetzt, wird das Wasser vorsichtig, sozusagen in einem Melkvorgang entzogen und es ergibt sich eine wesentliche Erhöhung der Tiefenwirkung der Elektroosmose um die als Anode arbeitenden Elektroden. Es wird auch verhindert, daß sich um die als Anoden arbeitenden Elektroden Trockenzonen und Schrumpfungen einstellen. Nach einer wahrscheinlichen Theorie kann man auch annehmen, daß durch die Umpolungen Veränderungen im Material selbst auftreten, insbesondere durch Richtung oder Veränderung der elektrischen Oberflächenladungen der z. B. lamellenförmigen Materialteilchen die Kapillarwirkung des Materials verringert bzw. sogar die Kapillaren zum Teil geschlossen oder unwirksam gemacht werden. Es konnte jedenfalls festgestellt werden, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sich die Zeiten, für die die Entwässerung aufrechteihalten bleibt, erhöhen bzw. unter vielen Verhältnissen über lange Zeiträume hinweg keine neuerliche Durchnäßung der vorher entwässerten Zonen auftritt Bereits dadurch wird ein wesentlicher Fortschritt erzielt Bei Böden, die auch nach dem bisherigen Verfahren einwandfrei entwässert werden konnten, verringert sich die Entwässerungszeit und bzw. oder es wird möglich, die Elektrodenabstände zu erhöhen bzw. die anliegende Spannung zu verringern, wenn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gearbeitet wird.

In manchen Fällen erweist es sich als vorteilhaft, die Betriebsspannung, mit der gearbeitet wird, mit zunehmender Dauer des Entwässerungsvorganges, etwa bei jedem Umschaltvorgang zu verändern. Es ist sogar möglich, trotz der Umpolung der an den Elektroden anliegenden Gleichspannung eine Wechselspannung mit niedriger, nur einen Bruchteil der anliegenden Amplitude und niedriger Frequenz in der Größenordnung von 1 bis 50 Hz zu überlagern.

Die Umpolung der Elektroden wird während der Entwässerungsphase mit in der Größenordnung von Stunden liegenden Taktzeiten mehrmals wiederholt Bei Elektrodenabständen wie sie eingangs angegeben wurden, findet man meist mit Entwässerungszeiten von 8 bis 12 h das Auslangen. Die Ableitung des an den jeweils als Kathode geschalteten Elektroden anfallenden Wassers kann, wie erwähnt durch Schwerkraft erfolgen, wenn die Elektroden zum Auslaufende abfallend geneigt sind. Bei vom Auslaufende abfallenden Elektroden wird man Säugpumpen einsetzen, die beispielsweise ein in die Elektrode einragendes Saugrohr mit Ansaugfilter beaufschlagen.

Bevorzugt werden alle Elektroden in bekannter Weise als Rohre mit Eintreibspitzen und Mantelöffnungen zur Wasserableitung ausgebildet, so daß untereinander gleiche Elektroden eingesetzt werden können, wobei jede Elektrode einmal als Anode, das andere Mal als Kathode arbeitet. Erfindungsgemäß kann man zur Gebirgssicherung als Rohranker ausgebildete Elektroden verwenden, die beispielsweise radial zur ausgebrochenen Öffnung versetzt weiden und nach der Entwässerung zur Gebirgssicherung dienen.

In vielen Fällen kann eine bleibende Entwässerung bestimmter Zonen erwünscht sein. Um dies, wenn es nicht an sich durch die Gefügeänderung des Materials bewerkstelligt wird, zu erreichen, und auch um bei sehr ungünstigen Gebirgsverhältnissen eine trotz der Umpolung fallweise auftretende Schrumpfung auszugleichen, kann man durch die als Rohre ausgebildeten Elektroden und ihre Mantelöffnungen, wie an sich bekannt, während der Abschaltphasen oder während der Verbindung mit dem positiven Pol der Stromquelle den Übergangswiderstand zum Gebirge verringernde bzw. entstehende Spalte ausfullende und bzw. oder den neuerlichen Wasserzutritt zu den entwässernden Bereichen verhindernde oder verzögernde Medien, insbesondere Flüssigsilikone, auspressen, die überdies, falls sie ionisierbar sind, unter der anliegenden Spannung in die vorentwässerten Schichten eingetragen werden und sich daher in weitem Umkreis um die Elektroden verteilen.

Die elektrische Verteilerwirkung kann auch ausgenützt werden, um in das Gebirge verfestigende Materialien einzubringen, wobei durch die am positiven Pol da Stromquelle anliegenden Elektroden Verfestigungsmittel für das Gebirge, insbesondere Zementleim oder Flüssigmörtel ausgepreßt werden. Hier ergibt sich auch eine besonders günstige, das Haftvermögen vergrößernde Oberflächenstruktur der durch das Einträgen des Verfestigungsmittels im Gebirge entstehenden erhärteten Zonen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.

In da Zeichnung ist das eifindungsgemäße Verfahren beispielsweise veranschaulicht Es zeigen

Fig. 1 einen Tunnelvortrieb im Querschnitt, wobei in da linken Hälfte der Fig. der Zustand in weichen Böden und in der rechten Hälfte der Fig. der Zustand in stark fließendem Boden unter Verwendung zusätzlicher Radialanka veranschaulicht wurde, -3-

AT 392 501B

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Tunnelvortrieb entsprechend der rechten Hälfte der Fig. 1,

Fig. 3 im Schema eine Einzelheit zu Fig. 1 in größerem Maßstab und

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung bei Verwendung einer Elektrode als Rohranker, wobei in den Fig. 3 und 4 der besseren Übersichtlichkeit halber die Schraffur des Gebirges und beim Tunnelausbau weggelassen wurde.

Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, werden bei der Herstellung eines Tunnels (1) vor Beginn des Abschlages von d» ein Überprofil (2) aufweisenden Kalotte (3) aus und auch von der Ortsbrust der Ulmen mit Neigung nach außen in Vortriebsrichtung rohrförmige Elektroden (4) eingetrieben und abwechselnd mit den beiden Polen einer Stromquelle verbunden. Nach einer Einschaltdauer von beispielsweise einer Stunde unter einer Spannung von 40 V und Ableitung des an den als Kathode arbeitend»! Elektroden abgeschiedenen Wassers erfolgt eine Umpolung, so daß nun die Kathoden als Anoden und umgekehrt arbeiten. Die Rohre (4) können mit Vortriebslängen von 6 m vorgetrieben werden und besitzen untereinander gleichen Aufbau mit ein» in den Fig. 1 und 2 nicht näher dargestellten Eintreibspitze und Mantelöffnungen, durch die das an den Kathoden abgeschiedene Wasser austreten kann. Aus Elektroden (4), die vom Eintreibende weg geneigt sind, kann das Wasser über Schläuche, Ansaugfilter und Säugpumpen abgesaugt werden. Durch die Entwässerung unter Ausnutzung der Elektroosmose entsteht ein bogenförmiger Bereich (5) im Gebirge, in den sich wegen der Entwässerung die Standfestigkeit erhöht. Nach dies» Entwässerungsphase unter mehrmaliger Umpolung der Elektrodenanschlüsse wird der Vortrieb (6) zunächst im Bereich der Kalotte und dann an den Ulmen vorgenommen, wobei übliche Voroder Endausbauten angebracht werden können.

Wie in Fig. 1 rechts und in Fig. 2 dargestellt wurde, wird eine zusätzliche Gebirgssicherung über Radialanker (7) vorgenommen, die ebenfalls äs Rohre mit Wassereintrittsöffnungen ausgebildet sind und eine Eintreibspitze besitzen können. Über diese mit vorschreitendem Ausbruch gesetzten Anker (7), die ebenfalls wechselweise mit den Polen einer Stromquelle (14) verbunden und getaktet umgepolt werden, erfolgt eine weitere Entwässerung des Gebirges bis in tiefere Zonen. Es erfolgt also der Ausbruch im Schutz des Gewölbes (5) und die weitere Sicherung und Entwässerung unter Verwendung der Anker (7). Diese Anker (7) bleiben nach dem Entwässerungsvorgang im Gebirge und dienen der Gebirgssicherung.

Einzelheit»! zur Ankerbefestigung entnimmt man den Fig. 3 und 4.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie die Anker (7) durch einen Stützausbau (8) hindurch versetzt werden, wobei diese Stützausbauten (8) aus Fertigteilen, Spritzbeton oder Kombinationen aus beiden bestehen können. Die Anker (7) sind, wie erwähnt, Rohre mit Mantelöffnungen (9) zur Wasseräbleitung und einer Eintreibspitze (10).

Fig. 3 zeigt, daß die als Elektroden (7) verwendeten Rohranker (7) während der Entwässerungsphase über Anschlußleitungen (11), (12) und einen Umschalter (13) mit den beiden Polen einer Stromquelle (14) verbunden werden können, wobei durch Betätigung des Umschalters (13) eine Umpolung stattfindet. Aus dem Gebirge wird jeweils um die als Anode arbeitende Elektrode Wasser ausgetrieben und an der als Kathode arbeitenden Elektrode (7) abgeschieden, so daß es durch diese Kathode ablaufen bzw. abgesaugt werden kann. Der Umschalter (13) wurde als einfacher Umschalter (13) mit Betätigungsspule (15) veranschaulicht.

Vorzugsweise erfolgt die Steuerung der Umschaltung der Elektroden (7) nach einem vorgegebenen oder vorgebbaren Programm über eine Programmsteuereinrichtung, die auch mit Meßfühlern zur Bestimmung der Betriebsparameter verbunden ist, wobei diese Meßfühler etwa die Stromstärke, Spannung, den Übergangswiderstand von den Elektroden (7) zum Gebirge erfass»i und die Steuereinheit nach diesen Parametern ein Steuerprogramm für die Umschaltung (Periodendauer) sowie gegebenenfalls auch Betriebsdaten, wie Stromstärke und Spannung für den jeweiligen Anwendungsfall aufgrund der gemessenen Parameter auswählt und durchfuhrt.

Fig. 4 zeigt, daß man die bis dahin als Entwässerungselektroden arbeitenden Rohranker (7) über Zwischenstücke (Druckplatten) (16) am Ausbau (8) abstützt und mit Druckplatten (17) und Ankermuttem (18) festspannen kann. Während der Entwässerungsphase kann man jeweils den äs Anode arbeitend»! Elektroden (7) über angeschlossene Leitungen (19) den Übergangswiderstand zum Gebirge verbessernde Medien, vorzugsweise Flüssigsilikone zuführen, die auch ein Wiedereinbringen von Wasser in die entwässerten Bereiche verhindern. Es können aber auch Medien eingesetzt werden, die lediglich bereichsweise entstehende Spalte zwischen Elektrode (7) und Bohrloch ausfüllen und damit den Übergangswiderstand zwischen Elektrode (7) und Bohrloch verringern.

Beim Versetzen und vor dem Anziehen der Befestigungsschrauben kann man durch die Rohrank» (7) wieder über entsprechende Schläuche (19) Verfestigungsmittel für das Gebirge, z. B. Zementleim od» Mörtel, auspressen. Das Eindringen dieser Medien in das Gebirge kann dabei durch Anlegen einer positiven Spannung an die Elektrode unterstützt werden. -4-

Claims (5)

1. AT 392 501B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Erhöhung der Standfestigkeit von plastischem, tonig-schluffigem Gebirge beim Auffahren von unterirdischen Hohlräumen durch Entwässerung unter Anwendung der Elektroosmose, wobei in die zu entwässernden Bereiche des Gebirges flächenverteilt und mit Abständen voneinander stabförmige Elektroden getrieben, mit den Polen einer eine Spannung von wenigstens 10 V auf weisenden Gleichstromquelle verbunden und das zu den Kathoden wandernde und sich dort ansammelnde Wasser durch Schwerkraft- oder Saugpumpenwirkung abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7) für vorgebbare Zeitspannen vom momentan anliegenden Pol der Gleichstromquelle (14) abgeschaltet und wenigstens während eines Teiles dieser Abschaltphasen mit dran anderen Pol der Stromquelle (14) verbunden werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpolung der Elektroden (7) während der Entwässerungsphase mit in der Größenordnung von Stunden liegenden Taktzeiten mehrmals wiederholt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohranker (7) ausgebildete Elektroden (7) verwendet werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die als Rohre ausgebildeten Elektroden (7) und ihre Mantelöffhungen, wie an sich bekannt, während da- Verbindung mit dem positiven Pol der Stromquelle (14) Medien ausgepreßt werden und daß als solche Medien den Ubergangswiderstand zum Gebirge verringernde bzw. entstehende Spalte ausfüllende und bzw. oder den neuerlichen Wasserzutritt zu den entwässerten Bereichen verhindernde oder verzögernde Medien, insbesondere Flüssigsilikone verwendet werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die am positiven Pol der Stromquelle (14) anliegenden Elektroden als Verfestigungsmittel für das Gebirge in an sich bekannter Weise Zementleim oder Flüssigmörtel ausgepreßt werden. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen