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Die Energiewende in Deutschland und der damit verbundenen massive Ausbau regenerativer Energien haben mit sich gebracht, dass großer Bedarf für Energiespeicher, insbesondere Energiespeicher mit sehr hoher Speicherkapazität besteht. Ein aus der
DE 10 2010 034 757 B4 bekanntes, vielversprechendes Konzept dafür besteht in der Verwendung von Lageenergiespeichern, bei denen eine große Masse unter Verwendung einer Hydraulikflüssigkeit, z.B. Wasser, in einem Hydraulikzylinder durch Einpumpen der Hydraulikflüssigkeit über eine oder mehrere Leitungen relativ zur Erdoberfläche angehoben wird, so dass die Masse praktisch den Kolben, der im Hydraulikzylinder bewegt wird, darstellt und Energie als potentielle Energie des angehobenen Kolbens gespeichert wird. Dabei kann die Masse insbesondere durch einen ausgeschnittenen Fels gebildet und der notwendige Hydraulikzylinder durch das den ausgeschnittenen Fels umgebende Gestein gebildet werden. Der große Vorteil bei dieser Konstruktion, bei der Kolbendurchmesser und Hubhöhen von mehreren hundert m realisiert werden können, liegt in der sehr hohen Speicherkapazität der Anlagen, die die von konventionellen Speicherkraftwerken bei weitem übertrifft.
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Eines der bei derart aufgebauten Lageenergiespeichern auftauchenden Probleme besteht darin, eine geeignete Vorgehensweise zum Abtrennen der Bodenfläche des Kolbens, die während des Betriebs des Lageenergiespeichers stets unterhalb der Erdoberfläche verbleibt, vom Untergrund zu entwickeln. Dies ist auch insbesondere deshalb schwierig, weil einerseits das hohe Eigengewicht des ausgeschnittenen Kolbens abgestützt werden muss, wenn keine Hydraulikflüssigkeit vorhanden ist, was für eine großflächige Abstützung spricht, die aber den für das erste Anheben des Kolbens aus der Ruheposition benötigten Druck erhöht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum bodenseitigen Abtrennen eines aus Gestein herauszuarbeitenden Körpers anzugeben und ein technisches System zum Durchführen eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein technisches System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum bodenseitigen Abtrennen eines aus Gestein herauszuarbeitenden Körpers sieht vor, dass ein erster Teil der Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers durch Entfernen des unterhalb der Bodenfläche liegenden Gesteins abgetrennt wird und ein zweiter Teil der Bodenfläche durch – insbesondere sukzessives – Ersetzen des unterhalb der Bodenfläche liegenden Gesteins durch ein Schichtsystem, welches zwei unverbundene Trennschichten aufweist, abgetrennt wird, so dass der aus dem Stein herauszuarbeitende Köper im Bereich dieses zweiten Teils seiner Bodenfläche durch das Schichtsystem abgestützt wird.
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Der Begriff „unverbundene Trennschichten“ ist dabei so zu verstehen, dass Körper, wenn er aus dem Gestein herausgearbeitet ist, so angehoben werden kann, dass sich der Abstand zwischen den unverbundenen Trennschichten ändert, ohne dass dabei die Struktur der Trennschichten – abgesehen von einer möglichen elastischen Reaktion auf eine Druckänderung bei diesem Vorgang –, geändert wird. Unverbundene Trennschichten können also durchaus miteinander in flächigem Kontakt stehen, sofern sie voneinander lösbar sind und nicht miteinander verkleben oder durch den Druck des aus dem Gestein herausgearbeiteten Körpers miteinander verschweißt werden.
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Die Trennschicht sollte dementsprechend aus einem Material bestehen, dass an Gestein und/oder Beton gut haftet, das dicht gegenüber dem Durchtritt der Hydraulikflüssigkeit – im Normalfall also wasserdicht – ist und bei dem sich zwei unter Druck, insbesondere unter dem Druck des aus dem Gestein herausgearbeiteten Körpers, wenn er lediglich auf dem zweiten Teil seiner Bodenfläche abgestützt ist, miteinander in Kontakt gebrachte Trennschicht-Oberflächen nicht miteinander oder mit einer zwischen den Trennschichten eingebrachten Zwischenschicht verbinden. Besonders gut sind Blechschichten als Trennschicht geeignet.
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Durch eine solche Ersetzung des Gesteins in einem Bereich der Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers durch ein Schichtsystem mit Trennschichten kann einerseits gewährleistet werden, dass zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Abstützung des aus dem Gestein herausgearbeiteten Kolbens vorhanden ist. Andererseits ist durch die beiden unverbundenen Trennschichten sichergestellt, dass die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit zwischen diesen eindringen kann, so dass auch in den zweiten Teil der Bodenfläche des aus dem Gestein herausgearbeiteten Körpers beim Anheben desselben Kraft eingeleitet werden kann.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers wird dementsprechend abschnittsweise durch die Decken der Bereiche, in denen Gestein entfernt wurde und abschnittsweise durch die oberen Trennschichten oder mit diesen verbundene Zwischenschichten gebildet. Die Decken bilden dann den ersten Teil und die Trennschichten oder Zwischenschichten den zweiten Teil der Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers in der Terminologie dieser Beschreibung.
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Eine bevorzugte Art des Schichtsystems kann zwei Betonschichten und zwei jeweils an der der jeweils anderen Betonschicht zugewandten Oberfläche einer Betonschicht angeordnete Trennschichten aufweisen, so dass die Trennschicht der einen Betonschicht an die Trennschicht der anderen Betonschicht angrenzt abgetrennt wird, so dass der aus dem Stein herauszuarbeitende Köper im Bereich dieses zweiten Teils seiner Bodenfläche durch die Betonschichten und die zwischen diesen angeordneten Trennschichten abgestützt wird.
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Das Entfernen von Gestein kann dabei mit aus dem Tunnelbau und Stollenvortrieb bekannten Verfahren und entsprechenden Maschinen, wie z.B. Tunnelbohrmaschine erfolgen. Beim Ersetzen von Gestein kann dieses ebenfalls auf diese Weise entfernt werden, wobei bevorzugt bereits wenige Meter hinter der Stelle, an der das Gestein entfernt wird, die Verfüllung mit dem Schichtsystem aus unterer (also in größerer Tiefe relativ zur Erdoberfläche befindlicher) Betonschicht mit darauf angeordneter Trennschicht und oberer (also in geringerer Tiefe relativ zur Erdoberfläche befindlicher) Betonschicht mit darunter angeordneter Trennschicht durchgeführt wird.
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Es kann sich aber auch, insbesondere bei sehr hartem und stabilem Gestein, anbieten, ein Schichtsystem zu verwenden, das lediglich die beiden Trennschichten oder lediglich die beiden Trennschichten und gegebenenfalls zwischen diesen angerordnete elastische Zwischenschichten, z.B. ein Vlies oder eine Gummimatte, aufweist. In diesem Fall reicht es zum Entfernen des zu ersetzenden Gesteins aus, dass ein entsprechender Spalt, der gegebenenfalls nur einige Zentimeter hoch sein muss, beispielsweise mit einer Seilsäge, in das Gestein gesägt wird, in den dann die Trennschichten und die etwaig vorhandenen Zwischenschichten in diesen Spalt einzuziehen und zu befestigen, beispielsweise an Rändern zu verschweißen und/oder flächig, gegebenenfalls auch im innerhalb des Spalts verlaufenden Bereich der Trennschichten, jeweils einseitig mit einem Harz zu verkleben.
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Bei der Anwendung einer solchen Sägetechnik kann ein Ausbrechen des Gesteins nach dem Sägen insbesondere optional dadurch verhindert werden, dass ein Schlitten nachgefahren oder nachgezogen wird, mit dem zur temporären Stabilisierung ein Gel in den gesägten Spalt eingebracht wird. Dies kann auch das Einziehen der Trennschichten in den gesägten Spalt erheblich erleichtern.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Abtrennen des ersten Teils der Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers die Schritte
- – Errichten eines Zentralstollens;
- – Errichten eines den Zentralstollen an mindestens einer Stelle schneidenden umlaufenden Stollens; und
- – Errichten von parallel zueinander verlaufenden Nebenstollen, die jeweils eine geradlinige Verbindung zwischen Zentralstollen und umlaufendem Stollen herstellen, so dass jeweils zwischen zwei zueinander benachbarten Nebenstollen ein Säulensteg entsteht.
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Mit dem Begriff “Säulensteg” werden also die zunächst jeweils zwischen zwei Nebenstollen bzw. einem Nebenstollen und dem umlaufenden Stollen verbleibenden Gesteinsbereiche bezeichnet.
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Der Zentralstollen kann beispielsweise direkt oder über einen Zugangstunnel mit Schächten mit der Erdoberfläche verbunden werden oder unmittelbar durch einen Zugangstunnel, der aus dem Gesteinsmassiv, aus dem der Körper herausgearbeitet wird, hinausführt, zugänglich gemacht werden. Insbesondere ist es bei der Verwendung eines Zugangstunnels auch möglich, erst den umlaufenden Stollen, der bevorzugt kreisförmig verläuft, zu errichten und dann den Zentralstollen zu bauen. Dies kann Vorteile haben, weil man beim Bau des umlaufenden Stollens Informationen über die geologischen Eigenschaften des Gesteins vor Ort ermitteln kann, die zur Bevorzugung einer Richtung für den Verlauf von Nebenstollen und Zentralstollen führen, weil in dieser Richtung die entsprechenden Arbeiten leichter oder mit geringerem Aufwand durchführbar sind.
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Angemerkt werden sollte dabei, dass es Vorteile mit sich bringen kann, wenn der umlaufende Stollen nicht entlang des Umfangs des herauszuarbeitenden Körpers verläuft, sondern etwas innerhalb dieser Umfangslinie. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Abtrennen des Bodens des herauszuarbeitenden Körpers vor dem Herausarbeiten von dessen Seitenflächen erfolgt, was vorteilhaft ist, weil dann die noch bestehende Verbindung der Seitenflächen mit dem diese umgebenden Gestein verhindern kann, dass sich der herauszuarbeitenden Kolben beim Abtrennen des Bodens wegen zu geringer Stützkräfte plötzlich senkt.
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Wird ein umlaufender Stollen bei dieser Vorgehensweise vor dem Abtrennen der Seitenflächen errichtet, kann es beim notwendigen Herstellen der Verbindung zu unerwünschter Beeinflussung oder Beschädigung des umlaufenden Stollens, aber auch von Säulenstegen und Nebenstollen kommen, wenn beim Abtrennen der Seitenflächen, also „von oben her“, die nötige Verbindung zum umlaufenden Stollen hergestellt wird. Bevorzugt ist es daher, zunächst zwischen dem umlaufenden Stollen und dem beim Abtrennen der Seitenflächen entstehenden Leervolumen eine Felswand stehen zu lassen und diese dann durch Bohren oder Sägen zu durchbrechen.
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Ferner erfolgt in dieser besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens das Abtrennen des zweiten Teils der Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers dadurch, dass zumindest eine Gesteinsschicht jedes Säulenstegs durch eine obere Betonschicht, die nach unten durch eine mit der oberen Betonschicht verbundene erste Trennschicht begrenzt ist und eine untere Betonschicht, die nach oben durch eine mit der unteren Betonschicht verbundene zweite Trennschicht begrenzt wird, ersetzt wird. Optional können in eine oder beide dieser Betonschichten auch Armierungen, Kühl- und/oder Drainagerohre eingebettet werden und/oder nach Bedarf Dehnungsfugen vorgesehen werden.
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Natürlich kann der ganze Säulensteg durch ein so aufgebautes Schichtsystem ersetzt werden, es können aber auch Gesteinsbereiche des Säulenstegs ober- und/oder unterhalb des Schichtsystems verbleiben.
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Dies ist insbesondere dann automatisch gegeben, wenn zum Entfernen des zu ersetzenden Gesteins ein entsprechender Spalt, der gegebenenfalls nur einige Zentimeter hoch sein muss, beispielsweise mit einer Seilsäge, in das Gestein gesägt wird, in den dann die Trennschichten und die etwaig vorhandenen Zwischenschichten in diesen Spalt einzuziehen und zu befestigen, beispielsweise an Rändern zu verschweißen und/oder flächig, gegebenenfalls auch im innerhalb des Spalts verlaufenden Bereich der Trennschichten, jeweils einseitig mit einem Harz zu verkleben. Führt man diesen Vorgang an Säulenstegen durch, ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, das Schichtsystem der Trennschichten von einem Nebenstollen aus seitlich in den gesägten Spalt einzuziehen, was wegen der deutlich geringeren Distanz, die das Schichtsystem beim Einziehen aus dieser Richtung im Vergleich zum Einziehen in der Verlaufsrichtung des Säulenstegs zwischen Zentralstollen und umlaufendem Stollen im Spalt zurücklegen muss, eine deutliche Vereinfachung darstellen kann.
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Mit besonders geringem Aufwand kann das Verfahren durchgeführt werden, wenn die Verlaufsrichtung von Zentralstollen und/oder Nebenstollen an geologischen Eigenschaften des Gesteins, insbesondere durch am Verlauf von Klüften im Gestein, ausgerichtet wird, weil dies den Aufwand insbesondere beim Entfernen von Gestein wesentlich verringern kann.
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Die Nebenstollen können genutzt werden, um bei der Ersetzung des Gesteins in den Säulenstegen das zu ersetzende Gestein abzuführen. Bevorzugt erfolgt dies nur in jedem zweiten Nebenstollen.
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Darüber hinaus sollte in den Nebenstollen bevorzugt eine Installation vorgesehen sein, mit der einerseits eine Spülflüssigkeit zugeführt werden kann, etwa um an der Arbeits- oder Vortriebsstelle in Anwesenheit von Flüssigkeit, z.B. zur Kühlung und/oder für Bindung und Abtransport entstehenden Staubs das Gestein zu bearbeiten und andererseits Flüssigkeit, insbesondere die Spülflüssigkeit nach ihrer Verwendung, abgeführt werden kann.
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Für die Ersetzung von Gestein benötigte Beton wird vorzugsweise von einer ortsfesten, bevorzugt im Zentralstollen angeordneten Betonversorgung, z.B. ein Betonsilo oder eine Anlage zur Betonherstellung, über ein im Wesentlichen eben verlaufendes, nach Bedarf verlängerbares Leitungssystem, z.B. ein Rohr- oder Schlauchsystem, z.B. ein solches, wie man es von Betonpumpen kennt, zugeführt.
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Dabei ist es um den logistischen Aufwand für die Abfuhr und Zufuhr von Material möglichst gering zu halten bevorzugt, wenn zumindest ein Teil des entfernten und/oder des ersetzten Gesteins verwendet wird, um den für die Ersetzung von Gestein benötigten Beton herzustellen. Es kann z.B. im Zentralstollen aufgebrochen und dann in einer dort vorhandenen Anlage zur Herstellung von Beton weiterverarbeitet werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn vor dem Ersetzen des Gesteins in den Säulenstegen eine obere und eine untere Grenzfläche der zu ersetzenden Gesteinsschicht jeweils durch einen Sägevorgang definiert wird. Dies ist beispielsweise durch Verwendung von Seilsägen möglich -gegebenenfalls mit Einsatz von Flüssigkeit beim Sägen. Dieses “Vorsägen” erzeugt eine definierte Abbruchkante beim Ersetzen des Gesteins, was insbesondere zu einer verbesserten Haftung des Betons am Gestein und einer guten Wärmeabfuhr beim Aushärten des Betons führt.
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Bevorzugt erfolgt das Ersetzen der Gesteinsschicht durch Ausführen der folgenden Schritte:
- – Entfernen einer Gesteinsschicht in einem Abschnitt eines Säulenstegs,
- – Abfördern des dabei entfernten Gesteins,
- – Verlegen der ersten Trennschicht und der zweiten Trennschicht, und
- – Verfüllen des Zwischenraums zwischen der Decke des durch das Entfernen der Gesteinsschicht in einem Abschnitt des Säulenstegs entstandenen Raums und der ersten Trennschicht mit Beton und Verfüllen des Zwischenraums zwischen der Decke des durch das Entfernen der Gesteinsschicht in einem Abschnitt des Säulenstegs entstandenen Raums und der zweiten Trennschicht mit Beton.
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Dabei kann insbesondere beim Verlegen die untere Trennschicht, welche die obere Trennschicht in diesem Verfahrensstadium tragen bzw. unterstützen kann, abgestützt werden, z.B. durch Einschieben von Stützen von einem Nebenstollen aus. Beim Verlegen der ersten Trennschicht und der zweiten Trennschicht kann optional auch noch eine Zwischenlage, beispielsweise ein Vlies oder eine Gummimatte mitverlegt werden.
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Bevorzugt ist es dabei, wenn innerhalb eines Säulenstegs diese Schritte fortlaufend – also jeweils unmittelbar am zuletzt mit dem jeweiligen Schritt bearbeiteten Abschnitt des Säulenstegs – und zumindest zeitweise parallel zueinander an unterschiedlichen Stellen des Säulenstegs durchgeführt werden.
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Mit anderen Worten beginnt das Entfernen der Gesteinsschicht z.B. mit einer Tunnelbohrmaschine oder einer Gesteinsfräse, am an den Zentralstollen angrenzenden Ende des Säulenstegs und wird von dort aus im fortlaufenden Vortrieb in Richtung auf den umlaufenden Stollen hin weitergeführt. Im sich daran entgegen der Vortriebsrichtung anschließenden Bereich wird das entfernte Material abgefördert. Ein Stück weiter entgegen der Vortriebsrichtung werden die Trennschichten verlegt und gegebenenfalls abgestützt, während noch weiter entgegen der Vortriebsrichtung in einem zu diesem Zweck verschalten Abschnitt bereits das Verfüllen mit Beton durchgeführt wird, noch während sich die Tunnelbohrmaschine oder Gesteinsfräse weiter vorarbeitet. Angemerkt sei, dass sich bei dieser Vorgehensweise außer am Anfang der Arbeiten an einem neuen Säulensteg stets ein Ende der zu verlegenden Trennschichten bereits auf der Sollhöhe in Beton eingebettet ist, weshalb beim Verlegen der Trennschichten die untere Trennschicht auch dann nicht in Kontakt mit dem Boden gelangt, wenn sie nicht abgestützt wird, solange der Abstand zwischen dem bereits verfüllten Bereich und dem Ort, an dem die Trennschichten aktuell verlegt werden, nicht zu groß ist.
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Besonderes bevorzugt ist es, wenn das Ersetzen des Gesteins in zueinander benachbarten Säulenstegen mit zueinander entgegengesetzter Vortriebsrichtung durchgeführt wird. Dazu wird das aus mehreren Maschinen bzw. Vorrichtungen bestehende System dann jeweils nach Abschluss der Arbeiten an einem Säulensteg im umlaufenden Stollen oder im Zentralstollen gewendet und am nächsten zu bearbeitenden Säulensteg neu angesetzt, was besonders gut mit modular aufgebauten Systemen realisierbar ist.
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Bevorzugt ist bei dem Verfahren insbesondere, wenn mindestens eine Trennschicht verlegt wird, die eine Oberflächenstrukturierung, z.B. Rillen oder Kanäle, und bevorzugt insbesondere eine in Vortriebsrichtung zusammenhängende Strukturierung, aufweist und/oder wenn zwischen den Trennschichten eine Zwischenschicht vorhanden ist, die porös ist oder die eine Oberflächenstrukturierung, insbesondere eine in Vortriebsrichtung zusammenhängende Strukturierung, aufweist, angeordnet ist.
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Eine solche in Vortriebsrichtung zusammenhängende Strukturierung liegt insbesondere dann vor, wenn bei verlegter Trennschicht Hydraulikfluid durch die Oberflächenstrukturen von dem Zentralstollen zum umlaufenden Stollen fließen kann. Durch eine solche Oberflächenstrukturierung wird in der Anfangsphase des Abhebens des aus dem Gestein herausgearbeiteten Körpers durch das Einpumpen der Hydraulikflüssigkeit die Einleitung von Kraft in den zweiten Teil der Bodenfläche signifikant erleichtert. Derselbe Effekt kann durch eine poröse Zwischenschicht zwischen den Trennschichten erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße System zum bodenseitigen Abtrennen eines aus einem Gestein herauszuarbeitenden Körpers weist zumindest die folgenden Komponenten auf:
- – eine Vortriebseinheit zum Entfernen einer Gesteinsschicht,
- – eine Abfördereinheit zum Abfördern von von der Vortriebseinheit entferntem Gestein,
- – eine Verlegeeinheit zum Verlegen einer ersten Trennschicht und einer mit der ersten Trennschicht unverbundenen zweiten Trennschicht, und
- – eine Verfülleinheit mit mindestens einer Betonzuführung zum Verfüllen des Zwischenraums zwischen der Decke des durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Raums und der ersten Trennschicht mit Beton, mit mindestens einer Betonzuführung zum Verfüllen des Zwischenraums zwischen der Decke des durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Raums und der zweiten Trennschicht mit Beton und mit einer Schalung.
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Als Vortriebseinheit kann dabei eine bekannte Tunnelbohr- oder Stollenvortriebmaschine verwendet werden.
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Die Abfördereinheit kann beispielsweise ein Förderbandsystem sein, dessen Transportrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Stollenvortriebsrichtung auf einen Nebenstollen hin gerichtet ist oder zumindest eine Komponente (im vektoriellen Sinn) in Richtung senkrecht zur Stollenvortriebsrichtung auf einen Nebenstollen hin aufweist, so dass mit ihm das von der Vortriebseinheit entfernte Gestein aus dem Bereich des Säulenstollens in den Nebenstollen befördert werden kann, von wo es dann mit einem Förderbandsystem in den Zentralstollen weiterbefördert werden kann. Die Abfördereinheit kann gegebenenfalls auch in die Vortriebseinheit integriert ausgeführt sein.
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Die Verlegeeinheit weist zweckmäßigerweise einen Materialvorrat für die erste und die zweite Trennschicht auf, der beispielsweise durch entsprechende Rollen des Trennschichtmaterials ausgeführt sein kann, so dass bei einer Bewegung der Verlegeeinheit in Richtung des Vortriebs die Trennschichten abgerollt werden. Der Anfang der Trennschichten wird zweckmäßigerweise je nach aktueller Vortriebsrichtung in dem Stollen, von dem der Vortrieb ausgeht, verankert, beispielsweise in einer (Beton-)Auskleidung des Zentralstollens bzw. umlaufenden Stollens. Ist bereits ein Abschnitt des Säulenstegs wieder verfüllt worden, ist der darin befindliche Abschnitt der Trennschicht an den Beton angebunden und somit ebenfalls fixiert. Dementsprechend verläuft zu jedem Zeitpunkt des Verlegevorgangs der Trennschichten ein Abschnitt der Trennschichten zwischen einem solchen fixierten Punkt und dem aktuellen Abrollpunkt entweder im Wesentlichen selbsttragend im Raum oder er wird durch eine Stützvorrichtung abgestützt, die beispielsweise seitlich aus Richtung der Nebenstollen eingeschoben werden kann.
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Die Verfülleinheit weist als wesentliche Bestandteile mindestens eine Betonzuführung zum Verfüllen des Zwischenraums zwischen dem Boden des durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Raums und der ersten Trennschicht mit Beton, mindestens eine Betonzuführung zum Verfüllen des Zwischenraums zwischen der Decke des durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Raums und der zweiten Trennschicht mit Beton und mindestens eine Schalung auf, die sicherstellt, dass der in die durch die Trennschichten voneinander getrennten, durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Räume mittels der Betonzuführung eingefüllte Beton in der Form des entsprechenden Abschnitts des Säulenstegs aushärtet.
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Es versteht sich, dass für die Trennschichten und die Betonzuführungen Schalung Zugangsöffnungen in der Schalung vorhanden sein müssen.
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Anzumerken ist, dass die Betonzuführung zum Verfüllen des Zwischenraums zwischen dem Boden des durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Raums und der ersten Trennschicht mit Beton, und die Betonzuführung zum Verfüllen des Zwischenraums zwischen der Decke des durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Raums und der zweiten Trennschicht mit Beton nicht zwingend so ausgeführt sein müssen, dass beide Räume gleichzeitig befüllt werden können, so dass dieses Merkmal beispielsweise auch dann realisiert ist, wenn eine Betonleitung erst an einen Befüllstutzen, der durch eine Schalwand hindurch in den einen Raum führt und dann, nachdem dieser Raum befüllt ist, an einen Befüllstutzen, der durch eine Schalwand hindurch in den anderen Raum führt angeschlossen wird.
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Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn zwischen der Abfördereinheit und/oder der Vortriebseinheit einerseits und der Verlegeeinheit und/oder der Verfülleinheit andererseits ein vom Nebenstollen zugänglicher Raum vorhanden ist. Dieser kann beispielsweise sehr nützlich sein, wenn es bei der Abförderung Probleme gibt, ein technischer Eingriff bei der Vortriebseinheit erforderlich wird, die Betonzufuhr nicht ordnungsgemäß funktioniert oder wenn ein Eingriff bei der Verlegeeinheit, beispielsweise das Austauschen von Trennschichtrollen, notwendig ist.
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Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt, beim Ersetzen des Gesteins in einem Säulensteg die unterschiedlichen Bearbeitungsschritte innerhalb eines Säulenstegs an unterschiedlichen Orten gleichzeitig auszuführen. Um dies zu realisieren ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Vortriebseinheit, mindestens eine Abfördereinheit, mindestens eine Verlegeeinheit oder mindestens eine Verfülleinheit verfahrbar ausgeführt ist, was insbesondere der Fall ist, wenn sie auf einem Raupenfahrzeug angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist es, all diese Einheiten jeweils verfahrbar, insbesondere auch gemeinsam verfahrbar auszugestalten.
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Allerdings ist es in der Regel vorteilhaft, wenn die Vortriebseinheit, die Abfördereinheit, die Verlegeeinheit und/ oder die Verfülleinheit voneinander trennbar sind, also nicht untrennbar miteinander verbunden sind. Der Grund hierfür ist, dass auf diese Weise mit dem System das Verfahren auf die effizienteste Art und Weise, durchgeführt werden kann, bei der der Ersetzungsvorgang in zueinander benachbarten Säulenstegen in entgegengesetzter Vortriebsrichtung durchgeführt wird, ohne dass es nötig wäre, umlaufende Stollen und Nebenstollen mit einem großen Querschnitt bzw. Durchmesser zu bauen, da die einzelnen Einheiten nacheinander abgebaut und umgedreht werden können.
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Aus ähnlichem Grund ist es auch bevorzugt dass das System zumindest zwei oder mehr Vortriebseinheiten, besonders bevorzugt zusätzlich auch jeweils zumindest zwei Abfördereinheiten, Verlegeeinheiten oder Verfülleinheiten aufweist, wobei jeweils gleiche Arten von Einheiten modular miteinander so verbindbar sind, dass sie parallel zueinander in derselben Schnittebene einsetzbar sind. So kann nicht nur eine Krümmung des umlaufenden Stollens ausgenutzt werden, sondern ebenfalls der Stollendurchmesser, der für das Umdrehen des Systems beim Übergang zum nächsten Säulensteg benötigt wird, gering gehalten werden.
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Es soll aber darauf hingewiesen werden, dass grundsätzlich auch ein Transport von Maschinen mit einer Arbeitsbreite, die der Breite eines Säulenstegs entsprechen, durch den umlaufenden Stollen zurück zum Zentralstollen möglich ist, so dass ein modularer Aufbau insoweit nicht zwingend erforderlich ist. Beispielsweise können Trennschichtrollen in auf die Länge des entsprechenden Säulenstegs vorkonfektionierter Länge bereitgestellt werden und etwaige Trägerstrukturen für diese Rollen dann durch den umlaufenden Stollen abtransportiert werden. Die nächste Trennschichtrolle, die für die Bearbeitung des nächsten Säulenstegs verwendet wird, wird dann durch einen Nebenstollen zugeführt und in die Verlegeposition gebracht, nachdem die Vortriebseinheiten sich bereits hinreichend weit in den Säulensteg hineingearbeitet haben, um ein Einführen der Trennschichtrolle zu erlauben.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn mindestens eine Vortriebseinheit, mindestens eine Abfördereinheit, mindestens eine Verlegeeinheit oder mindestens eine Verfülleinheit Mittel zum Abstützen an einer Tunnelwand und/oder oder Mittel zum Verspannen mit einer Tunnelwand aufweist, z.B. Stempel, die hydraulisch betrieben sein können, Streben oder Spannseile.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der an der Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers durch Entfernung von Gestein zu schaffenden Strukturen;
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2: eine schematische Darstellung eines Sägeprozesses mit einer Seilsäge an einem Säulensteg in einer Schnittebene;
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3: eine schematische Querschnittsdarstellung eines Systems zum bodenseitigen Abtrennen eines aus einem Gestein herauszuarbeitenden Körpers, betrachtet von einem Nebenstollen aus;
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4: eine Skizze, die den modularen Aufbau eines von oben betrachteten Systems zum bodenseitigen Abtrennen eines aus einem Gestein herauszuarbeitenden Körpers verdeutlicht;
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5a: eine schematische Darstellung eines ersten Teilschritts einer Variante des Ersetzens einer Gesteinsschicht in einem Säulensteg, bei der das Entfernen des zu ersetzenden Gesteins mit einer Seilsäge erfolgt, betrachtet von einem Nebenstollen aus;
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5b: eine schematische Darstellung eines zweiten Teilschritts einer Variante des Ersetzens einer Gesteinsschicht in einem Säulensteg, bei der das Entfernen des zu ersetzenden Gesteins mit einer Seilsäge erfolgt, betrachtet von einem Nebenstollen aus;
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6a: einen Querschnitt eines Säulensteges nach der Ersetzung einer ausgesägten Gesteinsschicht durch ein erstes Schichtsystem;
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6b: einen Querschnitt eines Säulensteges nach der Ersetzung einer ausgesägten Gesteinsschicht durch ein zweites Schichtsystem;
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6c: einen Querschnitt eines Säulensteges nach der Ersetzung einer ausgesägten Gesteinsschicht durch ein drittes Schichtsystem;
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6d: einen Querschnitt eines Säulenstegs, bei dem das den Säulensteg bildende Gestein vollständig durch ein viertes Schichtsystem ersetzt ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der an der Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers durch Entfernung von Gestein zu schaffenden Strukturen, die gemeinsam den ersten Teil dieser Bodenfläche bilden. Gezeigt ist dabei ein Blick von unten zu einem Zeitpunkt, zu dem die Seitenwände des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers, deren künftiger Verlauf durch eine gestrichelte Linie L skizziert wird, noch nicht abgetrennt sind. Dies entspricht der bevorzugten Baureihenfolge, da dann das Abtrennen der Bodenfläche des Körpers ohne Risiko möglich ist, da die Seitenwände noch mit dem umgebenden Gestein umgeben sind.
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Man erkennt einen Zentralstollen 10, einen umlaufenden Stollen 20, der in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig mit einem Innenradius r1 von 112,5m und einem Außenradius r2 von 125 m verläuft, und parallel zueinander verlaufende Nebenstollen 30 mit einer Stollenbreite b, die z.B. 5 Meter betragen kann. Die Nebenstollen 30 verlaufen in diesem Beispiel rechtwinklig zum Zentralstollen 10 verlaufen, wobei die jeweiligen Mittellinien m zweier zueinander benachbarter Nebenstollen 30 in einem Abstand D voneinander verlaufen, der z.B. 25 Meter betragen kann. Der Zentralstollen 10 kann über nicht dargestellte Schächte oder einen nicht dargestellten Zugangstunnel zugänglich gemacht werden.
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Insbesondere kann im Zentralstollen 10 optional eine ortsfeste Betonversorgung 11 angeordnet sein, z.B. in Form eines Betonsilos, von der dann über ein flexibles, nach Bedarf verlängerbares Leitungssystem 12, das jeweils in einen Nebenstollen 30 verlegt wird, in dem gerade Beton benötigt wird und in der 1 in einen ausgewählten Nebenstollen 30 führt, das aber je nach aktuellem Bedarf auch in andere Nebenstollen 30 gelegt werden kann, geleitet werden kann. Das Leitungssystem 12 sollte dabei möglichst eben verlaufen.
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Im Zentralstollen 10 kann ferner zur Abförderung von entferntem oder ersetzten Gestein ein bevorzugt ebenfalls bedarfsgerecht anpassbares Förderbandsystem 13 angeordnet werden, das auch in einen Nebenstollen 30 führt, wobei das Förderbandsystem 13 aber so umgebaut werden kann, dass es jeweils in einen anderen Nebenstollen 30 oder sich verzweigt, so dass es in mehrere Nebenstollen 30 führt.
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Das entfernte oder ersetzte Gestein kann optional auch mit einer im Zentralstollen angeordneten Aufbrechanlage 14 aufgebrochen und direkt zur Betonherstellung in der Betonversorgung 11 verwendet werden, um den Transportbedarf zu reduzieren.
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Zwischen den Nebenstollen 30 bleiben zunächst Gesteinsverbindungen zwischen der Bodenfläche des aus dem Gestein herauszuarbeitenden Körpers und dem umgebenden Gestein stehen, nämlich die Säulenstege 40. Im Bereich dieser Säulenstege 40 wird dann der zweite Teil der Bodenfläche durch Ersetzen von unterhalb der Bodenfläche liegendem Gestein durch ein Schichtsystem, welches zwei unverbundene Trennschichten aufweist, die aber nicht in der in 1 dargestellten Ebene liegen und daher in dieser Figur nicht zu erkennen sind, abgetrennt. Beispiele solcher Schichtsysteme und ihre Anordnung in einem Säulensteg werden weiter unten anhand der 6a bis 6e erläutert.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schneideprozesses mit einer Seilsäge 50 mit Sägeseil 51, Umlenkrollen 52 und Antriebsrolle 53 an einem Säulensteg 40. Die Blickrichtung in 2 ist identisch zur Blickrichtung in 1, die dargestellte Schnittebene liegt hier aber in der aktuellen Schnittebene der Seilsäge 50.
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Derartige Schneideprozesse können einerseits, wie exemplarisch in 5a und 5b dargestellt ist, in sehr stabilem Gestein dazu verwendet werden, um in den dabei entstehenden Spalt, der optional zwischenzeitlich durch Einbringen eines Gels stabilisiert werden kann, ein Schichtsystem, das zwei Trennschichten und eine optionale Zwischenschicht aufweist einzuziehen. Solche Schichtsysteme sind schematisch weiter unten in den 6a bis 6c exemplarisch dargestellt.
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Andererseits können solche Schneideprozesse auch auf der Höhe der Oberkante und/oder der Unterkante einer zu entfernenden Gesteinsschicht vor deren Entfernung durchgeführt werden, um die Decke und/oder den Boden des bei der Entfernung einer Gesteinsschicht entstehenden Raums relativ glatt und frei von Abbruchkanten zu halten. Dies kann bei manchen Gesteinsarten bei einer Ersetzung einer dickeren Gesteinsschicht mit einem dementsprechend dickeren Schichtsystem, das insbesondere zusätzlich auch Betonschichten aufweist, wie beispielsweise die Schichtsysteme die in den 6d und 6e dargestellt sind, dazu beitragen, eine verbesserte Anbindung der Betonschichten an diese Decke bzw. diesen Boden zu ermöglichen.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Systems 1000 zum bodenseitigen Abtrennen eines aus einem Gestein 2000 herauszuarbeitenden Körpers, betrachtet von einem Nebenstollen 30 aus, mit dem eine solche dickere Gesteinsschicht mit einer Höhe H, die z.B. 2m betragen kann, durch ein solches dickeres Schichtsystem ersetzt werden kann. Das System 1000 arbeitet sich dabei in Vortriebsrichtung V durch das Gestein 2000 eines Säulenstollens 40 hindurch.
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Das System 1000 setzt sich zusammen aus
- – einer Vortriebseinheit 1100 zum Entfernen einer Gesteinsschicht, die als Tunnelbohrmaschine ausgeführt ist,
- – einer Abfördereinheit 1200 zum Abfördern von von der Vortriebseinheit 1100 entferntem Gestein, die als Förderband ausgeführt ist,
- – einer Verlegeeinheit 1300 zum Verlegen einer ersten Trennschicht 1310 und einer mit der ersten Trennschicht 1310 unverbundenen zweiten Trennschicht 1320, mit einer ersten Trennschichtvorratsrolle 1330 und einer zweiten Trennschichtvorratsrolle 1330,
- – und einer Verfülleinheit 1400 mit einer Betonzuführung 1410 zum Verfüllen des Zwischenraums 1420 zwischen dem Boden 1421 des durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Raums und der ersten Trennschicht 1310 mit Beton, und mit einer Betonzuführung 1430 zum Verfüllen des Zwischenraums 1440 zwischen der Decke 1441 des durch das Entfernen der Gesteinsschicht entstandenen Raums und der zweiten Trennschicht 1320 mit Beton und mit einer Schalung 1450, die die Zwischenräume 1420, 1440 in Vortriebsrichtung und in Richtung auf die Nebenstollen 30 hin abschließt und so das Schalvolumen definiert, das in der der Vortriebsrichtung entgegengesetzten Richtung durch die bereits ausgehärteten Betonschichten 1501, 1502 abgeschlossen wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3 sind im Schalvolumen, genauer gesagt im Zwischenraum 1420 Stützen 1460 zum Abstützen der ersten Trennschicht 1310 vorgesehen, die seitlich vom Nebenstollen 30 her eingeschoben werden können und mit einbetoniert werden. Ferner ist in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen der Abfördereinheit 1200 und der Vortriebseinheit 1100 einerseits und der Verlegeeinheit 1300 und der Verfülleinheit 1400 andererseits ein vom Nebenstollen 30 aus zugänglicher Raum 1600 vorhanden.
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Die Schalung 1450 ist durch Streben 1451, 1452 im Bereich außerhalb des Schalvolumens an Decke 1421 bzw. Boden 1441 abgestützt.
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4 ist eine Skizze, die den modularen Aufbau eines von oben betrachteten Systems 1000 zum bodenseitigen Abtrennen eines aus einem Gestein herauszuarbeitenden Körpers verdeutlicht durch eine Aufsicht verdeutlicht. Man erkennt, dass die Vortriebseinheit 1100, die Abfördereinheit 1200, die Verlegeeinheit 1300 und die Verfülleinheit 1400 jeweils modular aus vier in Richtung senkrecht zur Vortriebsrichtung nebeneinander in einer Ebene, in der die Nebenstollen 30 liegen, Vortriebseinheitsmodulen 1100a–d, Abfördereinheitsmodulen 1200a–d, Verlegeeinheitsmodulen 1300a–d und Verfülleinheitsmodulen 1400a–d zusammengesetzt sind, was das Umdrehen des Systems am Ende eines Säulenstegs 40 zur Bearbeitund des nächsten Säulenstegs 40 auch auf relativ beengtem Raum ermöglicht.
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5a und 5b zeigen eine schematische Darstellung einer Variante des Ersetzens einer Gesteinsschicht 2000 in einem Säulensteg 40, bei der das Entfernen des zu ersetzenden Gesteins mit einer Seilsäge 50 erfolgt, betrachtet von einem Nebenstollen 30 aus.
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In einem ersten, in 5a dargestellten Schritt wird mit dem Sägeseil 51 ein Spalt 3200 in das Gestein 2000 eines Säulenstegs 40 gesägt, in dem optional ein erster Transportstab 3300 nachgeführt – beispielsweise nachgezogen oder nachgeschoben – wird, der eine Zuleitung 3310 für Gelflüssigkeit 3440 und an seiner der Sägerichtung VV entgegengesetzten Seite eine Geldüse 3320 aufweist, durch die der Spalt 3200 mit Gelflüssigkeit 3440 gefüllt wird. Die Sägerichtung durch das Gestein 2000 des Säulenstegs 40 kann dabei auch die Richtung von einem Nebenstollen 30 zu einem benachbarten Nebenstollen 30 sein.
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Im zweiten, in 5b dargestellten Schritt wird dann ein zweiter Transportstab 3301 in Sägerichtung VV oder in der dazu entgegengesetzten Richtung durch den mit der Seilsäge 50 gesägten Spalt 3200 geführt. An der in Bewegungsrichtung vorderen Seite des Transportstabs 3301 ist eine Spüldüse 3312 vorgesehen, der durch eine Zuleitung 3311 Spülflüssigkeit zugeführt wird, wenn eine Gelmasse 3340 zur Stabilisierung des Sägespalts 3200 in diesen eingebracht war, um diese aufzulösen.
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An der der Bewegungsrichtung entgegengesetzten Seite des Transportstabs 3301 sind als Trennschichten Dichtungsbahnen 3520 mit Befestigungselementen 3530 befestigt, die jeweils auf ihrer dem Gestein 2000 zugewandten Seite eine adhäsive Beschichtung 3521, 3522 aufweisen. Zwischen den Dichtungsbahnen 3520 ist ein Vlies 3535 oder eine genoppte Gummimatte angeordnet, das mit einem Befestigungselement 3535 am Transportstab 3301 befestigt ist. Dieses Schichtsystem kann also durch Bewegung des Transportstabs 3301 in den Spalt 3200 eingezogen werden.
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Nachfolgend werden anhand der 6a bis 6e unterschiedliche Varianten von Schichtsystemen nach der Ersetzung einer Gesteinsschicht eines Säulenstegs 40 durch das jeweilige Schichtsystem vorgestellt.
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6a zeigt einen Querschnitt eines Säulensteges 40 nach der Ersetzung einer ausgesägten Gesteinsschicht durch ein erstes Schichtsystem 140, bestehend aus zwei Trennschichten 141, 142, nämlich einer unteren Trennschicht 141 und einer oberen Trennschicht 142, die unmittelbar aneinander angrenzen. Die untere Trennschicht 141 weist eine Oberflächenstrukturierung in Form von Rillen 143 auf.
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6b zeigt einen Querschnitt eines Säulensteges 40 nach der Ersetzung einer ausgesägten Gesteinsschicht durch ein zweites Schichtsystem 240, bestehend aus zwei Trennschichten 241, 242, nämlich einer unteren Trennschicht 241 und einer oberen Trennschicht 242, zwischen denen eine Zwischenschicht in Form eines porösen Vlieses 243 das jeweils unmittelbar an die Trennschichten 241 bzw. 242 angrenzt, angeordnet ist. Die Trennschichten 241 bzw. 242 sind dabei jeweils auf ihrer dem Gestein 2000 zugewandten Seite mit optionalen adhäsiven Beschichtungen 3521, 3522 versehen. Statt einer Zwischenschicht in Form des porösen Vlieses 243 kann z.B. auch eine an gleicher Stelle angeordnete genoppte Gummimatte verwendet werden.
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6c zeigt einen Querschnitt eines Säulensteges 40 nach der Ersetzung einer ausgesägten Gesteinsschicht durch ein drittes Schichtsystem 440, bestehend aus zwei Betonschichten 443, 444, nämlich einer unteren Betonschicht 443 und einer oberen Betonschicht 444, und zwei jeweils an der der jeweils anderen Betonschicht 444, 443 zugewandten Oberfläche einer Betonschicht 443, 444 angeordnete Trennschichten 441, 442, nämlich einer unteren Trennschicht 441 und einer oberen Trennschicht 442, die jeweils eine Oberflächenstruktur in Form von Rillen 445, 446 aufweisen.
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6d zeigt einen Querschnitt eines Säulenstegs 40, bei dem das den Säulensteg 40 bildende Gestein vollständig durch ein viertes Schichtsystem 540, bestehend aus zwei Betonschichten 543, 544, nämlich einer unteren Betonschicht 543 und einer oberen Betonschicht 544, und zwei jeweils an der der jeweils anderen Betonschicht 544, 543 zugewandten Oberfläche einer Betonschicht 543, 544 angeordnete Trennschichten 541, 542, nämlich einer unteren Trennschicht 541 und einer oberen Trennschicht 542, sowie einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht 545, die wieder porös, z.B. als Vlies oder mit einer in Vortriebsrichtung zusammenhängenden Oberflächenstrukturierung, beispielsweise als gerillte oder genoppte Gummimatte, ausgeführt sein kann, ersetzt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zentralstollen
- 11
- Betonversorgung
- 12
- Leitungssystem
- 13
- Förderbandsystem
- 14
- Aufbrechanlage
- 20
- umlaufender Stollen
- 30
- Nebenstollen
- 40
- Säulensteg
- 50
- Seilsäge
- 51
- Sägeseil
- 52
- Umlenkrolle
- 53
- Antriebsrolle
- 140, 240, 440, 540, 141, 142, 241, 242, 441, 442,
- Schichtsystem
- 541, 542
- Trennschicht
- 143, 445, 446
- Rille
- 243
- Vlies
- 443, 444, 543, 544
- Betonschicht
- 445
- Zwischenschicht
- 1000
- System
- 1100
- Vortriebseinheit
- 1100a–d
- Vortriebseinheitsmodul
- 1200
- Abfördereinheit
- 1200a–d
- Abfördereinheitsmodul
- 1300
- Verlegeeinheit
- 1300a–d
- Verlegeeinheitsmodul
- 1310
- erste Trennschicht
- 1320
- zweite Trennschicht
- 1330, 1340
- Trennschichtvorratsrolle
- 1400
- Verfülleinheit
- 1400a-d
- Verfülleinheitsmodul
- 1410, 1430
- Betonzuführung
- 1420, 1440
- Zwischenraum
- 1421
- Boden
- 1441
- Decke
- 1450
- Schalung
- 1451, 1452
- Strebe
- 1460
- Stützen
- 1501, 1502
- Betonschicht
- 1600
- zugänglicher Raum
- 2000
- Gestein
- 3200
- Spalt
- 3300, 3301
- Transportstab
- 3310
- Zuleitung Gelflüssigkeit
- 3311
- Zuleitung Spülflüssigkeit
- 3320
- Geldüse
- 3440
- Gelmasse
- 3520
- Dichtungsbahn
- 3521, 3522
- adhäsive Beschichtung
- 3525
- Vlies
- 3530, 3535
- Befestigungselement
- b
- Stollenbreite
- H
- Höhe
- D
- Abstand der Mittellinien benachbarter Nebenstollen
- r1
- Innenradius
- r2
- Außenradius
- V
- Vortriebsrichtung
- VV
- Sägerichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010034757 B4 [0001]
