DE2139598A1 - Gesteinsbolzen - Google Patents

Description

PATENTANWlLTe Dr.-Ιηπ. HANS RUSCHKE DipUns.T-WZ AGULAIt

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W 678

Chester I· Williams, Grand Bapids / Michigan. (Y.St.v.A.) Gesteinsbolaen

Gesteiiisbolzen wurden entwickelt als ein Mittel zum Befestigen der relativen Lage der Schichten einer Gesteinsformation sowie als Verankerungen, an denen Konstruktionen oder Kabel befestigt werden können· Der Hauptuntersohied bei den für diese beiden Verwendungsgebiete vorgesehenen Geateinsbolzen besteht in den Bauelementen, die an der Bolzenetange an derjenigen Stelle befestigt sind, an der der Bolzen aus dem Gestein austritt· Zum Befestigen einer Gesteins- oder Felsformation wird eine große Lagerplatte angebracht, die die Spannungen des Bolzens auf die angrenzend« Gesteintoberfläche überträgt. Bin hauptsächlich als Verankerung benutzter Bolzen brauoht nur mit einem Hing oder mit einer Art von Kupplung ausgestattet zu werden· Xn beiden fällen wird das am weitesten innen gelegene Ende des Bolzens normalerweise mit einer Verankerungsvorrichtung versehen,

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die gegen die Wandung des Bohrloches expandiert wird. Der an dieser Stelle auftretende Druck reicht für die Erzeugung so starker Kräfte aus, dass sie den'Kräften widerstehen können, die den Bolzen aus dem Bohrloch herauszuziehen suchen· Die Wirkung der Verankerungsvorrichtung .wird im allgemeinen durch die Anwesenheit von Mörtel unterstützt, der aus einem zementhaltigen Gemisch besteht, das in flüssiger Form in das Bohrloch eingetragen wird und den die Gesteinsbolzenanordnung umgebenden Eaum ausfüllt. Die wirksamste Ausführung eines Gesteinsbolzens weist eine hohle Bolzenstange auf, die als Kanal für die Strömung des flüssigen Mörtels benutzt werden kann. Nachdem das zement-W haltige Gemisch festgeworden ist, reicht die Verbindung zwischen der Bolzenstange und dem umgebenden Gestein an sich normalerweise aus» um der Belastung der Bolzenstange widerstehen zu können. Der Mörtel bildet außerdem eine Schutshülle um die Gesteinsbolzenanordnung herum und sucht sich mit dem umgebenden Gestein zu vereinigen»

Die bei Gesteinebolzen vorgesehene Verankerungsvorrichtung besteht im allgemeinen aus eines keil- oder kegelförmigen Glied, das mit der Bolzens tange verschraubt ist, welches Glied in einer expandierbaren Buchse oder in einer Gruppe von radial bewegbaren Schuhen axial bewegbar ist. Eine Drehung der Bolzenstange in bezug auf das keilförmige Glied führt zu einer relati-) ven axialen Bewegung zwischen dem Glied und der Buchse oder den Schuhen, wobei diese radial nach außen gegen die Wandung des Bohrloches gedrückt werden, in das die Bolzenstange eingesetzt worden ist· Dieser Druck ist außerordentlich groß, da die resultierende Reibung an der Wandung des Bohrloches eine genügend starke Kraft erzeugt, die der Arbeitsbelastung eines Stahlbolzens mit einen Durchmesser von im allgemeinen 25 bis 50 mm widersteht. Die zum Ausdehnen der Verankerung erforderliche Drehung der Bolzenstange wird an einer außerhalb des Gesteins gelegenen Stelle auegeführt, die jenseits derjenigen Stelle liegt, an der die Bolsenetange aus dem Bohrloch austritt, Normalerweise kann direkt an dieser Stelle eine Kupplung alt einem Eraftschraub ei βchlüsetl angesetzt werden. Ea gibt jedoch fälle, an denen diese Maßnahme nicht durchführbar ist. Beim Einsetzen

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von Gesteinsbolzen z.B. am Meeresboden kann diese Drehung nicht ohne weiteres in der beschriebenen Weise durchgeführt werden, da das Wasserfahrzeug Ton den Wellen oberhalb der Stelle, an der die Bolzenstange ana dem Gestein am Boden eines Sees oder des Meeres austritt, über eine Strecke von mehreren Faden (1 Faden gleich 1_t85 ») bewegt werden kamt. Sie Erfahrung hat gezeigt, dass ein Gesteins "bolzen an einer solchen Stelle so rasch wie möglich eingesetzt und einzementiert werden muss, wonach die Bolzens tauge an einer nahe am &ru£d gelegenen Stelle entkuppelt werden muss., bevor das Zementgemiseb, festgeworden ist. Nur auf diese Weise ißt es möglich,, dem Zementgemisch Zeit zum Festwerden zu geben obm die Störung, die unvermeidlich mit der Bewegung des Bolzens w&ü der Bolsenetauge verbwiden ist, die zum Betätigen der Yera&kerungsvorriehtmg "benutzt wird«, Bas Lösen der Gewindekupplung, öl© zum Verbinden der Betätigungsstange mit dem eingesetzten ßasteinsbolsen benutzt wird_p erfolgt mit einem Drehmoment, das entgegengesetzt zn dem. Brgifesoment ist, das zum Befestigen d«r TerankenmgsvorriehtuQg ausgeübt wird. Hierbei besteht offenbar die gefahr, dass das untere Ende der Stange aus der Verankerungsvorrichtung herausg®schraubt wird und dass die Kupplung g@l©st wird. Di© herkömmliche Konstruktion ist an sich ungeeignet,, ©ia Herausschrauben dsr Bolaenstange aus der Ve ranke iungs vorrichtung sm verhindern, während das kegelförmige Glied und die Buchse an der Gebrauchsstell© befestigt zurückbleiben.

Die Erfindung sieht eine Gesteinsbolzena&or&irang vor, die von entfernt gelegenen Stellen eingesetzt werden kann, wobei eine Trennung von der Betätigungsstange möglich wird, bevor das zementhaltige Gemisch festgeworden ist, ohne dass die Sicherheit der Anlage beeinträchtigt wird. Es sind Mittel vorgesehen, die verhindern oder mindestens einschränken, dass die Verankerungsstange im keilförmigen S-liefl. sich so weit im Rückwärts sinne drehen kann, dass ein Siöasn möglich wird, welche Mittel bewirken, dass ein großer Unterschied besteht zwischen dem Drehmoment, das zum Abschrauben der Kupplung benötigt wird, und demjenigen Drehmoment, das für eine Zurückdrehung der Yerankerungssrtange ius dem keilförmigen Glied heraus erforderlieh ist. Es sind

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ferner Maßnahmen vorgesehen,um zu sichern, dass das in das hohle Innere der Bolzenstange eingefüllte zementhaltige Gemisch Gelegenheit erhält, an bestimmten Stellen in das Bohrloch auszutreten ungeachtet des Umstandes, dass das Ende des Gesteinsbolzens normalerweise vom Grund des Bohrloches verschlossen wird· Zu diesem Zweck wird oberhalb des Endes der Bolzenstange an einer Stelle eine Querbohrung vorgesehen, die von keinem Bauteil der Ver ankerungsvor richtung während des Befestigens versperrt wird.

Ein Widerstand gegen ein Zurückdrehen der Veranke rungs stange aus dem keilförmigen Glied heraus kann dadurch erzeugt werden, dass entweder ein feststehendes Anschlagmittel nahe am unteren Ende der Verankerungsstange vorgesehen wird oder eine Vorrichtung, die das für dieses Zurückdrehen erforderliche Drehmoment vergrößert, zts. welchem Zweck ein Bauteil benutzt wird, das vorzugsweise einer Sperringseheibe gleicht, die zwischen dem keilförmigen Glied und einem Widerlager wirksam ist, das ortsfest ist in bezug auf die Verankerungsstange und weder axial bewegbar noch drehbar ist bei dem normalerweise auftretenden Drehmoment.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben· In den beillegenden Zeichnungen ist die

Pig.1 eine schematische Darstellung, die den ersten Verfahrensschritt beim Einbau eines Gesteinsbolzen in ein Bohr-. loch am Meeresgrund zeigt, wobei der Einbau von eine» Wasserfahrzeug aue über der Einbaustelle erfolgt,

Pig.2 ein senkrechter Schnitt durch den eingesetzten und einzementierten Gesteinsbolzen,

Pig.3 eine vergrößert gezeichnete Darstellung der Verkupplung des Gesteinsbolzena mit der Betätigungsstange in der in der Pig.1 dargestellten Stellung,

Pig.4 eine vergrößert gezeichnete Darstellung des unteren Ende» des Gesteinsbolzens und der Verankerungsvorrichtung in dem in der Pig.1 dargestellten Zustand,

Pig. 5 eine vergrößert gezeichnete Darstellung des oberen Snd«s des eingesetzten Gesteinsbolzene in dem in der Pig.2 dargestellten Zustand,

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Fig.6 eine Darstellung des Zustandes der Verankerungsvorrichtung und der Bolzenstange nach dem Einzementieren und Entkuppeln nach der Fig.2_;

Fig.7 eine Darstellung einer anderen Ausführö&g der. Erfindung, bei der ein Querstift als Anschlagmittel wirkt und ein Lösen der Bolzenstang© vom keilförmigen Glied verhindert,

Fig.8 eine Darstellung des Zustandea der Verankerungsvorrichtung nach dem Einzementieren und Intkuppelt der Einheit,

Mg.9 eine Darstellung einer weiteren anderen Ausführungsform der Erfindung mit Mitteln die das Drehmoment erhöhen, das für eine Zurückdrelmng der Verank©rungsst_ang9 in bezug auf das keilförmige Glied erforderlich 1st, wobei die Vorrichtung im einzementierten und verkuppelten Zustand gezeigt wird,

Fig.10 eine Darstellung einer fe©¥orzugt©n Ausführung einer Kupplung, die ein ZurSiekdreiäes. der Kupplung auf der Verankerungsstange bei geringstem Drehmoment ermöglicht,

Pig·11 eine Darstellung einer ös@nmutter_$ die die Verwendung eines eingesetzten S@st©insbols©iis als ¥©rank©ri2ngsaittel für Kabel oder Konstriaktioaea ©rmöglieht ₀

nachstehend wird eine bevorzugte Ausfüfernngsform der Erfindung besehrieben. Wie in der ligei sciäenatisoli dargestellt, dient ein ein auf der Wasserfläche 21 schwimmendes Wasserfahrzeug 20 als Arbeite station. Homal@Ew@ise wird ®ia Saimtsrenr 22 verwendet, das die Betätigungsstange 23 umgibt ₉ al® τοη einer die Betätigungsstange 23 mit dem S©S'"ceiiisliolis®2;i 25 Terlinden Kupplung 24 abgeilt* Ein herkomaliehes fitting ©der ©in A&p&s»" eungsatüsk 26 traiöglicht das lasttseii ©ines äei'köisialiölien und kraftbeteiefe^meii. Seä.raubeneehlü©eele₉ d@r das trf©rdarliohe Brehaoaeat erzeugt, s© dass salt Hilfe der Betätigungsstange die Veranke^ungsvorriehtwg m. wt©r@£ lad« des Qesteinsbilsens 25 an der if »brauche »teile befestigt wferdeiu kaam. D@r Geeteinsbolztn wirft in das Loch 21 am Mse^eabGien 23 @ing@stt^to Hach der Befestigung der YerankerungsYorriehtuag bei 29 und isach dem Pullen dee Bohrloches 27 um den ©©steinabolaan harum mit Zement wird die Kupplung 24 von der Bolsenetange 25 entfernt, womit

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der Einbau des Gesteinsbolzen beendet ist, wie in der Fig.2 dargestellt.

Die die Betätigungsstange 23 mit der Bolzenstange 25 verbindende Kupplung ist in der Figo3 dargestellt. Diese Kupplung ist mit den beiden genannten Stangen zusammengeschraubt, und die an das Ende der Betätigungsstange 23 fest angezogene Schraube 30 bewirkt, dass bei dem Zurückdrehen der Betätigungsstange die Kupplung von der Bolzenstange 25 gelöst wird und nicht von der Betätigungsstange. Nach dem Entfernen der Kupplung 24» wie in der Fig.5 dargestellt, kann auf das Gewinde am oberen Ende des Ge- w steinsbolzens 25 die in der Fig· 11 dargestellte ösenmutter aufgeschraubt werden.

Die Fig.4 zeigt die Stellung der Bauteile der Verankerungsvorrichtung an der in der 3?ig.1 dargestellten Stelle. Wird der Gesteinsbolzen 25 mit Hilfe der Betätigungsstange 23 gedreht, so wird das kegelförmige Glied 32 nach oben bewegt, wie in der Fig.4 dargestellt, da dieses Glied eine Schraubverbindung mit dem Gewinde am unteren Ende 22 der Bolzenstange aufweist. Bei dieser axialen Bewegung wird die Buchse 34 expandiert und legt sich fest an die Wandung des Bohrloches 27 an. Der Gewindeteil 33 verläuft bis zum Druckaufnahmering 35, der im allgemeinen am Ende dieses Gewindes vorgesehen ist· Dieser Druckaufnahmering wirkt als Anschlag, der eine axiale Bewegung der Buchse nach oben verhindert, so dass die Expansion durchgeführt werden kann. Zwischen dem Ende der Buchse und dem Druckaufnahme ring 35 sind Gleit ringe 36 angeordnet, um das Drehmoment zu verringern, das zwischen der Buchse und dem Druckaufnahmering wirksam wird, wodurch die Gefahr vermindert wird, dass der Druckring so weit gedreht wird, bis er den Schraubeingriff verliert.

Sowohl die Bolzenstange 25 als auch die Betätigungsstange 23 sind hohl ausgestaltet, wodurch ein Kanal geschaffen wird, durch den das zementhaltige Gemisch nach unten bis zum Böden des Bohrloches 27 gepumpt werden kann» Da die gesamte Anordnung normalerweise auf dem Grund des Bohrloches aufsitzt, so ist ein Auslass 37 in Form einer Querdurchbohrung der hohlen Bolzenatange 25 vorgesehen, durch welchen Auslass das zementhaltige Gemisch, in das umgebende Bohrloch im Gestein eindringen kann.

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Wird die Betätigungsstange 23 und die Kupplung 24 von der-Bolzenstange nach beendetem Einzementieren entfernt, so wird die Betätigungsstange 23 durch Ausblasen vom Zement befreit, befor eine Verfestigung des Zementes erfolgen kann*

Sie Fig·6 zeigt die Beziehung der Bauteile der Verankerungsvorrichtung nach dem Sat kupp ein der Betätigungsstange, während das zementhaltige Gemisch immer noch flüssig ist. Unter der Annahme, dass das zum Xiösen der Kupplung erforderliche Drehmoment nicht ausreicht, um die Gewindeverbindung der Stange 25 zurückzudrehen, so führt das erste Zurückdrehen der Betätigungsstange 23 zu einem iiösen der Verschraubung der Bolseastange 25 vom kegelförmigen Glied 32 bis zu d@m in d©r Fig.β dargestellten Ausmaß. Diese die Verschraubung lösende Wirkung wird begrenzt durch die Einwirkung der verformten Abschnittes 53 auf dae untere Ende der Bolzenstange nach dem Anbringen des Ringes 39· Dieser Hing 39 wird vorzugsweise gleichfalls auf &&& Gewinde am Ende 33 der Bolzenstange aufgeschraubt. Wegen der Verformung im Bezirk 38 kann der Anschlagring 39 auf der Stange nicht zurückgedreht und vollständig gelöst werden«, Die Oberseite des Ringes 39 verteilt den Druck gleichmäßig ©uf die Unterseite des kegelförmigen Gliedes 32 und wirkt ferner als Anschlags der eine weitere axiale Bewegung der Bolsenatange aus dem kegelförmigen Glied heraus verhindert. Nach den Erfahrungen &©s Anmelders kann mit der dargestellten Ausführung der Verankerungsvorrichtung, die aus einem Kegel und einer expandi®rfesr«n Buchse mit einem 0-förmigen Querschnitt besteht, die best© Yerankerungswirkung erreicht werden· Bei anderen bekannten Terankerungsvorrichtungen mit von einander trennbaren Schuhen, die von ebenen Keilflächen auseinandergetrieben werden anstell© konischer Keilflächen, erfolgt nicht die günstige Wirkung, dass der Druck im wesentlichen ringförmig verteilt wird. Die Bewegung der Stange nach der Fig.6 stört nicht das Einzementieren, da der Durchlass 37 in jedem Betriebszustand der Verankerungsvorrichtung unbedeckt bleibt. Der einzige Unterschied besteht nur in dem Ausmaß des Eindringens des kegelförmigen Gliedes 32 axial in die Buche© 34.

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Sie figuren 7 und 8 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der in ein in die Bolzenstange 41 gebohrtes Loch ein Querstift 40 eingesetzt ist. Da dieser Querstift normalerweise den Hohlraum in der Stange 41 sperrt, so ist zwischen dem Anschlagetift 40 und dem Expansionskegel 43 ein Durchlass 42 in Form einer gleichen Durchbohrung vorgesehen. Die Buchse 44» der Druckaufnahmering 45 und die Gleitringe 46 gleichen den betreffenden Bauteilen der Ausführung nach den Figuren 4 und 6. Die Pig.8 zeigt, in welcher Weise das Zurückdrehen der Stange aus dem kegelförmigen Glied hinaus vom Quer stift 40 begrenzt wird. Bei beiden Ausführungen der Verankerungsvorrichtung nach Pig.6 und Pig_e8 wird bei einem Zurückdrehen der Verankerungsstange in bezug auf das kegelförmige Glied der Druckaufnahmering zusammen mit der Stange nach oben geführt, da unter der Einwirkung des Befestigungsdrehmomentes der Druckring im allgemeinen fest mit dem Ende des Gewindes verklemmt wird, so dass zum Zurückdrehen der Verankerungsstange aus dem kegelförmigen GQLed hinaus ein stärkeres Drehmoment erforderlich ist.

Die in der Pig.9 dargestellte andere Ausführung der Verankerungsvorrichtung weist wie bei den beschriebenen Ausführungen einen quer verlaufenden Auslass 47 an der Bolzens tange 48 auf. Das kegelförmige Glied 49 gleich im wesentlichen den Gliedern 32 und 43 mit d er Ausnahme, dass eine Verstärkung durch den muttfcerförmigen Abschnitt 49a vorgesehen ist, der den Schraubeingriff vergrößert und die Verwendung eines etwas kräftigeren Materials als das normale Gußeisen für diese Verstärkung ermöglicht, das für den Kegel selbst benutzt wird. Die Buchse 50 gleicht den Buchsen 34 und 44, während der Druckaufnahme ring 51 den Ringen 35 und 45 entspricht. Am oberen Ende der Buchse liegt eine Unterlegscheibe 52 mit einer Verformung 53 an, die in den Spalt des O-förmigen Querschnittes der herkömmlichen Buchse 50 eindringt. Die nase 53 sucht die Unterlegscheibe 52 mit der Buchse torsionsmäßig zu verriegeln, so dass die Verriegelungsscheibe 54 einem Zurückdrehen zwischen der Buchse 50 und dem Druckaufnahmering 51 einen größeren Widerstand entgegensetzt. Dieser Unterschied bei den Drehmomenten reicht normalerweise aus, um ein Lösen der Kupplung zuzulassen, die die

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Betätigungsstange mit der Bolzenstange verbindet·

Die Pig·10 zeigt eine Anordnung, mit der mit Sicherheit erreicht wird, dass die Kupplung sich Bit dem Gewinde am oberen Bnde der Bolzenstange 55 nicht verklemmt. Auf die Bolzenstange 55 ist ein Hing 56 bis zum End« des Gewindes aufgeschraubt· Sie Oberseite des Ringes 56 liegt an der Unterseite der Kupplung 57 innerhalb eines genügend großen Bezirks an, wodurch die Tendenz vermindert wird, dass eine reibende Verklemmung eintritt. Diese Wirkung wird weiterhin dadurch verhindert, das« entweder ein geschmierter Gleitring vorgesehen wird oder ein Belag aus einer Hochdruckschmiere an der Zwischenflache 58· Wie bei der Kupplung 24 wird die Verwendung einer Yeststellsohraube 59 empfohlen, so dass die Betätigungsstange 60 während des Zurückdrehens mit Sicherheit sich von der Kupplung nicht lösen kann· Bei Verwendung der Anordnung nach der Jig. 11 soll der mit der Anordnung nach der fig·10 erreichte Drehmomentuntersohied ausreichen, um mit Sicherheit die normale Entkupplung durchführen zu können, ohne die Sicherheit der Gesteinsboleensnlage zu beeinträchtigen. Hach dem Entkuppeln und dem Einzementieren kann das zementhaltige Gemisch sich verfestigen ohne Störung durch die Bolzenstange als Folge der Bewegung des als Arbeitestation dienenden Wasserfahrzeuges. Die Anlage kann, sich daher rasch zur nächsten Einbaue teile bewegen, ohne dass auf da· Festwerden des Zementes gewartet zu. werden braucht, bevor das Entkuppeln durchgeführt werden kann. Diese Schwierigkeit bei dem Entkuppeln wurden offen, bar nicht bestehen, wenn der Zement'Gelegenheit hätte, um die Bolzenetang· herum sich zu veriestigen. Der torsionamäßige Angriff als folge der Verbindung mit dem Zement würde zwangsläufig jede Tendenz eines Heraueschrauben« der Bolzenetange aus d er Verankerungsvorrichtung verhindern. Nachdem die Einheit in das Bohrloch vollständig eingebaut worden ist, kann auf das Gewinde am oben η Ende 62 des Gsstslnsbolzens eine Ösenmutter 61 aufgeschraubt werden, wobei der Ring 56 an seiner Stelle zurückbleibt. Dieser Ring begrenzt ferner die Heigung zum festklemmen der ösenmutter an der Gebrauchssteile, so dass diese Mutter jederzeit entfernt werden kann, wenn dies erwünscht ist·

Patentansprüche 209808/1306

Claims (1)

1. Patentansprüche

   · Gesteinabolzen mit einer an den Enden mit einem Gewinde versehenen Stange und alt einer mit einem der genannten Enden in Eingriff stehenden Ve ranke runge vorrichtung, die ein Keilglied aufweist, das mit dem genannten einen Ende zusammengeschraubt ist und mindestens zum Seil von einer expandierbaren Buchse umgeben wird, und mit Mitteln, die eine axiale Bewegung der Buchse in bezug auf die genannte Stange begrenzen, gekennzeichnet durch Mittel, die eine Zurückdrehung der genannten Stange in bezug auf das Keilglied in einem Sinn· behindern, der entgegengesetzt zu dem Drehsinne ist, bei dem die genannte Buchse expandiert wird, welche genannten Mittel zu verhindern suchen, dass die genannte Stange aus dem genannten Keilglied her_auageschraubt wird.

   2* Gesteinsbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte verhindernde Anordnung einen verformten Abschnitt am Außenende des genannten mit einem Gewinde versehenen Stangenendes aufweist·

   |l 3· Gesteinsbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das β die genannte verhindernde Anordnung einen Querstift nahe an dem Ende des genannten einen Stangenendes aufweist.

   4· Gesteinebolzen nach. Anspruch 1, dadurcu gekennzeichnet, dass das die axiale Bewegung der genannten Buchse begrenzende Kittel aus einem Drackaufnahmering besteht, der in bezug auf die ggenannte Stange normalerweise ortsfest ist, und dass das genannte verhindernde Mittel aus einer Sperringaoheibe besteht, die «wischen dem genannten druokaufnehmenden Hing und der genannten Buchse angeordnet ist·

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   5. Gesteinsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, dass das gerannte Keilglied im wesentlichen kegelförmig ausgestaltet ist und auf der genannten Stange so angeordnet ist, dasa das den größten Durchmesser aufweisende Ende des Keilgliedes am genannten einen Ende gelegen ist, und dass die genannte Stange in allen Normalstellungen der Verankerungsvorrichtung sich über die Verankerung und die Buchse hinauserstreckt·

   6. Gesteinsbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Stange aus einem Rohr besteht und mit einer Querbohrung versehen ist, die an derjenigen Seite des genannten Querstiftes gelegen ist, die zum genannten Keilglied am nächsten gelegen ist.

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