DE2934116A1 - Verfahren und vorrichtung zur erhoehung der standfestigkeit von plastischem, tonig schluffigem gebirge durch entwaessern und zum befestigen von gebirgsankern, insbesondere beim auffahren von unterirdischen hohlraeumen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Standfestig-
• keit von plastischem, tonig-schluffigem Gebirge zum Befestigen von Gebirgsankern, insbesondere beim Auffahren von unterirdischen Hohlräumen.
• Der Erfindung iiegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und zur Durchführung des Verfahrens Vorrichtungen zu schaffen, die es ermöglichen, die Standfestigkeit von plastischem, tonig-schluffigem Gebirge durch Entwässern erheblich und so ausreichend zu erhöhen, daß darin Gebirgsanker befestigt werden können, derart, daß sie ausreichend belastbar sind. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind insbesondere anwendbar beim Auffahren von unterirdischen Hohiräumen.
• Bei der Herstellung von Tiefbauwerken verschiedenster Art, die einer Verankerung im Erdreich oder anstehenden Gebirge bedürfen, ist es in manchen Fällen unvermeidbar, Zonen von plastischem, tonig-schluffigem Gebirge aufzufahren oder zu durchschneiden. Die Eigenart derartiger Format ionen besteht darin, daß sie in hohem Maße wasserhaltig, jedoch schwer entwässerbar sind, da sie das in ihrem Kapillarsystem gespeicherte Wasser nur sehr schwer abgeben. Ohne zuvor eine wirksame Entwässerung solcher Formationen erreicht zu haben, ist es nicht möglich, Gebirgsanker oder dergleiche Befestigungs-Elemente zum Halten zu bringen. Die bekannten Pump- bzw. Saugmethoden zur Entwässerung, das DruckluFtverfahren zur Beherrschung der Wasserverhältnisse oder das Gefrierverfahren zur Verfestigung derartiger toniger Schluffzonen sind teilweise nicht ungefährlich und erfordern wegen deren sehr ungünstiger Bodenkennwerte einen erhebel eichen technischen Aufwand, um eine ausreichende Standfestigkeit zu erreichen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Standfestigkeit von plastischem, tonig-schluffigem Gebirge durch Herabsetzen des Wassergehaltes und zum Befestigen von Gebirgsankern wendet die an sich bekannte Elektro-Osmose in der Weise an, daß in dem zu entwässernden Bereich flächenverteilt in einem Abstand von 1 bis 4 m voneinander stabförmige Elektroden in einer Länge zwischen 2 und 6 m in das Gebirge getrieben werden von denen jeweils ein Teil durch Anschließen an eine Gleichstromquelle von mindestens 10 V Spannung eine positive und negative Ladung enthält, und daß die von den Anoden zu den Kathoden fließenden und sich dor-t sammelnden Wasserteilchen in Sammelleitungen gefaßt und unter Schwerkraft- oder Saugpumpenwirkung abgeleitet werden.
• Die Geschwindigkeit, mit welcher die Umgebung der Anode entwässert wird, hängt von den Bodenkennwerten, wie Durchlässigkeit, Kornzusammensetzung, Wassergehalt, Porenvolumen, E-Modul, Kohäsion, Leitfähigkeit, Mineralgehalt ab, durch welche die elektro-osmotische Gradiente bestimmt wird. Unter günstigen Verhältnissen kann eine ausreichende Entwässerung schon in wenigen Stunden erwartet werden; im ungünstigsten Falle dauert die Herabsetzung des Wassergehaltes auf minimale Werte bis zu 48 Stunden. Die Verfahrensweise nach der Erfindung bietet beim Erdbau, Tief- und Wasserbau überall da Vorteile, wo schwer entwässerbare, tonig-schluffige Bodenverhältnisse vorliegen.
• Das hauptsächlichste Anwendungsgebiet des Verfahrens nach der Erfindung ist das Auffahren von unterirdischen Hohlräumen, bei dem in an sich bekannter Weise zum Vortreiben eines jeden Abschlages eine vorgezogene Kalotte hergestellt und aus dem gesamten First-und Ortsbrust-Bereich der Kalotte heraus in radiale Richtungen und schräg in Vortriebsrichtung weisend, flächenverteilt Elektroden in das Gebirge getrieben und zumindest solange an die positive und negative Gleichstromquelle angeschlossen werden, bis die anschließend als Primärsicherung hergestellte Außenschale festigkeitsmäßig die geforderte Tragfähigkeit erreicht hat.
• Eine Abwandlung dieser Verfahrensweise besteht nach der weiteren Erfindung noch darin, daß aus dem beim Vortreiben jedes Abschlages im Bereich der vorgezogenen Kalotte hergestellten Uberprofil heraus annähernd parallel zur Vortriebsrichtung leicht zum Gebirge hin weisend in Abständen von 1 m oder mehr nebeneinanderliegend Elektroden von 10 bis 15 m Länge rhrschirmartig vorgetrieben werden, die abwechselnd positiv und negativ geladen werden, und die zumindest solange an die Gleichstromquelle angeschlossen bleiben, bis der durch die rohrschirmartig angeordnete Elektroden begrenzte Bereich zu einem Gebirgstraggewölbe verfestigt ist und mit dem Einbau der Außenschale der Vortrieb unter dem gebildeten Gebirgstraggewölbe fortgesetzt wird.
• Das Verfahren ist selbstverständlich auch anwendbar, wenn unterirdische Hohlräume nach anderen Vortriebstechniken in tonig-schluffigem Gebirge mit den einschlägigen Bodenkennwerten aufgefahren werden, beispielsweise durch Auffahren von zwei parallelen Ulmen; in diesen Fällen werden die Elektroden zweckmäßigerweise im oberen Ulmenbereich in radialen Richtungen und auch rohrschirmartig schräg nach vorn in Vortriebsrichtung weisend in das Gebirge getrieben.
• Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es, wenn üblicherweise die Sicherung und Verankerung des endgültigen Ausbaues des Tunnels oder Stollens mittels Gebirgsankern erfolgt, zwei verschiedene Arbeitsweisen. Nach Eintritt der erforderlichen Erhöhung der Standfestigkeit des Gebirges auf Grund einer ausreichenden elektro-osmotischen Entwässerung können zur Sicherung des Spritzbetonringes übliche Gebirgsanker eingetrieben werden. In Abwandlung hiervon ist es nach einem anderen Verfahrensmerkmal der Erfindung möglich, daß die Elektroden einen Rohrquerschnitt aufweisen und als Gebirgsanker mit einem Endgewinde zum Aufschrauben einer Spannmutter ausgebildet sind, deren Rohrwandung mit umfangsverteilten Öffnungen versehen ist.
• Die Flächenverteilung der Elektroden, die Spannung der Stromquelle und deren Stromstärke werden je nach den vorherrschenden Bodenkennwerten gewählt. Ist auf Grund des Porenvolumens eine verhältnismäßig große Wasserdurchlässigkeit und damit einhergehend eine hohe Leitfähigkeit gegeben, so kann zwischen den Elektroden ein größerer Abstand eingehalten und es können Spannung und Stromstärke verhältnismäßig niedrig gehalten werden. Liegen jedoch schwierigere Verhältnisse vor, aus denen sich ungünstige Werte für die Wasserdurchlässigkeit und die Leitfähigkeit ergeben, so sind engere Abstände zwischen den Elektroden und höhere Stromdichten angezeigt. Die Wahl dieser Parameter beeinflußt selbstverständlich auch die elektroosmotische Fließgeschwindigkeit und damit auch die zur Entwässerung erforderliche Zeitdauer. Je nach den örtlichen Verhältnissen ist es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung auch möglich, jeder Kathode zwei oder mehr Anoden zuzuordnen.
• Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht ferner vor, daß die als Gebirgsanker ausgebildeten Elektroden mindestens einen Längsschlitz aufweisen und mit einer zentralen Spreizvorrichtung versehen sind, um den Halt der Anker im Gebirge zu verbessern. Außerdem können die als Gebirgsanker ausgebildeten Elektroden mit umfangsverteilt und hintereinander versetzt bzw. gestaffelt angeordneten Widerhaken versehen sein.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch wiedergegeben und im folgenden näher erläutert:-Es zeigen Fig. 1 einen Tunnelvortrieb m Querschnitt, bei dem zur Vorbereitung des Gesamtausbruchs zwei Ulmen vorgetrieben werden; Fig. 2 einen Längsschnitt nach Fig. 1 entsprechend A -Fig. 3 eine Einzelheit bei "B" nach Fig. 1; Fig. 4 einen Tunnelvortrieb im Längsschnitt mit Überprofil t pn im Kalottenbereich; Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 4 in größerem Maßstab; Fig. 6 einen Querschnitt nach Fig. 5 entsprechend C - C' Fig. 7 ein Längsschnitt G- G' gemäß Fig. 6 Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind im Bereich der linken Ulme 'L' pro Querschnittsebene fünf Elektroden bzw. Anker 1, 2 eingetrieben, und zwar abwechselnd als Kathoden 1 und Anoden 2. Im Übergang von den Ulmen 'L,R' zur Kalotte 'K' sind jeweils nur drei Elektroden in der Querschnittsebene vorgesehen, und zwar eine Kathode 1 und zwei Anoden 2; dieselbe Anordnung ist im rechten Ulmenbereich 'R' gewählt.
• In Fig. 2 ist dargestellt, wie die eingetriebenen Elektroden 1, 2 hintereinander in den Querschnittsebenen angeordnet sind. Im Bereich der Ortsbrust können die Elektroden 1, 2 auch geneigt in Vortriebsrichtung angeordnet werden, wie dies aus Fig. 4 und 5 hervorgeht.
• Die Elektroden sind in Fig. 3 näher dargestellt. Kathoden 1 und Anoden 2 sind mit Anschlüssen 3 für die Stromkabel 4 versehen. Die Kathoden 1, als mit Öffnungen 5 versehene rohrförmige Hohlprofile ausgebildet, weisen ferner eine Schlauchkupplung 6 auf, mittels welcher eine Schlauchleitung 7 angeschlossen ist. Diese kann auch an eine nicht dargestellte Saugpumpe angeschlossen sein.
• Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Tunnelvortrieb, bei dem die Kalotte 'K' ein Überprofil 'P' aufweist. Dies dient in bekannter Weise dazu, im Lockergestein bzw. Schlupf eine Verfestigung und Sicherung des Gebirgsbereiches der Außenschale zu erzielen. Wie die Darstellung zeigt, sind im Kalottenbereich 'K' aus dem Überprofil 'P' heraus fächerförmig Elektroden in Vortriebsrichtung eingetrieben, wobei die unterste Reihe einen Neigungswinkel Cc von ca. 100 aufweist.
• Fig. 6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Kalotte 'K' gemäß Fig. 5; es ist eine Reihe von in Vortriebsrichtung eingetriebenen Elektroden 1,2 zu erkennen.
• Diese stellen durch die elektro-osmotische Verbesserung ein Gebirgstraggewölbe auf eine Länge von ca. 10 bis 15 m her, wie dies auch aus Fig. 7 ersichtlich ist.
• Nach Abschluß der Verfestigung erfolgt im Schutze dieses Gewölbes,wie gestrichelt dargestellt, der weitere Vortrieb.
• Die Erfindung bringt gegenüber den bekannten Verfahrensweisen ganz erhebliche Vorteile mit sich. Der technische Aufwand zur ausreichenden Festigkeitssteigerung des Gebirges durch elektro-osmotisches Entwässern wird gegenüber den herkömmlichen Methoden ganz entscheidend verringert. Da der in den Boden geleitete Strom nur eine Spannung ca.
• zwischen 10 und 60 V hat, ist er für das Bedienungspersonal ebenso wie für die im Erdreich befindlichen Einrichtungen, wie beispielsweise Wasserleitungen, Kabel, Gasleitungen und dergl. mehr ungefährlich, zumal die Einwirkung auch nur kurzzeitig ist. Um Kurzschlüsse zu vermeide, sind die Elektroden mit einem nichtleitenden Ring versehen.
• Der geringe - und zumeist nur während eines begrenzten Zeitraumes wirksame - Wasserentzug infolge der Elektroosmose wirkt sich zumeist an der Geländeoberfläche überhaupt nicht aus und bildet höchstens eine derart flache Setzungsmulde, daß bedenkliche Setzungsdifferenzen an darüberliegenden Bauwerken nicht zu erwarten sind. Dieser Vorteil wirkt sich besonders günstig im innerstädtischen Verkehrstunnelbau aus, weil die naturgesetzlich eintretenden Hebungen beim Gefrierverfahren und Setzungen bei der Grundwasserabsenkung vermieden werden.
• Die Dicke des konsol idierenden Bereiches um den geplanten Ausbruchsquerschnitt herum kann in Abhängigkeit von der Querschnittsgröße variiert werden. In besonders gefährdeten Bereichen, beispielsweise im First- und oberen Ulmenbereich kann ein engerer Raster gewählt werden, so daß die Verfestigungszonen ineinander übergehen.
• Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung und der erfindungsgemäß ausgebildeten Anker erbringt auch bodenmechanisch eine Reihe von günstigen Auswirkungen, die von anderen bekannten kombinierten Entwässerungs-Systemen nicht erreicht werden können.
• Durch die schnelle Wirkung der elektro-osmotischen Entwässerung wird der entwässerte Bereich örtlich eng begrenzt. Es wird eine Restfeuchtigkeit beibehalten, durch welche eine wesentliche Verbesserung der Kohäsionswerte in den Schluffschichten eintritt. Es wird ferner eine deutliche Bodenverbesserung und damit Gebirgsgüteklassenverbesserung bewirkt, was zu einer erhöhten Tragwirkung des umgebenden Gebirge führt.
• Die Verfestigung im Bereich der mit Öffnungen versehenen, rohrförmig ausgabiIdeten Gebirgsanker ruft einen tiefgreifenden Verbund von Außenschale und Gebirge in der ersten Sicherungsphase hervor. Die Verfestigung im Bereich der Anodenanker, die vorzugsweise als massive Vollprofile ausgebildet sind, verbessert weiterhin die Tragwirkung; damit werden unerwünschte Verformungen der Außenschale auf ein Minimum reduziert. Darüber hinaus wird ein vollflächiger, vollwirksamer Verbund von Außenschale und Gebirge hergestellt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist in weitem Umfange an die verschiedensten geologischen und hydrologischen Bedingungen von tonig-schluffigen Bodenformationen optimal anpaßbar, und es entspricht daher in fortschrittlicher Weise den Forderungen, die beim Durchfahren von plastischen, tonig-schluffigen Formationen gestellt sind.
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Claims (9)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Standfestigkeit von plastischem, tonig-schluffigem Gebirge durch Entwässern und zum Befestigen von Gebirgsankern, insbesondere beim Auffahren von unterirdischen Hohlraumen.

   .Patentansprüche: 0 Verfahren zur Erhöhung der Standfestigkeit von plastischem, tonig-scnluffigem Gebirge durch Entwässern und zum Befestigen von Gebirgsankern, gekennzeichnet, durch Anwendung der an sich bekannten Elektro-Osmose in der Weise, daß in dem zu entwässernden Bereich flächenverteilt in einem Abstand von 1 bis 4 m voneinander stabförmige Elektroden (1,2) in einer Länge zwischen 2 und 6 m in das Gebirge getrieben werden, von denen jeweils ein Teil durch Anschließen an eine Gleichstromquelle von mindestens 10 V Spannung eine positive und negative Ladung erhält, und daß die von den Anoden (2) zu den Kathoden ( fließenden und sich dort sammelnden Wasserteilchen in Sammelleitungen (7) gefaßt und unter Schwerkraft- oder Saugpumpenwirkung abgeleitet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auffahren von unterirdischen Hohlräumen (H) in an sich bekannter Weise zum Vortreiben eines jeden Abschlages (E) eine vorgezogene Kalotte (K) hergestellt wird, und daß aus dem gesamten First- und Ortsbrust-Bereich (F) der Kalotte (K) heraus in radiale Richtungen und schräg in Vortriebsrichtung weisend, flächenverteilt Elektroden (1,2) in das Gebirge getrieben und zumindest solange an die positive und negative Gleichstromquelle angeschlossen werden, bis die anschließend als Primärsicherung hergestellte Außenschale (8) festigkeitsmäßig die geforderte Tragfähigkeit erreicht hat.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem beim Vortreiben jedes Abschlages (E) im Bereich der vorgezogenen Kalotte (K) hergestelIter Überprofil (P) heraus annähernd parallel zur Vortriebsrichtung leicht zum Gebirge hin weisend in Abständen von 1 m oder mehr nebeneinanderliegend Elektroden (1,2) vorgetrieben werden, die abwechselnd positiv und negativ geladen werden, und die zumindest solange an die Gleichstromquelle (+/-) angeschlossen bleiben, bis der durch die rohrschirmartig angeordneten Elektroden begrenzte Bereich zu einem Gebirgstraggewölbe verfestigt ist und mit dem Einbau der Außenschale (8) der Vortrieb unter dem gebildeten Gebirgstraggewölbe fortgesetzt wird.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Eintritt der erforderlichen Erhöhung der Standfestigkeit des Gebirges auf Grund einer ausreichenden elektro-osmotischen Entwässerung zur Sicherung des ausgebrochenen Hohl raumes übliche Gebirgsanker eingetrieben werden.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als stabförmige Anoden (2) mit Vollquerschnitt und als stabförmige Kathoden (1) mit Rohrquerschnitt ausgebildet sind, die umFangsverteilte OfFnungen (5) aufweisen.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, cladurch gekennzeichnet, daß jeder Kathode (1) zwei oder mehr Anoden (2) zugeordnet sind.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekenn=eichnet, daß die Elektroden einen Rohrquerschnitt aufweisen und als Gebirgsanker mit einem Endgewinde zum Aufschrauben einer Spannmutter (9) ausgebildet sind, deren Rohrwandung (10) mit umfangsverteilten Öffnungen (5) versehen ist.
8. 8 Vorrichtung zur DurchFührung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, laß die als Elektroden ausgebildeten Gebisanker mindestens einen Langsschl it aufweisen und mit einer zentralen Spreizvorrichtung versehen sind.
9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Elektroden ausgebildeten Gebirgsanker mit umfangsverteilt und hintereinander gestaffelt angeordneten Widerhaken versehen sind.