DE3818506A1 - Verfahren und vorrichtung zum schutz von bauanlagen vor im boden auftretenden verformungen und spannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von Bauan­ lagen vor im Boden auftretenden Verformungen und Spannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung be­ trifft außerdem eine zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vorrichtung.

Ein derartiges Verfahren, das bei der Ausführung von Hohlraumbauten oder dgl. zum Ausgleich der im Bodenbereich entstandenen Druck- und Zugkräfte, Hebungs- und Senkungs­ kräfte sowie evtl. auftretender Spreizkräfte dient und dem­ gemäß den Schutz der darüberliegenden Bebauung bezweckt, ist bisher noch nicht bekannt.

Bei der Herstellung von Hohlraumbauten, wie beispielsweise im U-Bahnbau und insbesondere beim Abbau von Mineralstoffen im untertägigen Bergbau, wird im Boden ein solcher Span­ nungszustand erzeugt, daß dessen Kräfte sich bis zur Ober­ fläche ausbreiten und dort vielfach zu Beschädigungen an der Bebauung führen. Diese Beschädigungen können aber nur mit hohem Aufwand beseitigt werden. Die hierfür anfallenden Kosten trägt der Verursacher, in der Regel der Erbauer der U-Bahn bzw. die betreffenden Bergbauunternehmen, die dem Grundstückseigentümer im Rahmen der Gefährdungshaftung re­ greßpflichtig sind. Der Grundstückseigentümer hat auch das Recht des Einspruchs gegen geplante Maßnahmen, die sein Ei­ gentum gefährden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Besei­ tigung der geschilderten Nachteile ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mittels denen die durch Baumaßnah­ men im Boden entstandenen Kräfte, wie Druck- und Zugkräfte, Hebungs- und Senkungskräfte, evtl. auftretende Spreizkräfte usw., in ausreichendem Abstand von der bestehenden Bebauung aufgefangen und somit wirkungslos gemacht werden können, so daß im Boden ein ausgeglichener Spannungszustand eingehal­ ten werden kann, der die Bebauung vor Schäden schützt.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Verfahrensan­ sprüchen angegeben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschaffene Vorrichtung weist die Merkmale des Anspruchs 20 auf. Zweckmäßige Ausgestaltungen hiervon sind in den weite­ ren Vorrichtungsansprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, zum Auffangen sowie zum Ausgleichen der im unteren Einflußbe­ reich auftretenden Kräfte eine definierte, flächige Kraft­ ausgleichszone vorzusehen, die im Boden im Abstand unter­ halb der zu schützenden Bebauung vorgesehen wird und die obere Bodenformation von dem unteren Krafteinflußbereich trennt.

Dies wird in Ausgestaltung der Erfindung durch Herstellung eines Bodenschlitzes bewirkt, der die obere Bodenformation vom unteren Krafteinflußbereich trennt, wobei die Herstel­ lung eines derartigen Bodenschlitzes beispielsweise in der DE-OS 33 30 897 oder in der DE-OS 34 39 858, die beide von der Anmelderin stammen, beschrieben werden.

In diesem Bodenschlitz werden gemäß der Erfindung eine här­ tere obere Deckschicht sowie eine untere weichere Gleit­ schicht angeordnet, wobei die Gleitschicht dem Kraftein­ flußbereich zugeordnet und die Deckschicht unterseitig an der oberen Bodenformation vorgesehen wird, so daß die Deck­ schicht auf der Gleitschicht gleitet. Somit können die auf­ tretenden Kräfte und Verformungen so weit unterhalb der Oberfläche von dieser ferngehalten werden, daß die oberir­ disch vorgesehenen Bauanlagen vor Beschädigungen geschützt werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die untere Gleitschicht zur Anpassung an die Verwerfungen des Krafteinflußbereiches in ihrem Volumen veränderbar. Zu die­ sem Zweck kann die untere Gleitschicht durch wenigstens ein kissenförmiges verformbares Ausgleichselement gebildet wer­ den, das im Bodenschlitz untergebracht wird. Das Aus­ gleichselement kann mit einer flüssigen und/oder gasför­ migen Reaktionsmasse gefüllt sein. Die so ausgebildete Gleitschicht nimmt dann die auftretenden Druck- und Zug­ spannungen elastisch auf und gibt diese Kräfte in geregel­ tem Maß an die darüberliegende Deckschicht weiter.

In spezieller Weiterbildung der Erfindung ist hierbei mit dem jeweiligen Ausgleichselement eine Regeleinrichtung ver­ bunden, die den Kräfte- und Verformungsverlauf kontrolliert und regelt, so daß es gelingt, die ursprüngliche oder eine gezielte Lage der darüberliegenden Bebauung einzuhalten.

Es besteht somit ein wesentlicher Vorteil des erfindungsge­ mäßen Verfahrens nicht nur darin, daß die im Bodenschlitz vorgesehene Gleitschicht und Deckschicht in geeigneter Weise zum Ausgleich der auftretenden Kräfte miteinander zu­ sammenwirken, sondern auch darin, daß dieses Zusammenwirken der Gleit- und Deckschicht durch den Einbau geeigneter Meß­ instrumente kontrollierbar ist, so daß der Kräfte- und Ver­ formungsverlauf im Boden einwandfrei nachgewiesen werden kann.

Ein weiterer entscheidender Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß es kontinuierlich arbei­ tet, wobei die Vorgänge in der Gleit- und Deckschicht ge­ steuert ausgeführt werden können. Von Vorteil ist weiter­ hin, daß alle Betätigungen von einer zentralen Regelein­ richtung ausgeführt werden können.

Somit werden insgesamt durch das Verfahren sowie die Vor­ richtung gemäß der Erfindung die durch Baumaßnahmen im Bo­ den entstandenen Druck- und Zugkräfte, Hebungs- und Sen­ kungskräfte sowie evtl. auftretende Spreizkräfte in ausrei­ chendem Abstand von der bestehenden Bebauung aufgenommen und ausgeglichen, so daß diese Bebauung vor Beschädigungen geschützt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in einer einzigen Zeichnung perspek­ tivisch im Schnitt die zur Durchführung des Verfahrens ge­ mäß der Erfindung vorgesehene Vorrichtung.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, soll mittels des zu beschreibenden Verfahrens und der zu beschreibenden Vor­ richtung eine obere Bodenformation 1, die eine zu schüt­ zende Bebauung 2 aufweist, von einem unteren Kraftein­ flußbereich 3 getrennt werden, in dem durch Herstellung von Hohlraumbauten 4, beispielsweise einen Bergwerkstollen, eine U-Bahnröhre usw., Verformungen und Spannungen in Form von Druckkräften, Zugkräften, Hebungskräften, Senkungskräf­ ten, Spreizkräften usw. entstehen. Hierbei ist in der Zeichnung lediglich des Beispiels halber durch den Pfeil 5 eine Zugkraft dargestellt, die sich schädlich auf die obere Bodenformation 1 bzw. auf die dort vorgesehene oberirdische Bebauung 2 auswirken würde, wenn nicht besondere Maßnahmen ergriffen werden.

Wie dargestellt, ist im Boden im Abstand unterhalb der zu schützenden Bebauung 2 eine definierte, flächige Kraftaus­ gleichszone 6 hergestellt, welche die obere Bodenformation 1 einschließlich der dort vorgesehenen Bebauung 2 von dem unteren Krafteinflußbereich trennt und die in diesem unte­ ren Krafteinflußbereich 3 auftretenden Kräfte 5 auffängt sowie ausgleicht.

Zur Schaffung dieser Kraftausgleichszone 6 wird mittels an sich bekannter Verfahren und Vorrichtungen (siehe bei­ spielsweise DE-OS 33 30 897 und DE-OS 34 39 858) im Boden ein Bodenschlitz 7 hergestellt, der beim dargestellten Aus­ führungsbeispiel weitgehend horizontal verläuft, jedoch bei Wunsch und Bedarf auch mit anderem Verlauf ausgebildet sein kann.

Wie weiterhin deutlich aus der Zeichnung ersichtlich, sind in diesem Bodenschlitz 7 eine untere Gleitschicht 8 sowie eine obere Deckschicht 9 vorgesehen, wobei die untere Gleitschicht 8 weicher als die obere Deckschicht 9 ausge­ bildet und dem Krafteinflußbereich 3 zugeordnet ist, wäh­ rend die obere Deckschicht 9 härter ausgebildet und unter­ seitig an der oberen Bodenformation 1 vorgesehen ist, so daß die Deckschicht 9 auf der Gleitschicht 8 gleiten kann.

Die Gleitschicht 8 stellt ein verformbares kissenförmiges Ausgleichselement dar, das aus mehreren dichten, nebenein­ ander angeordneten, miteinander verbindbaren bzw. verbun­ denen Druckkissen 10 besteht. Diese sind mit einer flüssi­ gen und/oder gasförmigen Reaktionsmasse 11 gefüllt, die von einer oberirdischen Regeleinrichtung 12 über mit Ventilen 13 versehene Rohre 14 in die Druckkissen 10 unter entspre­ chendem Druck eingefüllt oder hiervon abgezogen werden kann. Die so ausgebildete Gleitschicht 8 nimmt die im unte­ ren Krafteinflußbereich 3 auftretenden Druck- und Zugspan­ nungen 5 elastisch auf und gibt diese Kräfte 5 in ge­ regeltem Maß an die darüberliegende Deckschicht 9 weiter. Demgemäß regelt und kontrolliert die mit den einzelnen Druckkissen 10 der Gleitschicht 8 verbundene Regeleinrich­ tung 12 den Kräfte- und Verformungsverlauf, so daß die ur­ sprüngliche oder eine gezielte Lage der darüberliegenden Bebauung 2 eingehalten werden kann.

Die zur Aufnahme der Druck- und Zugspannungen 5 der darunterliegenden Gleitschicht 8 dienende härtere Deck­ schicht 9 ist durch ein in den Boden nach Maßgabe der Re­ geleinrichtung 12 eingepreßtes Injektionsmedium 15, in der Regel eine aushärtbare Feststoffsuspension, gebildet. Zu diesem Zweck ist eine Injektionseinrichtung 16 vorgesehen, die über Zuleitungsrohre 17 und Ventile 18 mit in der Deck­ schicht 9 vorgesehenen Injektionsrohren 19 verbunden ist. Wie dargestellt, weisen diese Injektionsrohre 19 Aus­ trittsöffnungen 20 und/oder Injektionsdüsen 21 auf, aus denen nach Maßgabe der Regeleinrichtung 12 das Injektions­ medium 15 zur Bildung der oberen Deckschicht 9 ausgetragen wird.

Die Vielzahl der in der Deckschicht 9 vorgesehenen Injektionsrohre 19 bildet ein Raster 22. Dieses Raster 22 ist mit Bewehrungselementen 23 versehen, die durch die Re­ geleinrichtung 12 mit der vorgegebenen Spannung beauf­ schlagbar sind.

Somit ist insgesamt die mit Hilfe der Injektionseinrichtung 16 gebildete obere Deckschicht 9 derart durch das einge­ preßte Injektionsmedium 15 verfestigt bzw. gebildet und derart in dem durch die Injektionsrohre 19 gebildeten Ra­ ster 22 mit den Bewehrungselementen 23 zur Aufnahme der Zugspannungen ausgestattet, daß die darüberliegende obere Bodenformation 1 frei von schädlichen Verformungskräften gehalten wird.

Claims (26)

1. Verfahren zum Schutz von Bauanlagen und dgl. vor im Bo­ den auftretenden Verformungen und Spannungen, die bei der Ausführung von Hohlraumbauten und dgl. durch hier­ bei erzeugte Kräfte, wie Druck-, Zug-, Hebungs-, Sen­ kungs-, Spreizkräfte usw. entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden im Abstand unterhalb der zu schützenden Be­ bauung (2) eine definierte, flächige Kraftausgleichs­ zone (7, 8, 9) hergestellt wird, welche die obere Boden­ formation (1) von dem unteren Krafteinflußbereich (3) trennt und die in diesem unteren Einflußbereich (3) auftretenden Kräfte (5) auffängt sowie ausgleicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung der Kraftausgleichszone ein Boden­ schlitz (7) hergestellt wird, der die obere Bodenforma­ tion (1) vom unteren Krafteinflußbereich (3) trennt, und daß im Bodenschlitz (7) eine härtere obere Deck­ schicht (9) sowie eine untere weichere Gleitschicht (8) ausgebildet werden, wobei die Gleitschicht (8) dem Krafteinflußbereich (3) zugeordnet und die Deckschicht (9) unterseitig an der oberen Bodenformation (1) vorge­ sehen ist, so daß die Deckschicht (9) auf der Gleit­ schicht (8) gleitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Gleitschicht (8) zur Anpassung an die Verwerfungen des Krafteinflußbereichs (3) in ihrem Vo­ lumen verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Gleitschicht (8) durch wenigstens ein kissenförmiges verformbares Ausgleichselement (10) ge­ bildet wird, das im Bodenschlitz (7) untergebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (10) mit einer flüssigen und/oder gasförmigen Reaktionsmasse (11) gefüllt wird, über die durch gezielte Volumenzugaben in die Aus­ gleichselemente örtliche oder flächig ausgedehnte Span­ nungserhöhungen und/oder Hebungen und durch gezielten Volumenentzug aus den Ausgleichselementen örtliche oder flächig ausgedehnte Spannungsreduzierungen und/oder Ab­ senkungen ausgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kissenförmigen Ausgleichselemente mittels Druckbeaufschlagung die vertikalen Gebirgsdrücke über­ tragen bzw. unzulässige vertikale Verformungen durch gezielte Volumenzugaben oder gezielten Volumenentzug, in einzelnen Kissen oder erforderlichenfalls in mehre­ ren Kissen gleichzeitig, ausgleichen, wobei dies bei gleichzeitiger reibungsfreier, nur durch die Walkwider­ stände der Kunststoff- oder Gummikissen vernachlässig­ bar behinderter Gleitbewegung erfolgt, so daß von unten angreifende horizontale Spreiz-, Druck- oder Zugkräfte über Gleitbewegungen innerhalb der kissenförmigen Aus­ gleichselemente weitgehend abgebaut und Restspannungen in der Deckschicht aufgenommen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (8) durch eine Zweiphasen-Reak­ tionsmasse gebildet wird, deren eine Phase unmittelbar mit Herstellung des Bodenschlitzes (7) in diesen, vor­ zugsweise mittels Injektion, eingebracht und deren an­ dere Phase als Reaktivum geregelt und örtlich gezielt zugegeben wird, wobei das Reaktivum aus einer chemisch reagierenden Komponente, z.B. einem Schaumbildner, und/oder aus einem physikalischen Motor, z.B. einem Temperatureintrag oder -entzug, besteht, so daß damit und durch Wahl der Komponenten und ihre Dosierung die erforderliche Elastizität, Festigkeit und Schubsteifig­ keit der Gleitschicht örtlich gezielt oder flächig aus­ gedehnt eingestellt wird, wobei durch expansive Reakti­ ve gesteuerte Volumenzunahmen oder Spannungserhöhungen und durch strukturzerstörende Komponenten gesteuerte Volumenabnahmen oder Spannungsreduzierungen in der Gleitschicht erfolgen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise ein als Gleitschicht eingebautes, unter Umgebungstemperatur steifplastisches, geringe Verformungen und Spannungen über Kriechvorgänge aus­ gleichendes Material auf Bitumenbasis bei größerem, für die Bebauung unverträglichem Spannungsaufbau über ein­ gebaute Heizelemente bei gleichzeitiger Volumenzugabe aufgeheizt und damit vorübergehend oder länger in eine zum Abbau der Spannungen durch Verformungen geeignete weichere Zustandsform oder Konsistenz gebracht wird, wobei der Vorgang beliebig wiederholt und durch Volu­ menzugabe (Hebungen) oder Volumenentzug (Senkungen) er­ forderlichenfalls ergänzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise als Gleitschicht ein Kunststoff in flüssiger Form abschnittsweise eingebaut und mittels eines zudosierten Schaumbildners in eine geeignete fe­ ste, durch Volumenzunahme Druckspannung bei gleichzei­ tig vorhandener Gleitverformbarkeit aufbauende, den Gleitschlitz satt ausfüllende Masse überführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufnahme der Zug- und Druckspannungen (5) der darunterliegenden Gleitschicht (8) dienende Deck­ schicht (9) durch Injektion eines Injektionsmediums (15), vorzugsweise einer Feststoffsuspension, über eine Injektionseinrichtung (16) in einem vorgegebenen Raster (22) ausgebildet und mit der erforderlichen Steifigkeit versehen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Raster (22) der Deckschicht (9) zur Aufnahme der auftretenden Zugkräfte mit Bewehrungselementen (23) ausgestattet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß im Zusammenwirken der Gleitschicht (8) und der Deck­ schicht (9) der Kräfte- und Verformungsverlauf kontrol­ liert und durch die in die Gleitschicht (8) eingegebene Reaktionsmasse (11) über eine mit dem Ausgleichselement (10) verbundene Regeleinrichtung (12) eingestellt wird, so daß die ursprüngliche oder eine gezielte Lage der darüberliegenden Bebauung (2) eingehalten wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirksamkeit des bzw. der Ausgleichselemente (10) in der Gleitschicht (8) in mehreren Meßquer­ schnitten, beispielsweise mit Hilfe von Kraftmeßdosen oder Gleitmikrometerinstrumenten, erfaßt und der Ein­ fluß der Verformungen von der Gleitschicht (8) auf die darüberliegende Deckschicht (9) stetig überprüft wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierlichen Einflußmessungen in einer Regeleinrichtung (12) in Eingriffsimpulse für die Reak­ tionsmasse (11) im Ausgleichselement (10) umgesetzt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierlichen Einflußmessungen in einer Re­ geleinrichtung (12) in Eingriffsimpulse für die Injek­ tionseinrichtung (16), z.B. für die Erhöhung des hy­ drostatischen Spannungszustandes in der Gleitschicht bei gleichbleibend geringer Gleitreibung und/oder in Eingriffsimpulse für die Bewehrungselemente (23), z.B. für die Erhöhung von Vorspannungen in den Bewehrungs­ elementen zur Aufnahme der Spreizspannungen in der Deckschicht, umgesetzt werden, um den erforderlichen Spannungszustand in der Deckschicht (9) einzustellen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise bei gemessenen, bebauungsschädli­ chen, neu hinzugetretenen horizontalen Druck- oder Zugspannungen in der Deckschicht über eine automati­ sche Erhöhung des Druckes in den kissenförmigen Aus­ gleichselementen gemäß den Ansprüchen 4 und 5 die rei­ bungswirksamen Kontaktspannungen in der Gleitschicht reduziert werden, so daß die für den Abbau der gebäu­ deschädlichen horizontalen Spannungen erforderlichen Gleitverformungen in der Gleitschicht angeregt werden und ablaufen, wobei alle Vorgänge Bestandteil eines Regelkreises sind.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-16, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelten Einflußnahmen auf die Gleitschicht (8) und/oder die Deckschicht (9) zu jedem beliebigen Zeitpunkt zur Einstellung des gewünschten Spannungs­ ausgleichs wiederholt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-17, dadurch gekennzeichnet, daß alle Regelvorgänge von einer Zentrale aus getätigt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-18, dadurch gekennzeichnet, daß alle Regelvorgänge in der Gleitschicht (8) und/oder der Deckschicht (9) gleichzeitig oder in be­ liebiger Reihenfolge ausgeführt werden.

20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß in einem definierten, flächigen Bodenschlitz (7) eine härtere obere Deckschicht (9) sowie eine untere weichere Gleitschicht (8) gebildet sind, wobei die un­ tere Gleitschicht (8) zur Anpassung an Verwerfungen des darunterliegenden Krafteinflußbereiches (3) in ih­ rem Volumen veränderbar ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (8) ein Ausgleichselement bildet, das aus einem oder mehreren dichten, miteinander ver­ bindbaren Druckkissen (10) besteht.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Druckkissen (10) der Gleit­ schicht (8) unter entsprechendem Druck mit einer flüs­ sigen und/oder gasförmigen Reaktionsmasse (11) gefüllt sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (8) mit einer Regeleinrichtung (12) verbunden ist, mittels welcher gesteuert die Re­ aktionsmasse (11) in die Gleitschicht (8) eingebbar bzw. von dieser abziehbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-23, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (9) mit einer Injektionseinrich­ tung (16) verbunden ist und ein Raster (22) aus Injektionsrohren (19) aufweist, in denen Austrittsöff­ nungen (20) und/oder Injektionsdüsen (21) angeordnet sind, aus denen ein Injektionsmedium (15), vorzugs­ weise eine Feststoffsuspension, gesteuert in die Deck­ schicht (9) zu deren Bildung einpreßbar ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Deckschicht (9) vorgesehene Raster (22) aus Injektionsrohren (19) mit Bewehrungselementen (23) versehen ist, die durch die Regeleinrichtung (12) mit der vorgegebenen Spannung beaufschlagbar sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-25, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsrohre (19) der Injektionseinrichtung (16) derart mit der Regeleinrichtung (12) verbunden sind, daß die vorgegebene Spannung bzw. Steifigkeit der Deckschicht (9) über die Regeleinrichtung (12) steuerbar ist.