DE4021271A1 - Verfahren und vorrichtung zur aktiven verspannung der gebirgsanker untereinander - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Zugbeanspruchungen der Firste von geankerten Gruben­ bauen, bei dem die Gebirgsanker in in das Gebirge einge­ brachte Bohrlöcher eingeführt und dort festgelegt und an­ schließend durch Aufbringen und Verspannen von Ankerplatten verspannt werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Der Ankerausbau hat in den letzten Jahren im Tunnelbau und im Bergbau unter Tage erhebliche Bedeutung erlangt. Der Ankerausbau basiert im Gegensatz zum Unterstützungsaus­ bau mit stählernen Bögen oder Schienen darauf, daß durch in das Gebirge eingebrachte Ankerstangen die Selbsthalte­ kräfte des Gebirges aktiviert werden. Das Prinzip basiert auf der Feststellung, daß die Gesteine des Gebirges eine erheblich geringere Zugfestigkeit als Druckfestigkeit auf­ weisen. Das Verhältnis der Zugfestigkeit zur Druckfestigkeit beträgt etwa 1 : 10. Dieses Verhältnis wird noch erheblich ungünstiger, wenn das Gebirge aus geschichtetem Material besteht, bei dem die Schichtflächen zusätzliche Schwäche­ zonen darstellen, die ein Übertragen von Zugkräften winklig zu diesen Flächen oft ganz unmöglich machen. Die Tragfähig­ keit des Gebirges selbst zu steigern, werden deshalb in Bohrlöcher Ankerstangen als Zugelemente eingebracht und zwar derart, daß sie die fehlende Zugfestigkeit der Gesteine bzw. des Gesteinsverbandes ersetzen und auf diese Weise durch entsprechend geschickte Anordnung der Anker die in den Randbereichen der Grubenbaue befindlichen Gesteins­ partien im geschlossenen und damit tragfähigen Verband halten. Das hierbei angewendete Prinzip entspricht in etwa dem des Spannbetons. Wird z. B. in einem rechteckigen Quer­ schnitt eines Grubenbaues in der Firste Ankerausbau einge­ bracht, dann wird in dieser horizontal oder flächenparallel verlaufenden Firste das Gestein zusammengehalten, indem die Anker oft mehrere Gesteinsschichten miteinander ver­ schrauben und auf diese Weise einen aus Gestein- und Stahl­ ankern bestehenden Balken in der Firste des Grubenbaues erzeugen. Da die Ankerstangen winklig, oft rechtwinklig zu den Gesteinsschichten eingebracht werden, ergibt sich die Dicke des Gesteinsbalkens aus der Länge der rechtwinklig dazu eingebrachten Ankerstangen. Will man bei gegebenem Gestein die Tragfähigkeit dieses Balkens erhöhen, so kann das nur in beschränktem Umfang durch vermehrten Einsatz dieser Anker erfolgen. Vielmehr ist es nur wirkungsvoll, die Länge der Anker zu vergrößern, um auf diese Weise die Dicke des tragenden Gesteinsbalkens zu vergrößern.

Beim Ankerausbau ist es bekannt, die Anker unterein­ ander mit Maschendraht zu verbinden, der dazu dienen soll, das zwischen den Ankern anstehende Material des Gebirges am Herabfallen zu hindern, wenn es durch Bewegungen des Gebirges brüchig geworden ist und nicht mehr im Verband gehalten werden kann. Zur weiteren Konsolidierung der Firste ist es weiter bekannt, diesen Maschendrahtankerverbundausbau anschließend mit hydraulisch abbindenden Baustoffen anzu­ spritzen, so daß sich eine geschlossene Baustoffschicht am Streckenumfang bildet. In gewisser Hinsicht wird der Ankerausbau durch die dünne Schicht des mitstützenden Materials verstärkt.

Nachteilig bei dem bekannten Ankerausbau ist, daß die durch ihn gebildeten Gesteinsbalken in nur geringem Umfang biegefest sind. Treten Gebirgsbewegungen auf, die durch entsprechende Krafteinwirkungen den Gesteinsbalken biegen, so treffen diese Biegekräfte nicht oder kaum auf die Zugfestigkeit der eingebrachten Anker, da diese nicht in Längsrichtung des Gesteinsbalkens, sondern quer zu ihm eingebracht sind. Die Durchbiegung des Gesteinsbalkens führt am Außenradius zur Zugbeanspruchung, die wegen der schon erwähnten geringen Zugfestigkeit des Gesteins dort schnell zur Zerstörung und zum Herausfallen der unteren Gesteinspartien führen. Der bis heute verwendete Maschen­ draht ist nicht in der Lage, irgendwelche Zugkräfte zu übertragen, ohne daß er vorher ganz erheblich gedehnt wird. Er reißt auch viel zu leicht. Somit kann er auch keinen Schutz der unteren Gesteinspartien vor Überdehnung über­ nehmen, sondern nur dafür sorgen, daß die überdehnten und damit zerstörten unteren Gesteinspartien nicht in die Strecke herabstürzen. Nachteilig ist dabei noch, daß sich zwischen den einzelnen Ankern mit Haufwerk gefüllte Maschen­ drahtsäcke ergeben, die wiederum zu erheblichen Beein­ trächtigungen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Zugbean­ spruchungen auf der Streckenseite der von den Gebirgsankern fixierten Gebirgsschichten (Gesteinsbalken) deutlich redu­ ziert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einzelnen Gebirgsanker über Zugelemente miteinander verbunden werden, woraufhin die Zugelemente bis in die Nähe der Elastizitätsgrenze unter Vorspannung gesetzt werden.

Das Verfahren verringert die auf der freigelegten Seite des Gebirgsbalkens evtl. entstehenden Zugbean­ spruchungen in einem solchen Maße, daß Risse und das Ab­ blättern von Gebirgsschichten unterbunden wird. Da sowieso die Anker mit ihrem Ankerkopf in einem vorgegebenen Maß über den Bohrlochmund hinausstehen, ist ausreichend Möglich­ keit gegeben, hier die Zugelemente anzubringen und sie dann mit geeigneten Mitteln so unter Vorspannung zu bringen, daß sie die ihnen zugewiesene Aufgabe erfüllen. Da die einzelnen Anker untereinander und miteinander verspannt werden, ergibt sich ein vorteilhaftes Geflecht, das einmal dafür Sorge trägt, daß die einzelnen Gebirgsanker nicht überlastet werden und zum anderen dazu, daß sich ein Netz­ werk ergibt, das zu einer zusätzlichen Sicherung des Ge­ birges beiträgt.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ankerplatten benachbarter Gebirgsanker über Zugelemente miteinander verbunden werden. Damit ist eine indirekte Verbindung der einzelnen Gebirgsanker er­ reicht, mit dem Vorteil, daß durch Zwischenschalten der Ankerplatten der auf die einzelnen Ankerköpfe ausgewirkte Zug gleichmäßiger verteilt werden kann.

Ein Zerreißen der Zugelemente bei Überdehnung wird sinnvoll dadurch verhindert, daß die Zugelemente nach Auf­ bringen der Vorspannung so blockiert werden, daß sie kurz vor Erreichen der Reißfestigkeit entblockiert werden. Es ist damit eine Art Nachgiebigkeit geschaffen, die aber dennoch sicherstellt, daß die notwendige Vorspannung im jeweils nötigen Maße verbleibt.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung, bei der ein Zugelement, das an beiden Enden mit den Anker­ köpfen und/oder den Ankerplatten korrespondierende Verbin­ dungsteile aufweist und das längenveränderlich ausgebildet ist. Damit besteht die Möglichkeit, das Zugelement um die Ankerköpfe herumzulegen oder aber auf den Ankerkopf aufzu­ schieben oder aber sonstwie mit dem Ankerkopf bzw. den Ankerplatten zu verbinden und dann durch Verringerung seiner Länge so unter Vorspannung zu setzen, daß die gewünschte Zugentlastung im Bereich der Firste erreicht wird. Über­ raschend ist dabei, daß aufgrund der gegenseitigen Ver­ spannung der einzelnen Ankerköpfe mit- und gegeneinander eine Überlastung der Ankerstangen nicht eintritt. Vielmehr können große Zugkräfte aufgebracht werden, um auf diese Art und Weise die gewünschte Zugentlastung zu erreichen, wobei durch geschickte Anordnung und Wahl des Abstandes zwischen den einzelnen Ankern letztlich die gesamten Zug­ spannungen eliminiert werden können.

Eine zweckmäßige Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß das Zugelement ein Seil ist, das an den Enden Schlaufen und mittig eine Klemme aufweist. Dieses Seil kann auf ein­ fache Art und Weise mit den Ankern verbunden werden und dann über die Klemme so verkürzt werden, daß die notwendige Vorspannung erreicht ist.

Dabei ist es von Vorteil, wenn ein Zerreißen des Seiles oder des sonstigen Zugelementes verhindert wird, was man dadurch erreichen kann, daß die Klemme auf eine vorgegebene und begrenzte Klemmkraft einstellbar ausgebildet ist. Wird die Zerreißfestigkeit des Seiles annähernd erreicht, so gibt diese Klemme nach und zwar jeweils nur so weit, daß immer noch ausreichende Zugkräfte aufgenommen und ausge­ glichen werden können.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildung sieht vor, daß das Zugelement als Spannschraube ausgebildet ist. Eine solche Spannschraube kann in der Ausführung einfach sein, da sie in der Regel ja nur ein einziges Mal gespannt werden muß. Dies erfolgt durch Verdrehen der Spannschraube, wobei vorteilhaft ist, daß über die Art des Gewindes ein recht kurzer Spannweg erreicht werden kann, so daß der Aufwand für das Aufbringen der Vorspannung geringgehalten werden kann. Vorteilhaft ist weiter, daß geeignete Hilfsmittel zur Verfügung stehen wie sogenannte Knarren, über die das genaue Einstellen und Einhalten der gewünschten Vorspann­ kraft leicht festgestellt und überprüft werden kann. Ein möglichst großer Bereich des Gebirges wird dann abgedeckt, wenn das Zugelement, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, als Platte ausgebildet ist, die aus zwei gegeneinander verspannbaren Teilstücken besteht. Ähnlich wie bei der Spannschraube oder wie beim Seil werden die beiden Teilstücke gegeneinander so weit verschoben, bis die ge­ wünschte Vorspannkraft erreicht ist. Auch hier kann durch geeignete Mittel sichergestellt werden, daß der Verspannweg möglichst kurz gehalten wird, um auch die benötigten Längen auf einem Minimum zu halten. Auf diese Weise kann der Materialaufwand ohne großen Aufwand beschränkt werden bzw. beschränkt bleiben.

Ergänzend hierzu ist vorgesehen, daß die als Zugelement dienenden Platten den Zwischenraum zwischen den einzelnen Gebirgsankern bzw. den Ankerplatten überdeckend und einander angepaßt ausgebildet sind. Dies bedeutet, daß nach Möglich­ keit die Platten so ausgebildet und bemessen sind, daß der gesamte Zwischenraum abgedeckt ist, so daß noch besser als mit Maschendraht ein gegen herunterfallende kleine Steine und sonstiges Material gesicherter Verzug gleich­ zeitig miterreicht ist.

Um die von den Zugelementen auf die Ankerköpfe über­ tragenen Kräfte möglichst über einen größeren Bereich zu verteilen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die den Ankerköpfen zugeordneten Enden des Zugelementes mit ihren Verbindungsteilen oder die Ankerplattenbohrung hülsenförmig ausgebildet oder mit Hülsen ausgerüstet sind. Diese Hülsen oder hülsenförmige Bereiche werden über die Ankerstange geschoben, so daß je nach deren Bemessung ein mehr oder weniger großer Abschnitt des Ankerkopfes bzw. des aus dem Ankerloch herausstehenden Ankers über die Zugelemente bean­ sprucht wird.

Um ähnlich wie bei den als Platten ausgebildeten Zug­ elementen eine optimale Abdeckung des Gebirges zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß den Zugelementen inein­ anderschiebbare, den Zwischenraum zwischen den Ankerköpfen angepaßte Platten angeordnet sind. Denkbar ist dabei auch, daß diese Zugelemente einfach gebirgsseitig aufgelegt werden, wobei über Klemmanschlüsse für die notwendige Erst­ verbindung mit den Zugelementen gesorgt werden kann. Auch auf diese Art und Weise wird bei entsprechenden Zugelementen das Abdecken des Gebirges sicher erreicht.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß der Ankerausbau durch Absicherung der Firste den beson­ deren Bedingungen im untertägigen Berg- und Tunnelbau noch besser genügen kann, wobei durch entsprechende Abmessungen und Anordnungen auch bei großen Streckenquerschnitten sicher erreicht werden kann, daß die gesamte Firste soweit von Zugbeanspruchungen freigehalten werden kann, daß ein Auf­ spalten oder Abbröckeln von Gesteinsbrocken sicher verhin­ dert ist. Aufgrund dieser Tatsache ist für derartige Anker­ strecken sichergestellt, daß der einmal hergestellte Strec­ kenquerschnitt auch während der Standzeit der Strecke er­ halten bleibt, zumindest aber nicht durch Ausbeulen von Maschendraht oder sonstigen Verzugteilen eingeengt wird. Der für das Aufbringen der Vorspannung notwendige Aufwand ist in Grenzen zu halten, zumal dadurch das Anbringen des zusätzlichen Verzuges sich erübrigt und damit letztlich der Arbeitsaufwand gleichgehalten wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 drei ins Gebirge eingebrachte und gegen­ einander verspannte Gebirgsanker,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Strecke mit einem abgelösten Gebirgsbalken.

Fig. 1 zeigt zunächst einmal einen Gebirgsanker (1) mit seinem aus dem hier nicht dargestellten bzw. nicht sichtbaren Bohrloch herausragenden Ende, d. h. dem Anker­ kopf. Neben diesem Ankerkopf (2) ist das Gewinde (3) sicht­ bar, über das die Ankerplatte (4) auf die Gebirgsoberfläche aufgepreßt werden kann, um so die notwendige Vorspannung des Gebirgsankers (1) herzustellen. An den Gebirgsanker (1) bzw. den Ankerkopf (2) sind Zugelemente (6) ange­ schlossen, die quasi mit ihrem jeweiligen Ende (7, 8) auf den Ankerkopf (2) aufgeschoben sind. Als Verbindungsteil (9) dient hier eine Schlaufe (10), weil das Zugelement (6) beim dargestellten Beispiel als Seil ausgebildet ist.

Um die Länge des Zugelementes (6) zum Aufbringen der notwendigen Vorspannung verändern zu können, ist eine Klemme (11) vorgesehen, die eine so bemessene Klemmkraft aufbringt, daß bei annäherndem Erreichen der Zerreißfestigkeit des Seils bzw. des Zugelementes (6) ein Durchrutschen des Zug­ elementes (6) erfolgt, so daß sich damit eine Art nach­ giebiges Zugelement (6) ergibt. Da alle Gebirgsanker (1, 14, 16) untereinander verbunden sind, ergibt sich ein Zwischenraum (12), der so bemessen ist, daß die einzelnen Zugelemente (6) gleichzeitig auch als Verzug wirken.

Neben der geschilderten Verbindung der Zugelemente (6) mit dem Gebirgsanker (1) bzw. dem Ankerkopf (2) besteht auch die Möglichkeit, Ankerplattenbohrungen (15, 15′) vorzu­ sehen, so daß die einzelnen Gebirgsanker (1, 14, 16) in­ direkt miteinander verbunden sind. Dennoch kann aber die notwendige Vorspannung aufgebracht werden, wobei je nach Ausbildung der Ankerplatte (4) die aufgebrachten Zugkräfte auf einen längeren oder kürzeren Abschnitt des Ankerkopfes (2) verteilt werden.

Fig. 1 verdeutlicht, daß durch die gegenseitige Ver­ spannung der Gebirgsanker (1, 14, 16) bzw. der Ankerköpfe (2) eine wirksame Zugentlastung der Firste sicher erreicht wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer geankerten Strecke in einem Zustand, wie er nach Einsatz der erfindungsgemäßen Anker nicht mehr auftreten kann. Eher hat sich nämlich der geankerte Gesteinspacken (19) von der Gebirgsschicht (18) abgesetzt, wodurch die Strecke zusätzlich belastet worden ist. An der Firste (21) zeigen sich Risse (22, 23) und außerdem ist auch der Streckenstoß (24) so unter Druck gehalten, daß sich Lösen zeigen. Die Streckensohle (25) ist unbeeinflußt, aber der Gesamtzustand der Strecke unbe­ friedigend.

Bei Einsatz der Zugelemente (6) gemäß Fig. 1 treten an der Firste (21) keine Zugspannungen mehr auf, wodurch die Risse (22, 23) erst gar nicht entstehen können. Auch der Streckenstoß (4) bleibt ohne nennenswerte Druckbean­ spruchung, so daß die in Fig. 2 wiedergegebenen Lösen erst gar nicht auftreten können.

Alle gezeigten Gebirgsanker (1, 14′, 15′ und 26) sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich, über die Zugelemente (2) mitein­ ander verbunden, wobei die Zugelemente (6), wie erläutert, vorgespannt sind.

Claims (11)

1. Verfahren zur Verringerung von Zugbeanspruchungen der Firste von geankerten Grubenbauen, bei dem die Gebirgs­ anker in in das Gebirge eingebrachte Bohrlöcher eingeführt und festgelegt und anschließend durch Aufbringen und Ver­ spannen von Ankerplatten verspannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gebirgsanker über Zugelemente miteinander verbunden werden, woraufhin die Zugelemente bis in die Nähe der Elastizitätsgrenze unter Vorspannung gesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatten benachbarter Gebirgsanker über Zug­ elemente miteinander verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugelemente nach Aufbringen der Vorspannung so blockiert werden, daß sie kurz vor Erreichen der Reißfestig­ keit entblockiert werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Zugelement (6), das an beiden Enden (7, 8) mit den Ankerköpfen (2) und/oder den Ankerplatten (4) korrespon­ dierende Verbindungsteile (9) aufweist und das längenver­ änderlich ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugelement (6) ein Seil ist, das an den Enden (7, 8) Schlaufen (10) und mittig eine Klemme (11) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemme (11) auf eine vorgegebene und begrenzte Klemmkraft einstellbar ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugelement (6) als Spannschraube ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugelement (6) als Platte ausgebildet ist, die aus zwei gegeneinander verspannbaren Teilstücken besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die als Zugelement (6) dienenden Platten den Zwischen­ raum (12) zwischen den einzelnen Gebirgsankern (1, 14, 16) bzw. den Ankerplatten (4) überdeckend und einander angepaßt ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ankerköpfen (2) zugeordneten Enden (7, 8) des Zugelementes (6) mit ihren Verbindungsteilen (9) oder die Ankerplattenbohrung (15) hülsenförmig ausgebildet oder mit Hülsen ausgerüstet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Zugelementen (6) ineinanderschiebbare, den Zwischen­ räumen (12) zwischen den Ankerköpfen (2) angepaßte Platten zugeordnet sind.