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Die Erfindung betrifft einen Schachtausbau, insbesondere für den Ausbau
tiefer Schächte in wasserführendem Gebirge oder von Schächten mit sich über größere
Teufen erstreckendem, wasserführendem Deckgebirge, welcher mindestens über einen
Teil seiner Länge aus zwei oder mehreren konzentrisch ineinandergestellten selbständigen
Ausbauzylindern besteht, die durch einen etwa einen bis mehrere Dezimeter breiten
Ringspalt voneinander getrennt sind, in dem sich ein nicht härtendes, eine Relativbewegung
der Ausbauzylinder zulassendes, flüssiges oder diesem in den hydrostatischen Eigenschaften
ähnliches Füllmittel befindet, wobei die Ausbauzylinder sowie der Boden des oder
der Ringspalte zwischen den Ausbauzylindern mindestens gegenüber dem Füllmittel
undurchlässig sind.
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Bei dem bekannten. Schachtausbau dieser Gattung ist das in dem Ringspalt
zwischen den beiden Ausbauzylindern befindliche, auf Asphalt- oder Bitumenbasis
aufgebaute Füllmittel in üblicher Weise auf ein spezifisches Gewicht von etwa 1,3
eingestellt, so daß es dem auf den äußeren Ausbauzylinder von außen einwirkenden,
vom Erddruck überlagerten hydrostatischen Druck bei gleicher Wirkhöhe wenigstens
angenähert das Gleichgewicht hält. Dies hat zur Folge, daß gleich hohe Kräfte zentrisch
symmetrisch am Außenumfang des inneren Ausbauzylinders angreifen. Da der innere
Ausbauzylinder diesen Druck voll aufzunehmen hat, muß er folglich trotz des Vorhandenseins
des äußeren Ausbauzylinders eine dieser Belastung über die gesamte Teufe Rechnung
tragende Wanddicke aufweisen. Der Vorteil der Aufteilung in mehrere Ausbauzylinder
mit einer deren relatives Gleiten ermöglichenden Zwischenschicht aus Asphalt oder
Bitumen beschränkt sich daher bei dieser bekannten Ausbaugattung darauf, von dem
inneren tragenden Ausbauzylinder lediglich die übrigen, nicht zentrisch und symmetrisch
von außen einwirkenden Kräfte fernzuhalten, die insbesondere von den Gebirgsbewegungen
ausgehen.
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Abgesehen von dem Nachteil, daß der innere tragende Ausbauzylinder
trotz des äußeren Ausbauzylinders voll auf den von außen einwirkenden hydrostatischen
und Erddruck ausgelegt und entsprechend dickwandig ausgebildet sein muß, liegt ein
weiterer Nachteil bei tiefen Schächten in wasserführendem Gebirge oder bei Schächten
mit sich über größere Teufen erstreckendem wasserführendem Deckgebirge darin, daß
bei den entsprechend großen Wanddicken des Ausbauzylinders die Festigkeit des verwendeten
Ausbaumaterials nicht oder nur ungenügend ausgenutzt werden kann. Diese Erscheinung
beruht darauf, daß sich die tangentialen horizontalen Druckspannungen innerhalb
der Wandung des Ausbauzylinders über die Wanddicke ungleichmäßig verteilen, und
zwar in dem Sinne, daß sie am Innenrand im Verhältnis zum Außenrand um so größer
sind, je dicker die Wandung bemessen ist. Dies bedeutet, daß der innere tragende
Ausbauzylinder mit zunehmender radialer Belastung infolge dieser ungünstigen Spannungsverteilung
unter entsprechendem Mehraufwand an Ausbaumaterial noch dickwandiger ausgebildet
sein muß, als es bei mit der Belastung lediglich linear zunehmender Wanddicke an
sich notwendig wäre.
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Die gleichen, vorstehend behandelten Nachteile weist grundsätzlich
auch ein anderer bekannter Schachtausbau ähnlicher Gattung auf, bei welchem zwei
konzentrisch ineinandergestellte selbständige Ausbauzylinder durch einen Ringspalt
voneinander getrennt sind, in dem sich ein in Richtung der Schachtachse dehnbarer
Dichtungszylinder befindet, der zwecks Erleichterung seiner Relativbewegung gegenüber
den Ausbauzylindern mit einer die Haftung an den Ausbauzylindern unterbindenden,
d. h. das Gleiten fördernden Deckschicht aus Bitumen od. dgl. versehen ist. Denn
da der Dichtungszylinder den Ringspalt zwischen dem äußeren und dem inneren Ausbauzylinder
- von der das Gleiten begünstigenden dünnen Deckschicht abgesehen -fast vollständig
ausfüllt, wird der äußere Ausbauzylinder von dem auf ihn von außen einwirkenden
Druck durch den inneren Ausbauzylinder zwar teilweise entlastet. Dabei verformen
sich aber beide Ausbauzylinder gemeinsam um das gleiche radiale Maß, so daß sich
die tangentialen, horizontalen Druckspannungen über ihre Gesamtwanddicke genauso
ungleichmäßig verteilen, wie bei einem einwandigen Ausbauzylinder entsprechender
Wandstärke.
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Nicht anders liegen die Verhältnisse schließlich auch bei einem weiterhin
zum Stande der Technik gehörenden Schachtausbau, bei welchem der tragende, in sich
bewegliche einwandige Ausbauzylinder aus relativ kurzen, lose aufeinandergesetzten
Stahlbetonringen besteht und von einem wasserdichten Außenmantel aus Stahl umgeben
ist, wobei mindestens der schmale Ringspalt zwischen den Betonringkörpern und dem
stählernen Außenmantel, vorzugsweise jedoch auch der im allgemeinenwesentlich breitere
Ringraum zwischen dem stählernen Außenmantel und dem Gebirgsstoß bzw. zwischen dem
Außenmantel und einem den Gebirgsstoß abdeckenden Betonmantel mit einer das relative
Gleiten des Ausbaus erleichternden, nicht härtenden Füllmittelschicht aus Bitumen
od. dgl. ausgefüllt ist.
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Abgesehen davon, daß der dünnwandige wasserdichte Außenmantel außer
seiner Dichtungsfunktion nur die Aufgabe hat, die von ihm umschlossenen, lose aufeinandergesetzten
axial kurzen Betonringkörper zu führen bzw. gegen Versetzungen zu schützen, so daß
er nicht als selbständig tragender Ausbauzylinder angesprochen werden kann und die
Betonringkörper folglich eine dem äußeren Seitendruck entsprechende Wanddicke aufweisen
müssen, hat auch die in dem größeren Ringspalt zwischen dem äußeren Stahlzylinder
und der den Gebirgsstoß abdeckenden Vorbetonschicht befindliche Füllmasse infolge
ihres üblicherweise etwa 1,3 betragenden spezifischen Gewichts lediglich die Wirkung,
den auf den äußeren Betonmantel radial wirkenden Wasser-und Erddruck voll auf den
inneren, tragenden Ausbauzylinder zu übertragen.
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In allen diesen Fällen bleibt mithin trotz der Aufteilung in mindestens
zwei getrennte Ausbauzylinder der eingangs erörterte schwerwiegende Nachteil bestehen,
daß die Wandung des inneren Ausbauzylinders die von außen zentrisch symmetrisch
angreifenden, vom Wasser- und Erddruck herrührenden Kräfte allein zu tragen hat
und in größeren Teufen unter Berücksichtigung der mit zunehmender Wanddicke ungünstiger
werdenden Spannungsverteilung innerhalb der Wandung entsprechend dickwandig bemessen
werden muß.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, den
gattungsgemäßen
Schachtausbau unter Vermeidung dieser Nachteile so zu verbessern, daß mit der Aufgliederung
des Ausbaus in zwei oder mehrere selbständige Ausbauzylinder auch eine entsprechende
Lastverteilung verbunden ist, die es ermöglicht, jeden einzelnen Ausbauzylinder
so dünnwandig auszubilden, wie es im Interesse einer möglichst optimalen Materialausnutzung
notwendig bzw. wünschenswert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich die Erfindung dadurch,
daß der von dem Füllmittel auf die einander benachbarten Ausbauzylinder ausgeübte
Seitendruck durch entsprechende Wahl des spezifischen Gewichtes und/oder der Füllhöhe
des Füllmittels derart abgestimmt ist, daß er auf der Innenseite des jeweils äußeren
Ausbauzylinders wesentlich niedriger ist als der auf ihn zentrisch von außen einwirkende,
diesem gattungsmäßig entsprechende Druck. Hierdurch wird auf ebenso einfache wie
zuverlässige Weise erreicht, daß der auf den außenliegenden Ausbauzylinder von außen
einwirkende Druck in genau vorher bestimmbaren eindeutigen Anteilen auf einen oder
mehrere innere Ausbauzylinder übertragen wird und diese den außenliegenden Ausbauzylinder
entsprechend entlasten. Dabei kann die Lastverteilung auf die einzelnen Ausbauzylinder
unabhängig von deren relativen Verformung in verhältnismäßig weiten Grenzen frei
gewählt werden, in jedem Falle jedoch so, daß die Gesamtwanddicke und demgemäß auch
der Materialverbrauch für sämtliche Ausbauzylinder bei relativ großen Teufen wesentlich
geringer sind als selbst bei einwandigen Ausbauzylindern. Der erfindungsgemäß ausgebildete
Schachtausbau mit mehreren zueinander gleitfähigen Ausbauzylindern ist demgemäß
bei tiefen Schächten in wasserführendem Gebirge oder bei Schächten mit sich über
größere Teufen erstreckendem wasserführendem Deckgebirge bei gleicher Sicherheit
wesentlich wirtschaftlicher als der bekannte Schachtausbau gleicher oder ähnlicher
Gattung, zumal er nicht an eine bestimmte Ausbauform gebunden ist, sondern die einzelnen
Ausbauzylinder sowohl als Stahlbeton- oder Stahl- wie auch als Verbundausbau od.
dgl. ausgeführt sein können, je nachdem, welche dieser Ausbauformen unter den jeweils
gegebenen Umständen die wirtschaftlichste ist.
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Um die gewünschte Lastverteilung auf einen oder mehrere innere Ausbauzylinder
zu erreichen, kann das in den Ringspalten zwischen den zueinander benachbarten Ausbauzylindern
befindliche Füllmittel mit hydrostatischen Eigenschaften lediglich hinsichtlich
des spezifischen Gewichtes differenziert sein, was sich bei z. B. auf Wasser aufgebauten
stabilen Suspensionen leicht durch Veränderung des jeweiligen Feststoffanteils verwirklichen
läßt. Statt Wasser-Feststoff-Suspensionen können jedoch auch reine Flüssigkeiten
mit unterschiedlichem natürlichem spezifischem Gewicht oder solche plastischen oder
viskosen Massen, z. B. auf Bitumenbasis, verwendet werden, die hinsichtlich ihrer
hydrostatischen Eigenschaften ähnlich wirken wie Flüssigkeiten und durch Differenzierung
ihres spezifischen Gewichtes, z. B. durch Zumischung anderer Stoffe, bei gleicher
Füllhöhe geeignet sind, dem auf der Außenfläche des jeweils äußeren der zueinander
benachbarten Ausbauzylinder lastenden Druck innerhalb des Ringspaltes einen entsprechend
verminderten Gegendruck entgegenzusetzen, der notwendig ist, um den äußeren Ausbauzylinder
mit dem jeweils gewünschten Differenzdruck zu belasten.
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Statt dessen oder zusätzlich kann der auf die Innenfläche des jeweils
äußeren Ausbauzylinders durch das Füllmittel ausgeübte Gegendruck gegenüber dem
auf seine Außenfläche von außen einwirkenden Druck auch durch Verringerung der Füllhöhe
vermindert werden, wobei er zugleich nur auf den unteren Teil seiner Länge bzw.
Höhe wirkt. In diesem Fall braucht der jeweils innere Ausbauzylinder natürlich nur
eine der Füllhöhe des Füllmittels entsprechende Höhe aufzuweisen.
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In jedem Falle ist es zweckmäßig, die durch das spezifische Gewicht
und/oder die Füllhöhe des Füllmittels eingestellten Druckverhältnisse zwischen den
einzelnen Ausbauzylindern so zu differenzieren, daß der in dem Ringspalt zwischen
je zwei zueinander benachbarten Ausbauzylindern in deren gemeinsamen Längenbereich
herrschende Druck um etwa 25 % bis maximal etwa 75 % niedriger ist als der auf den
jeweils äußeren der beiden Ausbauzylinder von außen einwirkende Druck. Im allgemeinen
ist es vorzuziehen, die Druckverhältnisse zwischen den einzelnen Ausbauzylindern
so einzustellen, daß jeder innere Ausbauzylinder einen mindestens angenähert der
Anzahl sämtlicher Ausbauzylinder entsprechenden (gleichen) Bruchteil der auf dem
außenliegenden Ausbauzylinder ruhenden Gesamtlast aufnimmt, was bei zwei Ausbauzylindern
einer mindestens angenähert hälftigen Lastverteilung und bei drei Ausbauzylindern
einer Drittelung der auf dem außenliegenden Ausbauzylinder ruhenden Gesamtlast entsprechen
würde. Selbstverständlich ist es ohne weiteres möglich und in manchenFällen auchzweckmäßig,
die einzelnen Ausbauzylinder mit einem verschiedenen Lastanteil zu belasten, etwa
derart, daß der außenliegende Ausbauzylinder die Hauptlast trägt, während die Innenzylinder
einen demgegenüber geringeren, untereinander gleichen oder verschiedenen Lastanteil
übernehmen.
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Bevorzugt ist bereits der außenliegende Ausbauzylinder in an sich
bekannter Weise durch einen mit Flüssigkeit oder einem hydrostatisch ähnlich wirkenden
Füllmittel gefüllten Ringraum vom Gebirgsstoß getrennt, so daß sich sämtliche Ausbauzylinder
sowohl gegenüber dem Gebirgsstoß als auch untereinander relativ gleitend bewegen
können. Es ist jedoch in gewissen Fällen, insbesondere bei fehlender oder nur geringer
Gebirgsbewegung, auch möglich, den außenliegenden Ausbauzylinder in an sich bekannter
Weise gebirgsverbunden, dabei jedoch so auszubilden, daß er im Gegensatz zu den
bei gleitendem Ausbau häufig verwendeten, lediglich zur Erleichterung der Teufarbeit
dienenden Vorbeton-Zylindern selbst trägt. Auf diese Weise steht der äußere Ausbauzylinder
relativ zum Gebirge fest, so daß nur die zu seiner teilweisen Entlastung dienenden
inneren Ausbauzylinder eine relative Gleitbeweglichkeit besitzen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigt F i g. 1 das Schema eines Schachtausbaus mit mehreren in der Höhe gleich
lang bemessenen Ausbauzylindern im Längsschnitt und F i g. 2 das Schema eines Schachtausbaus
mit mehreren unterschiedlich lang bemessenen Ausbauzylindern, gleichfalls im Längsschnitt.
In
der Zeichnung sind der obere Schachtabschnitt mit 1, das wasserführende Deckgebirge
mit 2, der Gebirgsstoß mit 3, die Schachtmündung mit 4 und der untere Schachtabschnitt
mit 5 bezeichnet.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der untere Schachtabschnitt
5 durch einen einwandigen Ausbauzylinder 6 gebildet, oberhalb welchem der gleichfalls
aus Beton bestehende und als Fundament für den mehrwandigen Schachtausbau dienende
Tragring 7 in den Gebirgsstoß eingelassen ist.
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Auf dem Tragring 7 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
insgesamt drei in diesem Falle bis zur Schachtmündung 4 reichende Ausbauzylinder
8, 9 und 10 errichtet, die unter Belassung je eines ausreichend weit bemessenen
Ringspaltes 11, 12 und 13 von etwa 8 cm koaxial ineinandergestellt sind.
Die Ringspalte 11, 12 und 13 sind mit je einer Flüssigkeit unterschiedlich
hohen spezifischen Gewichts gefüllt, und zwar derart, daß das spezifische Gewicht
der Flüssigkeiten in den Ringspalten 12 und 11 um jeweils etwa ein Drittel niedriger
ist als das der in dem äußeren Ringraum 13 zwischen dem Gebirgsstoß 3 und
dem außenliegenden Ausbauzylinder 10
befindlichen Flüssigkeit. Da auf diese
Weise jeder der drei Ausbauzylinder 8, 9 und 10 nur den sich aus dem
jeweiligen Differenzdruck errechnenden Druck aufzunehmen hat, wird die auf den außenliegenden
Ausbauzylinder 10 von außen wirkende Gesamtlast gleichmäßig auf alle drei Ausbauzylinder
verteilt. Sie können daher alle annähernd die gleiche Wanddicke besitzen, wobei
deren Gesamtdicke jedoch bei entsprechend großen Teufen wesentlich geringer ist,
als sie es bei einwandigem Ausbau sein müßte. Das ergibt sich aus der statischen
Gegebenheit, daß die Spannungsverteilung in dünnwandigen Ausbauzylindern wesentlich
günstiger ist als bei dickwandigem Ausbau. Demgemäß ist bei dem erfindungsgemäßen
Ausbau entsprechend der geringeren Gesamtdicke auch der Materialverbrauch bei relativ
großen Teufen erheblich geringer als bei einwandigem Ausbau oder bei einem Verbundausbau,
dessen Mäntel untereinander zu einer räumlichen Einheit verbunden sind.
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Die Ausführungsform gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von derjenigen
gemäß F i g. 1 dadurch, daß der hydrostatische Druck der Flüssigkeit bzw. des Füllmittels
in den Ringspalten 17, 18 und 19 zwischen den drei Ausbauzylindern 14, 15 und 16
sowie dem Gebirgsstoß 3 nicht durch Differenzierung des spezifischen Gewichtes,
sondern durch Verminderung der Füllhöhe in dem Sinne abgestuft ist, daß eine annähernd
gleichmäßige Lastverteilung auf sämtliche drei Ausbauzylinder erfolgt. Selbstverständlich
steht nichts entgegen, gegebenenfalls zusätzlich auch das spezifische Gewicht der
Flüssigkeiten bzw. Füllmittel zu verändern, wenn dies im gegebenen Falle notwendig
oder zweckmäßig sein sollte. Diese Ausführungsform ist besonders materialsparend,
weil sie die inneren Entlastungszylinder nur jeweils in den Höhenbereichen vorsieht,
in denen der jeweils äußere Ausbauzylinder bei fehlendem Gegendruck auf der Innenseite
überlastet wäre oder eine hinsichtlich der Spannungsverteilung ungünstige größere
Wanddicke erhalten müßte.
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Selbstverständlich ist es bei beiden Ausführungsformen ohne weiteres
möglich, den außenliegenden Ausbauzylinder 10 bzw. 16 unmittelbar an den Gebirgsstoß
3 anzuschließen und mit diesem so zu verbinden, daß er keine Relativbewegung vollführen
kann.
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Während die dargestellten Ausführungsbeispiele den Fall eines sich
im wesentlichen nur über die obere Schachtteufe erstreckenden mehrgliedrigen Ausbaus
veranschaulichen, versteht es sich auf Grund der allgemeinen Erläuterungen in der
Einleitung von selbst, daß es ohne weiteres möglich wäre, die Aufteilung des Schachtausbaus
in mehrere koaxial ineinandergestellte Ausbauzylinder nur im unteren, über die gesamte
Schachtlänge oder gegebenenfalls auch in verschiedenen begrenzten Teufenbereichen
vorzunehmen, während der Schachtausbau im übrigen Längenbereich in bekannter Weise
einwandig oder als Verbundausbau ausgebildet sein kann. Die Aufteilung in mehrere
Ausbauzylinder ist jedenfalls überall dort zweckmäßig, wo auf den außenliegenden
Ausbauzylinder ein erheblicher, gegebenenfalls durch den Erddruck überlagerter hydrostatischer
Seitendruck ausgeübt wird, wie dies regelmäßig in wasserführendem Gebirge und insbesondere
in wasserführendem, unverfestigtem Deckgebirge der Fall ist.