DE3427882C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen des Ausbaus eines röhrenförmigen unterirdischen Hohlraumes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gegenstand des Hauptpatents 33 32 242 ist ein Ausbau dieser Art, bei dem zwischen der Außenfläche der den Gebirgsdruck aufnehmenden Auskleidung und dem Gebirge eine Zwischenschicht aus einer beim Einbau pastösen Mischung aus einem Tonmineral mit einem vorgebbaren, nahezu konstanten Reibungsbeiwert, wie z. B. Bentonit, und Wasser, angeordnet ist, die bei Relativverschiebungen zwischen dem Gebirge und der Auskleidung bei Überschreitung einer bestimmten Kraft durch Ausbildung einer Gleitfuge die gegenseitige Übertragung von Kräften begrenzt.

Das Material dieser Zwischenschicht besitzt im dreidimensionalen Spannungszustand beim Auftreten von Differenzspannungen zunächst einen Bereich elastischer Verformbarkeit, der bei einem von der Größe der inneren Reibung abhängigen, von der Auflast aber weitgehend unabhängigen Wert der Schubspannung in einen Bereich plastischer Verformbarkeit übergeht, in dem sich zwar eine Gleitfuge bildet, in der aber noch Reibungskräfte in begrenzter Höhe übertragen werden. Das Material der Zwischenschicht verhält sich also bis zu einer Grenzbeanspruchung wie ein Festkörper. Wird diese Grenzbeanspruchung überschritten, dann tritt im Bereich der größten Spannung ein Fließen des Materials ein, das etwa dem Fließen von Stahl bei Überschreiten der Streckgrenze vergleichbar ist. Dadurch können die Auswirkungen äußerer Zwangsbeanspruchungen auf ein Bauwerk begrenzt werden.

Röhrenförmige unterirdische Hohlräume, wie sie im Hauptpatent beispielsweise als Verkehrstunnel, Rohrleitung oder dergleichen angesprochen sind, verlaufen nicht immer horizontal im Boden, sondern z. B. in Form von Schächten, auch vertikal. Schächte, wie sie beispielsweise im Kohlebergbau zur Erschließung von Kohleflözen bis in Tiefen von 1 000 m und mehr erforderlich sind, werden in dem das Festgestein überlagernden Lockergestein meist im Schutze einer Bodenvereisung abgeteuft.

Schachtbauwerke dieser Art werden, ähnlich wie horizontal verlaufende Tunnelbauwerke, einerseits durch Kräfte infolge äußerer Lasten und andererseits durch Zwangskräfte infolge von Bewegungen im umgebenden Boden beansprucht. Während die äußeren Lasten eine unabänderliche Vorgabe darstellen, können die Beanspruchungen aus Bewegungszwängen durch die Art der Konstruktion beeinflußt werden.

Die Ursachen von Zwangskräften sind entweder im Bauwerk selbst oder im umgebenden Boden zu suchen. Zwangskräfte aus dem Bauwerk entstehen z. B. durch Schwinden der Auskleidung oder durch Temperaturunterschiede. Das Gebirge übt Zwangsbeanspruchungen auf das Bauwerk z. B. durch Bodensetzungen aus. Im Bereich des Bergbaus sind die Zwangsbeanspruchungen der Bauwerke infolge von Bodenbewegungen besonders groß.

Bei der Konstruktion von Schachtauskleidungen kennt man im wesentlichen zwei Konstruktionsprinzipien. Nach dem einen Prinzip wird die meist aus Stahlbeton bestehende Auskleidung des Schachtes kraftschlüssig mit dem Boden verzahnt. Um den Schacht vor Zerstörung durch die genannten Einflüsse zu schützen, darf bei einem derartigen Schacht der Abbau nur in größerer Entfernung erfolgen, so daß die geschilderten Einflüsse im Bereich des Schachtes nicht wirksam werden. Dies bedeutet den Verzicht auf den Abbau von mehr oder weniger großen Mengen an Bodenschätzen, die in diesen Bereichen lagern. Diese Art eines Schachtausbaus ist zwar in ihrer Ausführung relativ billig; sie ist jedoch wegen des Verzichtes auf den Abbau von Bodenschätzen in dem den Schacht umgebenden Bereich und wegen der dadurch erforderlichen längeren horizontalen Förderwege unwirtschaftlich.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde das Prinzip des sogenannten "gleitenden Ausbaus" entwickelt, bei dem zwischen der Auskleidung und dem Gebirge eine Gleitschicht aus Bitumen angeordnet ist. Diese Gleitschicht mildert den Einfluß der Baugrundbewegungen auf das Bauwerk derart, daß keine unlösbaren Probleme hinsichtlich seiner Standsicherheit entstehen. Dieser gleitende Ausbau hat aber den Nachteil, daß er verhältnismäßig teuer ist.

Auch der gleitende Schachtausbau erfolgt im Schutze einer Bodenvereisung, wobei mit fortschreitender Teufe zur vorläufigen Sicherung des Gebirges ein Trockenmauerwerk als Hilfsausbau eingebracht wird. Im tiefsten Bereich des Schachtes wird dann das Fundament für die eigentliche Auskleidung erstellt, die dann von unten nach oben fortschreitend als Sandwich-Konstruktion mit einem äußeren, dichtenden Stahlmantel und einem innenliegenden Stahlbetonschacht aufgeführt wird. Der Ringraum zwischen dem Hilfsausbau und der Auskleidung wird mit Bitumen ausgefüllt. Dieses Bauverfahren erfordert gegenüber dem ersten Konstruktionsprinzip einen sehr teuren Sicherheitsausbau durch das Trockenmauerwerk und eine erheblich längere Bauzeit, da die Innenauskleidung erst nach dem Abteufen und der Herstellung des Hilfsausbaus ausgeführt werden kann.

Gleiches gilt auch dann, wenn die Schachtauskleidung aus zwei konzentrischen Stahlzylindern besteht, die von einer jeweils vorgesehenen Teufe eines Schachtes an aufwärts eingebaut werden und wobei der Ringraum zwischen den beiden Zylindern mit Beton ausgefüllt wird (DE-AS 11 69 873).

Bei einem "gleitenden Ausbau" kann die Schachtauskleidung nicht parallel zur Teufe ausgeführt werden, da die zwischenliegende Gleitschicht einen Verbund zum Gebirge hin verhindert. Dies ist lediglich bei einem Verbundausbau möglich, bei dem die Auskleidung aus Beton im Zuge des Fortschreitens der Teufe hergestellt und sogleich in Verbund mit dem umgebenden Gebirge gebracht wird (DE-Z "SCHLÄGEL UND EISEN", 1968, Nr. 3, S. 134/136).

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine sicherere und wirtschaftlichere Möglichkeit aufzuzeigen, um Schachtauskleidungen nach dem Prinzip des gleitenden Ausbaus herstellen zu können.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, über eine Änderung des Aggregatzustandes des Materials der Zwischenschicht des gleitenden Ausbaus von pastös zu fest eine feste Verbindung zwischen dem Schachtausbau und dem Gebirge herbeizuführen. Die im Zuge der Teufe von oben nach unten wachsende Auskleidung wird dabei über die für die Länge der Bauzeit verfestigte Gleitschicht am Gebirge gehalten.

Das Material der Zwischenschicht, die zwar eine Kohäsion, aber keinen oder einen nur sehr kleinen Winkel der inneren Reibung besitzt, dient dabei als Gleitmittel für den "gleitenden Ausbau". Kohäsion ist aber für den Bauzustand erforderlich, damit die Masse nicht aus dem nach unten offenen Schlitz ausläuft und damit Kräfte von dem Innenausbau auf den Boden übertragen werden können. Zur Erhöhung der Kohäsion (Festigkeit) wird diese durch Temperaturerniedrigung gesteigert, bis eine ausreichende Festigkeit und ein zuverlässiger Verbund zum Gebirge vorhanden ist.

Dieses Gleitmittel aus Tonmineral konsolidiert unter äußerem Druck, wobei der sich einstellende Wassergehalt eine Funktion dieses Druckes ist. Mit dem Konsolidierungsvorgang ist eine Volumenverminderung verbunden. Wird das Gleitmittel mit dem Wassergehalt eingebaut, der dem späteren Druckzustand entspricht, ist es volumenkonstant. Ist der Wassergehalt jedoch größer, so verringert sich das Volumen der Masse. Diese Eigenschaft ermöglicht eine Aufteilung der Erddrucklasten zwischen einem Sicherungsausbau und dem Innenausbau. Gleichzeitig ist der Innenausbau mit dem Sicherungsausbau gekoppelt, da, wenn die Verformungen des Sicherungsausbaues überproportional anwachsen, zusätzliche Druckkräfte über die Massen auf den Innenausbau abgetragen werden.

Es ist weiterhin möglich, wenn kein Sicherungsausbau vorhanden ist, eine Umlagerung des Erddruckes vom Innenausbau auf den Boden zu erreichen, indem gezielt ein Konsolidierungsverformungsbetrag vorgegeben wird. Dieser Verformungsbetrag ist eine Funktion des Wassergehaltes, der Schichtdicke, des Füllstoffanteils und der wirksamen Konsolidierungsspannung. Diese Konsolidierungsspannung entspricht dem Erddruck, der nach erfolgter Lastumlagerung vorhanden ist.

Da das Abteufen eines Schachtes im Lockergestein üblicherweise im Schutz einer Bodenvereisung erfolgt, hat die Verwendung einer Mischung mit Wasser als Lösungsmittel als Material für die Gleitschicht den Vorteil, daß mit denselben Einrichtungen, die zur Aufrechterhaltung des Gefrierkörpers erforderlich sind, auch das Material der Gleitschicht zum Gefrieren gebracht werden kann. Es gewährleistet so während des Bauzustandes, während dessen der Gefrierkörper aufrecht erhalten werden muß, eine feste Verbindung zwischen dem Innenausbau und dem Gebirge. Nach dem Abschalten der Gefrieraggregate nach Fertigstellung des Schachtes und anschließendem Auftauen des Bodens geht diese feste Verbindung wieder in die gewünschte Wirkung eines gleitenden Ausbaus über.

Die Vereisung des Materials der Gleitschicht kann entweder der Einwirkung des äußeren Gefrierkörpers überlassen werden. Sie kann dadurch beschleunigt werden, daß an der Innenseite des bereits hergestellten Teils der Auskleidung zusätzliche Gefrieraggregate mitgeführt werden, die durch den Beton der Auskleidung hindurch auf die dahinterliegende Gleitschicht wirken oder es können, was die Vereisung am stärksten beschleunigt, in der Gleitschicht Gefrierrohre für einen Kühlmittelkreislauf mitgeführt werden.

Zu erwähnen ist noch, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl ohne, wie auch mit Hilfsausbau gearbeitet werden kann, der, wenn er aus Gründen der Sicherheit erforderlich sein sollte, der Herstellung der eigentlichen Innenauskleidung voreilt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Schachtausbau nach der Erfindung und

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt durch einen Schachtausbau mit Hilfsausbau.

Zur Herstellung eines Schachtes 1 gemäß der Erfindung wird zunächst im Lockerboden in an sich bekannter Weise ein Gefrierkörper 2 erzeugt, in dessen Schutz dann die Teufe erfolgen kann. Das Abteufen wird an der Geländeoberfläche 3 dadurch begonnen, daß ein oberer Kranz 4 aus Stahlbeton her­ gestellt wird, der die Schachtmündung sichert und mit einem zylindrischen Ansatz 5 die Schachtwand vorgibt.

Das Abteufen erfolgt in an sich bekannter Weise mittels eines Greifers 6 zunächst von der Geländeoberfläche 3, dann von einer Arbeitsbühne 7 aus, die an einem Zugseil 8 in den Schacht abgelassen wird. An der Arbeitsbühne 7 be­ findet sich eine Schalung 9 für die endgültige Innenausklei­ dung 10 aus Stahlbeton. Die Schalung 9 umschließt den jeweils herzustellenden Ringabschnitt 10′ der Innenauskleidung 10 an drei Seiten. Sie kann nach Art einer Gleitschalung ausge­ bildet sein, die fortlaufend mitgezogen wird, oder auch nach Art einer Kletterschalung, die abschnittsweise umgesetzt wird. Die Ausbildung der Schalung ist nicht Gegenstand der Erfin­ dung.

Zwischen der Außenfläche der Innenauskleidung 10 und der Schachtwand 11 verbleibt ein Ringraum 12, der im Zuge der Herstellung der Innenauskleidung 10 von oben nach unten mit einem pastösen Material 13 ausgefüllt wird, das später im End­ zustand eine Gleitschicht zwischen dem Gebirge und der Innen­ auskleidung 10 bildet. Dieses pastöse Material 13 kann ohne weiteres jeweils vom oberen Ende des zuletzt hergestellten Abschnitts aus in den Ringraum 12 eingepreßt werden. Es ver­ teilt sich darin, wird aber durch seine Kohäsion und die Ad­ häsion am Innenausbau 10 bzw. an der Schachtwand 11 daran gehindert, aus dem unten offenen Ringraum auszutreten.

Das pastöse Material 13 besteht aus einer Mischung aus einem Tonmineral oder dergleichen, z. B. Bentonit, und Wasser. Aus Kostengründen können der Mischung auch Füllstoffe, wie z. B. Gesteinsmehl, zugegeben sein.

Die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel schafft die Voraussetzung dafür, daß das im Zuge des Herstellens der Innenauskleidung 10 eingebrachte pastöse Material 13 im Zuge des Abteufens ebenfalls vereist werden kann. Dies ist in Fig. 1 da­ durch angedeutet, daß auf die Schalung 9 ein Bereich 13a von frisch eingebrachtem Material folgt, das sich im darüber­ liegenden Bereich 13b am Beginn des Gefrierens befindet. In dem darüberliegenden Bereich 13c ist es bereits fest ge­ froren und bildet so eine feste, tragfähige Verbindung zwi­ schen der Innenauskleidung 10 und dem vereisten Gebirge 2.

Nach Erreichen der Teufe und Fertigstellung der Schacht­ sohle werden die Gefrieraggregate abgeschaltet, so daß mit dem Auftauen des Gefrierkörpers 2 auch das Material 13 der Gleitschicht auftaut und so die gewünschte Gleitfuge zwischen der Innenauskleidung 10 und dem Gebirge darstellt.

In Fig. 2 ist in einer ähnlichen Darstellung wie in Fig. 1 noch angedeutet, wie im Zuge des Abteufens und der Her­ stellung der Innenauskleidung voreilend ein Hilfsausbau 14 mitgeführt wird. Der Hilfsausbau 14 wird in an sich bekann­ ter Weise so hergestellt, daß nach Erreichen einer bestimm­ ten Teufe eine Verbreiterung 15 in der Schachtwand erzeugt wird, die als Fundament für einen Abschnitt 14′ des gemauerten Hilfsausbaus 14 dient, der dann so weit hochgeführt wird, bis er an die Ausmauerung des darüberliegenden Abschnitts 14′′ heranreicht. Diesem Hilfsausbau 14 folgt dann der eigentliche Innenausbau 10, wobei das die Gleitschicht 13 bildende Material in den Ringraum 16 zwischen Hilfsausbau 14 und Innenausbau 10 eingepreßt wird. Im übrigen wird auch bei diesem Schachtausbau verfahrensmäßig in gleicher Weise gearbeitet wie bei dem vorbeschriebenen gleitenden Schacht­ ausbau.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen des Ausbaus eines röhrenförmigen unterirdischen Hohlraumes nach Patent 33 32 242, bei dem zwischen der Außenfläche der Auskleidung und dem Gebirge eine Zwischenschicht aus einer beim Einbau pastösen Mischung aus einem Tonmineral und Wasser angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines nach dem Prinzip des gleitenden Ausbaus ausgebildeten Schachtes im Schutze einer Bodenverfestigung die endgültige Auskleidung (10) im Zuge des Fortschreitens der Teufe hergestellt wird, wobei das pastöse Material (13) nach dem Einbringen in einen festen Aggregatzustand übergeführt wird, der während der Herstellung der Auskleidung aufrecht erhalten wird und daß das Material der Schicht nach Fertigstellung des Bauwerks wieder in den pastösen Zustand zurückversetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aggregatzustand des pastösen Materials durch Kälteeinwirkung, z. B. Vereisen bzw. Auftauen, verändert wird.

3. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt der Mischung und gegebenenfalls die Dicke der Zwischenschicht so gewählt werden, daß die einer vorgegebenen Teilentspannung des Gebirges entsprechenden Verschiebungen durch Konsolidierungsverformungen der Schicht eintreten können.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischung inerte Füllstoffe, vornehmlich Gesteinsmehl, wie Quarzmehl, Kalksteinmehl oder dergleichen, beigegeben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis der Komponenten so gewählt wird, daß die pastöse Mischung in dem nach unten offenen Ringraum zwischen der Auskleidung und dem Gebirge bzw. einem Hilfsausbau durch die der Mischung eigene Kohäsion bzw. Klebkraft gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereisung des Materials der Schicht in dieser mit dem Fortschreiten des Ausbaus mit Kühlflüssigkeit beaufschlagbare Leitungen mitgeführt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Stahlbeton bestehende Auskleidung fortlaufend bzw. abschnittsweise mittels einer von einer Arbeitsbühne getragenen Gleit- oder Kletterschalung hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung in Längsrichtung vorgespannt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsvorspannung derart gewählt wird, daß sowohl die Druckstauchung des Betons, als auch die Zugdehnung des Stahls ausgenützt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außen- und/oder Innenseite der Auskleidung ein dichter Mantel aus metallischem Material, vorzugsweise Stahl, angeordnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung aus einem Stahlmantel gebildet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Herstellung der Auskleidung in an sich bekannter Weise ein der Herstellung der Innenauskleidung voreilender Hilfsausbau mitgeführt wird und daß sich die Schicht zwischen der Auskleidung und dem Hilfsausbau befindet.