DE3818445A1 - Hochbelastbares untertaegiges widerlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Widerlager für die Absperrung untertägiger Hohlräume, insbesondere zur Querschnittsabdich­ tung von Hohlräumen in Gebirgsschichten mit inelastisch-zeit­ abhängigem Materialverhalten des angrenzenden Gebirges, das über eine Verzahnung in das Gebirge eingebunden ist, die ihrerseits aus zwei stirnseitigen Verzahnungen und einer oder mehreren zwischen den stirnseitigen Verzahnungen ange­ ordneten Verzahnungen besteht.

Derartige Widerlagerkonstruktionen, die der Absperrung untertägiger Hohlräume dienen, sind bekannt. Dabei können solche Hohlräume zur Speicherung und Deponie der unter­ schiedlichsten Stoffe benutzt werden. Derartige Widerlager­ konstruktionen werden auch eingesetzt, um die gegenüber durch Einbruch von Wässern gefährdete Grubenbereiche abzuriegeln.

Bei derartigen Widerlagerkonstruktionen handelt es sich in der Regel um massive Betonbauten, die eine zusätzliche Bewehrung aufweisen und die in Verbindung mit Dichtelementen eine sichere und dauerhafte Abdichtung der untertägigen Hohl­ räume gewährleisten sollen. In Sitz, P.: Querschnittsab­ dichtungen untertägiger Hohlräume durch Dämme und Propfen, V.E.B. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1982, sind verschiedene gleitfähige Widerlagerkonstruktionen beschrieben worden. Insbesondere in den Ausführungsbeispielen für standsichere und dichte Querschnittsabdichtungen sind Widerlager in Form von Kugelkalotten, mehrfach-verzahnte und mehrfach-kegelstumpfförmige Widerlager dargestellt und diskutiert worden. Das mehrfach-verzahnte Widerlager ist z.B. mit einer dreifachen Verzahnung ausgeführt. Die drei Verzahnungen weisen einen von der Druckseite her abnehmenden Verzahnungswinkel auf, so daß die Hauptspannungsstrajektorien (Druck) senkrecht auf den Ausbruchsflächen stehen. Die auf­ tretenden Zugspannungen werden durch eine zusätzliche, kreuz­ weise Bewehrung des luftseitigen Widerlagerzahnes aufgenommen.

Es wird ausgeführt, daß der Einsatz mehrfach-verzahnter Wider­ lager mit Verzahnungshöhen zwischen 0,8 und 1,0 r vorteilhaft ist. Der Hauptnachteil derartiger Widerlagerkonstruktionen besteht jedoch darin, daß in Folge der Flüssigkeitsdruckbe­ lastung in einem großen Widerlagerbereich Zugspannungen auf­ treten, die mit fallendem Gebirgselastizitätsmodul anwachsen. Mit Erhöhung der Widerlagerlängen verringern sich diese Zug­ spannungen und nähern sich asymptotisch einem Endwert. Das mehrfach-kegelstumpfförmige Widerlager bzw. primatoidförmige kann z.B. mit einer vierfach-kegelstumpfförmigen Verzahnung ausgeführt werden. In Folge der Flüssigkeitsbelastung ergeben sich parallel zum Widerlagerausbruch Zugspannungen, die wiederum vor allem in Gebirgsschichten mit einem niedrigen Gebirgselastizitätsmodul auftreten und die durch eine Bewehrung, die durch konstrukiv in Ringrichtung eingelegte Bewehrungseisen und durch Bügel ergänzt wird, aufgenommen werden. Obwohl bei letzteren Widerlagerkonstruktionen die auftretenden Zugspannungshöchstwerte und das zugbeanspruchte Widerlagervolumen wesentlich geringer sind als bei den mehr­ fach-verzahnten Widerlagern, sind für die Aufrechterhaltung der Tragfähigkeit und der Dichtheit in jedem Fall zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um diese Zugspannungen aufzunehmen.

Widerlagerberechnungen gegenüber Gebirgsdruckbelastungen erfolgten bisher nicht bzw. nur durch eine grobe, nicht die Realität widerspiegelnde Abschätzung. Neue detallierte Unter­ suchungen über die Auswirkungen der Gebirgsdruckbelastungen auf die in das Gebirge einschneidenden Widerlager üblicher Geometrie (mehrfach-verzahnte, mehrfach-kegelstumpfförmige bzw. prismatoidförmige Widerlager), die in "Gebirgsmechanische Untersuchungen zur Standsicherheit eines Dammbauwerkes", BGR, Hannover, Mai 1985, vorgenommen wurden, haben gezeigt, daß sich in Folge der Gebirgsdruckbelastung auch axiale Zug­ spannungen in der Widerlagerkonstruktion ergeben, die in erster Linie auf Kerbwirkungen (Widerlagerbereich mit dem geringen Durchmesser) zurückzuführen sind. Ebenfalls können Zugspannungen aus ungleichförmigen Gebirgsdruckbelastungen zwischen dem Stirnbereich und der Widerlagermitte resultieren.

Das Problem der Reduzierung der durch Gebirgsdruckbe­ lastungen hervorgerufenen axialen Zugspannungen ist insbe­ sondere in den Fällen wichtig, wo Widerlager in Gebirgs­ schichten mit stark inelastisch-zeitabhängigem (rheologischem) Materialverhalten, wie z.B. im Steinsalzgebirge, durch keine bzw. durch relativ geringe stirnseitige Belastungen bean­ sprucht werden. Diese nachteiligen Zugspannungen lassen sich innerhalb gewisser Grenzen durch Bewehrung der Widerlager­ konstruktion aufnehmen. Dies erfordert jedoch einen erheb­ lichen Mehraufwand an Material und an Zeit. Bisher sind Aspekte der konstruktiven Berücksichtigung von axialen Zug­ spannungen in Folge Gebirgsdruckbelastung nicht berücksichtigt worden, weil lediglich Vorschläge für eine überschlägige Abschätzung dieser Gebirgsdruckeinwirkungen existieren bzw. diese Gebirgsdruckbelastungen an einer idealisierten, dem derzeitigen Kenntnisstand nicht entsprechenden Widerlager­ geometrie unter Ansatz eines elastischen Gebirgsverhaltens - das für viele Gesteinsmaterialien nicht zutreffend ist - untersucht wurden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch Gebirgsdruck hochbelastbares, untertägiges Widerlager zu schaffen, das das Auftreten axialer Zugspannungen ausschließt, so daß keine tragende axiale Bewehrung erforderlich ist und aufgrund des günstigen, mehrachsigen Druckspannungszustandes Materialien mit geringerer Güte eingesetzt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die senkrecht zur Achse des Widerlagers projizierte Schatten­ fläche der stirnseitigen Verzahnungsflächen größer als die senkrecht zur Achse des Widerlagers projizierte Schattenfläche der unmittelbar der stirnseitigen Verzahnungsflächen folgenden Verzahnungsflächen ist und daß die zwischen den stirnseitigen Verzahnungen angeordneten Verzahnungen um den Betrag der Schattenflächendifferenz zum Gebirge hin versetzt angeordnet sind.

Dementsprechend werden die den stirnseitigen Verzahnungs­ flächen folgenden Verzahnungsflächen nicht wieder auf den ursprünglichen stirnseitigen Hohlraumquerschnitt zurückge­ führt, sondern vielmehr um ein vorgegebenes Maß zurückver­ setzt angeordnet bzw. begonnen. Die Größe der erforderlichen Schattenflächendifferenz, also des entsprechenden Rücksprunges richtet sich dabei nach dem primären Gebirgsspannungszustand, der durch die Widerlagergeometrie bestimmten Kerbwirkung und dem rheologischen Gebirgsverhalten und kann durch ent­ sprechende numerische Berechnungen ermittelt werden. Diese numerische Berechnung kann nach bekannten Verfahren durchge­ führt werden. Die Gebirgsdruckbelastung wird entsprechend der Teufe und den Gebirgseigenschaften überschlägig in bekannter Weise ermittelt. Unter Verwendung bekannter inelastischer F- und E-Programme können die Spannungszustände in einer vorgegebenen Widerlagergeometrie ermittelt werden. Als Eingabegrößen für die Berechnung dienen die Gebirgs­ parameter, die Widerlagergeometrie, das verwendete Material und spezielle Randbedingungen, die sich aus notwendigen Modifikationen der Widerlagerkonstruktion entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall ergeben. Sind die auftretenden Spannungszustände bekannt, wird die Widerlagerkonstruktion entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung so lange verändert, bis die axialen Zugspannungen kompensiert sind bzw. die gewünschten axialen Druckvorspannungen erreicht sind. Damit ist ein Widerlager erreicht, das über eine hohe Tragfähigkeit und hohe Wasserundurchlässigkeit verfügt. Der Herstellungsauf­ wand für derartige Widerlagerkonstruktionen ist vorteilhaft wesentlich verringert. Durch die abgestufte Geometrie der Verzahnung des untertägigen Widerlagers wird bewirkt, daß in den beiden stirnseitigen Widerlagerendbereichen eine auf die gesamte Widerlagerkonstruktion wirkende axiale Druck­ kraft aufgebracht wird, die zu einer Druckvorspannung der gesamten Widerlagerkonstruktion führt.

Die Wirkung der abgestuften Verzahnungsgeometrie wird erfindungsgemäß noch dadurch verstärkt, daß den Stirnseiten des Widerlagers den Widerlagerteilbereichen parallel ver­ laufende vorgeordnete Schutzkonstruktionen zugeordnet sind. Dabei fallen diesen Schutzkonstruktionen keinerlei statische Aufgaben zu. Sie gewährleisten aber eine weitgehende konstante Gebirgsdruckbelastung der tragenden Widerlagerkonstruktion. Die Schutzkonstruktion ist dabei zweckmäßigerweise jeweils dem Querschnitt der Strecke angepaßt, wobei vorteilhafterweise die erforderlichen zusätzlichen Ausbrüche entsprechend der Schattenflächendifferenz möglichst geringgehalten werden können.

Werden die für konkrete Bedingungen ermittelten geometrischen Werte der Widerlagerkonstruktion überschritten, treten die erwähnten nachteiligen axialen Zugspannungen auf. Um dies mit der notwendigen Sicherheit zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, daß die zwischen den stirnseitigen Verzah­ nungen angeordneten Verzahnungen um einen über dem Betrag der Schattenflächendifferenz liegenden Betrag zum Gebirge hin versetzt angeordnet sind. Dabei ist jeweils ein im Bau­ wesen üblicher Sicherheitsbetrag einzurechnen.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß eine hochbelastbare, untertägige Widerlagerkonstruktion geschaffen ist, die es erstmalig ermöglicht, die bisher weit­ gehende unberücksichtigt gebliebenen Einflüsse der vorwiegend aus hohen Gebirgsdruckbelastungen in Gebirgsarten mit inelastisch-zeitabhängigem (rheologischem) Materialverhalten resultierenden axialen Zugspannungen im Widerlager auszu­ schalten. Durch die erreichten gezielten Druckvorspannungen wird erreicht, daß die durch Kerbwirkung, durch Anwachsen des Gebirgsdruckes über die Widerlagerlänge und die durch stirnseitige Druckbelastung im Widerlager auftretenden axialen Zugspannungen keinen negativen Einfluß auf die Tragfähigkeit und die Undurchlässigkeit der Querschnittsabdichtung haben, da sie überbrückt bzw. unterdrückt werden. Durch die konstruktive Gestaltung der erfindungsgemäßen Widerlager­ konstruktion wird es möglich, daß sich die Anforderungen an die Güte der verwendeten Baumaterialien wesentlich ver­ ringern, wobei vorteilhafterweise auf eine axiale Bewehrung verzichtet werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1.

In der Fig. 1 ist zur Verdeutlichung der erfindungs­ gemäßen Lösung ein Querschnitt durch ein Widerlager darge­ stellt. Im Gebirge (1) mit beispielsweise inelastisch-zeitab­ hängigen Verformungseigenschaften ist eine Strecke (2) aufge­ fahren worden, die durch ein tragendes Widerlager (3) ver­ schlossen ist.

Das Widerlager (3) ist gegenüber einer aus der Strecke (1) einwirkenden einseitigen Druckbelastung aus beliebiger Richtung mit und ohne Gebirgsdruckeinwirkung und gegenüber alleiniger Gebirgsdruckeinwirkung auszulegen.

Die Gesamtlänge (4) der tragenden Konstruktion des Wider­ lagers (3) wird im wesentlichen durch die Höhe der stirn­ seitigen Druckbelastung bestimmt. Die Auslegung derartiger Konstruktionen in Abhängigkeit von der Fluiddruckbelastung ist aus Sitz, P.: "Querschnittsabdichtungen untertägiger Hohlräume durch Dämme und Pfropfen", VEB-Verlag für Grund­ stoffindustrie, Leipzig 1982 zu entnehmen und bedarf an dieser Stelle daher aber keiner weiteren Erläuterung.

Um bei alleiniger Gebirgsdruckeinwirkung axiale Zug­ spannungen in der Konstruktion des Widerlagers (3) in Folge Kerbwirkung und verminderter Gebirgsdruckbelastungen in den Kontaktzonen Gebirge-Widerlager der stirnseitigen Widerlager- Teilbereiche (5 und 10) auszuschalten bzw. eine axiale Druck­ vorspannung in erfindungsgemäßer Weise in der gesamten Wider­ lagerkonstruktion aufzubauen, ist folgende konstruktive Gestaltung des Widerlagers (3) erforderlich:

Der Ausbruchradius ist in den Widerlager-Teilbereichen (6 und 7 bzw. 8 und 9) um einen Betrag, der der notwendigen Schattenflächendifferenz (11) entspricht, größer ausgeführt. Auf diese Weise entsteht eine Widerlagerkonstruktion, bei der die senkrecht zur Achse des Widerlagers (3) projizierte Schattenflächen (15) der stirnseitigen Verzahnungsfläche (13) größer als die senkrecht zur Achse des Widerlagers (3) projizierte Schattenfläche (16) der unmittelbar der stirn­ seitigen Verzahnungsfläche (13) folgenden Verzahnungsfläche (14) ist und bei der die zwischen den stirnseitigen Verzah­ nungen angeordneten Verzahnungen um den Betrag der Schatten­ flächendifferenz (11) zum Gebirge hin versetzt angeordnet sind. Es ergeben sich z.B. bei mehrfach-kegelstumpfförmigen Widerlagern (Kegelstumpflänge je nach Hohlraumquerschnitt 2 bis 4 m) in 600 bis 1000 m Teufe die für die Schattenfläche maßgebenden, zusätzlichen Ausbruchtiefen von 0,3 bis 0,8 m. Die durch die Schattenflächendifferenz (11) hervorgerufene differenzierte Gestaltung der stirnseitigen Verzahnungsfläche (13) und der folgenden Verzahnungsfläche (14) bewirkt in Verbindung mit den zwischen den stirnseitigen Verzahnungen angeordneten, um den Betrag der Schattenflächendifferenz (11) zum Gebirge hin versetzten Verzahnungen eine axiale Druckbelastung der gesamten Widerlagerkonstruktion, die im Falle auftretender axialer Zugkräfte eine Kompensation dieser axialen Zugkräfte bewirkt.

Um die erforderlichen zusätzlichen Ausbrüche und somit auch die Schattenflächendifferenz (11) möglichst geringhalten zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, an den beiden Stirnflächen des Widerlagers (3) zusätzliche Schutzkonstruk­ tionen (12) vorzusehen, denen keinerlei statische Aufgaben zufallen und die lediglich eine weitgehend konstante Gebirgs­ druckbelastung der tragenden Widerlagerkonstruktion gewähr­ leisten sollen.

Claims (4)

1. Widerlager für die Absperrung untertägiger Hohlräume, insbesondere zur Querschnittsabdichtung von Hohlräumen in Gebirgsschichten mit inelastisch-zeitabhängigem Material­ verhalten des angrenzenden Gebirges, das über eine Verzahnung in das Gebirge eingebunden ist, die ihrerseits aus Verzah­ nungen und einer oder mehreren zwischen den stirnseitigen Verzahnungen angeordneten Verzahnungen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Achse des Widerlagers (3) projizierte Schattenfläche (15) der stirnseitigen Verzahnungsflächen (13) größer als die senkrecht zur Achse des Widerlagers projizierte Schattenfläche (16) der unmittelbar der stirn­ seitigen Verzahnungsflächen (13) folgenden Verzahnungsflächen (14) ist und daß die zwischen den stirnseitigen Verzahnungen angeordneten Verzahnungen um den Betrag der Schattenflächen­ differenz (11) zum Gebirge (1) hin versetzt angeordnet sind.

2. Widerlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Stirnseiten des Widerlagers (3) den Widerlagerteil­ bereichen (5, 6) parallel verlaufende, vorgeordnete Schutz­ konstruktionen (12) zugeordnet sind.

3. Widerlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzkonstruktionen (12) dem Querschnitt der Strecke (2) angepaßt sind.

4. Widerlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den stirnseitigen Verzahnungen angeordneten Verzahnungen um einen über dem Betrag der Schattenflächen­ differenz (11) liegenden Betrag zum Gebirge (1) hin versetzt angeordnet sind.