Gebirgsanker im Berg- und Tunnelbau S. Kainrath-Reumayer und W. Dolsak Nach einer einleitenden Erklärung von oft synonym verwendeten Begriffen wird ein Überblick über die verschiedenartigen im untertägigen Hohlraumbau eingesetzten Ankersysteme gegeben. Dabei werden diese nach unterschiedlichen Kriterien systematisch gegliedert vorgestellt. In der Folge werden einige häufig im Berg- und Tunnelbau verwendete Ankersysteme beispielhaft herausgegriffen und anhand einer Matrix klassifiziert. Relevante Richtlinien und Normen werden angeführt. Eine Zusammenfassung mit kurzem Ausblick auf zukünftige Entwicklungen schließt den Artikel ab. Rockbolts for Mining and Tunnelling. Following an initial illustration of terms and definitions being used synonymously, an overview of diverse anchor systems used in underground construction is given. Thereby, different systems with their specific characteristics, structured according to different criteria, are presented. Subsequently, common anchor systems which are frequently used in mining and tunnelling are presented in detail, both in terms of a matrix classification and a schematic illustration. State of the art guidelines and standards concerning anchors and rock bolts are mentioned briefly; finally an outlook on future developments in this working area is given.
Abbildungen
1. Einleitung Unter dem Begriff Anker (engl. anchor) wird im untertägigen Hohlraumbau landläufig jegliches Element verstanden, welches in einem Bohrloch eingebaut Zug- und/ oder Schubkräfte aufnehmen, oder aber auch Konstruktionsteile mit dem Gebirge verbinden kann. Im englischsprachigen Raum wird der Begriff „rock anchor“ oftmals für Langanker gebraucht. Der Wortstamm „ancora“ (ανχυρα) entstammt dem Griechischen/Lateinischen und bedeutet „Gekrümmtes“10. Unter Nagel (engl. nail) werden Stifte verstanden, die zwei Elemente verbinden10. Der Begriff Gebirgsnagel dürfte schon sehr früh (nach Müller21 z. B. 1880 am Arlbergtunnel) verwendet worden sein. Ein Bolzen (engl. bolt) wird vornehmlich auf Scherung belastet, die Verwendung im deutschsprachigen Raum dürfte auf das englische „rock bolt“, häufig eingesetzt zur Bezeichnung eines Kurzankers, zurückzuführen sein. Der Begriff Dübel (engl. dowel) umfasst Verbindungsmittel zur Sicherung der Lage von Bauteilen10, und wird im deutschsprachigen Raum selten verwendet. Eine Abgrenzung der Begriffe ist sehr unklar. Eine Unterteilung in Verspannung (Befestigung von Felsmassen) und Bewehrung (Erzeugung eines homogenen Verbundkörpers) ist auch möglich21. Abbildung 1 stellt einen Gebirgsanker und seine wichtigsten Systemkomponenten schematisch dar.
Dipl.-Ing. Stefan Kainrath-Reumayer, Lehrstuhl für Subsurface Engineering – Department Mineral Resources and Petroleum Engineering, Montanuniversität Leoben; Erzherzog-Johann Str. 3, 8700 Leoben / Österreich; Dipl.-Ing. Wolfgang Dolsak, ALWAG Tunnelausbau Gesellschaft m.b.H., Wagram 49, 4061 Pasching, Linz / Österreich.
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1 Ankermutter, 2 Ankerplatte, 3 Ankerschaft, 4 Ummantelung (Hüllrohr), 5 Verbundmaterial, 6 Gebirge, 7 Ankerbohrloch, lfs FreiAbb. 1: Schematische Darstellung eines Gebirgsankers und spielstrecke, lvi Innere Verbundlänge, lva Äußere Verbundlänge, Anlehnung an DIN 21521-1 db Bohrlochdurchmesser Abb. 1: Schematische Darstellung eines Gebirgsankers und Benennung der Systemkomponenten in Anlehnung an DIN 21521-16
Zahlreiche Autoren haben sich mit der Klassifikation von Gebirgsankern auf Basis verschiedener Bewertungskriterien beschäftigt 3,4,12,13,18–22,28,29. Im Folgenden wird anhand einer Klassifizierung ein Überblick über die Ankertechnik im untertägigen Hohlraumbau gegeben.
2. Einteilung der Anker nach allgemeinen Einsatzkriterien 2.1 Verwendungszweck DIN 21521-1 unterscheidet Anker unter anderem nach dem Verwendungszweck6.
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Nr. / Abk. 1 2 3 4 5 6 7 lfs lvi lva db
Bezeic
Ankerm Ankerp Ankers Umma Verbun Gebirg Ankerb Freispi Innere Äußere Bohrlo
Benennung de
2.1.1 Ausbauanker
2.3.1 Kurzanker
sollen die Verbandsfestigkeit des Gebirges erhalten und einen Ausbauwiderstand aufbauen.
haben einen Wirkungsbereich, der auf lokale, hohlraumnahe Bereiche beschränkt ist.
2.1.2 Sicherungsanker
2.3.2 Langanker
dienen der Sicherung gegen Steinfall oder Nachbruch. 2.1.3 Abfanganker sollen Kräfte anderer Stützmaßnahmen vorübergehend übertragen. 2.1.4 Aufhängeanker
Der Wirkungsbereich von Langankern reicht im Normalfall in Bereiche, die durch den Hohlraum nur unwesentlich beeinflusst werden oder im Fall von Böschungen hinter eventuell vorhandene potentielle Gleitflächen. An ihren Einbau werden i.d.R. spezielle zusätzliche Anforderungen gestellt. Unter Tage werden Langanker vor allem beim Abbau von steil stehenden, plattenförmigen Lagerstätten verwendet.
dienen zum Aufhängen von externen Lasten. 2.2 Wirkungsmechanismus Die Wirkungsweisen und in weiterer Folge die Bemessung von Ankerungen sind mannigfaltig und Gegenstand separater Beiträge (z. B. 11,22). An dieser Stelle wird nur die vereinfachte Wirkung als Einzel-, Mehrfach- oder Systemankerung beschrieben. 2.2.1 Einzelanker werden z. B. zur lokalen Stabilisierung von Blöcken (engl.: key block bolting) oder Trennflächen eingesetzt. 2.2.2 Mehrfachankerung Das Einsatzgebiet ist vergleichbar mit jenem der Einzelankerung, jedoch können größere Bereiche erfasst werden. 2.2.3 Systemankerung Durch die gleichmäßige Anordnung der Anker in einem definierten Raster kann im Gebirge eine globale Änderung des Spannungszustandes bewirkt werden. Mit dem Aufbringen einer Stützung des Gebirges kann vor allem der Nachbruchbereich günstig beeinflusst werden (durch z. B. Reduktion der Entfestigung). Im Vergleich zu den im Gebirge herrschenden Spannungen ist die durch den Ankerausbau verursachte Spannungsänderung sehr klein. Die Stabilisierung erfolgt vielmehr durch den Aufbau von Reibungskräften im geklüfteten Gebirge. Einzelanker und Mehrfachankerung kommen bei günstigen Gebirgsverhältnissen, wo keine systematischen Stützmaßnahmen notwendig sind, zum Einsatz. Zumeist werden hierfür sofort tragende Ankersysteme, vorzugsweise vorgespannt, verwendet. Die Systemankerung hingegen wird bei Gebirgsverhaltenstypen angewendet, die nicht standfest oder nachbrüchig sind, oder dort, wo mit großen Verschiebungen zu rechnen ist. Im Normalfall werden hierfür nicht vorgespannte, schlaff eingebaute Ankersysteme eingesetzt. 2.3 Länge Die Unterteilung der Anker nach ihrer Länge ist historisch gewachsen. Die Ankerlänge ist im starken Maße von der Hohlraumgröße abhängig. Somit können Ankerlängen, die für große Hohlräume z. B. zur Blockstabilisierung zumindest notwendig sind, für kleine Hohlräume – relativ gesehen – bereits weit in das Gebirge hineinreichen.
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2.4 Einsatzdauer 2.4.1 Daueranker gemäß25
müssen ihre Funktion während der gesamten Nutzungsdauer des untertägigen Hohlraumes übernehmen, während ÖNORM EN 153723 eine geplante Lebensdauer von mehr als zwei Jahren als Kriterium heranzieht. An die verwendeten Werkstoffe und den Korrosionsschutz (Beschichtung, Vermörtelung, etc.) von Dauerankern werden generell höhere Anforderungen als bei vergleichbaren Kurzankern gestellt. 2.4.2 Kurzzeitanker (temporäre Anker) erfüllen ihre Funktion bis ein anderes Bauteil die tragenden Kräfte übernimmt. Somit sind sie normalerweise nur während der Bauzeit oder Teilen davon notwendig25. Gemäß ÖNORM EN 1537 haben Kurzzeitanker eine geplanten Lebensdauer von weniger als zwei Jahren23. 2.5 Einbaustelle Im Bergbau werden Anker nach der Einbaustelle in First-, Sohlen- und Stoßanker unterteilt, im Tunnelbau unterscheidet man üblicherweise radiale Anker und Ortsbrust anker. Kalottenfußpfähle (Druckanker) und Spieße sind Sonderanwendungen ankerähnlicher Elemente. 2.6 Art des Gebirges oder Baugrundes im Bereich des äußeren Verbundes 2.6.1 Fels: Felsanker Statt Felsanker wird oftmals der Begriff Gebirgsanker verwendet, definitionsgemäß umfasst der Begriff Gebirge jedoch sowohl Fest- als auch Lockermassen. 2.6.2 Boden: Erdanker, Bodenanker Das Einsatzgebiet von Erd- bzw. Bodenankern und Bodennägeln ist im Lockermaterial. Die Verfahrenstechnik und die Anforderungen unterscheiden sich häufig signifikant von den Felsankern.
3. Unterteilung der Anker nach Ausführungsform und Bestandteilen 3.1 Vorspannung 3.1.1 Aktive (vorgespannte) Anker Sollen im Gebirge Entspannungsbewegungen unterbunden werden, können einige Ankertypen vorgespannt
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werden. Diesen Ankern wird mittels geeignetem Verfahren (z. B. Drehmomentschlüssel oder hydraulische Pressen) eine vordefinierte Last aufgezwungen, im Anschluss daran erfolgt die Fixierung. Optional kann die Freispielstrecke vermörtelt werden. Wichtig ist die Vorspannung vor allem bei Untergrundverhältnissen, bei denen eine signifikante Entfestigung bereits bei sehr kleinen (Scher-) Verschiebungsbeträgen auftreten kann. 3.1.2 Verspannte Anker Häufig werden die mitversetzten Ankerplatten durch Anspannen des Ankerkopfs (der Ankermutter) satt an das Gebirge angepresst. Die Lasten sind zumeist nicht definiert und vergleichsweise gering. 3.1.3 Passive (schlaffe) Anker Durch Hohlraumrandverschiebungen treten Relativverschiebungen des Ankers zum Gebirge ein – der Anker wird dadurch gespannt. Oftmals müssen sogar zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, sodass es nicht zum vorzeitigen Versagen des Ankers durch Überschreiten der Bruchdehnung kommt. Das Einsatzgebiet schlaffer Anker sind vor allem Gebirgsverhaltenstypen, bei welchen eine gewisse Entspannung zugelassen werden kann oder sogar soll, um die eingebauten Stützmaßnahmen nicht zu überlasten. 3.2 Verbund 3.2.1 Vollverbundanker Bei dieser Art von Ankern besteht der Verbund mit dem Gebirge über einen Großteil bzw. die gesamte eingebaute Länge; sie können sowohl schlaff als auch vorgespannt ausgeführt sein. Ein Beispiel für vorgespannte Verbundanker sind Klebeanker, die im Bohrlochtiefsten mittels einer schnell aushärtenden Klebepatrone vorgespannt werden. Langsam aushärtende Kunstharzpatronen im Bereich der restlichen Verbundstrecke gewährleisten den Vollverbund. Weitere Haupttypen schlaffer Verbundanker sind z. B. Injektions-, Mörteloder Reibanker.
auf die Bohrlochwandung einen Reibwiderstand in axialer Richtung bewirkt. Die erste großtechnische Anwendung eines Reibankers war der sog. „Friction Stabilizer“ oder „Split-SetAnker“27. Der Split-Set-Anker besteht aus einem Blechstreifen, der zu einem Schlitzrohr gefaltet wird. Das angespitzte Schlitzrohr mit einem definierten Außendurchmesser wird in ein vorher hergestelltes Ankerbohrloch, welches einen minimal geringeren Innendurchmesser aufweist, eingebaut. In jüngster Zeit wurde auch ein neues selbstbohrend versetztes Reibankersystem weiter entwickelt9. Der sog. Reibrohrexpansionsanker (Synonym „SWELLEX“) hat ein Ankerrohr in der Form eines griechischen Omega. Im Zuge des Ankereinbaus in ein vorab gebohrtes Bohrloch wird dieses beidseitig verschweißte Omegaprofil durch Einbringen von Hochdruckwasser expandiert und gegen die Bohrlochlaibung gepresst. 3.3.1.2 Punktbelastung (Teilverbund) Bei sog. Spreizankern (oder Endankern) wird im Bohrlochfuß der Ankerstab über ein Spreizelement mit der Bohrlochwand verspannt. Spreizanker werden in der Regel als vorgespannte Anker ausgeführt und finden ihre Anwendung in der temporären Ausbruchssicherung. Die Verbreitung von Spreizankern ist in den letzten Jahrzehnten zurückgegangen, Hauptgründe hierfür sind die Nachteile der punktuellen Krafteinleitung im Vergleich zum Vollverbundanker in Bezug auf die Ausbauwirkung, der mangelnde Korrosionsschutz sowie die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen im Bohrlochdurchmesser und Sprengerschütterungen. Im Vergleich zu vielen anderen Ankersystemen sind mechanische Endanker weniger anfällig auf Bohrlochdurchmesserschwankungen, wie z. B. Split-Set- oder kunstharzvermörtelte Anker. 3.3.2 Chemisch/Physikalisch Der chemische bzw. physikalische Verbund zwischen Gebirge und Ankerschaft wird je nach Eigenschaften des Verbundmaterials mit gewisser zeitlicher Verzögerung aufgebaut. 3.3.2.1 Anker- und Zementmörtel
3.2.2 Anker mit Teilstrecke ohne Verbund Anker mit Teilstrecke ohne Verbund (sog. Freispielanker) verfügen über einen Abschnitt zwischen Ankerkopf und Verbundelement, der sich bei Zugbeanspruchung ungehindert dehnen kann (Freispielstrecke). Im verankerten Bereich wird zwischen innerem (Grenzfläche Ankerschaft/Verbundmaterial) und äußerem Verbund (zwischen Verbundmaterial und Gebirge; siehe Abb. 1) unterschieden. 3.3 Art des Verbundes 3.3.1 Mechanisch Mechanische Anker sind sofort tragend, Reibkräfte koppeln Anker oder Verankerungselement und Gebirge. 3.3.1.1 Reibung (Vollverbund) Das Prinzip des sog. Reibankers beruht auf dem Verbund zwischen dem Ankerbohrloch und einem rohrförmigen Ankerschaft, der durch Aufbringen einer Normalkraft
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Im Unterschied zu herkömmlichem Zementmörtel zeichnet sich Ankermörtel durch verbesserte Gebrauchseigenschaften in Bezug auf die Frühfestigkeit aus, des Weiteren wird die Einbringung im Überkopfbereich durch die Fließeigenschaften des Mörtels erleichtert. Die Hauptausführungsform mörtelgebetteter Anker ist der sog. Füllmörtelanker oder SN-Mörtelanker, benannt nach dem ersten Einsatzort (Store Norfors in Skandinavien). Bei diesem Ankertyp wird der Mörtel mittels einer sog. Mörtelmischpumpe in ein vorab hergestelltes Ankerbohrloch eingebracht und der profilierte Ankerstab in das gefüllte Bohrloch eingeschoben. 3.3.2.2 Kunstharz Klebeanker finden hauptsächlich im Steinkohlenbergbau Verwendung, im Tunnelbau sind sie z. B. im asiatischen Raum weit verbreitet. Das Kunstharz wird zumeist in Patronenform in das vorab hergestellte Ankerbohrloch eingebracht. Der Einbau des Ankerstabs durch eine kontrollierte Eindrehbewegung in die Zweikomponenten-Klebepatronen führt zu einer Vermischung des
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Polyesterharzes (engl.: polyester resin) und des sog. Härters. Kunstharze und Beschleuniger sind für Spezialanwendungen in flüssiger Form (engl. pumped resins) erhältlich. Im Fall von Bergwasserzutritt in das Bohrloch werden wasserresistente Kunstharze verwendet. Weiters kommen auch Klebepatronen aus ZweikomponentenPolyurethanharz zur Gebirgsvergütung zum Einsatz, die beim Aushärten eine Volumenvergrößerung erfahren. 3.4 Form des Ankerschaftes
3.5.2 Glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK) Anker aus GfK werden in Form von Vollstab-, Hohlstab- oder Bündelankern dort eingesetzt, wo ein nachträgliches Entfernen der Anker aus dem Baugrund oder Gebirgsverband gefordert ist. Beispiele hierfür sind z. B. Ortsbrustanker im Tunnelbau oder Anker im Bereich des Streb-Strecken-Übergangs im Steinkohlenbergbau. Eigenschaften: leicht, mechanisch zerspanbar, korrosionsbeständig, hohe Zugfestigkeit bei geringer Schubfestigkeit.
3.4.1 Vollstab Vollstäbe werden meist unabhängig vom Bohrvorgang in das Bohrloch eingebracht. Die Werkstoffe wie auch die Oberfläche der Ankerstäbe sind den Gebirgseigenschaften anzupassen. 3.4.1.1 Glatt Glatte Oberflächen sind z. B. bei einigen nachgiebigen Ankersystemen in Verwendung. 3.4.1.2 Profiliert Bei profilierten Ankerschäften wird zwischen Walzprofilierung und gerollter Gewindeprofilierung unterschieden. Geschnittene Profile sollten vermieden werden. Spezielle Anforderungen werden an die Abstimmung zwischen Oberflächengeometrie, Verbundmaterialerhärtung und Belastungsgeschwindigkeit gesetzt11.
3.5.3 Holz Anker aus Holz kommen im modernen Berg- und Tunnelbau nicht mehr zum Einsatz. Vor der Anwendung von GfK-Ankern war die Verwendung im Steinkohlenbergbau jedoch durchaus üblich12. Eigenschaften: leicht, mechanisch zerspanbar, günstig, kurze Lebensdauer. 3.6 Art des Korrosionsschutzes Allgemein werden innerer und äußerer Korrosionsschutz unterschieden. Innerer Korrosionsschutz ist durch die Werkstoffeigenschaften des Ankerschaftes gegeben (z. B. höhere Stahlgüte, verzinkter Stahl, GfK etc.), äußerer wird beispielsweise durch konstruktive Maßnahmen wie Ummantelung mit einem Hüllrohr bzw. einer definierten Mörtelüberdeckung erreicht23. 3.7 Energieabsorptionsvermögen
3.4.2 Hohlstab (Rohr)
3.7.1 Starre Anker
Hohlstäbe mit der gleichen Querschnittsfläche wie Vollstäbe haben ein größeres Trägheitsmoment, sie werden v.a. bei Selbstbohrankersystemen verwendet.
erreichen bereits bei geringen Verschiebungen die Bruchlast.
3.4.3 Seil
können einerseits einen Ankerschaft aus besonders dehnfähigem Material haben oder sind durch ihre konstruktive Ausbildung zur Aufnahme großer Verschiebungsbeträge befähigt. Hierbei existieren z. B. nachgiebige Ankerköpfe oder Deformationselemente im Ankerschaft oder Verbundbereich. Anker werden je nach Gebirgsverhalten (z. B. Bergschlag vs. drückendes Gebirge) unterschiedlich schnell und stark belastet. Die Anpassung nachgiebiger Systeme an verschiedene Belastungsgeschwindigkeiten ist hierbei von großer Bedeutung.
Seile sind aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeiten und großen Bruchversschiebungsbeträge besonders als Ankerelemente geeignet. Außerdem können mit Seilankern sehr lange Anker hergestellt werden. Als Nachteile erweisen sich häufig der aufwendigere Setzvorgang oder die Kosten für den systematischen Einsatz sowie vor allem die Korrosion. 3.4.3.1 Einzelseil
3.7.2 Nachgiebige Anker
Einzelseilanker finden im untertägigen Hohlraumbau nur begrenzt Anwendung.
3.8.1 Bohrlocheigenschaften
3.4.3.2 Bündelanker werden v.a. für Langanker verwendet. Mittels geeigneter Spannverfahren können sehr hohe Lasten auf den Baugrund aufgebracht werden. 3.5 Material des Ankerschaftes 3.5.1 Stahl ist der dominierende Ankerwerkstoff. Je nach Art und Anwendungsgebiet kommen unterschiedliche Stahlsorten zum Einsatz. Eigenschaften: gut verformbar, definiertes Last-Verformungsverhalten, vergleichsweise günstig.
400
3.8 Ankersetzvorgang
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3.8.1.1 Standfest Standfeste Bohrlöcher erlauben im Allgemeinen eine größere Flexibilität bei der Wahl des Ankersystems, bevorzugt kommen hier kostengünstige Varianten zum Einsatz. 3.8.1.2 Nicht standfest Wenn der Einbau von Ankersystemen, bei denen die Herstellung des Ankerbohrlochs und der Ankereinbau getrennt erfolgen, aufgrund instabiler Bohrlocheigenschaften nicht möglich ist, kommen oft selbstbohrende Ankersysteme zum Einsatz (siehe nächster Abschnitt).
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3.8.2 Einbau des Ankerstabes 3.8.2.1 Mit dem Bohrvorgang Bei Selbstbohrankern erfolgen die Herstellung des Ankerbohrlochs und der Ankereinbau in einem Arbeitsschritt. Hierfür wird die Ankerstange als Bohrstange verwendet, als Bohrkopf kommt eine verlorene Ankerbohrkrone zum Einsatz. Einsparungen in der Installationszeit stehen hierbei erhöhten Materialkosten gegenüber. Eine Variante stellen gerammte Anker im Lockermaterial dar. 3.8.2.2 Unabhängig vom Bohrvorgang Vom Bohrvorgang entkoppelte Ankersysteme werden im Anschluss an die Herstellung des Ankerbohrlochs eingebaut, gegebenenfalls nach einer vorherigen Verfüllung mit einem Verbundstoff. 3.9 Verbundmaterial Das Medium zwischen Ankerschaft und Bohrlochwandung eines chemisch-physikalischen Verbundankers
wird in der Praxis als Verbundmaterial bezeichnet. Hier unterscheidet man nach Form des Verbundmaterials und Art des Einbringens. 3.9.1 Form 3.9.1.1 Patronenform Patronen mit Ein- oder Mehrkomponenten-Verbundmaterial sind zwar eine saubere und verfahrenstechnisch einfache Lösung, stellen aber höhere Einbauanforderungen (Bohrlochdurchmesser). 3.9.1.2 Flüssige Form Die verfahrenstechnisch etwas aufwendigere Form des Einbringens des Verbundstoffes in flüssiger Form kann für Zementmörtel und Kunstharz auch bei (geologisch bedingt) wechselndem Bohrlochdurchmesser erfolgen. Hauptvorteile von flüssigen Verbundmaterialien sind die geringeren Materialkosten sowie verkürzte Einbringzeiten.
SN-Mörtelanker / Klebeanker
Injektionsbohranker
(1) Ankermutter; (2) Kalottenankerplatte; (3) Ankerstab mit aufgerolltem Gewinde (angespitzt); (4) Ankermörtel (SN-Anker) oder Kunstharz (Klebeanker)
(1) Ankermutter; (2) Kalottenankerplatte; (3) Ankerstab (Hohlstab mit aufgerolltem Gewinde); (4) Ankermuffe; (5) Einwegbohrkrone; (6) Ankermörtel
Split-Set-Anker
Reibrohrexpansionsanker
(1) Ankerkopf (aufgeschweißt); (2) Kalottenankerplatte; (3) Geschlitztes Ankerrohr
(1) Setzhülse (aufgeschweißt); (2) Kalottenankerplatte; (3) :-förmiges Ankerrohr; (4) Endhülse (aufgeschweißt)
Spreizanker
Seilanker
(1) Ankermutter; (2) Kalottenankerplatte; (3) Ankerstab mit beidseitig aufgerolltem Gewinde; (4) Spreizkopf
(1) Ankerplatte ; (2) Spreizkeil; (3) Ankerlitze; (4) Rückhalteelement; (5) Ankermörtel
Abb. 2: Praxisgängige Ankersysteme im eingebauten Zustand (Modellgebirge) Abb. 2: Praxisgängige Ankersysteme im eingebauten Zustand (Modellgebirge)
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Tabelle 1: Klassifikationsmatrix häufig verwendeter Ankersysteme
Spreizanker Seilanker
x (x)
x
x (x)
x
x
x
x
x
x
(x) x
(x) x
x
x
x
x
x
x (x) (x) x
(x) x x
x
x (x) (x) x
x
x
x
x (x)
x
x
x
x (x) (x) x
x (x)
3.9.2.1 Während des Bohrvorgangs Durch spezielle Injektionsadapter kann während des Bohrvorgangs eine Verfüllung des Bohrlochs und Vergütung des umgebenden Gebirges mit Verbundmaterial erfolgen. 3.9.2.2 Nach dem Bohrvorgang Es gibt Ankersysteme, bei denen vor dem Ankersetzen eine Verfüllung des Bohrlochs erfolgt (z. B. SN-Mörtelanker), andere werden nach dem Ankereinbau verfüllt oder verpresst. 3.10 Druck beim Einbringen des Verbundmaterials 3.10.1 Verfüllen ist das drucklose Einbringen des Verbundmaterials bei – wenn nötig – gleichzeitiger Entlüftung des Bohrlochs. 3.10.2 Injizieren Das Einbringen des Verbundmaterials unter Druck dient der Verbesserung des Verbundes und bei manchen Gebirgsarten der Gebirgsvergütung. 3.11 Weitere Anforderungen Im Tunnelbau kann eine Stützung der Ortsbrust durch lange Ortsbrustanker erfolgen. Diese müssen bei jedem Abschlag gekürzt und wieder verspannt werden. Eine weitere Anforderung kann die Wiederausbaubarkeit von Ankersystemen sein.
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x
x (x) x x (x) x
x
x
x
x (x) x (x) (x) x
x
x
Festigkeit x
x
x
x
Wenig festes Gebirge
x
x
Mittelfestes Gebirge
x
(x) x
x
x (x) (x) x
x (x) x (x)
x
x (x) x
Festes Gebirge
x (x)
Instabiles Bohrloch
Nachbrüchiges Bohrloch
Standfestes Bohrloch
Bohrlochstabilität
Nachgiebigkeit Nachgiebig
x
x (x) x x
x (x) x
Starr
Verfüllen x
Verpressen
Entkoppelt vom Bohrvorgang
Mit dem Bohrvorgang
Flüssig
Patroniert
x
Lockermaterial
x
x (x)
Verbundmaterial
Ankerschaft x (x) x
x
x
x
Einbringen nach Bohrvorgang
Einbringen mit Bohrvorgang
x (x)
3.9.2 Art des Einbringens
402
Holz
Material des Ankerschaftes GfK
Stahl
x
Seil
Form des Ankerschaftes
x
Hohlstab (Rohr)
Vollstab
Art des Verbundes Chemisch/physikalisch
Mechanisch
x (x)
Split-Set-Anker Reibrohrexpansionsanker
Verbund x
(x) x x
Freispielanker
Vollverbund
x
Gebirgseigenschaften
Stark zersetztes Gebirge
Injektionsbohranker Klebeanker
Schlaff
SN-Mörtelanker
Verspannt
Vorgespannt
Vorspannung
Haupteigenschaften des Ankersystems
x (x) x (x)
x (x) x
x
x
x
x
x (x)
x
x (x)
4. Häufig verwendete Ankersysteme In Tabelle 1 werden die Haupteigenschaften einiger praxisüblicher Ankersysteme und ihre Haupteinsatzgebiete anhand einer vereinfachten Beschreibung der Gebirgseigenschaften aufgelistet. Typische Ausbildungen werden mit einem „x“, Sonderformen mit „(x)“ angezeigt. Abbildung 2 zeigt Schemaskizzen der in Tabelle 1 beschriebenen Auswahl praxisgängiger Ankersysteme im eingebauten Zustand (Modellgebirge) und benennt die Systemkomponenten.
5. Normen und Richtlinien In der Folge wird kurz auf derzeit gültige Normen und Richtlinien für Gebirgsanker eingegangen; besondere Aspekte dieser Dokumente werden im Anschluss an Tabelle 2 erläutert. Der Normentwurf ÖNORM EN ISO 22477-524 behandelt unterschiedliche, länderspezifische Prüfverfahren. In den „Suggested Methods for Rockbolt Testing”15 der ISRM wird die Prüfung von Gebirgsankern beschrieben, wobei ein Schwerpunkt auf Spreizanker gesetzt wird; die „Suggested Method for Rock Anchorage Testing“16 bezieht sich vornehmlich auf die Prüfung von Verpress ankern. ÖNORM EN 153723 befasst sich nur mit jenen Gebirgsankern, die auch als Verpressanker ausgeführt sind. Verpressanker finden heute im untertägigen Hohlraumbau (mit Ausnahme des Kavernenbaus) nur selten Anwendung. In Österreich gibt es keine Norm, in der Kriterien für Gebirgsanker definiert sind. Eine Richtlinie auf natio-
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Tabelle 2: Zusammenfassung relevanter Normen und Richtlinien in Bezug auf Gebirgsanker Gültigkeit
Abk.
Bezeichnung
International
ISO
(ÖNORM EN) ISO 22477-5 (Normentwurf) 01.07.2005 Geotechnical investigation and testing – Testing of geotechnical structures – Part 5: Testing of anchorages
ISRM Suggested Methods for Rockbolt Testing
Europa EN
Suggested Method for Rock Anchorage Testing (ÖNORM) EN 1537
Status
Titel
1975 --1985 ---
01.09.2000 Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Verpressanker Österreich RVS Richtlinien und Vorschriften für den 2004-08 RVS 8T – Technische Vertragsbedingungen Straßenbau Tunnelbau Deutschland DIN DIN 21521-1 1990-07 Gebirgsanker für den Bergbau und den Tunnelbau; Begriffe DIN 21521-2 1993-02 Gebirgsanker für den Bergbau und den Tunnelbau; Allgemeine Anforderungen für Gebirgsanker aus Stahl; Prüfungen, Prüfverfahren DIN 21522 1972-07 Ankerplatten für den Gruben- und Tunnelausbau NRW Ankergenehmigungs-Richtlinien 31.08.2000 Richtlinien über die Genehmigung von Ankerausbau im Steinkohlenbergbau Schweiz SIA SIA 198 01.10.2004 Untertagbau – Ausführung USA ASTM ASTM F 432 2004 Standard Specification for Roof and Rock Bolts and Accessories ASTM D 4435 2004 Standard Test Method for Rock Bolt Anchor Pull Test
naler Ebene, in der Anforderungen an Stützmittel und somit auch Gebirgsanker festgelegt sind, ist die RVS 8T – Technische Vertragsbedingungen Tunnelbau5. Darin werden allgemeine Anforderungen an Ankerungen, Ankerbohrlöcher, Ankerplatten sowie diverse Ankertypen (SN-Anker, Reibrohrexpansionsanker, Selbstbohranker und Verpressrohranker) festgelegt. Eine Besonderheit dieser Richtlinie ist die Hervorhebung der Bedeutung des Einflusses der Rippenfläche bei SN-Mörtelankern für den Einsatz im Tunnelbau, insbesondere im druckhaften Gebirge. Die RVS 8T legt fest, dass die bezogene Rippenfläche24 zwischen 0,02 und 0,04 zu liegen hat26. Im deutschen Sprachraum ist DIN 21521 die derzeit in Bezug auf Gebirgsanker am häufigsten angewendete Norm. Der erste Teil6 befasst sich mit Begriffsdefinitionen, Teil 27 geht auf allgemeine Anforderungen und Prüfverfahren ein. DIN 215228 wurde im Jahr 1972 herausgegeben und seitdem nicht mehr durch neuere Dokumente ersetzt. Diese Norm repräsentiert einen veralteten Stand der Technik, da sie sich nur auf Ankerplatten für Ankerstangen mit metrischem Gewinde bezieht. Im deutschen Steinkohlenbergbau haben zusätzlich die sog. Ankergenehmigungs-Richtlinien Gültigkeit17. SIA 19825 definiert Anker gemäß der konstruktiven Durchbildung und der Werkstoffe; Boden- und Felsanker werden allgemein als nicht vorgespannte Freispiel- oder Vollverbundanker definiert. ASTM F 4321 beinhaltet die Anforderungen an Systemkomponenten und Prüfverfahren, ASTM D 44352 die In-situ-Prüfung von Gebirgsankern.
6. Ausblick und aktuelle Entwicklungen Die Ankerung des Gebirges stellt ein wesentliches und i.Allg. systematisch verwendetes Verfahren zur Reduktion von Hohlraumrandverschiebungen und zur Stabilisierung des Gebirges dar. Nach wie vor steckt aber großes
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Entwicklungspotenzial in der Industrialisierung der Verfahren und Abläufe oder auch in der Verfahrensauswahl, um nur einige Beispiele zu nennen. Dazu gilt es auch Kriterienkataloge für die jeweiligen Einsatzgebiete und eine Verfahrenstechnik für ein rasches Reagieren auf die vorherrschenden Gebirgsverhältnisse weiterzuentwickeln. Die wichtigsten Treiber für Entwicklungen auf dem Gebiet der Ankertechnologie sind Fortschritte in der Bohrtechnologie und Optimierung der Ankermaterialien sowie der Informationstechnologie. In letzter Zeit haben Ankerhersteller eine Reihe von interessanten Neuentwicklungen auf den Markt gebracht. Hierbei nehmen die Themenbereiche Nachgiebigkeit, Oberflächengestaltung, Reduktion der Arbeitsschritte (Selbstbohranker; „One-Step-Systeme“) und Verkürzung bzw. Automatisierung des Ankersetzvorganges eine zentrale Stellung ein. Letztlich sollen die Anforderungen des Gebirges Motor in der Entwicklung neuer Ankertypen sein. Durch Kenntnis der Abläufe im Gebirge kann das Gebirgsverhalten besser verstanden und folgerichtig darauf reagiert werden. So gilt es, der Wirkungsweise der Ankerung noch tiefer auf den Grund zu gehen und praxistaugliche Dimensionierungsansätze weiterzuentwickeln.
Literaturverzeichnis ASTM International: ASTM F 432: Standard Specification for Roof and Rock Bolts and Accessories (2004). – 2 ASTM International: D 4435: Standard Test Method for Rock Bolt Anchor Pull Test (2004). – 3 Brady, B.H.G. und E.T. Brown: Rock Mechanics for Underground Mining. Kluiver Academic Publishers, Dortrecht (2002). – 4 Brux, G.: Anker im Tunnelbau. Tiefbau (2001) 779– 781. – 5 Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (Hrsg.): Richtlinien und Vorschriften für den Straßenbau: RVS 8T – Technische Vertragsbedingungen Tunnelbau (2004). – 6 Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 21521-1: Gebirgsanker für den Bergbau und den Tunnelbau – Begriffe (1990). – 1
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BHM, 153. Jg. (2008), Heft 10
