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(11) | EP 1 436 489 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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VERSCHLUSSSTOPFEN UND VERFAHREN ZUM VERSCHLIESSEN VON UNTERTÄGIGEN HOHLRÄUMEN CLOSURE SEALS AND METHOD FOR CLOSING UNDERGROUND CAVITIES BOUCHON DE FERMETURE ET PROCEDE DE FERMETURE DE CAVITES SOUTERRAINES |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft einen Verschlussstopfen gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen gemäß dem zweiten Patentanspruch.
[0002] Gefährliche Abfälle, insbesondere hochtoxische und radioaktiv strahlende Abfälle, werden in Berkwerken untertage deponiert und endgelagert, so dass sie auf Dauer zuverlässig von der Umwelt isoliert sind. Üblicherweise werden die Abfälle, die in Fässern,Trommeln oder in sonstigen Gebinden enthalten sind, in eine Kaverne des Bergwerkes gebracht. Ist der Nutzraum der Kaverne erschöpft, kann der Freiraum zwischen den Gebinden mit festem Material ausgefüllt werden, so dass eine ausreichende Druckfestigkeit des Bergstocks wiederhergestellt und ein Deckeneinbruch der Kaverne vermieden wird. Anschließend wird die Kaverne wasserdicht verschlossen.
[0003] Zum Verschließen der Kaverne wird zunächst eine erste Trennschicht, die als statisches Widerlager dient, zwischen der verfüllten Kaverne und dem angrenzenden Stollen hergestellt (siehe DE-A-4 130 658, DE-A-4 130 658). Das Widerlager kann aus einer Mauer, beispielsweise aus einer Ziegelsteinmauer, bestehen. Alternativ kann das Widerlager aus Fertigelementen, etwa aus Beton, gefertigt werden. An das erste Widerlager schließt sich eine Verfüllung des Stollens mit einem bindigen Material an. Bentonit ist das für diesen Zweck am besten geeignete bindige Material; prinzipiell sind jedoch auch Ton- oder Lehmmaterialien brauchbar. Die Verfüllung wird bevorzugt aus Formsteinen hergestellt. Verdichtete Schüttungen des bindigen Materials sind jedoch ebenfalls einsetzbar. Die Verfüllung wird von einem Hilfswiderlager begrenzt, das ähnlich wie das erste Widerlager bespielsweise als Trockenmauer erstellt werden kann. Bindiges Material, insbesondere Bentonit, quillt bei einer Wasseraufnahme auf und vergrößert sein Volumen dabei beträchtlich. Durch die Vergrößerung des Volumens wird ein Druck aufgebaut. Dieser Effekt wird genutzt, um eine dauerhafte Dichtwirkung des Verschlussstopfens zu erzielen. Die Widerlager verhindern dabei, dass sich der quellende Bentonit in Richtung auf die Kaverne oder den Stollen ausdehnt. Die Wasseraufnahme soll im normalen technischen Einsatz durch Grubenwasser erfolgen. Für Versuchsstrecken wird der Verschlussstopfen mit Druckwasser beaufschlagt. Die beiden Widerlager müssen dabei dem mechanischen Druck, der sich beim Aufquellen des bindigen Materials einstellt, standhalten. Das zweite Widerlager muß in wasserdurchlässiger Form erstellt werden, damit der Bentonit durchfeuchtet werden kann.
[0004] Ein Verschlussstopfen der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen ist aus dem Manuskript eines Vortrags zum 5. Statusgespräch zu FuE-Vorhaben auf dem Gebiet der Entsorgung gefährlicher Abfälle in tiefen geologischen Formationen (Leipzig, 15./16.05.01) bekannt. Das Manuskript ist in Wissenschaftliche Berichte FZKA-PTE Nr. 7: "Untertägige Entsorgung" der Projektträgerschaft Wassertechnologie und Entsorgung (PtWT+E, Juli 2001) unter dem Titel "Langzeitstabile Streckenverschlussbauwerke im Salinar", Seiten 393 bis 437, veröffentlicht.
[0005] In diesem Manuskript wird über ein Versuchsverschlussbauwerk in einer ehemaligen Kali- und Steinsalzgrube berichtet. Das Verschlussbauwerk besteht kavernenseitig aus einem statischen Widerlager aus Salzformsteinen, die als Trockenmauerwerk eingebaut wurden. Alternativ werden Trockenmauern aus Naturwerksteinen, insbesondere aus Basalt, als geeignet bezeichnet. An das statische Widerlager schließt sich eine Ausmauerung aus Bentonit-Formsteinen an. Daran schließt sich ein permeables Hilfswiderlager an, das aus einer den Bentonit-Formsteinen benachbarten Trockenmauer aus Filtersteinen und einer das Bauwerk abschließenden Salzbetonverfüllung besteht. Innerhalb des Hilfswiderlagers ist zwischen der Trockenmauer aus den Filtersteinen und der Salzbetonverfüllung eine verdichtete Sandschicht eingeschlossen (Bild 8). In diese Sandschicht wurden Druckbeaufschlagungsrohre, Druckmessdosen und Füllstandssensoren eingebaut. Die kavernenseitig an die verdichtete Sandschicht anschließende Trockenmauer aus Filtersteinen ist in der Weise aufgebaut, dass die Druckbeaufschlagung der Bentonit-Formsteine durch das Wasser mittig erfolgt. Die Sandschicht kann daher den Druck nicht flächig verteilen.
[0006] Problematisch bei diesen Verschlussstopfen und dem Verfahren zum Verschließen von untertägigen Hohlräumen ist, dass sich infolge von inhomogenen Feuchtefronten inhomogene Druckverhältnisse im bindigen Material ausbilden können und deshalb die gewünschte Dichtigkeit nicht immer gewährleistet ist. Wenn Wasser an einer Schachtwand die zweite Trennschicht durchdringt, ist es leicht möglich, dass das Wasser sich auch in dem Raum, der mit dem bindigen Material gefüllt ist, nahe der Schachtwand weiter ausbreitet und an dieser Stelle das bindige Material zuerst und am stärksten aufquellen lässt. Dadurch ergibt sich eine ungleichmäßige Druckverteilung, die zu einer ungleichen Wasserverteilung (sogenanntes Fingering) führt. Als Folge davon können Wasserwegigkeiten, also Wasser- "Kanäle" in dem aufgequollenen bindigen Material entstehen, so dass die befüllte Kaverne nicht sicher gegen einen Wassereinbruch geschützt ist. Weiterhin besteht die Gefahr, dass nicht mehr tolerierbare Wanddrücke entstehen. Diese Effekte wurden auch als Ergebnis des Versuches beobachtet.
[0007] Ein ähnlicher Effekt ergibt sich, wenn sich infolge von Inhomogenitäten im bindigen Material nach Wasserzutritt inhomogene Drücke aufbauen. Solche Inhomogenitäten können von einer ungleichmäßigen Trockenfeuchte und/oder einer ungleichmäßigen Verdichtung des bindigen Materials beim Einbau herrühren oder aber beim Nachgeben einer oder beider Trennschichten auftreten.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen ungleichmäßigen Druckverhältnisse bei oder nach der Wasseraufnahme des bindigen Materials zu vermeiden oder zumindest zu minimieren.
[0009] Die Aufgabe wird ausgehend von einen Verschlussstopfen der eingangs genannten Art mit dem im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs beschriebenen Merkmal gelöst. Sie wird weiterhin gelöst durch das in Anspruch 2 beschriebene Verfahren. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens an.
[0010] Erfindungsgemäß wird ein Verschlussstopfen vorgeschlagen, der im wesentlichen aus drei Abschitten besteht: den beiden äußeren statischen Widerlagern und einem dazwischen angeordneten Abschnitt aus einem bindigen Material. Die Widerlager können wie an sich bekannt als Trockenmauer gestaltet werden. In Salzbergwerken bietet es sich an, Salzformsteine für das erste, kavernenseitige statische Widerlager zu verwenden. Dieses Widerlager kann jedoch auch in beliebig abgewandelter Form erstellt werden, solange es den Druck des bei Befeuchtung aufquellenden bindigen Materials aufnimmt. Eine erhöhte Druckbeständigkeit wird erzielt, wenn der Freiraum zwischen den Abfallgebinden in der Kaverne verfüllt wird und das statische Widerlager sich unmittelbar an die Verfüllung anschließt. Dieses statische Widerlager braucht nicht wasserdurchlässig zu sein; andererseits schadet eine Wasserdurchlässigkeit nicht, da der sich anschließende Abschnitt mit dem bindigen Material nach der Befeuchtung wasserdicht ist.
[0011] An das statische Widerlager schließt sich unmittelbar der Abschnitt mit dem bindigen Material, vorzugsweise dem Bentonit, an. Dieser Abschnitt kann aus Bentonit-Formsteinen aufgebaut werden; es ist aber auch möglich, Bentonit-Schüttungen etwa mit hydraulischen Geräten möglichst gleichmäßig zu verdichten.
[0012] Erfindungsgemäß ist es entscheidend, innerhalb des Bentonit-Abschnittes mindestens eine, besser mehrere Schichten vorzusehen, die aus einem Material bestehen, das eine Wasserdurchlässigkeit aufweist, die mindestens eine Größenordnung, das heißt, mindestens zehn mal größer, ist als die Wasserdurchlässigkeit des Bentonits oder des alternativ verwendeten bindigen Materials. Die Schicht muss in einem Winkel von 60° bis 90° zur Richtung des Wassereintritts angeordnet sein. Vorzugsweise ist sie im wesentlichen senkrecht, somit in einem Winkel von etwa 90° zur Wassereintrittsrichtung, ausgerichtet. Soll der Wassereintritt durch den Stollen erfolgen, muss die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90°, vorzugsweise senkrecht, zum Stollen angeordnet werden. Bevorzugt wird eine Anordnung, bei der innerhalb des Bentonits mehrere durch den Bentonit voneinander getrennte Schichten aus dem wasserdurchlässigeren Material angeordnet werden, die den Querschnitt des gesamten Schachtes ausfüllen. Die Schichten sollen somit jeweils in den Bentonit eingebettet sein. Von der Senkrechten (90°) deutlich abweichende Anordnungen der Schicht werden gewählt, wenn aus geologischen oder hydrologischen Gegebenheiten von vornherein mit einer ungleichmäßigen Wasserfront innerhalb des Bentonits gerechnet werden muss. Die Anordnung der Schicht erfolgt dann in einem solchen Winkel, dass über den gesamten Stollenquerschnitt die Wasserfronten möglichst gleichmäßig die Schicht erreichen.
[0013] Die Dicke der Schichten kann verhältnismäßig gering gewählt werden; eine Dicke von 2 bis 30 cm erscheint in der Regel ausreichend, insbesondere dann, wenn die Wasserdurchlässigkeit der Schichten erheblich höher ist als die Wasserdurchlässigkeit des anschließenden Materials.
[0014] Zur Herstellung dieser Schicht eignet sich insbesondere rolliges Material, das in der Lage ist, eine Saugspannung in der Schicht aufzubauen. Die Saugspannung soll vorzugsweise so bemessen sein, dass sie über die gesamte Fläche der Schicht reicht. Dann ist gewährleistet, dass sich das Wasser über die ganze Schicht verteilt, wodurch der Wasserfluss gleichförmig wird. Gut geeignet zum Aufbau der Schicht sind Kies oder Gemische aus Kies und Sand, die einen Feinanteil von 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% enthalten. Verwendbar ist alternativ jedoch auch anderes bindiges Material, solange die Wasserdurchlässigkeit entsprechend höher ist als die des benachbarten bindigen Materials. Wird als bindiges Material Bentonit verwendet, können als wasserdurchlässigeres Material durchaus Tone oder Lehm verwendet werden. Auch synthetische Materialien wie z. B. Mineralfasern sind zum Aufbau der Schicht einsetzbar. Ein Beispiel für ein geeignetes synthetisches Material ist Geotextil. Dieses Material hat den Vorzug, dass die Dicke der Schicht klein, beispielsweise zwischen 2 und 10 cm, gehalten werden kann. Schichtdicken im Bereich zwischen etwa 10 und 30 cm sollten vorgesehen werden, wenn die Schicht aus einem bindigen oder einem rolligen Material aufgebaut wird. Es versteht sich von selbst, dass auch Kombinationen der genannten Materialien einsetzbar sind, solange die geforderte Wasserdurchlässigkeit gewährleistet ist.
[0015] Die Herstellung der Schicht erfolgt in an sich bekannter Weise entsprechend dem verwendeten Material. Bei einigen Materialien kann es vorteilhaft sein, die Schichten bereits über Tage vorzubereiten und als Bauteile unter Tage zusammenzusetzen.
[0016] Der Zweck der Schichten ist, das in das bindige Material eindringende Wasser so zu verteilen, dass eine gleichmäßige Befeuchtung möglichst über den gesamten Querschnitt gegeben ist. Insbesondere können auf diese Weise Wasserwegigkeiten, die sich durch die Ausbildung von Perkolationstrichtern infolge des sogenannten "Fingering" ergeben können, vermieden werden. In gleicher Weise wird durch die senkrechten Schichten eine schnelle und vorauseilende Durchfeuchtung entlang der Kontur zum Gebirge und vor allem entlang der Sohle vermieden, da jede Schicht ungleichmäßige Wasserfronten erneut gleichmäßig verteilt.
[0017] Hierzu müssen die Schichten in Kontakt mit dem bindigen Material angeordnet werden und in dieses Material eingebettet sein. Dies ist bei der Sandschicht, die in dem oben genannten Manuskript beschrieben ist, nicht der Fall, so dass diese Sandschicht nicht in der erfindungsgemäßen Weise wirken kann.
- einem statischen Widerlager, das an den untertägigen Hohlraum grenzt und diesen verschließt,
- einer an das statische Widerlager anschließende Verfüllung aus einem bindigen Material mit einer ersten Wasserdurchlässigkeit kf(1),
- einem zumindest bereichsweise wasserdurchlässigen Hilfswiderlager, das die Verfüllung abgrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass- innerhalb der Verfüllung aus dem bindigen Material mindestens eine Schicht eines weiteren Materials in der Weise angeordnet wird, dass die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90° zu einer Wassereintrittsrichtung ausgerichtet ist und das weitere Material eine zweite Wasserdurchlässigkeit kf(2) aufweist, die mindestens eine Größenordnung höher ist als die Wasserdurchlässigkeit kf(1).
- Aufbau eines statischen Widerlagers, mit dem der untertägige Hohlraum verschlossen wird,
- Verfüllen eines Raumes, der sich außerhalb des Hohlraumes an das erste statische Widerlager anschließt, mit einem bindigen Material, das eine erste Wasserdurchlässigkeit Kf(1) aufweist, gekennzeichnet durch
- Anordnen mindestens einer Schicht aus einem weiteren Material, das eine zweite Wasserdurchlässigkeit kf(2) aufweist, innerhalb des bindigen Materials in der Weise, dass die Schicht in einem Winkel von 60° bis 90° zu einer Wassereintrittsrichtung angeordnet ist und das weitere Material so ausgewählt wird, dass seine Wasserdurchlässigkeit kf(2) mindestens eine Größenordnung höher ist als kf(1),
- Herstellen eines wasserdurchlässigen Hilfswiderlagers, das den verfüllten Raum abschließt.
bei dem die Schicht im wesentlichen senkrecht zu der Wassereintrittsrichtung angeordnet ist.
bei dem das weitere Material ein bindiges Material darstellt.
bei dem das weitere Material ein rolliges Material, das in der Lage ist, eine Saugspannung in der Schicht aufzubauen, darstellt.
bei dem das weitere Material ein synthetisches Material darstellt.
bei dem die Schicht aus dem weiteren Material mit einer Dicke von 2 bis 30 cm hergestellt wird.
bei dem die Schicht aus dem weiteren Material über Tage vorgefertigt wird.
bei dem die Schicht aus dem weiteren Material mit Sensoren, vorzugsweise mit Druck-, Temperatur- und/oder Feuchtesensoren bestückt wird.
- a static abutment which adjoins the underground cavity and closes same,
- a filling of a cohesive material having a first water permeability kf(1), said filling adjoining the static abutment,
- an auxiliary abutment which is water-permeable at least in regions and which delimits the filling,
characterised in that- inside the filling of the cohesive material is arranged at least one layer of an additional material, in such a way that the layer is aligned at an angle of between 60° and 90° relative to a water entry direction, and the additional material has a second water permeability kf(2) which is higher by at least one order of magnitude than the water permeability kf(1).
- constructing a static abutment by means of which the underground cavity is closed,
- filling a space, which adjoins the static abutment outside the cavity, with a cohesive material which has a first water permeability kf(1), characterised by
- arranging at least one layer of an additional material, which has a second water permeability kf(2), inside the cohesive material, in such a way that the layer is arranged at an angle of between 60°and 90° relative to a water entry direction, and the additional material is so selected that its water permeability kf(2) is higher by at least one order of magnitude than kf(1),
- producing a water-permeable auxiliary abutment which seals the filled space.
wherein the layer is arranged substantially perpendicular to the water entry direction.
wherein the additional material is a cohesive material.
wherein the additional material is a non-cohesive material which is capable of building up a suction tension in the layer.
wherein the additional material is a synthetic material.
wherein the layer of the additional material is produced with a thickness of 2 to 30 cm.
wherein the layer of the additional material is prepared in advance over days.
wherein the layer of the additional material is fitted with sensors, preferably with pressure, temperature and/or humidity sensors.
- un contre-appui statique qui délimite et obture la cavité souterraine,
- un remplissage faisant suite au contre-appui statique et fait d'un matériau cohésif présentant une première perméabilité à l'eau kf(1),
- un contre-appui auxiliaire délimitant le remplissage et perméable à l'eau au moins localement,
caractérisé en ce qu'à l'intérieur du remplissage en matériau cohésif, se trouve au moins une couche qui fait un angle de 60 à 90° par rapport à la direction d'entrée de l'eau, cette couche étant faite d'un matériau présentant une seconde perméabilité à l'eau kf(2), supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la perméabilité kf(1).
- réalisation d'un contre-appui statique qui obture la cavité souterraine,
- remplissage de l'espace faisant suite au premier contre-appui statique à l'extérieur de la cavité, par un matériau cohésif présentant une première imperméabilité à l'eau kf(1),
caractérisé en ce qu'- on réalise au moins une couche d'un autre matériau présentant une seconde perméabilité à l'eau kf(2) à l'intérieur du matériau cohésif, cette couche faisant un angle de 60 à 90° avec la direction d'entrée de l'eau, et son matériau étant choisi de manière que sa perméabilité à l'eau kf(2) soit supérieure à kf(1) d'au moins un ordre de grandeur, et
- on réalise un contre-appui auxiliaire pour obturer l'espace rempli.
caractérisé en ce que
la couche est essentiellement perpendiculaire à la direction de l'entrée de l'eau.
caractérisé en ce que
le second matériau est un matériau cohésif.
caractérisé en ce que
le second matériau est un matériau boulant capable de créer une tension de drainage dans la couche.
caractérisé en ce que
le second matériau est un matériau synthétique.
caractérisé en ce que
la couche du second matériau est réalisée avec une épaisseur de 2 à 30 cm.
caractérisé en ce que
la couche en second matériau est préfabriquée au jour.
caractérisé en ce que
la couche en second matériau est équipée de capteurs, de préférence de capteurs de pression, de température et/ou d'humidité.