Verfahren zum Herstellen eines Schachtes

Abstract

 Zur Herstellung eines nach dem Prinzip des gleitenden Ausbaus ausgebildeten Schachtes (1) wird im Schutze einer Bodenverfestigung durch Gefrieren die Auskleidung (12) im Zuge des Fortschreitens der Teufe hergestellt. Zugleich wird zur Bildung einer Gleitschicht (15) zwischen dem Gebirge (2) und der Auskleidung (12) eine pastöse Mischung aus einem Tonmineral und Wasser eingebrackt. Diese Mischung wird nach dem Einbringen durch Gefrieren in einen festen Aggregatzustand übergeführt, der während der Herstellung des Schachtes aufrecht erhalten wird, und schließlich nach Fertigstellung des Schachtes wieder in den pastösen Zustand zurückversetzt. Auf diese Weise wird über eine einfache Änderung des Aggregatzustandes des Materials der Gleitschicht (15) eine feste Verbindung zwischen der Schachtauskleidung (12) und dem Gebirge (2) herbeigeführt, wodurch die im Zuge der Teufe von oben nach unten wachsende Auskleidung (12) über die für die Länge der Bauzeit verfestigte Gleitschicht (15) am Gebirge (2) gehalten wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schachtes mit einer den Gebirgsdruck aufnehmenden Auskleidung und einer zwischen dieser und dem Gebirge angeordneten Gleitschicht im Schutze einer Bodenverfestigung.

[0002] Schachtbauwerke dieser _Art werden, ähnlich wie horizontal verlaufende Tunnelbauwerke, einerseits durch Kräfte infolge von äußeren Lasten und andererseits durch Zwangskräfte infolge von Bewegungen im umgebenden Boden beansprucht. Während die äußeren Lasten eine unabänderliche Vorgabe darstellen, können die Beanspruchungen aus Zwangskräften infolge von Bewegungen durch die Art der Konstruktion beeinflußt werden.

[0003] Zwangskräfte haben ihre Ursache entweder im Bauwerk selbst oder in dem dieses umgebenden Gebirge. Zwangskräfte aus dem Bauwerk entstehen zum Beispiel beim Schwinden des Betons der Auskleidung oder durch Temperaturunterschiede. Zwangsbeanspruchungen aus dem Gebirge folgen zum Beispiel aus Bodensetzungen. Im Bereich des Bergbaus sind die Zwangsbeanspruchungen der Bauwerke infolge von Bodenbewegungen besonders groß.

[0004] Der Abbau von Kohleflözen erfolgt in der Regel ohne Versatz des entstandenen Hohlraumes, so daß sich im Bereich des Abbaus und der Umgebung die gesamte Landschaft und die Bebauung Stück für Stück absenken. Die Beeinflussung der oberflächennahen Schichten erfolgt dabei wellenartig, entsprechend dem Fortschreiten der einzelnen Abbaufronten in der Tiefe. Dies äußert sich in Form von fortschreitenden Einzelsenkungsmulden mit örtlich unterschiedlichen Einsenkungen und horizontalen Pressungen bzw. Zerrungen als Folge der Muldenbildung. Im Lauf der Zeit erfaßt eine große Anzahl von Einzelwellen mit Senkungen und starken Horizontalbeanspruchungen wechselnden Vorzeichens jeden Punkt im Untergrund.

[0005] 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 Bodenverfestigung durch Vereisung abgeteuft.

[0006] Für die Herstellung der Auskleidung eines Schachtes sind vor allem zwei Konstruktionsprinzipien bekannt. Nach dem einen Prinzip wird eine aus Stahlbeton bestehende Auskleidung 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 des 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.

[0007] 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 den Nachteil, daß er verhältnismäßig teuer ist.

[0008] Auch der gleitende Schachtausbau erfolgt im Schutze einer Bodenvereisung, wobei im Zuge der Teufe zunächst ein Trockenmauerwerk als Hilfsausbau zur vorläufigen Sicherung des Gebirges eingebracht wird. Im tiefsten Bereich des Schachtes wird dann das Fundament für die eigentliche Auskleidung erstellt, die dann von unten nach oben fortlaufend als Sandwich-Konstruktion mit einem äußeren, dichtenden Stahlmantel und einem innenliegenden Stahlbetonschacht aufgeführt wird. Der Ringraum zwischen dem Hilfsausbau und der Auskleidung wird dabei mit Bitumen ausgefüllt. Dieses Bauverfahren erfordert gegenüber dem ersten Konstruktionsprinzip zusätzlich das Trockenmauerwerk als Sicherheitsausbau und bedingt eine erheblich längere Bauzeit, da die Auskleidung erst nach dem Abteufen und der Herstellung des Hilfsausbaus von unten nach oben ausgeführt werden kann. Die Verlängerung der Bauzeit hat eine weitere Verteuerung zur Folge, da während der gesamten Bauzeit die zur Aufrechterhaltung der Bodenvereisung erforderlichen Gefrieraggregate betrieben werden müssen.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sicherere und wirtschaftlichere Möglichkeit aufzuzeigen, um Schachtauskleidungen nach dem Prinzip des gleitenden Ausbaus herstellen zu können.

[0010] Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Auekleidung und die Gleitschicht im Zuge des Fort- sehreitene der Teufe hergestellt werden, wobei das die Gleitschicht bildende Material in pastösem Zustand eingebracht, nach dem Einbringen in einen festen Aggregatzustand übergeführt wird, der während der Bauzeit für die Herstellung der Auskleidung aufrecht erhalten wird und nach Fertigstellung des Schachtes wieder in den pastösen Zustand zurückversetzt wird.

[0011] Der Grundgedanke der Erfindung liegt somit darin, über eine Änderung des Aggregatzustandes des Materials der Gleitschicht eines gleitenden Ausbaus von pastös zu fest während des Bauzustandes eine schubfeste Verbindung zwischen der Auskleidung des Schachtes und dem Gebirge herbeizuführen. Dadurch ist es möglich, den jeweils fertiggestellten Teil der Auskleidung am Gebirge zu fixieren, so daß die Auskleidung im Zuge der Teufe von oben nach unten hergestellt werden kann.

[0012] Voraussetzung für den Aufbau eines hydrostatischen Druckzustandes ist, daß für die Gleitschicht ein Material verwendet wird, das zwar eine Kohäsion, aber keinen oder nur einen sehr kleinen Winkel der inneren Reibung besitzt. Solche Materialien verhalten sich bis zu einem bestimmten Grenzwert wie ein Festkörper, oberhalb dieses Grenzwertes jedoch wie ein plastischer Körper. Im Gegensatz dazu verhält sich beispielsweise Bitumen über den gesamten Beanspruchungsbereich wie ein plastischer Körper ohne Kohäsion. Diese Eigenschaften sind für den Bauzustand erforderlich, damit einerseits das Material nicht aus dem nach unten offenen Ringraum zwischen Gebirge und Auskleidung herausläuft und damit andererseits Kräfte von der Auskleidung auf das Gebirge übertragen werden können. Die Kohäsion kann durch Änderung des Aggregatzustandes des Materials der Gleitschicht infolge Kälteeinwirkung verändert, z.B. durch Temperaturerniedrigung gesteigert werden, bis eine ausreichende Festigkeit und ein zuverlässiger Verbund zum Gebirge vorhanden ist.

[0013] Ein Material mit diesen Eigenschaften ist zum Beispiel eine Mischung aus einem Tonmineral, wie Bentonit und Wasser; der Mischung können gegebenenfalls auch inerte Füllstoffe beigegeben werden, wie z.B. Gesteinsmehl, vornehmlich Quarzmehl, Kalksteinmehl oder dergleichen. Das Mischungsverhältnis der Komponenten wird dabei so gewählt, daß die pastöse Mischung in dem nach unten offenen Zwischenraum zwischen der Auskleidung und dem Gebirge durch die der Mischung eigene Kohäsion gehalten wird. Eine solche Mischung konsolidiert unter äußerem Druck, wobei sich als Funktion dieses Druckes ein bestimmter Wassergehalt einstellt. Mit dem Konsolidierungsvorgang ist zugleich eine Volumenverminderung verbunden. Wird die Mischung mit dem Wassergehalt eingebaut, der dem späteren Druckzustand entspricht, ist sie volumenkonstant. Ist der Wassergehalt jedoch größer, so verringert sich das Volumen der Mischung. Diese Eigenschaft ermöglicht auch eine Aufteilung der Erddrucklasten zwischen einem Sicherungsausbau und der eigentlichen Auskleidung. Zugleich ist die Auskleidung mit dem Sicherungsausbau gekoppelt, da, wenn die Verformungen des Sicherungsausbaus überproportional anwachsen, zusätzliche Druckkräfte über die Zwischenschicht auf die Auskleidung abgetragen werden.

[0014] Wenn kein Sicherungsausbau vorhanden ist, kann eine Umlagerung des Erddruckes von der Auskleidung auf den Boden dadurch erreicht werden, daß gezielt ein Betrag für die Konsolidierungsverformung vorgegeben wird. Dieser Betrag ist eine Funktion des Wassergehalts, der Schichtdicke, des Füllstoffanteils und der wirksamen Konsolidierungsspannung. Diese wiederum entspricht dem Erddruck, der nach erfolgter Lastumlagerung vorhanden ist.

[0015] Der Wassergehalt der Mischung und/oder die Dicke der Schicht werden deshalb zweckmäßig so gewählt, daß die einer vorgegebenen Teilentspannung des Gebirges entsprechenden Verschiebungen durch Konsolidierungsverformungen der Schicht eintreten können.

[0016] 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.

[0017] Die Vereisung des Materials der Gleitschicht kann der Einwirkung des äußeren Gefrierkörpers überlassen werden. - Sie kann aber auch 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 selbst Gefrierrohre für einen Kühlmittelkreislauf mitgeführt werden, die mit dem Fortschreiten des Ausbaus mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden.

[0018] Die Auskleidung kann aus Stahlbeton bestehen; sie kann dann mittels einer von einer Arbeitsbühne getragenen Gleitschalung fortlaufend oder mittels einer Kletterschalung abschnittsweise hergestellt werden. Die Auskleidung kann auch in axialer Richtung vorgespannt werden. Die Längsvorspannung soll dann derart gewählt werden, daß sowohl die Druckstauchung des Betons, als auch die Zugdehnung des Stahls ausgenützt werden.

[0019] Es ist auch möglich, an der Außen- und/oder Innenseite der Auskleidung einen dichten Mantel aus metallischem Material, vorzugsweise Stahl, anzuordnen. Schließlich kann die Auskleidung auch nur aus einem Stahlmantel bestehen.

[0020] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann sowohl ohne, wie oben beschrieben, als auch mit Hilfsausbau gearbeitet werden. Wenn aus Gründen der Sicherheit ein Hilfsausbau erforderlich sein sollte, eilt er der Herstellung der eigentlichen Auskleidung voraus.

[0021] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Schacht im Zuge der Herstellung und

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Vertikalschnitt durch einen Schacht mit Hilfsausbau.

[0022] Zur Herstellung eines Schachtes 1 gemäß der Erfindung wird zunächst im Lockerboden 2 in an sich bekannter Weise ein Gefrierkörper 3 erzeugt, in dessen Schutz dann die Teufe erfolgen kann. Die Teufe wird an der Geländeoberfläche 4 dadurch begonnen, daß ein oberer Kranz 5 aus Stahlbeton hergestellt wird, der die Schachtmündung 6 sichert und mit einem zylindrischen Ansatz 7 die Schachtwand vorgibt.

[0023] Die Teufe erfolgt in an sich bekannter Weise mittels eines Greifers 8 zunächst von der Geländeoberfläche 4, dann von einer Arbeitsbühne 9 aus, die an einem Zugseil 10 in den Schacht abgelassen wird. An der Arbeitsbühne 9 befindet sich eine ringförmige Schalung 11 für die Auskleidung 12 des Schachtes aus Stahlbeton. Die Schalung 11 umschließt jeweils einen ringförmigen Abschnitt 12' der Auskleidung 12 an der Innenseite, an der Außenseite und an der unteren Stirnseite. Sie kann nach Art einer Gleitschalung ausgebildet sein, die fortlaufend mitgezogen wird, oder auch nach Art einer Kletterschalung, die abschnittsweise umgesetzt wird. Die Ausbildung der Schalung 11 ist nicht Gegenstand der Erfindung.

[0024] Zwischen der Außenfläche der Auskleidung 12 und der Wandung 13 des Gebirges 2 verbleibt ein ringförmiger Zwischenraum 14, der im Zuge der Herstellung der Auskleidung 12 von oben nach unten mit einem Material ausgefüllt wird, das im Endzustand eine Gleitschicht 15 zwischen dem Gebirge 2 und der Auskleidung 12 bildet. Dieses Material besteht aus einer pastösen Mischung aus einem Tonmineral oder dergleichen, z.B. Bentonit und Wasser, der aus Kostengründen auch Füllstoffe, wie z.B. Gesteinsmehl, zugegeben sein können. Es wird jeweils vom oberen Ende des zuletzt hergestellten Abschnitts aus in den Zwischenraum 14 eingepreßt. Es verteilt sich darin, wird aber durch seine Kohäsion und die Adhäsion an der Auskleidung 12 bzw. an der Wandung 1.3 des Gebirges 2 daran gehindert, aus dem unten offenen Zwischenraum 14 auszutreten.

[0025] Die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel für die Mischung schafft die Voraussetzung dafür, daß das im Zuge des Herstellens der Auskleidung 12 eingebrachte Material der Zwischenschicht 15 im Zuge der Teufe ebenfalls vereist werden kann. Dies ist in Fig. 1 dadurch angedeutet, daß auf die Schalung 11 zunächst ein Bereich 15a von frisch eingebrachtem Material folgt, das sich im darüberliegenden Bereich 15b am Beginn des Gefrierens befindet. In dem darüberliegenden Bereich 15c ist es bereits gefroren und bildet so eine feste, tragfähige Verbindung zwischen der Auskleidung 12 und dem vereisten Gebirge 3.

[0026] Nach Erreichen der Teufe und Fertigstellung der Schachtsohle werden die Gefrieraggregate abgeschaltet, so daß mit dem Auftauen des Gefrierkörpers 3 auch das Material der Gleitschicht 15 auftaut und so die gewünschte Gleitfuge zwischen der Auskleidung 12 und dem Gebirge 2 darstellt. _-

[0027] In Fig. 2 ist in einer ähnlichen Darstellung wie in Fig. 1 noch angedeutet, wie im Zuge der Teufe und der Herstellung der Auskleidung 12 vorauseilend ein Hilfsausbau 16 mitgeführt wird. Der Hilfsausbau 16 wird in an sich bekannter Weise so hergestellt, daß nach Erreichen einer bestimmten Teufe eine Verbreiterung 17 in der Schachtwand 13 erzeugt wird, die als Fundament für einen Abschnitt 16' des gemauerten Hilfsausbaus 16 dient. Dieser Abschnitt 16' wird dann so weit hochgeführt, bis er an die Ausmauerung des darüberliegenden Abschnitts 16" heranreicht.

[0028] Dem Hilfsausbau 16 folgt dann die eigentliche Auskleidung 12, wobei das die Gleitschicht 15 bildende Material wiederum in den Zwischenraum 18 zwischen Hilfsausbau 16 und Auskleidung 12 eingepreßt wird. Im übrigen wird auch bei diesem Schachtausbau verfahrensmäßig in gleicher Weise gearbeitet wie bei dem vorbeschriebenen gleitenden Schachtausbau.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Schachtes mit einer den Gebirgsdruck aufnehmenden Auskleidung und einer zwischen dieser und dem Gebirge angeordneten Gleitschicht im Schutze einer Bodenverfestigung, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (12) und die Gleitschicht (15) im Zuge des Fortschreitens der Teufe hergestellt werden, wobei das die Gleitschicht (15) bildende Material in pastösem Zustand eingebracht, nach dem Einbringen in einen festen Aggregatzustand übergeführt wird, der während der Bauzeit für die Herstellung der Auskleidung (12) aufrecht erhalten wird und nach Fertigstellung des Schachtes 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 nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pastöse Material aus einer Mischung aus einem Tonmineral oder dergleichen, z.B. Bentonit und Wasser, besteht.

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

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischung inerte Füllstoffe, vornehmlich Gesteinsmehl, wie Quarzmehl, Kalksteinmehl oder dergleichen, beigegeben werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis der Komponenten so gewählt wird, daß die pastöse Mischung in dem nach unten offenen Zwischenraum (14) zwischen der Auskleidung (12) und dem Gebirge (2) durch die der Mischung eigene Kohäsion gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereisung des Materials der Schicht (15) in dieser mit dem Fortschreiten des Ausbaus mit Kühlflüssigkeit beaufschlagbare Leitungen mitgeführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (12) aus Stahlbeton besteht und mittels einer von einer Arbeitsbühne (9) getragenen Gleitschalung fortlaufend hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (12) aus Stahlbeton besteht und mittels einer von einer Arbeitsbühne (9) getragenen Kletterschalung abschnittsweise hergestellt wird.

1₀. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (12) in axialer Richtung vorgespannt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsvorspannung derart gewählt wird, daß sowohl die Druckstauchung des Betons, als auch die Zugdehnung des Stahls ausgenützt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außen- und/oder Innenseite der Auskleidung (12) ein dichter Mantel aus metallischem Material, vorzugsweise Stahl, angeordnet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (12) aus einem Stahlmantel besteht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Herstellung der Auskleidung (12) in an sich bekannter Weise ein der Herstellung der Innenauskleidung vorauseilender Hilfsausbau (16) mitgeführt wird und daß sich die Schicht (15) zwischen der Auskleidung (12) und dem Hilfsausbau (16) befindet.

Zeichnung