Entwicklung und Umsetzung eines flexiblen Kombi-Ausbausystems im Bereich der Tunnelsanierung

Für die Instandsetzung eines Förderstollens unter laufendem Betrieb in der Rio Tinto Kennecott Utah Copper (RTKC) Bingham Canyon Mine (Utah, USA) wurde ein Sanierungskonzept für Tunnelbauwerke in Form eines kombinierten Ausbausystems aus nachgiebigen Stahlprofilbögen und BULLFLEX® Stützschläuchen entwickelt und erfolgreich eingesetzt.

Gegenstand der Sanierung war der rund 4,5 km lange C6 Förderstollen, der im Jahre 1959 als Eisenbahntunnel mit einem Querschnitt von 5,5 x 7,5 m aufgefahren wurde und derzeit als Hauptförderstollen genutzt wird. Als Stützmittel wurden damals hufeisenförmige Ausbauprofilbögen im Abstand von 1 bis 2 m sowie eine Verbolzung und Holzverschalung im Ausmaß von 200 lfm pro Tunnelmeter eingebaut, die nachträglich hinterfüllt wurde. Im Sohlbereich waren zusätzlich punktuell Lastverteilerschienen als Auflager für die Ausbauprofilbögen vorgesehen. Abschließend wurde eine Ortsbetonschale mit einer Stärke von 25 bis 30 cm eingebracht, die im Laufe der Zeit mit Gebirgsankern, Gittermatten und Spritzbeton bereits mehrfach provisorisch saniert wurde.

Auf Grund fortschreitender Abbauaktivitäten im Tagebau wurden im C6 Förderstollen, insbesondere im Bereich von Störungszonen, Anfang 2014 erhebliche Schäden an der Betonschale sowie eine deutliche Zunahme der Verschiebungen der Tunnelröhre festgestellt. Der Förderstollen musste deshalb teilweise gesperrt werden, wodurch die unbedingt erforderlichen Wartungsarbeiten am Hauptförderband nicht mehr möglich waren. Deshalb wurde eine kurzfristige Sanierung der betroffenen Streckenabschnitte unter laufendem Förderbetrieb notwendig.

DSI Underground Systems, Inc. (DSI) wurde gemeinsam mit dem Kooperationspartner BuM Beton- und Monierbau GmbH (BuM) von dem mit der Ausarbeitung des Sanierungskonzepts beauftragten Ingenieurbüro Gall Zeidler Consultants LLC (GZ) hinsichtlich der Bereitstellung von technischen Planungsgrundlagen angefragt. DSI und BuM lieferten innerhalb kürzester Zeit die erforderlichen Informationen zur Erstellung eines effizienten und sicheren Vortriebs- bzw. Ausbaukonzepts. Wichtige Aspekte bei der Auslegung des Ausbaus waren eine Minimierung der Verringerung des offenen Querschnitts sowie die Möglichkeit des Einbaus unter laufendem Betrieb eines Gurtförderbandes im Stollen.

Des Weiteren war der Einsatz eines sofort tragenden Ausbaus gefragt, der gleichzeitig mit zunehmenden Konvergenzen ein hohes Maß an Nachgiebigkeit gewährleistet. GZ stellte dem Kunden RTKC innerhalb weniger Tage ein Sanierungskonzept vor, dessen Umsetzung der Kunde umgehend beauftragte.

Auf Empfehlung von GZ, BuM und DSI wurde hierfür folgendes Ausbaukonzept gewählt:

  • Stahlbogenausbau mit nachgiebigen Verbindungsschlössern im Bereich überlappender Segmente, Typ TH-25 und TH-29
  • BULLFLEX® Stützschläuche, Ø 3.200 mm

Das TH-System wurde bereits in den 1930er Jahren in Deutschland für den Einsatz in tiefliegenden Strecken mit großen Konvergenzen im Steinkohlenbergbau entwickelt wurde. Die Verbindung einzelner überlappender Bogensegmente erfolgt hier mittels Verbindungsschlössern. Die Bogenschlösser können in Abhängigkeit von Anzahl und Typ eine definierte Ausbaukraft aufnehmen, bis es zu einer kontrollierten Verschiebung der Segmente ineinander kommt, wodurch die Nachgiebigkeit des Systems gewährleistet ist. Im Zuge der Auslegung des nachgiebigen Kombiausbausystems für den Förderstollen C6 wurden auf die Ergebnisse von in-situ Messungen im deutschen Steinkohlenbergbau zurückgegriffen.

Der unter Druck bis 4 bar mit Baustoff gefüllte BULLFLEX® Stützschlauch gewährleistet einen kraftschlüssigen und sicheren Anschluss des Stahlausbaus mit dem Gebirge. Darüber hinaus werden punkförmige Belastungen verhindert und frühzeitige Entspannungsbewegungen minimiert. Durch die spezielle Filterwirkung des BULLFLEX® Gewebes wird das überschüssige Anmachwasser ausgetrieben und die eingebrachte Vorspannung bzw. aktive Stützwirkung bleibt erhalten.

Die wesentlichen Hauptmerkmale und Vorteile dieses kombinierten Ausbausystems lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Stahlbogenausbau mit nachgiebigen Verbindungsschlössern
  • Einfache Anpassung der Stahlprofilbögen an geometrische Unebenheiten
  • Kontrollierte Nachgiebigkeit im Fall von auftretenden Konvergenzen
  • Sofortige vollflächige Tragwirkung und Aufbringung aktiver Ausbaukräfte durch den Einbau von BULLFLEX® Stützschläuchen

Im DSI-Werk in Louisville wurden die Ausbauprofilbögen samt Lastverteilerschienen und verstärkten Fußkonstruktionen entsprechend der Planvorgaben hergestellt. Die Stahlbogensegmente und Bogenschlösser wurden außerhalb des Tunnels vorkonfektioniert und anschließend mittels eines Ausbaumanipulators nach unter Tage gebracht. Der Einbau erfolgte von einer abgehängten Arbeitsplattform aus unter Einsatz eines zweiten Ausbaumanipulators. Die BULLFLEX® Stützschläuche wurden vor Ort mit einem durch mobile Mischanlagen zur Verfügung gestellten Baustoff (Portlandzement und Flugasche) verfüllt. Zusätzlich zu den genannten Ausbaumaßnahmen wurden gleichzeitig Gittermatten und Anker eingebaut.

Das beschriebene Sanierungskonzept samt Kombiausbausystem wurde unmittelbar erfolgreich umgesetzt, womit der C6 Förderstollen wieder im vollen Umfang befahrbar und mittelfristig als gesichert betrachtet werden kann. DSI und BuM haben in Kooperation mit dem Kunden Rio Tinto, dem Bergbaudienstleister Cementation sowie dem verantwortlichen Ingenieurbüro GZ einen wichtigen Beitrag zur Wiederherstellung der Funktionstüchtigkeit eines für den laufenden Betrieb kritischen Grubengebäudes geleistet.

Quellen
Deutsches Institut für Normung,
DIN 21530-2 Ausbau für den Bergbau, Teil 2: Masse Bezeichnung und statische Werte, Mai 2003.
Deutsches Institut für Normung,
DIN 21530-3 Ausbau für den Bergbau, Teil 3: Anforderungen, Mai 2003. Nitschke, A.G. et al.: Innovative Rehabilitation of Existing Tunnels Under Minimum Impact on Operation. 2015 SME Annual Meeting, Preprint 15-131, Februar 2015.
Weber, H.:
Last- und Verformungsmessungen am Ausbau verschiedener Abbaustrecken. Glueckauf, Heft 7/8, 90. Jahrgang, Februar 1954
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