Der Anker als Element des Ausbausystems – kein eigenständiges Sicherungsmittel

Der Gebirgsanker wird oft als grundlegendes Element der Sicherung eines Grubenbaus dargestellt. Das ist richtig, aber nur zum Teil. Die bloße Anwesenheit eines Stahlstabes im Bohrloch bedeutet noch nicht, dass Firste oder Stoß wirksam gesichert sind. Der Anker muss ordnungsgemäß eingebaut, richtig mit der Gebirgsoberfläche verbunden und in das gesamte Ausbausystem eingebunden sein. Erst dann kann er Lasten aufnehmen, die Verschiebung von Gesteinsblöcken begrenzen und die Tragfähigkeit des umgebenden Gebirges mobilisieren.

In der Praxis ist der Ankerausbau ein System zusammenwirkender Elemente. Er umfasst nicht nur die Anker selbst, sondern auch Ankerplatten, Muttern, Stahlmatten, Stahlbänder, Spritzbeton, Abstützungen, Stahlbögen und weitere Oberflächenelemente. Jedes von ihnen erfüllt eine andere Funktion, und über die Wirksamkeit der Sicherung entscheidet ihr Zusammenspiel.

Der Anker verstärkt das Gebirge, sichert aber nicht die gesamte Oberfläche

Die Hauptaufgabe des Ankers besteht darin, Relativverschiebungen im Gebirge zu begrenzen. Er kann Gesteinsschichten zusammenspannen, Keile stabilisieren, Lasten über Trennflächen übertragen oder die Auflockerungszone mit dem tiefer liegenden, standfesteren Teil des Gebirges verbinden.

Die Wirkung eines einzelnen Ankers ist jedoch örtlich begrenzt. Der Anker reagiert wirksam auf Verschiebungen in seiner unmittelbaren Umgebung, schließt aber nicht den Raum zwischen benachbarten Ankerpunkten. Ist die Firstoberfläche stark zerklüftet, können sich von ihr kleine Gesteinsfragmente ablösen, auch wenn die größeren Schichten stabilisiert bleiben.

Aus diesem Grund sind zwei Aufgaben des Ausbaus zu unterscheiden: die Verstärkung des Gebirges und die Sicherung der Oberfläche des Grubenbaus. Die Anker sind in erster Linie für die erste Aufgabe zuständig. Stahlmatten, Spritzbeton und Stahlbänder – von den Ankerplatten angepresst – begrenzen dagegen das Ablösen von Gestein zwischen den Ankern.

Die Ankerplatte als Bindeglied zwischen Anker und Gebirgsoberfläche

Die Ankerplatte mag wie ein einfaches Zubehörteil wirken, doch ihre Bedeutung ist grundlegend. Über die Ankerplatte wird die Kraft aus dem Ankerstab auf die Gesteinsoberfläche, die Stahlmatte, das Stahlband oder die Spritzbetonschicht übertragen.

Eine zu kleine oder schlecht angepasste Platte kann sich in geschwächtes Gestein eindrücken, sich verbiegen oder den Kontakt mit einer unebenen Oberfläche verlieren. In einem solchen Fall kann der Anker korrekt im Bohrloch eingebaut sein und dennoch nicht die erwartete Kontrolle der Firstoberfläche gewährleisten.

In unebenem, stark zerklüftetem oder zum Zerbröckeln neigendem Gestein sind profilierte oder gewölbte Platten von Vorteil, ebenso Platten mit Elementen, die eine Anpassung an die Richtung des Ankerstabes ermöglichen. Eine größere Plattenfläche verringert die Flächenpressung auf das Gestein, erhöht aber zugleich die Anforderungen an ihre Steifigkeit. Ein großes, aber zu dünnes Blech kann sich leicht verformen und die Last nicht in vorhersehbarer Weise übertragen.

Wichtig ist auch das richtige Anziehen der Mutter. Eine zu geringe Anpresskraft lässt Spiel zwischen Platte und Oberfläche, während ein zu hohes Anzugsmoment das Gestein, das Gewinde oder die Platte selbst beschädigen kann. Bei vorgespannten (aktiven) Systemen ist die Anpresskraft Teil der beabsichtigten Vorspannung des Ankers. Bei schlaffen (passiven) Systemen kann ihre Bedeutung geringer sein, sie sollte aber weiterhin einen sicheren Kontakt der Oberflächenelemente gewährleisten.

Zusammenwirken von Ankern und Stahlmatten

Die Stahlmatte erfüllt eine Oberflächenfunktion. Sie hält kleine Gesteinsfragmente zurück, begrenzt deren Herabfallen in den Grubenbau und verteilt örtliche Lasten auf mehrere benachbarte Anker. Sie verstärkt das Gebirge jedoch nicht in der Weise, wie es Anker tun. Ohne ordnungsgemäße Befestigung bleibt sie lediglich eine lose Abdeckung.

Die Wirksamkeit der Matte hängt von ihrer Steifigkeit, der Festigkeit der Drähte, der Art der Verbindung der Mattenbahnen und der Befestigung an den Ankerplatten ab. Wichtig ist auch ein enges Anliegen an der Oberfläche. Große Hohlräume zwischen Matte und Gestein lassen abgelöste Fragmente Geschwindigkeit aufnehmen, bevor sie auf die Sicherung treffen. Unter solchen Bedingungen kann die dynamische Belastung von Matte und Ankern erheblich größer sein als bei engem Anliegen.

Die Überlappungen aufeinanderfolgender Bahnen sollten so ausgeführt werden, dass keine ungesicherten Lücken entstehen. An Stellen mit besonders ungünstiger Gebirgsstruktur kann die Matte durch Stahlbänder ergänzt werden. Die Bänder verbinden mehrere Ankerpunkte und übertragen linienförmige Lasten wirksamer – zum Beispiel entlang einer Kluft oder einer geschwächten Schicht.

Anker und Spritzbeton

Spritzbeton bildet eine durchgehende Oberflächenschicht, die das Ablösen kleiner Fragmente begrenzt, die Oberfläche vor Verwitterung schützt und das Zusammenwirken der einzelnen Ausbauelemente verbessert. In Verbindung mit Ankern kann er ein räumliches System bilden: Die Anker stabilisieren das Gebirge in der Tiefe, während die Spritzbetonschale seine Oberfläche kontrolliert.

Wichtig ist jedoch, Spritzbeton nicht als dekorative Schicht zu betrachten, die auf einen beliebig vorbereiteten Untergrund aufgetragen wird. Seine Tragfähigkeit hängt von der Dicke, der Qualität der Mischung, der Haftung am Gestein, der Bewehrung und den Erhärtungsbedingungen ab. Ein mit Staub, Wasser oder losen Fragmenten verunreinigter Untergrund kann die Haftung der Schale erheblich verringern.

Anker können vor dem Spritzvorgang oder nach dem Aufbringen der ersten Lage eingebaut werden. Die Reihenfolge der Arbeiten sollte sich aus der gewählten Technologie und den geologischen Verhältnissen ergeben. In schwachem, sich schnell auflockerndem Gebirge sollte die Zeit zwischen dem Freilegen der Oberfläche und dem Einbau der Sicherung möglichst kurz sein. Selbst ein gut ausgelegter Ausbau kann sich als unwirksam erweisen, wenn er erst nach der Entwicklung erheblicher Verformungen eingebaut wird.

Bei faserbewehrtem Spritzbeton kann die herkömmliche Matte teilweise oder vollständig ersetzt werden, doch ist das keine Regel. Die Wahl hängt von der erforderlichen Duktilität, den erwarteten Verschiebungen, der Art der Belastungen und dem zulässigen Rissverhalten der Schale ab.

Zusammenwirken mit Abstützungen und Stahlausbau

Unter schwierigeren geologischen Bedingungen kann der Ankerausbau mit Punktabstützungen, Stempeln, Holzkästen oder Stahlbögen kombiniert werden. Eine solche Lösung muss nicht bedeuten, dass die Anker unwirksam sind. Die einzelnen Elemente können unterschiedliche Belastungsarten aufnehmen und in verschiedenen Phasen der Verformung wirksam werden.

Anker begrenzen die Schichtablösung und die Ausdehnung der Auflockerungszone. Abstützungen bieten eine direkte Unterstützung der Firste, wirken jedoch nur an bestimmten Punkten. Der Stahlausbau bildet eine eher durchgehende Unterstützung entlang des Umfangs und kann erhebliche Lasten aufnehmen, erfordert jedoch einen ausreichenden Kontakt mit dem Gebirge. Hohlräume zwischen Bogen und Ausbruchskontur führen zu Spannungskonzentrationen und verzögern den Zeitpunkt, an dem die Konstruktion zu tragen beginnt.

Zwischen den Ausbaubögen eingebaute Anker können das Gestein in Bereichen stabilisieren, die der Bogenausbau allein nicht wirksam kontrolliert. Umgekehrt können Bögen Verformungen unter Bedingungen begrenzen, unter denen das Ausmaß der Verschiebungen die Möglichkeiten eines üblichen Ankersystems übersteigt.

In gemischten Systemen muss die Steifigkeit der einzelnen Elemente berücksichtigt werden. Ein sehr steifer Ausbau kann Lasten schnell aufnehmen, aber empfindlich auf große Verformungen reagieren. Ein nachgiebigerer Ausbau erlaubt kontrollierte Verschiebungen, erfordert jedoch eine ausreichende Tragfähigkeitsreserve und ein ausreichendes Energieaufnahmevermögen.

Das System ist nur so stark wie seine schwächste Verbindung

Die aus der Festigkeit des Stabes ermittelte Tragfähigkeit des Ankers ist nicht gleichbedeutend mit der Tragfähigkeit der gesamten Sicherung. Über das Versagen können das Reißen des Stahls, ein Versagen des Verbundes, das Herausziehen der Verankerung, eine Beschädigung des Gewindes, das Durchstanzen des Gesteins unter der Ankerplatte, das Zerreißen der Matte oder der Kontaktverlust zwischen den Elementen entscheiden.

Die Auslegung des Ausbaus sollte daher den gesamten Lastübertragungsweg umfassen: vom sich verformenden Gebirge über das Verbundmaterial und den Ankerstab bis zur Ankerplatte und zur Oberflächensicherung. Jedes dieser Elemente muss über eine ausreichende Tragfähigkeit, Steifigkeit und Verformungsfähigkeit verfügen.

Ebenso wichtig ist die Ausführungsqualität. Ein falscher Bohrlochdurchmesser, ein unzureichendes Durchmischen der Klebepatrone, das Anziehen der Mutter vor Ablauf der erforderlichen Abbindezeit, eine beschädigte Matte oder ungenau anliegende Ankerplatten können das System stärker schwächen als ein kleiner Fehler in den eigentlichen Bemessungsberechnungen.

Der Ausbau sollte als Ganzes reagieren

Der Anker ist keine eigenständige Firstunterstützung. Er ist eines der Elemente eines Systems, dessen Aufgabe es ist, die Verformungen des Gebirges so zu steuern, dass es einen möglichst großen Teil seiner eigenen Tragfähigkeit behält. Die Matte kontrolliert kleine Ablösungen, die Ankerplatte überträgt die Last, der Spritzbeton bildet eine durchgehende Schale, Abstützungen bieten örtliche Unterstützung, und der Stahlausbau kann die gesamte Kontur des Grubenbaus stabilisieren.

Ein gutes Ausbausystem besteht nicht im einfachen Hinzufügen weiterer Elemente. Es sollte so ausgelegt sein, dass sich die einzelnen Sicherungsmaßnahmen gegenseitig ergänzen, im richtigen Moment wirksam werden und ihre Tragfähigkeit im erwarteten Verformungsbereich behalten. Erst dann wird das Ankern zu einer tatsächlichen Verstärkung des Gebirges und nicht nur zum Einbau von Stahlstäben in Bohrlöcher.