Wie Anker das Gebirge verstärken – die grundlegenden Mechanismen des Zusammenwirkens von Anker und Gebirge

Die Gebirgsankerung ist eines der grundlegenden Verfahren zur Sicherung untertägiger Grubenbaue, von Tunneln, Felsböschungen und Felseinschnitten. Im Unterschied zum klassischen Stützausbau, der die Last des sich verschiebenden Gebirges aufnimmt, verstärkt ein richtig ausgelegtes Ankersystem das Gebirge selbst. Seine Aufgabe ist es, die Entwicklung von Rissen, Verschiebungen und Schichtablösungen zu begrenzen, damit das Gestein einen möglichst großen Teil seiner natürlichen Tragfähigkeit behält.

Anker wirken jedoch nicht nach einem einzigen, universellen Mechanismus. Je nach Aufbau des Gebirges, Orientierung der Klüfte, Länge und Abstand der Anker, Art ihrer Verankerung und Spannungsniveau können sie gleichzeitig Gesteinsschichten zusammenspannen, die Reibung auf Trennflächen erhöhen, das Ablösen von Blöcken begrenzen und zur Bildung einer selbsttragenden Gebirgszone um den Hohlraum beitragen. In der Fachliteratur werden diese Mechanismen meist als Aufhängung, Balkenwirkung (Verbundbalken), Verzahnung (Verkeilung) der Blöcke und Ausbildung eines Druckgewölbes beschrieben.

Das Gebirge als System aus Blöcken, Schichten und Klüften

Ungestörtes Gestein kann eine hohe Druckfestigkeit aufweisen. In der Praxis hängt die Standfestigkeit eines Grubenbaus jedoch nicht nur von den Eigenschaften des Gesteinsmaterials selbst ab, sondern auch vom Vorhandensein von Trennflächen: Klüften, Schichtung, Rissen, Störungen, Schieferungsflächen oder Schichtgrenzen.

Nach dem Auffahren eines Hohlraums ändert sich der ursprüngliche Spannungszustand. Das Gestein in der Nähe des Ausbruchsrandes wird entlastet, und die Spannungen lagern sich um. Infolgedessen können auftreten:

• das Öffnen vorhandener Risse,
• das Verschieben von Blöcken gegeneinander,
• das Ablösen geschichteter Gesteinspakete,
• das Durchbiegen dünner Schichten in der Firste,
• das Herabfallen von Gesteinsbrocken und -platten,
• die Ausdehnung der Auflockerungszone um den Hohlraum.

Anker durchdringen diese Schwächeflächen und verbinden Gebirgsbereiche, die sich ohne Verstärkung unabhängig voneinander bewegen könnten.

Zusammenspannen von Gesteinsschichten – die Balkenwirkung

Einer der wichtigsten Wirkmechanismen von Ankern ist das Verbinden mehrerer Gesteinsschichten zu einem dickeren Paket, das wie ein Verbundbalken arbeitet. Das ist besonders in geschichteten, laminierten oder schiefrigen Gesteinen von Bedeutung, in denen die Firste aus vielen relativ dünnen Schichten bestehen kann.

Eine einzelne dünne Schicht besitzt nur eine geringe Biegesteifigkeit und biegt sich unter ihrem Eigengewicht und den um den Hohlraum wirkenden Spannungen leicht durch. Werden jedoch mehrere Schichten durch Anker wirksam zusammengespannt, beginnen sie wie ein einziges Element größerer Dicke zusammenzuwirken.

Der Steifigkeitszuwachs eines solchen Pakets ist deutlich größer, als es die einfache Addition der Steifigkeiten der einzelnen Schichten ergeben würde. Die Biegesteifigkeit einer Schicht wächst nämlich mit der dritten Potenz ihrer Dicke – im Idealfall ist ein Paket aus n wirksam verbundenen Schichten daher etwa n²-mal steifer als dieselben Schichten, wenn sie sich unabhängig voneinander durchbiegen. Voraussetzung ist allerdings, dass gegenseitiges Gleiten und Ablösen der Schichten begrenzt werden. Der Anker überträgt dann Zug- und Scherkräfte und hält den Kontakt zwischen den Schichten aufrecht.

Dieser Mechanismus wird mitunter mit einem zusammengepressten Stapel Papierblätter verglichen. Lose Blätter verschieben sich leicht gegeneinander und biegen sich durch. Werden sie fest miteinander verbunden, wird der gesamte Stapel deutlich steifer.

Die Wirksamkeit des Zusammenspannens der Schichten hängt unter anderem ab von:

• Verlauf und Abstand der Schichtflächen,
• dem Winkel, unter dem der Anker diese Flächen durchdringt,
• der Verankerungslänge,
• der Steifigkeit des Ankerstabs,
• der Qualität der Bohrlochverfüllung,
• dem Verbund an den Grenzflächen Ankerstab–Verbundmaterial und Verbundmaterial–Gestein.

Am günstigsten ist die Situation, in der der Anker mehrere potenzielle Trennflächen durchdringt und in einem stabileren Teil des Gebirges verankert ist.

Erhöhung der Reibung auf Trennflächen

Der zweite wesentliche Mechanismus ist die Erhöhung des Reibungswiderstands zwischen sich berührenden Gesteinsbereichen. Der Widerstand gegen ein Gleiten entlang eines Risses hängt unter anderem von der Kraft ab, mit der seine Flächen aufeinandergepresst werden.

Ein Anker, insbesondere ein vorgespannter Anker, kann eine Druckkraft in das Gebirge einleiten. Sie presst Blöcke und Schichten aneinander und erhöht dadurch die Reibung auf den Kontaktflächen. Um ein Gleiten auszulösen, ist dann eine größere Scherkraft erforderlich.

Qualitativ beschreibt diesen Zusammenhang das in der Boden- und Felsmechanik verwendete Mohr-Coulomb-Kriterium: Je größer die auf eine Trennfläche wirkende Normalspannung, desto größer kann ihre Scherfestigkeit sein. Eine Rolle spielen außerdem die Rauigkeit des Risses, seine Füllung, das Vorhandensein von Wasser und der Verwitterungsgrad der Flächen.

Ein Anker, der einen Riss durchdringt, kann einer Verschiebung auf zweierlei Weise entgegenwirken. Erstens presst er dessen Flächen aneinander und erhöht so die Reibung. Zweitens wird er selbst auf Abscheren und Biegung beansprucht, sobald sich die Blöcke gegeneinander zu bewegen beginnen – die sogenannte Dübelwirkung.

In der Praxis treten beide Erscheinungen gleichzeitig auf. In der Anfangsphase kommt der Vorspannung und der Reibung die größte Bedeutung zu, während nach größeren Verschiebungen der Anteil des unmittelbaren Scherwiderstands des Ankers zunimmt.

Begrenzung von Schichtablösung und Rissöffnung

Ein zerklüftetes Gebirge verliert seine Tragfähigkeit nicht nur durch das Gleiten von Blöcken, sondern auch durch das Öffnen von Rissen. Die Ablösung verringert die Kontaktfläche zwischen den Gesteinsbereichen, schränkt die Übertragung von Druckspannungen ein und erleichtert weiteres Ablösen.

Anker wirken diesem Prozess entgegen, indem sie die senkrecht zu den Rissflächen auftretenden Zugkräfte aufnehmen. Beginnt sich eine Schicht in der Firste vom darüberliegenden Gestein zu lösen, wird der Anker axial belastet. Seine Aufgabe ist es, diese Verschiebung zu begrenzen und das Gefüge des Gebirges möglichst geschlossen zu halten.

Besonders günstig ist die Vollverklebung des Ankers über die gesamte Bohrlochlänge. Die durchgehende Verbindung zwischen Ankerstab und Gestein ermöglicht die Lastübertragung an vielen Stellen und nicht nur am Ende der Verankerung. Dadurch können örtliche Gesteinsverschiebungen über die gesamte Ankerlänge begrenzt werden.

Die Vollverklebung verringert zudem das Risiko großer Spannungskonzentrationen in einem einzelnen Bereich. Die Last verteilt sich auf aufeinanderfolgende Abschnitte des Ankerstabs, das Verbundmaterial und das umgebende Gestein.

Das bedeutet jedoch nicht, dass jeder Anker die Gebirgsbewegung vollständig ausschließt. Viele Systeme übernehmen nennenswerte Lasten erst, nachdem eine geringe Verschiebung eingetreten ist. Für die Standfestigkeit ist entscheidend, diese Bewegung auf ein Maß zu begrenzen, bei dem sich keine unkontrollierte Bruchzone entwickelt.

Bildung einer selbsttragenden Gebirgszone

Systematisch gesetzte Anker können um den Hohlraum eine verstärkte Gebirgszone entstehen lassen. Gesteinsbereiche, die sich ohne Sicherung wie unabhängige Blöcke verhalten würden, beginnen als größere Struktur zusammenzuwirken.

In der Firste kann diese Zone die Form eines Gesteinsbalkens oder eines Gewölbes annehmen, das als Druckgewölbe bezeichnet wird. Die Lasten werden dann zwischen benachbarten Gebirgsbereichen übertragen und zu den stabileren Bereichen an den Seiten des Hohlraums geleitet.

Der Begriff „selbsttragende Gebirgszone“ bedeutet nicht, dass die Anker keine Last mehr tragen. Im Gegenteil – erst die Anker machen diese Struktur möglich. Ihre Aufgabe ist es, den mechanischen Zusammenhalt des Gebirges aufrechtzuerhalten, Verformungen zu begrenzen und den Verlust der gegenseitigen Verzahnung der Blöcke zu verhindern.

Unter günstigen Bedingungen kann die verstärkte Gesteinsschicht Lasten überwiegend über Druck abtragen, was für die meisten Gesteine ein deutlich günstigerer Beanspruchungszustand ist als Zug. Anker helfen somit, die Art der Gebirgsverformung zu verändern: Statt des freien Ablösens einzelner Blöcke entsteht ein geschlosseneres Gefüge zusammenwirkender Elemente.

Aufhängen der Schichten am stabileren Gebirge

Unter bestimmten Bedingungen wirkt der Anker auch als Element, das eine geschwächte Schicht am tiefer im Gebirge liegenden Gestein aufhängt. Damit dieser Mechanismus wirksam ist, muss der Anker die Auflockerungszone durchdringen und hinter der potenziellen Ablösefläche ausreichend verankert sein.

Das Aufhängemodell ist relativ anschaulich, sollte jedoch nicht als einzige Erklärung der Wirkungsweise des Ankerausbaus verstanden werden. In vielen Grubenbauen gibt es keine scharfe Grenze zwischen einer völlig gelösten Schicht und ungestörtem Gebirge. Häufiger liegt eine Zone mit sich allmählich änderndem Zerklüftungsgrad vor.

Eine korrekte Analyse sollte daher sowohl das Aufhängen potenziell instabiler Blöcke als auch die Verstärkung der gesamten den Hohlraum umgebenden Zone berücksichtigen.

Die Bedeutung von Vorspannung und Einbauzeitpunkt

Anker lassen sich unter anderem in schlaffe und vorgespannte Systeme unterteilen. Schlaffe (nicht vorgespannte) Anker erhalten nennenswerte Lasten vor allem infolge von Gesteinsverschiebungen. Vorgespannte (aktive) Anker werden beim Einbau angespannt und pressen das Gebirge von Beginn an zusammen.

Die Vorspannung kann das Öffnen von Rissen rasch begrenzen und die Reibung zwischen den Schichten erhöhen. Ihre Wirksamkeit hängt jedoch von der korrekten Kraftübertragung über Ankerplatte, Ankerkopf und Gesteinsoberfläche ab. Ist das Gestein unter der Ankerplatte schwach, zerklüftet oder uneben, kann ein Teil der Vorspannkraft durch örtliches Zerdrücken und Verformen verloren gehen.

Ebenso wichtig ist der Einbauzeitpunkt. Kurz nach dem Auffahren gesetzte Anker begrenzen die Entwicklung von Verschiebungen, bevor sich die Risse deutlich öffnen. Ein verspäteter Einbau kann bedeuten, ein Gebirge zu verstärken, das seinen Zusammenhalt und die Fähigkeit seiner Blöcke zur gegenseitigen Verkeilung bereits teilweise verloren hat.

Zusammenwirken mehrerer Mechanismen

Im realen Gebirge treten die beschriebenen Mechanismen selten getrennt auf. Ein und derselbe Anker kann gleichzeitig:

• mehrere Schichten zusammenspannen,
• dem Öffnen eines Risses entgegenwirken,
• Anpressdruck und Reibung erhöhen,
• Scherlasten übertragen,
• einen Gesteinsblock aufhängen,
• an der Bildung eines Balkens oder Druckgewölbes mitwirken.

Welcher Mechanismus dominiert, hängt von der örtlichen Kluftgeometrie und der Entwicklung der Verschiebungen ab. Deshalb darf sich die Bemessung der Ankerung nicht allein auf die Tragfähigkeit des einzelnen Ankers beschränken. Zu berücksichtigen sind auch Länge, Abstand, Bohrrichtung, Art der Verankerung, Nachgiebigkeit des Systems und die zu erwartende Gebirgsverformung.

Ein Anker mit sehr hoher Festigkeit bewirkt keine wirksame Verstärkung, wenn er zu kurz ist, falsch orientiert oder schlecht mit dem Gestein verbunden ist. Ebenso kann ein korrekt eingebauter Anker überlastet werden, wenn sein Abstand nicht der Größe und Anordnung der potenziell instabilen Blöcke entspricht.

Zusammenfassung

Die Ankerung verstärkt das Gebirge vor allem dadurch, dass sie seinen Zusammenhalt und seine Fähigkeit erhält, Lasten gemeinsam abzutragen. Anker spannen Gesteinsschichten zusammen, erhöhen die Reibung auf Trennflächen, begrenzen das Öffnen von Rissen und verhindern, dass sich Blöcke unabhängig voneinander bewegen.

Ein richtig angeordnetes Ankersystem kann die Auflockerungszone um einen Hohlraum in ein geschlosseneres, selbsttragendes Gefüge verwandeln. Das Gestein ist dann nicht mehr nur eine Last, die auf den Ausbau wirkt – es wird zum wichtigsten tragenden Element des Gesamtsystems.

Die Wirksamkeit der Ankerung ergibt sich somit nicht allein aus der Festigkeit des Stahls oder des Verbundwerkstoffs. Entscheidend ist die Qualität des mechanischen Zusammenwirkens von Anker, Verbundmaterial und Gebirge – vom Einbau bis zum Erreichen des angestrebten Belastungszustands.