Vorgespannte und schlaffe Anker – worin sich die beiden Ansätze unterscheiden

Anker im Bergbau und im Tunnelbau beginnen nicht immer im selben Moment, das Gebirge zu verstärken. Die einen wirken praktisch unmittelbar nach dem Einbau auf das Gestein, indem sie eine definierte Vorspannung in das System einbringen. Die anderen erreichen ihre volle Wirksamkeit erst dann, wenn sich das Gebirge zu verschieben, abzulösen oder abzuscheren beginnt. Auf dieser Grundlage wird zwischen aktiver und passiver Ankerung unterschieden – im Fachsprachgebrauch zwischen vorgespannten (aktiven) und schlaffen (passiven) Ankern.

Die Unterscheidung bezieht sich nicht allein auf die Art des Ankerstabs oder des Verbundmaterials. Entscheidend ist die Art der Mobilisierung der Tragfähigkeit, also die Antwort auf die Frage: Wird die Kraft im Anker beim Einbau eingebracht, oder entsteht sie erst infolge der Gebirgsverformung?

Vorgespannte Anker – Wirkung ab dem Einbau

Die aktive Ankerung besteht darin, in den Anker eine kontrollierte Anfangskraft einzubringen – die Vorspannung. Nach der Verankerung des Stabendes wird der Anker gedehnt, und die Ankerplatte presst gegen die Oberfläche des Hohlraums. Dadurch entsteht im Gestein ein Druckzustand, noch bevor größere Verschiebungen auftreten.

Ein typisches Beispiel für ein vorgespanntes System ist ein mechanischer Anker – mit Spreizhülse oder Keilkopf –, der nach dem Setzen des Kopfes im Bohrloch mit einer Mutter angezogen wird. Auch Verbundanker können vorgespannt sein, wenn ein Teil des Ankers zunächst in einem schnell abbindenden Material fixiert und der Ankerstab anschließend gespannt wird, bevor der übrige Teil des Bindemittels abbindet oder bevor die vollständige Verpressung erfolgt.

Die Vorspannung bewirkt mehrere günstige Effekte:

• sie presst Gesteinsplatten und -blöcke an das stabilere Gebirge,
• sie begrenzt das Öffnen von Rissen und Trennflächen,
• sie erhöht die Reibung zwischen den Schichten,
• sie verringert die Möglichkeit des Blockgleitens,
• sie begrenzt die anfängliche Schichtablösung in der Firste,
• sie verbessert das Zusammenwirken von Stahlmatten und anderen Ausbauelementen mit der Hohlraumoberfläche.

Ein vorgespannter Anker muss also nicht warten, bis sich das Gestein deutlich zu bewegen beginnt. Seine Aufgabe ist es, der Entwicklung von Verformungen vom Einbauzeitpunkt an entgegenzuwirken.

Die Bedeutung des Anzugsmoments

In vielen vorgespannten Systemen wird die Anfangskraft durch das Anziehen einer Mutter aufgebracht. Das Drehmoment erzeugt dabei eine Axialkraft im Ankerstab. Der Zusammenhang lässt sich näherungsweise durch die Formel beschreiben:

F ≈ T / (K · d)

Dabei bedeuten:

• F die Axialkraft im Anker,
• T – das Anzugsmoment,
• d – den Gewindedurchmesser,
• K – einen vor allem von der Reibung abhängigen Beiwert; für trockene, saubere Gewinde wird üblicherweise K ≈ 0,15–0,25 angesetzt, häufig etwa 0,2.

Die Formel hat jedoch nur orientierenden Charakter. Dasselbe Anzugsmoment führt nicht immer zur selben Anfangskraft. Das Ergebnis wird unter anderem beeinflusst vom Zustand des Gewindes, vom Vorhandensein von Schmiermittel, von Korrosion, Verschmutzung, der Art der Mutter, der Gewindegeometrie, der Steifigkeit der Ankerplatte und der Reibung zwischen Mutter und Platte.

Das Anzugsmoment sollte deshalb nicht automatisch mit der tatsächlichen Ankerspannung gleichgesetzt werden. Erforderlich ist die Kalibrierung der konkreten Kombination aus Ankerstab, Mutter und Ankerplatte. In anspruchsvolleren Anwendungen wird die Anfangskraft direkt kontrolliert, zum Beispiel durch hydraulisches Spannen der Anker, Kraftmessscheiben oder Systeme zur Überwachung der Stabdehnung.

Ein zu geringes Anzugsmoment bedeutet eine unzureichende Vorspannung. Ein zu hohes kann dagegen zur Überlastung des Gewindes, zum Reißen des Ankers, zur Zerstörung der Spreizhülse, zur Verformung der Ankerplatte oder zum örtlichen Zerdrücken des Gesteins unter der Platte führen.

Schlaffe Anker – Mobilisierung der Tragfähigkeit durch Verformung

Ein schlaffer Anker wird beim Einbau nicht gezielt mit einer nennenswerten Axialkraft belastet. Seine Tragfähigkeit wird erst dann mobilisiert, wenn sich das Gestein gegenüber dem Anker zu verschieben beginnt.

Zu dieser Gruppe zählen vor allem viele über die gesamte Länge verklebte Anker. Der stählerne Ankerstab wird von ausgehärtetem Kunstharz oder mineralischem Mörtel umschlossen, der ihn mit den Bohrlochwänden verbindet. Unmittelbar nach dem Abbinden des Bindemittels kann die Spannung im Stab gering sein. Beginnen jedoch die Gesteinsschichten, sich voneinander zu lösen oder zu verschieben, wird die Verformung über das Bindemittel auf den Anker übertragen.

Die Last entwickelt sich dann über:

• Schubspannungen an der Grenzfläche Gestein–Verbundmaterial,
• Schubspannungen an der Grenzfläche Verbundmaterial–Ankerstab,
• Zug im Ankerstab,
• örtliche Biegung des Ankers an Trennflächen,
• das Zusammenwirken der Ankerplatte mit der Hohlraumoberfläche.

Passiv arbeiten auch Reibrohranker, die in ein Bohrloch mit etwas kleinerem Durchmesser als das Ankerrohr eingetrieben werden: Der Reibkontakt mit dem Gestein entsteht unmittelbar nach dem Einbau, eine nennenswerte Axialkraft übernimmt der Anker jedoch erst mit den Gebirgsverschiebungen.

Ein schlaffer Anker ist also kein untätiger oder weniger wirksamer Anker. Die Bezeichnung „schlaff“ beschreibt lediglich die Art, wie seine Tragfähigkeit aktiviert wird. Das System reagiert auf die Gebirgsverformung und übernimmt die Last mit deren Entwicklung.

Mobilisierung der Tragfähigkeit in beiden Systemen

Der wichtigste Unterschied zwischen aktiver und passiver Ankerung betrifft den Zusammenhang zwischen der Kraft im Anker und der Verschiebung des Gebirges.

Im vorgespannten System ist ein großer Teil der Axialkraft bereits nach Abschluss des Einbaus vorhanden. Die anfängliche Gesteinsverformung kann dadurch begrenzt werden. Schreiten die Verschiebungen fort, steigt die Kraft im Anker über den Wert der Vorspannung hinaus.

Im schlaffen System ist die Anfangskraft klein, und ihr Anwachsen erfordert eine Relativverschiebung zwischen Gestein und Anker. Die Eigenschaften des Systems hängen daher nicht nur von der Festigkeit des Ankerstabs ab, sondern auch von der Steifigkeit des Bindemittels, der Verankerungslänge, der Qualität der Harzdurchmischung, der Verfüllung des Ringraums und dem Verbund mit dem Gestein.

In der Praxis ist die Grenze zwischen beiden Gruppen nicht immer völlig eindeutig. Ein Anker kann beim Einbau teilweise vorgespannt werden und anschließend zusätzliche Tragfähigkeit auf passive Weise entwickeln. Ein Beispiel sind über die gesamte Länge verklebte Anker mit angezogener Mutter und Ankerplatte. Das anfängliche Anziehen sorgt für einen gewissen Anpressdruck, während die weitere Last über die Bindemittelschicht übertragen wird.

Einsatzbereiche vorgespannter Anker

Die aktive Ankerung ist besonders dort vorteilhaft, wo die Gesteinsbewegung schnell begrenzt werden muss. Das betrifft unter anderem:

• geschichtete, ablösungsgefährdete Firsten,
• durch deutliche Risse getrennte Gesteinsblöcke,
• Grubenbaue, in denen nur geringe Verschiebungen zulässig sind,
• Ausbauten, die ein sofortiges Anpressen der Stahlmatten erfordern,
• temporäre Installationen, in denen eine schnelle Tragwirkung benötigt wird,
• vorgespannte Anker und Zugglieder bei großen Spannweiten von Hohlräumen.

Der grundlegende Vorteil ist die sofortige stabilisierende Wirkung. Eine Einschränkung kann dagegen der Verlust der Vorspannung durch Kriechen des Gesteins, Verformung der Ankerplatte, Lockerung der Gewindeteile oder Verschieben der Spreizhülse sein.

Einsatzbereiche schlaffer Anker

Schlaffe Anker werden verbreitet als dauerhafte Gebirgsverstärkung eingesetzt, insbesondere wenn die Last über eine erhebliche Bohrlochlänge verteilt werden soll. Die Vollverklebung des Ankerstabs bietet Korrosionsschutz, begrenzt Spannungskonzentrationen und ermöglicht das Zusammenwirken von Anker und Gestein auf vielen Abschnitten.

Schlaffe Systeme bewähren sich besonders in:

• Grubenbauen mit mäßigen, sich allmählich entwickelnden Verformungen,
• zerklüftetem Gebirge, in dem viele Blöcke verbunden werden müssen,
• der dauerhaften Sicherung von Tunneln und Kammern,
• Systemen, die hohe Steifigkeit und guten Verbund erfordern,
• Verhältnissen, in denen eine Punktverankerung unsicher wäre.

Voraussetzung für die Wirksamkeit sind jedoch die korrekte Herstellung des Bohrlochs und der einwandfreie Verbund zwischen Anker und Gestein. Hohlräume im Bindemittel, unzureichende Durchmischung der Komponenten, ein zu großer Bohrlochdurchmesser oder das Vorhandensein von Wasser und Bohrklein können die Tragfähigkeit erheblich einschränken.

Die Systemwahl sollte sich aus dem Versagensmechanismus ergeben

Es lässt sich nicht sagen, dass die aktive Ankerung der passiven grundsätzlich überlegen wäre oder umgekehrt. Beide Ansätze beantworten unterschiedliche geotechnische Anforderungen.

Besteht die Hauptgefahr im schnellen Ablösen von Schichten oder im Gleiten von Blöcken, kann das sofortige Aufbringen der Vorspannung von Vorteil sein. Ist dagegen das Ziel, ein zerklüftetes Gebirge dauerhaft zu verbinden und Lasten über die gesamte Bohrlochlänge aufzunehmen, kann die Vollverklebung des Ankers die bessere Lösung sein.

In der Praxis werden häufig Hybridsysteme eingesetzt, die Vorspannung und vollständigen Verbund kombinieren. So lassen sich die sofortige Wirkung der aktiven Ankerung und die langfristige Fähigkeit der passiven Ankerung nutzen, mit der Gesteinsverformung anwachsende Lasten zu übernehmen.

Die endgültige Wahl sollte den geologischen Aufbau, die Orientierung der Trennflächen, die erwartete Größe der Verschiebungen, die Standzeit des Grubenbaus, die Wasserverhältnisse und die geforderte Nachgiebigkeit des Ausbaus berücksichtigen. Entscheidend ist nicht der Ankertyp an sich, sondern ob sein Wirkmechanismus dem tatsächlichen Verformungs- und Versagensmechanismus des Gebirges entspricht.