Gebirgsankerung: Funktionsweise, Technologien und Bedeutung für die Sicherheit
Wie Gebirgsankerung funktioniert, die wichtigsten Anker- und Harztechnologien und warum die korrekte Montage für die Sicherheit unter Tage entscheidend ist.
Die Gebirgsankerung ist eines der grundlegenden Verfahren zur Sicherung untertägiger Grubenbaue, Tunnel, Böschungen und tiefer Baugruben. Dabei werden geeignet ausgewählte tragende Elemente, sogenannte Anker, in Bohrlöcher in Fels oder Boden eingebaut; sie verstärken das umgebende Gebirge und begrenzen dessen Verschiebungen. Im Bergbau wird ein solches Sicherungssystem als Ankerausbau bezeichnet. Im Unterschied zu traditionellem Stützausbau, etwa Stahlbögen, stützen Anker nicht nur die Oberfläche des Hohlraums – sie binden vor allem das Gebirge selbst aktiv in die Lastabtragung ein.
Vorab sei angemerkt, dass zur Sicherung von Böschungen und tiefen Baugruben auch Verpressanker (vorgespannte, nach eigenen Regeln bemessene Elemente) sowie Bodennägel (passive Elemente) eingesetzt werden. Es handelt sich um verwandte Lösungen, die jedoch eigenen Normen und Berechnungsverfahren unterliegen – dieser Beitrag behandelt in erster Linie die Ankerung im Fels.
Die Hauptaufgabe der Ankerung besteht darin, zerklüftete, aufgeblätterte oder anderweitig geschwächte Gesteinspartien mit den stabileren Schichten im tieferen Gebirge zu verbinden. Richtig angeordnete Anker begrenzen das Öffnen von Klüften, das Verschieben von Gesteinsblöcken, das Ablösen von Firstschichten und lokale Firstfälle. In vielen Fällen bilden sie zusammen mit dem Gestein ein räumliches Tragsystem, das sich mit der Bewehrung von Betonkonstruktionen vergleichen lässt.
Wie funktioniert ein Gebirgsanker?
Ein Anker wird in der Regel in ein Bohrloch eingebaut, das in der Firste, im Stoß, in der Sohle oder an einer Böschungsfläche hergestellt wird. Je nach Bauart kann er punktuell verankert werden – zum Beispiel mit einer Spreizhülse – oder über seine gesamte Länge, mit Zementmörtel, Kunstharz oder einem anderen Verbundmaterial.
Nach dem Einbau nimmt der Anker die im Gebirge entstehenden Zug- und Scherkräfte auf. Beginnen sich Gesteinsschichten voneinander zu lösen, wirkt der Stahlstab bzw. das Zugglied dieser Bewegung entgegen. Bei Verbundankern wird die Last über die gesamte Kontaktlänge zwischen Ankerstab, Verbundmaterial und Bohrlochwand in das Gebirge übertragen. Diese Lösung bietet in der Regel eine hohe Tragfähigkeit, eine gute Spannungsverteilung und Unempfindlichkeit gegenüber lokalen Beschädigungen.
Eine wichtige Funktion übernehmen auch Ankerplatte und Mutter am herausragenden Ende des Ankers. Sie pressen die oberflächennahe Gesteinsschicht, Stahlmatten oder andere Sicherungselemente an. Die Ankerung kann für sich allein eingesetzt werden, wirkt jedoch sehr häufig in Kombination mit Matten, Spritzbeton, Stahlausbau oder Betonfertigteilen.
Die wichtigsten Ankertypen
Zu den einfachsten Lösungen zählen mechanische Anker, die mit einem Spreizelement im Bohrloch befestigt werden. Ihr Vorteil liegt in der schnell erreichten Verankerung und der Möglichkeit, den Anker unmittelbar vorzuspannen. Die Wirksamkeit eines solchen Systems hängt jedoch von der Gesteinsqualität in der Verankerungszone ab. In stark geklüftetem oder weichem Gebirge kann eine Punktverankerung unzureichend sein.
Sehr weit verbreitet sind Anker, die mit Klebepatronen (Kunstharzpatronen) gesetzt werden. Das Verbundmaterial wird meist in Form von Patronen geliefert – Folienhüllen, in denen die Komponenten Harz und Härter voneinander getrennt enthalten sind. Nach dem Einführen der Patronen in das Bohrloch zerreißt der rotierende Ankerstab die Hülle, vermischt die Komponenten und verteilt das Harz im Raum zwischen Stab und Bohrlochwand. Nach einer definierten Zeit härtet die Mischung aus und bildet einen dauerhaften Verbund.
Klebepatronen sind mit unterschiedlichen Abbindezeiten erhältlich. Schnell abbindende Patronen werden üblicherweise am Bohrlochtiefsten platziert, wo sie die sofortige Verankerung des Ankers sicherstellen sollen. Patronen mit längerer Aushärtezeit können den übrigen Teil des Bohrlochs füllen und so die Vollverklebung des Stabes ermöglichen. Diese Abfolge hat einen handfesten praktischen Nutzen: Sobald die schnelle Patrone am Bohrlochtiefsten abgebunden hat, kann der Anker durch Anziehen der Mutter vorgespannt werden, bevor die langsamere Patrone auf der restlichen Länge aushärtet. Der Anker trägt damit sofort und erreicht letztlich die volle Verklebung. Die Vollverklebung wirkt zugleich als Korrosionsschutz. Die richtige Patronenfolge, die Mischzeit, die Drehzahl und die Zeit, in der der Anker nach dem Mischen in Position gehalten wird (die sogenannte Haltezeit, engl. hold time), haben unmittelbaren Einfluss auf die Qualität der Verankerung.
Eine weitere Gruppe bilden zementvermörtelte Anker, die mit Mörtel im Bohrloch vergossen werden. Sie kommen häufig in Tunneln, im untertägigen Bauen und bei der Böschungssicherung zum Einsatz. Zementmörtel bietet einen guten Korrosionsschutz und einen dauerhaften Verbund zwischen Anker und Gebirge, bindet jedoch in der Regel langsamer ab, als Kunstharz aushärtet.
Unter schwierigen Bedingungen kommen auch Seilanker (Cable Bolts) zum Einsatz. Sie sind länger als typische Stabanker und können bis in tiefere, stabile Gebirgsbereiche reichen. Eingesetzt werden sie unter anderem in Kammern mit großen Spannweiten, an Streckenkreuzungen, in Tunneln mit großem Querschnitt sowie überall dort, wo die zerklüftete Zone eine erhebliche Mächtigkeit aufweist.
Eine eigene Kategorie bilden Reibrohranker, die allein durch Reibung an der Bohrlochwand halten. Sie existieren in zwei grundlegenden Bauformen: als längsgeschlitztes Stahlrohr, das in ein Bohrloch mit etwas kleinerem Durchmesser eingepresst wird, und als dünnwandiges, nach innen eingefaltetes Rohr, das im Bohrloch durch Wasserdruck aufgeweitet wird. In der Bergbaupraxis sind beide Bauformen vor allem unter den eingetragenen Markennamen einzelner Hersteller bekannt (u. a. Split Set® bzw. Swellex®), die umgangssprachlich als Bezeichnung für die gesamte Kategorie dienen. Die Vorteile von Reibrohrankern sind die sofortige Stützwirkung und ihre Fähigkeit, Gebirgsbewegungen mitzugehen; ihre Grenzen liegen in der im Allgemeinen geringeren Tragfähigkeit gegenüber Verbundankern und der höheren Korrosionsanfälligkeit.
Ein eigenes Thema sind nachgiebige (energieabsorbierende) Anker, die erhebliche Energiemengen aufnehmen und ihre Tragfähigkeit auch bei großen Gebirgsverschiebungen behalten können. Ihre Nachgiebigkeit wird durch ein eigens dafür vorgesehenes Konstruktionselement oder durch ein kontrolliertes Verformungsverhalten des Stabes erreicht; der Anker selbst kann dabei voll verklebt sein. Lösungen dieser Art sind besonders wichtig in Grubenbauen, die Gebirgsschlägen und dynamischen Gebirgsbeanspruchungen ausgesetzt sind.
Unter besonderen Bedingungen werden außerdem Selbstbohranker eingesetzt: Der Ankerstab dient zugleich als Bohrstange mit verlorener Bohrkrone, und das Verbundmaterial wird durch seinen durchgehenden Innenkanal zugeführt. Sie bewähren sich in schwachem, stark geklüftetem Gebirge, in dem das Bohrloch nicht standfest bleibt. Eine eigene Gruppe bilden Anker aus Verbundwerkstoffen (z. B. GFK), die dort gewählt werden, wo das gesicherte Gebirge später durchörtert wird – etwa in Durchschlagbereichen von Tunneln – oder wo die Korrosionsbeständigkeit entscheidend ist.
Die Auslegung des Ankersystems
Wirksame Ankerung lässt sich nicht auf die Wahl eines möglichst starken Ankers reduzieren. Das System muss auf den geologischen Aufbau, die Orientierung der Trennflächen, die Gesteinsfestigkeit, die Primärspannungen, die Wasserverhältnisse und die Geometrie des Hohlraums abgestimmt sein. Von Bedeutung sind Länge und Durchmesser des Ankers, der Bohrlochdurchmesser, der Bohrlochabstand, die Bohrrichtung (der Bohrwinkel), die Art des Verbundmaterials, die Verbundlänge und die erforderliche Nachgiebigkeit des Systems.
In geschichtetem Gebirge sollen Anker das Ablösen der Schichten begrenzen und diese zu einem gemeinsamen Tragbalken zusammenschließen. In blockigem Gebirge besteht ihre Aufgabe darin, einzelne Blöcke miteinander zu verbinden und das Herausgleiten von Felskeilen zu verhindern. Bei großen Verformungen kann der Einsatz nachgiebiger Anker erforderlich sein, die ihre Tragfähigkeit trotz der Gebirgsverschiebung behalten.
Die Auslegung sollte nicht nur die maximale Kraft berücksichtigen, die ein Anker aufnehmen kann, sondern auch seine Steifigkeit, sein Energieaufnahmevermögen, seine Dauerhaftigkeit und seine Korrosionsbeständigkeit. In feuchter, salzhaltiger oder chemisch aggressiver Umgebung ist der geeignete Schutz des Stahls für die langfristige Sicherheit von entscheidender Bedeutung.
Einbauqualität und Kontrolle
Selbst ein korrekt ausgelegter Anker kann die geforderte Tragfähigkeit verfehlen, wenn er schlecht eingebaut wird. Typische Probleme sind ein falscher Bohrlochdurchmesser, eine unzureichende Bohrlochreinigung, eine zu kurze oder zu lange Mischzeit des Harzes, die Beschädigung der Patronen beim Einführen, eine unvollständige Verfüllung des Ringraums sowie ein unzureichender Anpressdruck der Ankerplatte an die Gesteinsoberfläche.
Bei Klebepatronen ist es besonders wichtig, das richtige Verhältnis zwischen Bohrlochdurchmesser, Patronendurchmesser und Stabdurchmesser einzuhalten. Zu viel Raum um den Stab kann zu einer unvollständigen Durchmischung der Komponenten führen. Der Extremfall ist das als Gloving bekannte Phänomen: Die Patronenfolie wird nicht aufgerissen, sondern legt sich wie ein Handschuh um den Stab und trennt das nicht reagierte Harz vom Härter und von der Bohrlochwand – der Anker kann korrekt eingebaut wirken und dennoch die geforderte Tragfähigkeit verfehlen. Zu wenig Raum erschwert wiederum das ordnungsgemäße Einführen des Stabes und die Verteilung des Verbundmaterials.
Die Qualitätskontrolle kann Auszugsversuche, die Kontrolle des Anzugsmoments, Verschiebungsmessungen, die Überprüfung von Bohrlochlänge und -richtung sowie die Beobachtung des Hohlraumverhaltens umfassen. Zunehmend kommen auch Messanker und Monitoringsysteme zum Einsatz, mit denen sich Laständerungen über die Zeit verfolgen lassen.
Die Bedeutung der Ankerung
Ein korrekt ausgelegtes und ausgeführtes Ankersystem verbessert die Standfestigkeit des Gebirges, erhöht die Sicherheit der Beschäftigten und verringert die Notwendigkeit schweren Stützausbaus. Es ermöglicht einen schnelleren Vortrieb, schafft mehr nutzbaren Raum im Grubenbau und erlaubt eine bessere Beherrschung lokaler geotechnischer Gefährdungen.
Die Ankerung ist jedoch keine Universallösung, die sich nach einem einheitlichen Schema anwenden lässt. Ihre Wirksamkeit beruht auf dem Zusammenspiel von geologischer Erkundung, sorgfältiger Auslegung, richtiger Materialwahl, kontrolliertem Einbauprozess und regelmäßiger Bewertung des Gebirgsverhaltens. Erst alle diese Elemente zusammen ergeben ein zuverlässiges Sicherungssystem.