Ein Kavernenbau mit Ankerung und Spritzbeton unter Berücksichtigung der geomechanischen Bedingungen

Zusammenfassung

Ein Kavernenbau unter Berücksichtigung der geomechanischen Bedingungen. In Norddeutschland ist derzeit eine Kraftwerkskaverne für das Pumpspeicherwerk Waldeck II im Bau, deren Abmessungen sehr bedeutend sind. Im Hinblick auf die Querschnittsfläche von 1390 m² gehört sie zu den größten derzeit ausgebauten Kavernen. Die Querschnittsform ist annähernd eine hochgestellte Ellipse (große Achse 54,00 m, kleine Achse 33,50 m); die Gesamtlänge auf Höhe des Maschinenbodens beträgt 106,00 m.

Der Hohlraum ist im östlichen Teil des Rheinischen Schiefergebirges gelegen, dessen geologischer Aufbau durch eine Wechsellagerung von sandgebänderten dunklen Schiefertonen und fein- bis grobkörnigen, stellenweise auch konglomeratischen Grauwacken- Sandsteinen gekennzeichnet ist.

Das Flächengefüge des Gebirgskörpers ist in geomechanischer Hinsicht im wesentlichen durch einige ausgeprägte Trennflächen und Störungszonen gekennzeichnet; Schichtflächen und Kluftscharen sind als Trennflächen zweiter Ordnung aufzufassen, so daß die Teilmedien zwischen den Trennflächen für theoretische und experimentelle Untersuchungen praktisch aus verschiedenartigem, jedoch massivem Fels gebildet werden. Die Sicherung dieser Kaverne erfolgt durch eine systematische Ankerung und Aufbringung einer zwei-schichtigen Spritzbetonschale. Der durch die Tief- und Kurzanker erzielte mittlere Ausbauwiderstand beträgt 11 kp/cm². Die Ankerung erfolgt in annähernd radialer Richtung; dabei findet jedoch das Flächengefüge besondere Berücksichtigung, um beim Vorgang der Spannungsumlagerungen nach der Auffahrung auftretende Felsbewegungen möglichst klein zu halten. Die selbststabilisierenden Eigenschaften des Gebirgskörpers werden dabei am besten genutzt und die Ausbildung eines dauernden Gleichgewichtszustandes mit geringstem Aufwand ermöglicht.

Der von den Verfassern gelieferte Beitrag befaßt sich mit den Ergebnissen der baugeologischen, felsmechanischen Untersuchungen und Kontrollmessungen und in eingehender Weise mit den theoretischen und experimentellen Arbeiten. Letztere wurden mit Hilfe der Spannungsoptik durchgeführt. Bei statischen Untersuchungen von Felshohlräumen sind heute baugeologische, im besonderen Gefügeaufnahmen, und felstechnische Untersuchungen in situ und im Laboratorium nicht mehr wegzudenken, um verläßliche Kennwerte zu erhalten.

Die durchgeführten Berechnungen und im besonderen die geomechanischen Versuche mittels Photoelastizität ließen deutlich die große Bedeutung der Verspannungserscheinungen im Gebirge beim Vorgang der Spannungsumlagerung erkennen. Die Festigkeitseigenschaften des Felsens treten dem gegenüber stark zurück. Aus dieser Erkenntnis heraus ergeben sich neue Gesichtspunkte bei der Betrachtung des Verhaltens geklüfteter Medien.

Da große Kavernenbauten im allgemeinen in geringeren Tiefenlagen und im guten bis mittelguten Felsen ausgeführt werden, dürften diese Erkenntnisse eine gewisse Verallgemeinerung zulassen. Die Rolle der Ankerung ist, eine Entfestigung des Gebirgskörpers zu verhindern, wobei eine gewisse Entspannung zugelassen, ja sogar gewünscht wird. Wie die Ankerung am wirtschaftlichsten erfolgen kann, hängt also in technischer Hinsicht im wesentlichen vom Flächengefüge und dem Durchtrennungsgrad des Gebirgskörpers ab. Um diese Frage aus dem Stadium des Ermessens herauszuführen und einen Schritt weiter auf dem Weg für eine wirtschaftliche und verläßliche Bemessung der Auskleidung zu machen, berichten die Verfasser über ihre Arbeit.

Summary

The Construction of an Underground Chamber with Geomechanical Conditions Taken into Consideration. A large underground chamber for the powerhouse of a pumped storage scheme in northern Germany, PSW Waldeck II, is now under construction. With a cross-sectional area of 1390 m² it is one of the largest chambers existing at the present time. Its cross section is approximately elliptical (vertical axis 54,0 m, horizontal axis 33,5 m). The total length at machine floor level is 106,0 m.

The cavern is situated in the eastern part of the Rheinische Schiefergebirge, its geological structure is characterized by banded sands and dark shales, alternating with fine to coarse-grained, partly conglomeratic, graywacke sandstone.

Geomechanically, the structure of the rock mass is characterized by distinct open discontinuities and fault zones. Bedding planes and joint sets are to be considered as discontinuities of second order. Therefore, the material between the major discontinuities may, for theoretical and experimental purposes, be considered as being composed of different but massive rocks.

The cavern is secured by a systematic arrangement of anchors and a two-layer shotcrete shell. The mean support resistance, derived from anchors and rock bolts, equals 11 kp/cm². Anchoring is an approximately radial direction. Proper consideration, however, has to be given to the structural discontinuities in order to minimize rock movements due to stress readjustment after opening. In this manner the self-stabilizing properties of the rock mass are best utilized, and the establishment of a permanent state of equilibrium is made possible at minimum cost.

In order to obtain usable data for static considerations and investigations, it was necessary to perform rock mechanics tests and measurements in close cooperation between geologists, engineers and the designer. It should be pointed out in this connection that the design of the lining of a cavern or a tunnel is different from the design of an engineering structure in the usual sense since, in spite of detailed preliminary investigations, precise information on strength and detailed structure of the rock mass is not available before excavation. Therefore, it may very well happen that the design has to be changed as the construction proceeds. Actually careful preliminary investigations are necessary to determine, as precise as possible, the characteristic mechanical properties of the rock body before excavation; only then is it possible to make rather exact statements as to the stability of the cavern at an early stage of the design, in order to avoid unpleasant surprises. It was in this spirit that all questions arising in connection with the construction of the cavern were considered.

The contribution by the authors deals with the results of the geological and rock mechanics investigations and control measurements, as well as with the theoretical and experimental work. The latter was performed with the aid of photoelastic techniques. Methods of engineering geology, in particular records of rock structure, and geotechnical investigations in situ and in the laboratory are indispensable tools today for obtaining reliable data. It is only because of lack of space, and not because they are less important, that results from engineering geology and rock mechanics investigations are treated in this paper very briefly and only to the extent that appears necessary for an understanding of the static investigations. The persons concerned with this work will report on it in detail elsewhere. Both calculations and photoelastic geomechanical tests made clear the enormous significance of stress phenomena in the rock body during stress readjustment while, in comparison, the strength of the rock appears to be of minor importance. From this, new aspects of the behavior of jointed media emerge.

Since large underground chambers are, in general, constructed at modest depth and in good to fair rock, the above findings may permit some generalization. The role of the anchors is to prevent weakening of the rock mass, while, at the same time, a certain amount of destressing is admissable and even desired. Technologically, the most economic design of the anchors depends in essence on the structure and the degree of continuity or the rock mass. It is in order to raise this question above its present state of guesswork and to lead it one step further on the path to an economic and reliable dimensioning of the lining that the authors report on their work.

Résumé

La réalisation d’une caverne en tenant compte des conditions géomécaniques. En Allemagne du Nord (RFA) une grande caverne de l’usine de turbinage — pompage Waldeck II est actuellement en construction. La section transversale de 1390 m² la situe parmi les plus grandes cavernes du monde. La forme de cette section est approximativement une ellipse (axe vertical 54,00 m, axe horizontal 33,50 m); la longueur totale au niveau de la salle des machines est de 106,00 m.

Cet ouvrage est situé dans la partie Est du “Rheinische Schiefergebirge” dont la composition est caractérisée par des couches alternatives d’argiles schisteuses formées de bandes sabloneuses et de Grès de Grauwacke à grain fin ou grossier, partiellement conglomérés.

Du point de vue géomécanique l’ensemble de la fracturation du massif rocheux est essentiellement caractérisé par quelques surfaces de séparations et des zones perturbées; les points de stratifications et les diaclases peuvent être considérés comme surface de séparations de deuxième ordre. De ce fait pour des études théoriques et expérimentales les milieux partiels situés entre les surfaces de séparation sont composés d’une roche massive aux propriétées différentes.

Le soutènement de la caverne est réalisé par un réseau d’ancrage systématique et d’un revêtement de deux couches de beton projeté. La pression moyenne sur le pourtour de l’excavation exercée par les ancrages sur le massif rocheus est de 11 kp/cm². Le réseau de base des ancrages est modifié dans les zones de surface de séparation si cette mesure apporte une meilleure efficacité du tirant en rocher. En procédant ainsi on peut pendant la période de transition de contrainte qui suit l’excavation maintenir les déplacements du rocher les plus minimes possibles. La formation d’un nouvel état d’équilibre permanent en utilisant les propriétés auto-stabilisantes du massif rocheux est ainsi rendue possible avec un minimum de moyens constructifs.

Afin d’obtenir des bases réalistes pour des études statiques celles-ci ont été établies en collaboration étroite entre géologues, ingenieurs de la technique de mesure en mécanique de roche et les ingenieurs du génie civil, responsables de l’élaboration du projet. A ce sujet, il est rappellé que lors du dimensionnement du revêtement d’une caverne ou d’un tunnel il ne s’agit pas d’un dimensionnement habituel d’un ouvrage d’ingenieur du fait qu’il est inévitable que, malgré toutes les recherches poussées, les propriétés de résistance et mécaniques du massif rocheux ne soient connues qu’avec une certaine approximation. On n’est donc pas à l’abri des modifications qui doivent être apportées au projet d’exécution pendant les travaux pour atteindre un effet maximum de l’ancrage.

Afin de rendre possible l’élaboration d’un projet valable il est indispensable d’exécuter des travaux de recherches pour connaître du mieux possible les caractéristiques du massif rocheux avant l’excavation. Toutes les questions relatives au projet ont été traitées dans cet ordre d’idée.

Dans le présent article sont exposés par les auteurs les résultats des recherches géologiques, de mécanique de roche et de mesures de controle. Ainsi que d’une façon plus détaillée les études théoriques et experimentales effectuées. Les dernières ont été réalisées à l’aide de la photoélasticité. Pour ce genre d’étude on ne peut plus concevoir de les effectuer sans pouvoir se baser sur des recherches géologiques, en particulier d’un relevé de la structure des surfaces de séparation, et de mécanique de roche sur place et en laboratoire. Si dans le cadre de cet article les résultats de ces investigations étendues ne sont traités que brièvement cela ne devrait nullement diminuer leur importance dans le cadre des études statiques. Les ingénieurs chargés de ces travaux feront un rapport dans un article particulier. Les calculs numériques effectués et en particulier les études géomécaniques éffectuées à l’aide de la photoélasticité ont montré l’importance essentielle de l’effet de serrage des corps partiels composant l’ensemble du milieu rocheux pendant la transformation de l’état de contrainte. Par rapport à cet effet la résistance de la roche à la compression ne joue qu’un rôle éffacé. De ces constatations découlent un certain nombre de points de vue nouveaux concernant le comportement mécanique des milieux fracturés.

Du fait que les grandes cavernes se situent généralement en faible profondeur et dans une roche de bonne ou moyenne qualité et ces constatations étant faites avec des milieux fracturés très diffèrents une certaine généralisation semble être permise. Le rôle de l’ancrage est de permettre au massif rocheux une certaine détente au voisinage de l’excavation mais d’empêcher des dislocations importantes. La question de la détermination d’un réseau d’ancrage éfficace et économique dépend essentiellement de l’assemblage du massif rocheux, de la structure des surfaces de séparation ainsi que de leur degré de séparation.

Afin de sortir cette question du stade de l’appréciation pure et simple les auteurs rapportent sur leurs travaux et études effectués, en espérant participer ainsi au développement d’un dimensionnement économique et sûre des revêtements des grands ouvrages souterrains.