Sie befinden sich hier:

Corrensitquellen und Anhydritschwellen

In Schwarzweiß gehaltene Grafik, die an vier Beispielen die zunehmende Aufweitung von Mineralen in Verbindung mit Wasser (jeweils in Kugelform) zeigt. Die Beispiele sind übereinander gesetzt, mit der höchsten Aufweitung oben.
Schematische Darstellung der Aufweitung der Elementarschichten bei innerkristallinem Quellen (Grafik: Rauh, 2009)

Phase 1 bildet das innerkristalline Quellen. Dabei findet die Hydratation der Kationen zwischen den Elementarschichten der Tonteilchen statt. Wassermoleküle bilden eine Hülle um die Kationen und vergrößern so den Schichtabstand. Bei einer vollkommenen Hydratation verdoppelt das Tonmineral sein Volumen (Rauh, 2009). Nach Madsen & Müller-Vonmoos (1988) können Quelldrücke bis über 100 N/mm2 entstehen.

Phase 2 des Quellvorgangs beinhaltet die osmotische Quellung der Tonminerale, die eine weitere Aufweitung der Elementarschichten zur Folge hat. Die treibende Kraft sind hier die Unterschiede in Ionenkonzentrationen zwischen den Elementarschichten und des Porenwassers (Hauber et al., 2005). An der Tonmineraloberfläche herrscht durch die negative Überschussladung ein negatives Potenzial. Dieses wird durch elektrostatische Sammlung positiver Ionen (Kationen) an der Tonmineraloberfläche ausgeglichen. Bei geringerer Ionenkonzentration im umgebenden Porenwasser als in den Tonmineralen findet so ein Ausgleich der Konzentrationsdifferenz durch Einziehen von Wasser zwischen die Elementarschichten statt, was dort zu einer Verdünnung der Ionenkonzentration führt. Der Kationenaustausch führt dazu, dass derselbe Tonstein in Kontakt mit verschieden mineralisierten Wässern unterschiedliches Quellverhalten zeigt (Rauh, 2009). Madsen & Müller-Vonmoos (1988) beziffern die Volumenzunahme bei unbehinderter osmotischer Quellung mit bis zu 20 % bei geringen Quelldrücken von nur 2 N/mm2.

In Schwarzweiß gehaltene Grafik, die sieben Beispiele von Tunnellagen in quellfähigen und nicht quellfähigen Schichten zeigt.
Mögliche Lagen der quellfähigen Schichten in Bezug auf den Tunnel (Grafik: Rauh, 2009)

Je nach Lage der quellfähigen Gesteine in Bezug auf den Tunnel können sich die Quellprozesse unterschiedlich auf das Gewölbe auswirken. Besonders gefährdet sind Tunnel, deren Sohlbereiche sich in quellfähigen Schichten befinden. Liegen Tunnel auf Höhe der Ulmen innerhalb einer quellfähigen Schicht, werden nur Quelldehnungen parallel zur Schichtung entstehen. Meist sind die Ulmen jedoch trocken und es treten dort Spannungskonzentrationen auf, die dem Quelldruck entgegenwirken (Rauh, 2009).

In Schwarzweiß gehaltene Grafik, die an drei Beispielen die Probleme für den Tunnelbau in quellfähigem Gebirge zeigt. Dies reicht von Sohlhebung links über Quelldruck bis zur Hebung des ganzen Tunnels rechts.
Probleme für den Tunnelbau in quellfähigem Gebirge (Grafik: Anagnostou, 1992)
In Schwarzweiß gehaltene Grafik, die fünf mögliche Maßnahmen aufzeigt, um Tunnelbauten in quellfähigem Gebirge zu ermöglichen. Dargestellt an Tunnelquerschnitten sind das Widerstandsprinzip sowie das Ausweichprinzip.
Maßnahmen in quellfähigem Gebirge (Grafik: umgezeichnet nach Anagnostou, 1992)

Literatur

  • Anagnostou, G. (1992). Untersuchungen zur Statik des Tunnelbaus in quellfähigem Gebirge. – Institut für Geotechnik ETH Zürich, Band 201, 288 S., Zürich (Verlag der Fachvereine an den schweizerischen Hochschulen und Techniken AG).
  • Hauber, L., Jordan, P., Madsen, F., Nüesch, R. & Vögtli, B. (2005). Tonminerale und Sulfate als Ursache für druckhaftes Verhalten von Gesteinen. Ursachen und Wirkungen des Quellvorganges. 90 S., Basel (Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, Bundesamt für Strassen, ASTRA, Schweiz).
  • Madsen, F. T. & Müller-Vonmoos, M. (1988). Das Quellverhalten der Tone. – Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik ETH Zürich, 133, S. 39–50.
  • Madsen, F. T. & Nüesch, R. (1990). Langzeitquellverhalten von Tongesteinen und tonigen Sulfatgesteinen. Technischer Bericht 90-17. – Mitteilung Nr. 140 des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik, ETH Zürich, 96 S., Baden (Schweiz) (NAGRA).
  • Rauh, F. (2009). Untersuchungen zum Quellverhalten von Anhydrit und Tongesteinen im Tunnelbau. – Münchner Geowissenschaftliche Abhandlungen, Reihe B, 11, S. 1–110.
  • Reimann, M. (1991). Geologisch-lagerstättenkundliche und mineralogische Untersuchungen zur Vergipsung und Volumenzunahme der Anhydrite verschiedener geologischer Formationen unter natürlichen und labormäßigen Bedingungen. – Geologisches Jahrbuch, Reihe D, 97, S. 21–125.
  • Wittke, M. & Wittke-Gattermann, P. (2015). Grundlagen der Bemessung und des Entwurfs für Tunnel in anhydritführendem Gebirge. – Felsmechanische Fragestellungen beim Bahnprojekt Stuttgart–Ulm, Vorträge anlässlich des Felsmechanik-Tages 2015 im WBI-Center Weinheim, 16.04.2015, S. 103–117.
  • Wittke, W. (2004). Planung, Bau und Überwachung von Tunneln in quellfähigem Gipskeuper. – Geotechnik, 27/2, S. 104–111.
  • Wittke, W., Wittke, M., Erichsen, C. & Wittke-Gattermann, P. (2017). Stoffgesetz, Berechnungsverfahren, felsmechanische Kennwerte und Ausführungsstatik für Tunnel im anhydritführenden Gebirge. – Felsmechanische Fragestellungen beim Bahnprojekt Stuttgart–Ulm und anderer Großprojekte im In- und Ausland, Vorträge anlässlich des 3. Felsmechanik- und Tunnelbautages 2017 im WBI-Center Weinheim, 11.05.2017, S. 33–61.
x
Dokument wird erzeugt.
Bitte warten ...