DE3140672A1

DE3140672A1 - Verfahren zur erstellung eines tunnels

Info

Publication number: DE3140672A1
Application number: DE19813140672
Authority: DE
Inventors: Dieter Ing.(grad.) 8192 Gelting Rebhan
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1981-10-13
Filing date: 1981-10-13
Publication date: 1983-04-28
Also published as: DE3266213D1; EP0077943A1; US4516878A; ATE15515T1; EP0077943B1

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

CG 1293». G 81/070

Hm/bd 13.10.1

Verfahren zur Erstellung eines Tunnels

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung eines Tunnels zwischen einem Start- und einem Zielschacht mittels Bodenvereisung.

Zur Erstellung eines Tunnels sind verschiedene Verfahren bekannt. Die Art des Vortriebverfahrens und der optimalen Vortriebseinrichtung wird hauptsächlich durch den vorge= sehenen Verwendungszweck, den erforderlichen Querschnitt mit dem zugehörigen Ausbau sowie die gegebene Gesteins= bzw. Bodenart bestimmt. Kriterien von überragender Bedeutung sind weiterhin die Wirtschaftlichkeit sowie in schwierigem Baugrund die Sicherheit sowohl für die den Tunnel erstellenden Personen als auch für das Objekt selbst.

Ein herkömmliches Verfahren, das zum Vortrieb im Locker= gestein eingesetzt wird, ist der Messer-Vortrieb, bei dem der Boden abgestützt wird, noch bevor er abgebaut wird. Messer-Vortriebe sind jedoch bei niedrig konsistenten oder unter Wasserdruck stehenden Böden nicht oder nur bedingt einsetzbar. Außerdem verursachen Deformationen am Messer oder Abweichungen in der Vortriebsrichtung erhebliche Schwierigkeiten.

Ferm, §729 7.78

Ein halbmechanisches Verfahren ist die Schildbauweise. Bei diesem Verfahren geschieht das Vorpressen automatisch. Die Schildbauweise ist für große Querschnitte sowohl im Trockenen als auch unter Wasser - dann mit Druckluftschild - geeignet. Der Schild, eine röhrenförmige Stahlkonstruktion vom Querschnitt des erforderlichen Ausbruchs, greift mit seiner Vorderkante, der Schneide, in die Stirnseite, die Ortsbrust, der Tunnelröhre ein. Im Schutz seines hinteren Teiles, des Schildschwanzes, werden die segmentförmigen Teile des Ausbaues, die Tübbings, aus Gußeisen oder Stahlbeton versetzt. Der Schild wird durch Pressen, die sich gegen den Ausbau abstützen, gegen die Ortsbrust vorgeschoben. Schilde werden in Ton, Sand und Geröll eingesetzt. Treten harte, größere Felseinschlüsse auf, so ist das Verfahren nur sehr bedingt einsetzbar.

Eine Variante dazu ist das Druckluftschild, das im Grundwasser eingesetzt wird. Dieses sehr aufwendige Verfahren wird nur eingesetzt, wenn Grundwasserabsenkungen nicht möglich sind. Seine Grenzen sind wie beim normalen Schildvortrieb abgesteckt. Außerdem können wechselnde Böden oder Tunnels in durchlässigen Böden mit geringer überdeckung wegen der Gefahr von Ausbläsern nicht gefahren werden.

Neben den Schildvortrieben gibt es bergmännische Vortriebe, die zum Teil in schwierigem Boden mit zusätzlichen Bauhilfsmaßnahmen arbeiten, so z.B. die Tunnelbauweise mit Spritzbetonsicherung, Injektionen, Grundwasserabsenkung oder Vereisung usw. Alle Verfahren sind mehr oder weniger begrenzt einsetzbar und zwar in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt, Konsistenz, Tunnelquerschnitt, Überdeckung und den Gesamtkosten.

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Zur Erstellung eines Tunnels mittels Bodenvereisung werden in bestimmten Abständen von der geplanten äußeren Begrenzung des Tunnels Bohrlöcher parallel zur Tunnelachse gebohrt und in diese Rohre eingebracht, durch die eine Kühlflüssigkeit zirkuliert. Durch die Kühlflüssigkeit wird dem Boden Wärme entzogen, bis um den geplanten Tunnelquerschnitt ein Frostkörper gebildet worden ist, der den umgebenden Boden während des Abbaus stützt und den bereits erstellten Tunnelraum gegenüber Grundwasser- und Bodeneinbruch sichert. 10

Beim zuletzt genannten Verfahren fallen relativ hohe Kosten für die Erstellung und den Unterhalt des Frostkörpers an. . Die übrigen bekannten Verfahren besitzen entscheidende technische Nachteile: Sie sind bei oberflächennahen Tunnelbauwerken, die in stark wechselndem Baugrund erstellt werden sollen und wo mit Wasseraufkommen zu rechnen ist, nicht oder nur unter Zuhilfenahme von erheblichen Bauhilfsmaßnahmen einsetzbar. Die Bauhilfsmaßnahmen stellen in der Regel eine nahezu unzumutbare Belastung für die Umwelt dar und werden häufig nur genehmigt, weil es keine technischen Alternativen gibt und das Bauvorhaben unbedingt durchgeführt werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, mit dem ein Tunnel auf einfache Weise ohne Bauhilfsmaßnahmen in stark wechselndem Baugrund erstellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ®® zwischen Start- und Zielschacht eine Bohrung in oder in der Nähe der geplanten Achse des späteren Tunnels vorgetrieben, in das gebildete Bohrloch ein Gefrier-Arbeitsrohr eingebracht, das Gefrier-Arbeitsrohr durch einen Kälteträger gekühlt wird, bis um das Gefrier-Arbeitsrohr ein Frostkörper mit größerem Durchmesser als dem geplanten Tunneldurchmesser gebildet worden ist und anschließend das gefrorene Erdreich abgebaut wird,

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Wie bei jedem Messer- oder Schildvortrieb ist auch beim erfindungsgemäßen Verfahren jeweils ein mehr oder weniger gro3er Start- und Zielschacht notwendig. Durch das Gefrier-Arbeitsrohr wird solange ein Kühlfluid geleitet, bis sich um das Gefrier-Arbeitsrohr ein im Querschnitt im wesentlichen kreisringförmiger Frostkörper mit einem Durchmesser gebildet hat, der so groß ist, daß nach Erstellung des Tunnelhohlraumes ein Frostkörper kreisringförmigen Querschnittes bestehen bleibt. Dieser verbleibende Frostkörper dient einerseits zur Abdichtung gegen Wasser und andererseits zum Zweck der Statik, d.h. zur Sicherung des Tunnelhohlraumes sowie der darin arbeitenden Personen.

Erfindungsgemäß wird das Erdreich um das Gefrier-Arbeitsrohr in gefrorenem Zustand abgebaut. In vorteilhafter Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein abzubauender Boden geschaffen, der ob seiner Gleichmäßigkeit gezielt und ohne technische Probleme abbaubar ist. Durch den Frostkörper wird beispielsweise ein bergmännischer Abbau ermöglicht, da eine Sicherung - bezogen auf die Tunnelachse sowohl in radialer als auch in axialer Richtung besteht. Da der Tunnel stets in einen im Querschnitt kreisförmigen Frostkörper hineingetrieben wird und stets ein kreisringförmiger Frostkörper bestehen bleibt, bietet das erfindungsgemäße Verfahren einen sicheren temporären'Verbau bis eine erste Sicherheitsschale eingebracht oder bis der Endausbau durchgeführt ist.

Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht daher einen Vortrieb, der von der Tiefenlage des Tunnels unabhängig und auch in stark wechselnden Bodenarten möglich ist. Insbesondere kann mit diesem Verfahren auch ohne Druckluft oder . andere Bauhilfsmaßnahmen umweltfreundlich im Grundwasser gearbeitet werden.
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In einer besonders wirtschaftlichen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Frostkörper abschnittsweise erstellt. In dieser Ausgestaltung wird ein Frostkörper stets nur in einem Teil des Bodenbereiches zwischen Start= und Zielschacht gebildet. Dadurch werden die Energiekosten erheblich gesenkt im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem der Frostkörper entlang der gesamten gebohrten Strecke, d.h. in diesem Fall zwischen Start- und Zielschacht, gebildet wird. Bekannte Verfahren ,einen Frostkörper in mehreren Ab= schnitten zu erstellen, arbeiten beispielsweise mit Ge= frier^-Arbeitsröhren^die durch Abschottungen, die nach und nach durchtrennt werden, in mehrere Gefrierrohr-Abschnitte unterteilt sind. Abschnittsweises Gefrieren ist auch möglich, wenn in das Gefrier-Arbeitsrohr ein Innenrohr einge- führt wird, wobei mit Hilfe von elastisch verformbaren Dichtungen im Bereich des zu vereisenden Bodens ein flüs·=· sigkeitsdichter Raum zwischen Gefrier-Arbeitsrohr und Innen·= rohr gebildet und in diesem Raum eine im Wärmetausch mit dem gekühlten Fluid gefrierende Flüssigkeit eingeleitet und nachfolgend ein gekühltes Fluid in das Innenrohr eingeführt wird. Nach einem anderen Verfahren wird ebenfalls in das Gefrier-Arbeitsrohr ein Innenrohr eingeführt, wobei dieses auf einem Teil seiner Länge mit einer wärmedämmen-V den Schicht ausgerüstet ist»

Jedes der angegebenen Verfahren ermöglicht ein abschnitteweises Erstellen des Frostkörpers. Dem Vortriebsverlauf entsprechend wird der Frostkörper zuerst im Bereich des Startschachtes erstellt, in dem der Vortrieb beginnt. §>Θ Je nach Fortschritt der dem Bodengefrieren folgenden Arbeiten - im wesentlichen ist das der Aushub des Eis-Erd= stoffes um das Gefrier-Arbeitsrohr - wird ein Frostkörper in weiteren Teilstrecken erstellt«,

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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des- Erfindungsgedankens wird als Kühlfluid ein tiefsiedendes, verflüssigtes Gas, insbesondere flüssiger Stickstoff, verwendet. Wegen ihrer niedrigen Siedetemperaturen können durch diese Gase dem Erdreich erhebliche Wärmemengen entzogen werden. Ein besonders geeignetes tiefsiedendes verflüssigtes Gas ist flüssiger Stickstoff, da er billig ist, wegen seines tiefen Siedepunktes für eine rasche Abkühlung sorgt und darüber hinaus einfach zu handhaben ist. Es kann auch Sole als Kälteträger eingesetzt werden.

Grundsätzlich ist es möglich, in die zwischen Start- und Zielschacht vorgetriebene Bohrung das Gefrier-Arbeitsrohr einzuführen und anschließend das Bohrgestänge zu ziehen. in einer besonders zweckmäßigen Variante des Erfindungsgedankens ist jedoch das Bohrgestänge selbst als Gefrier-Arbeitsrohr auegebildet. Das Bohrgestänge muß daher nicht gezogen werden, sondern kann im Baugrund verbleiben

und bildet somit die "Tunnelachse". 20

In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens werden in großen Tunnelquerschnitten dem späteren Tunnelquerschnitt entsprechend mehrere Bohrungen zwischen Start- und Zielschacht vorgetrieben, wobei in jedes Bohrloch ein Gefrier-Arbeitsrohr eingebracht wird. In dieser Variante wird nicht nur ein Gefrier-Arbeitsrohr, sondern es werden dem Querschnitt und Profil entsprechend mehrere Gefrier-Arbeitsrohre parallel oder taktweise nebeneinander gesetzt. Die Zahl bzw. Anordnung der Gefrier-Arbeitsrohre wird entsprechend der Tunnelquerschnittsfläche und -geometrie gewählt.

Herkömmliche Abbaumethoden haben alle gemeinsam, daß sie entweder manuell ausgeführt werden oder Vorrichtungen erforderlich machen, die sich nach hinten abstützen -

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also die Reaktionskräfte aufnehmen, die der Andruck der Werkzeuge an der Ortsbrust erzeugt. Nach einer besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Variante wird das gefrorene Erdreich mittels einer sich am Gefrier-Arbeitsrohr abstützenden Abbauvorrichtung abgebaut. Werden bei großen Tunnelquerschnitten mehrere Gefrier-Arbeitsrohre gesetzt,, so werden erfindungsgemäß ebenfalls mehrere Abbauvorrichtungen eingesetzt, die parallel oder taktweise nebenein= ander arbeiten. Das Gefrier-Arbeitsrohr nimmt bei dieser Verfahrensweise einerseits die Reaktionskräfte auf und dient andererseits gleichzeitig als Führungselement für die Vortrxebsrichtung. Mit der Lage bzw. Einmessung und exakten Einbringung des Gefrier-Arbeitsrohres ist also die Istabweichung des Vortriebs bestimmt und braucht nicht mehr überwacht zu werden.

Das Gefrier-Arbeitsrohr selbst wird außen mit Gewinde, Zahnstange oder ähnlichem versehen, welche als Führung und Widerlager beim Vorschub der Abbauvorrichtung dienen» Da das Gefrier-Arbeitsrohr aus mehr oder weniger langen Teilstücken, wie sie bei der Bohrtechnik üblich sind, zusammengesetzt ist, kann während des Vortriebs das jeweils freiwerdende Ende abgenommen und später itfieder verwendet werden.

In dieser Variante wird das Gefrier-Arbeitsrohr auf Zug beansprucht und muß sehr hohe Reaktionskräfte aufnehmen. Erfahrungsgemäß ist ein Lösen des Gefrier-Arbeitsrohres aus dem Baugrund dennoch so lange ausgeschlossen, wie

SO die dem Abbau voreilende Vereisung ein ausreichendes Widerlager bildet.

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' Die Abbauvorrichtung selbst kann vollständig auf die Forderung eines schnellen, wirtschaftlichen Abbaus des gefrorenen Baugrunds ausgerichtet sein. Dabei kann der Baugrund vollautomatisch - zentral durch das Gefrier-Arbeitsrohr durch Hämmer, Meißel, Fräser oder ähnliches oder kombinierte Werkzeuge abgebaut, geladen und transportiert werden. Die axiale Lage des Gefrier-Arbeitsrohres bietet ferner die Möglichkeit des Einsatzes einer rotierenden Vorrichtung, die sich beispielsweise mit Hilfe des obengenannten

'" Zahnstangen-Gefrier-Arbeitsrohres ruckartig bzw.taktweise in den Eis-Erdstoffkörper oder mit Hilfe eines Gewindes schraubenförmig hineinfrißt. Auch sind Hydro- oder Thermoabtrageverfahren denkbar.Dem Abbau kann unmittelbar der Ausbau z.B. Spritzbeton-Sicherung oder Endausbau

^ ζ.Β extrudierter Beton folgen.

Je nach Durchmesser des Gefrier-Arbeitsrohres können mit den erfindungsgemäßen Verfahren Frostkörperdurchmesser bis zu ca. 5m erreicht werden. Das vorgeschlagene Verfahren 1st daher bevorzugt bei Tunnelbauten mit relativ kleinem Durchmesser einzusetzen. Bei größeren Tunnelquerschnitten können mehrere Gefrier-Arbeitsrohre in entsprechenden Abständen innerhalb des Ausbruchsprofiles X_. so angeordnet werden, daß ein ausreichend großer, sich

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überlappender Frostkörper entsteht und gleichzeitig oder taktweise mit mehreren Werkzeugen abgebaut werden kann.

Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel des erfindunsgemäßen Verfahrens

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**" mit einem Gefrier-Arbeitsrohr erläutert werden:

Zum Erstellen eines Tunnels ist ein Startschacht 1 mit Schachtwand 3 und ein Zielschacht 2 mit Schachtwand 4 ausgehoben worden. Zwischen Startschacht 1 und Ziel- ° schacht 2 ist eine Bohrung vorgetrieben worden. Das

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Bohrgestänge ist als Gefrier-Arbeitsrohr ausgebildet und verbleibt daher nach Durchführung der Bohrung im Bohr= loch 5. Das Gefrier-Arbeitsrohr 6 besteht im Ausführungs= beispiel aus mehreren Teilstücken 6°, die z.B.. über ein g Außengewinde mittels geeigneter Muffen mit Innengewinden miteinander verbunden sind und auf ihrer Außenseite eine Zahnstange 9 tragen. In das Gefrier-Arbeitsrohr wird ein verschiebbares Innenrohr 7 eingeführt. Dieses Innenrohr dient zur abschnittsweisen Vereisung des Erdreiches um das Gefrier-Arbeitsrohr zwischen Start- und Zielschacht und besitzt an seiner in der Skizze dargestellten Spitze einen Durchmesser, der größer ist als in seinem übrigen Bereich. Das übrige Innenrohr erstreckt sich zwischen der Innenrohrspitze und beispielsweise dem Zielschacht 2„ Beidseitig des Innenrohrbereiches mit großem Durchmesser sind zwei Gummidichtungen 8, 9 entlang des Umfanges des Innenrohres angeordnet. Diese Gummidichtungen können mittels Druckluft so verformt werden, daß sie an der Innenwand des Gefrier-Arbeitsrohres anliegen und einen wasserdichten Kontakt herstellen. In dem Raum 10 zwischen Innenrohr und Gefrier-Arbeitsrohr 6 bzw. zwischen den Dichtungen 8, 9 wird nun Wasser eingeleitet und anschlies= send ein verflüssigtes/ tiefsiedendes Gas (im Ausführungsbeispiel flüssiger Stickstoff) in das Innenrohr eingeleitet Im indirekten Wärmetausch gefriert das durch die Gummi= dichtungen eingeschlossene Wasser im Ringraum 9 und stellt dadurch eine gute Wärmebrücke zwischen dem Gefrier·= Arbeitsrohr 6 und dem Erdreich bzw. dem Innenrohr 7 her» Zum Verschieben des Innenrohres wird der Ringraum 10 durch warmes Wasser oder Dampf aufgetaut, die Luft aus den Dichtungen 8 und 9 abgelassen und das Innenrohr vom Zielschacht 2 her verschoben. Im Zielschacht befindd: sich ein Einspeisekopf 11 über den flüssiger Stickstoff, der z.B. aus einem Vorratstank 12 entnommen und über Leitung die vakuumisoliert sein kann, zum Einspeisekopf 11 ge-

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leitet worden ist, in das Innenrohr 7 eingeleitet wird. Der im Wärmetausch mit dem Erdreich verdampfte Stickstoff wird über das Innenrohr, den Einspeisekopf sowie eine Leitung 18 abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Vom Zielschacht 2 her werden auch die erforderliche Luft"bzw. das Wasser zur Innenrohrspitze geleitet.

Auf der dem Startschacht zugewandten Seite der Innenrohrspitze ist eine Vorrichtung 14 angebracht, mit der die Position des Innenrohres und damit des zu frierenden Bereiches festgelegt werden kann.

Zunächst wird der dem Startschacht unmittelbar benachbarte Bereich gefroren. Hat sich um das Gefrier-Arbeitsrohr ein Frostkörper mit einem ausreichend großen Durchmesser D, der größer als der Durchmesser d des geplanten Tunnels ist, gebildet, kann mit dem Abbau des ersten Abschnittes begonnen werden. Im Ausführungsbeipiel soll eine rotierende Vortriebsvorrichtung 15 verwendet werden, die um das Gefrier-Arbeitsrohr rotiert und einen dem geplanten Tunneldurchmesser entsprechenden Durchmesser ■ besitzt. Um die Vortriebsvorrichtung in Rotation und in Vorwärtsbewegung zu versetzen, ist ein sich gegen das Gefrier-Arbeitsrohr abstützender Antrieb vorgesehen. Durch Antrieb 16 wird die Vortriebsvorrichtung 15 taktweise dem Eis-Erdstoffkörper entgegengeführt. Unmittelbar nach dem Abbau können Tübbings 17 zur Sicherung des Tunnels versetzt werden. Hierzu wird z.B. ein um die Achse der Vortriebsvorrichtung drehbarer Kranarm (Erektor) verwendet.

Der Zwischenraum zwischen dem Ausbau und dem Erdreich wird mit Zementmörtel ausgepreßt. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird das Innenrohr zum nächsten Tunnelabschnitt verschoben und das umliegende Erdreich gefroren. Erfindungsgemäß muß die Vereisung dem Abbau stets soweit voreilen, daß für das Gefrier-Arbeitsrohr ein für die

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Aufnahme der durch den Antrieb 11 verursachten Reaktionskräfte ausreichendes Widerlager gegeben ist„

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch die S erfindungsgemäße Verfahrensweise

1) ein von der Tiefenlage des Tunnels unabhängiger Vortrieb möglich ist,

2) ein abzubauender Baugrund geschaffen wird, der ■jQ aufgrund seiner Gleichmäßigkeit gezielt und ohne

technische Schwierigkeiten abgebaut werden kann,

3) ein sicherer, temporärer Verbau bis zur Einbringung einer Sicherung gegeben ist,

4) nur ein geringer Aufwand an Geräten vorort erforderlich ist,

5) ein störungsarmer und reparaturfreundlicher Betrieb möglich ist,

6) nur eine sehr einfache überwachung erforderlich ist _B wodurch ein hoher Sicherheitsfaktor erreicht v/ird

und

7) ohne Druckluft und Bauhilfsmaßnahmen umweltfreund-,^ lieh im Grundwasser gearbeitet werden kann.

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Claims

CG 129) G 81/070 Hm/bd 13οΊ0ο1981 Patentansprüche

1. Verfahren zur Erstellung eines Tunnels zwischen einem Start- und einem Zielschacht mittels Bodenvereisung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Start- und Ziel= schacht eine Bohrung in oder in der Nähe der geplan= ten Achse des späteren Tunnels vorgetrieben, in das gebildete Bohrloch ein Gefrier-Arbeitsrohr eingebracht, das Gefrier-Arbeitsrohr durch einen Kälteträger gekühlt wird, bis um das Gefrier-Arbeitsrohr ein Frostkörper mit größerem Durchmesser, als dem geplan= ten Tunneldurchmesser gebildet worden ist und an-\ schließend das gefrorene Erdreich abgebaut wird-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frostkörper abschnittsweise erstellt wird«

3» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kälteträger eine Sole oder ein Kühlfluid, z.B. ein tiefsiedendes, verflüssigtes Gas, insbesondere flüssiger Stickstoff, verwendet wird.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, daß das Bohrgestänge als Gefrier-Ärbeitsrohr ausgebildet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in großen Tunnelquerschnitten dem späteren Tunnelquerschnitt entsprechend mehrere Bohrungen zwischen Start- und Zielschacht vorgetrieben werden und in jedes Bohrloch ein Gefrier-Arbeitsrohr eingebracht wird.

^ 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gefrorene Erdreich mittels einer (mehrerer) Abbauvorrichtung(en) abgebaut wird, die sich am (jeweils an einem) Gefrier-Arbeitsrohr abstützt (abstützen).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbauvorrichtung aus Hämmern, Meißeln, Fräsern oder kombinierten Werkzeugen besteht, oder eine Hydro- oder Thermoabbaueinrichtung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß V. die Abbauvorrichtung aus einer um das Gefrier-Arbeits-

rohr in radialer Richtung ruhenden oder beweglichen,

z.B. rotierenden Vorrichtung besteht, die sich taktweise oder stetig in axialer Richtung zum Gefrier-Arbeitsrohr bewegt.

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