TUNELURI CU GABARIT REDUS IN ORASUL IASI

TUNELURI CU GABARIT REDUS IN ORASUL IASI

Rezumat: Lucrarea trateaza si rezolva o tema de mare importanta si actualitate in domeniul rutier, prin cresterea solutiilor tehnice in domeniul tehnicii traficului rutier (ingineria traficului rutier) pentru rezolvarea circulatiei din marile orase, adoptand, tunelurile cu gabarit redus. Sunt prezentate modelele utilizate in calculul captuselilor tunelurilor cu gabarit redus si principalele aspecte privind ventilatia acestora in conditiile de trafic actual si de perspectiva.

Introducere

"In stradaniile omului, de la prezenta sa preistorica pana in zilele noastre, se pot distinge trei tendinte:

aceea de a stapani suprafata pamantului;

aceea de a stapani vazduhul si a patrunde in cosmos;

aceea de stapani subteranul.

Prima tendinta este fireasca si este asociata, de la inceputurile omenirii, cu mijloace rudimentare de care dispunea, pentru a ajunge la dezvoltarea moderna.

Tendinta de a stapani vazduhul este un vis al omenirii de cand a vazut zburand pasarile. Sa ne amintim de legenda lui Dedal si Icar de schitele aparatelor de zbor imaginate de geniul renasterii, Leonardo da Vinci. Abia incepand cu secolul al XX-lea a putut omenirea sa dezvolte aparatele de zbor mai grele decat aerul, ajungand la rachetele spatiale, care au depasit limitele sistemului solar.

Ajungem la a treia tendinta, aceea de a realiza lucrari subterane. Desi acestea au aparut inaintea aparatelor de zbor grele - sa ne gandim la metroul din Londra, incepand cu anul 1863 - dezvoltarea lor a fost mai putin spectaculoasa, dar nu mai putin utila pentru societate" /Prof.dr.doc. Mircea Soare, Cuvant de deschidere a lucrarilor primei Conferinte Nationale de Constructii Subterane, Iasi, 1993/.

Ca efect al sporirii unor fluxuri de circulatie, au loc interventii cum sunt: largirea si corectarea traseului unor strazi, strapungeri de noi artere (subterane si/sau supraterane).

Poate cel mai reprezentativ exemplu de reactie constienta fata de necesitatile dezvoltarii unui mare oras european au fost masurile urbanistice, desfasurate la Paris intre anii 1852 si 1870.

In scopul solutionarii problemelor traficului, a fost prelungita strada Rivoli pana la bulevardele Sevastopol, Strassbourg si St. Michel. Pentru a descarca cele doua diametre au fost realizate doua artere inelare concentrice, cea interioara unind Piata Concordiei cu Piata Bastiliei.

Intreg acest sistem leaga intre ele si garile orasului. Desigur strapungerile efectuate au condus la pierderea unui fond construit medieval. Dar, fara asemenea interventie nu s-ar mai fi putut circula azi la Paris si nici nu ar fi fost cantate "Marile Bulevarde' ("Les Grands Bulevards').

In cadrul unor asemenea interventii se inscrie si regularizarea cursului raului Dambovita si strapungerea celor doua artere principale ale orasului Bucuresti, cele doua diametre a caror intersectie este reprezentata de Piata Universitatii.

Procesul construirii celor doua artere a avut un caracter treptat. Cea dintai strapungere pe directia est-vest a avut loc intre Piata C.A. Rosetti si Piata Kogalniceanu.

Strapungerea arterei nord-sud a avut caracterul unui proces mai indelungat. Cea dintai strapungere a avut loc in continuarea strazii Coltea catre nord, in etape, in anul 1912. In directia sudica, aceasta artera se oprea in anul 1935 in Piata Sf. Gheorghe; intre anii 1935 si 1940 in etape, s-au facut strapungeri pana in Piata Unirii, pentru ca prelungirea catre sudul orasului sa se faca abia in anii '60.

Desigur, toate aceste interventii, importante pentru functionarea traficului, au dus la pierderi ale tesutului istoric. Interventiile importante pentru functionarea traficului in Iasi au fost strapungerea strazii Stefan Cel Mare - Piata Unirii, Strada Banu - Piata Mihai Eminescu, Podul Ros - Palat (Finalizarea rezolvarii Pietei Unirii - Piata Venetiana - Strada Banu).

In urma studiului de circulatie intocmit in cadrul Planului de Urbanism General (PUG) Iasi, pentru perioada de perspectiva, se prelimina un numar de autovehicule ce patrund si ies din intersectie de la 6197 V./16 h in etapa 1 (2010), la 11531V. /16h in etapa II (2025).

Asociatia Internationala de Constructie a Tunelurilor a stabilit o declaratie profesionala, unde sunt prevazute directiile clare, referitoare la planificarea folosirii spatiului subteran. In aceasta, printre altele, se spune ca "subsolul este o resursa pentru dezvoltarea viitoare, iar proiectarea subteranului ar trebui sa fie o parte integrala a procesului normal de planificare a terenului, pentru a asigura linii directoare, criterii si clasificari pentru evaluarea utilizarilor adecvate a spatiului subteran, identificarea conditiilor geologice-geotehnice, definirea utilizarilor prioritare si rezolvarea potentialelor conflicte de utilizare'.

Pentru realizarea unor amenajari in spatiul subteran urban, pe langa planificarea adecvata, este necesara si o intelegere de perspectiva si patrunzatoare a fenomenului [1]. In prezent, lipsa folosirii amenajarilor spatiului subteran in mod constient sau folosirea acestuia insuficient este cauzata de: incorecta perceptie ca geologia si geotehnica terenului este necorespunzatoare; absenta unei planificari strategice de utilizare a subteranului; insuficienta cunoasterii avantajelor folosirii spatiului subteran; urmarirea respectarii mediului inconjurator.

Tunelurile rutiere urbane cu gabarit redus degajeaza suprafata intersectiilor de strazi, de autoturisme si vehicule cu gabarit redus (in orase traficul este constituit in proportie de 80-90% din autoturisme).

2. Evolutia calcului tunelurilor cu gabarit redus

Considerand cazul ideal al unui tunel cu sectiune circulara, de lungime infinita, cu axa orizontala, realizat intr-un masiv omogen izotrop si elastic, se determina starea de tensiune si deformatie pe baza ecuatiilor din teoria elasticitatii in ipoteza deformatiei plane [2], [3], [4], [8]. Solutia a fost stabilita de Kirsch in 1898. Conditiile de margine sunt prezentate in fig. 1. Fortele masice sunt neglijate, iar rezolvarea se face prin coordonate polare. Componentele se definesc prin functia de tensiune Airy si este notata cu

(1)

(2)

(3)

Fig. 1. Starea de tensiune pentru un gol circular dintr-un mediu omogen si izotrop

In fig. 2. sunt considerate doua cazuri diferite functie de raportul dintre componentele ale starii initiale de tensiune [7]. In primul caz, fig. 2.a, , tensiunea initiala este izostatica, iar distributia devine axial simetrica. Atat la nasteri, cat si la cheie, tensiunile radiale descresc catre un gol si se anuleaza pe contur, in timp ce tensiunile tangentiale cresc catre gol si se dubleaza in dreptul conturului

Fig. 2. Distributia eforturilor radiale, si tangentiale, , in jurul golului circular:

a - pentru ; b - pentru

In cel de-al doilea caz tensiunea orizontala reprezinta o cota parte din cea verticala si anume . La nasteri tensiunea radiala porneste de la si se anuleaza pe contur, in timp ce tensiunea tangentiala creste de la la . La cheie tensiunea radiala devine efort de intindere . Cazurile selectate sunt semnificative pentru a pune in evidenta mecanismele de instabilitate.

Modelarile pentru calculul captuselilor de tunel pot fi rezumate in tabelul 1.

Tabel 1. Clasificarea modelarilor aplicate tunelurilor

Din modelele unidimensionale, cele mai utilizate sunt cele de tip grinda, prezentate rezumativ in cele ce urmeaza.

2.1. Modelul boltii pleostite.

Fig. 3. Schema de calcul a boltii pleostite.

Ecuatiile de compatibilitate in calculul matriceal se pot scrie ca [10], [11], [12]:

(4)

unde: si sunt matricile de flexibilitate din metoda fortelor; - reprezinta deplasarea fetelor unei sectiuni datorita unei actiuni necunoscute static nedeterminate unitare, X_j = 1; - reprezinta deplasarea fetelor unei sectiuni cauzate de actiunea unei forte exterioare, p, unitare, P_j = 1; - este matricea vector a necunoscutelor static nedeterminate; - este o matrice ce grupeaza intensitatile reale ale sarcinilor exterioare din noduri.

In final dupa evaluarea formala matriciala rezulta:

(5)

unde: este o matrice a coeficientilor de influenta in care un element b_ij, reprezinta efortul in nodul "i" cand in nodul "j" actioneaza o forta P_j=1.

2.2. Modelul boltii suprainaltate.

Schema deformarii boltii sub actiunea incarcarilor verticale este prezentata in fig. 4. Metoda fortelor este aplicata in calculul matriceal, avand in final obtinuta rezultanta presiunii

Fig. 4. Deformarea boltii sub actiunea fortelor exterioare

2.3. Modelul tubului circular

In functie de natura terenului se disting doua modele principale de calcul:

daca roca este moale si nu impiedica deformatiile captuselii, atunci rezolvarea se face prin modelul inelului liniar deformabil - fig. 5 si 6;

daca roca este suficient de tare, impiedicand partial deformatiile captuselii, inelul se considera rezemat pe un mediu liniar deformabil de tip Winkler - fig.7, actionat de o sarcina uniform distribuita si o presiune reactiva functie de rigiditatea captuselii si deformabilitatea rocii [5], [6], [9].

Fig. 5. Schema de evaluare a incarcarilor  Fig. 6. Schema de incarcari teoretice si

produse de masivul de pamant sistemul de baza

Fig. 7. Sistemul de baza adoptat si distributia presiunilor in cazul unui inel pe mediul elastic

3. Aspecte privind ventilatia tunelurilor cu gabarit redus

In timpul exploatarii tunelurilor, in interiorul lor trebuie creata o atmosfera ce nu trebuie sa contina gaze nocive (in special oxid de carbon), peste concentratiile admisibile. Aceste limite depind de timpul cat oamenii stau in tunel (de viteza vehiculelor, lungimea tunelului); cu cat timpul este mai scurt, cu atat concentratia admisibila va fi mai mare. Necesitatea ventilatiei si amplasarea ei depinde de tipul tunelului, de tipul tractiunii, de traficul caii de comunicatii respective. Asigurarea ventilatiei unui tunel, prin crearea unor curenti de aer care sa reduca concentratia gazelor, se poate realiza fie prin lucrari de mica anvergura (foraje, puturi de ventilatie - ventilatie naturala), fie prin instalatii complexe de ventilatie (ventilatie artificiala). Avand in vedere cele aratate, necesitatea ventilatiei artificiale apare in special la tunelurile rutiere.

In general procedeele de ventilatie se pot grupa in:

sisteme de ventilatie longitudinala;

sisteme de ventilatie transversala;

sistem de ventilatie combinat (semitransversal).

3.1. Sistemul de ventilatie longitudinal

Sistemul de ventilatie longitudinal consta in amplasarea la portaluri, sau in cheia boltii, a unor grupuri de ventilatoare, fig. 8, sau a unor puturi de ventilatie. Avantajul acestui sistem consta in costul de investitie relativ scazut, datorita economiei realizate prin absenta unui canal special pentru aducerea aerului in lungul tunelului.

Fig. 8. Amplasarea ventilatoarelor in bolta tunelului

Un procedeu utilizat consta in realizarea in lungul tunelului a unuia sau a mai multor puturi de ventilatie, functie de lungimea de ventilatie, prin care sunt insuflate cantitatile de aer necesar. In cazul mai multor puturi se poate alterna puturile de aspiratie cu cele de refulare.

O alta varianta a sistemului de ventilatie longitudinal este sistemul Saccardo, a carei idee directoare este deplasarea longitudinala a aerului prin efectul de injectie - fig.9.

Ventilatoarele dispuse in vecinatatea portalurilor, in camere de ventilatie, trimit o parte din aerul proaspat (25 - 45%) cu o viteza ridicata (15 - 25 m/s), spre interiorul tunelului, sub un unghi de 15^o in raport cu axa. Depresiunea creata, antreneaza aerul, ce intra prin portale, in lungul tunelului.

Fig. 9. Schema unei ventilatii longitudinale

3.2. Sistemul de ventilatie transversala

Acest sistem de ventilare (transversal) consta in absorbtia aerului viciat din sectiunea tunelului si introducerea aerului proaspat pe la partea inferioara. Gurile aparente se dispun pe la partea superioara (intr-un plafon fals) a tunelului la 3-6 m distanta si au dimensiunile de 15x100 - 200 cm. Din motive arhitectonice si functionale se dispun, de regula, sub borduri la tunelurile rutiere, permitand asigurarea unei bune ventilatii a tunelului rutier (aerul viciat este evacuat pe cel mai scurt drum posibil) si totodata asigura vizibilitate corespunzatoare prin aspirarea gazelor de esapament pe la partea superioara.

In cazul tunelurilor circulare aerul viciat este evacuat pe la partea superioara, fig. 10, iar aerul proaspat este introdus prin lateral, pe sub carosabil. Parametrii acestui sistem de ventilare sunt inferiori, dar se pot imbunatatii atunci cand sectiunea transversala a tunelului este in forma de potcoava, unde aerul viciat acumulat in calota poate fi indepartat prin puturile de ventilatie sau portaluri fara a afecta siguranta circulatiei.

Fig. 10. Exemple de amplasare a gurilor de ventilatie (AC- aer curat, AV- aer viciat)

3.3. Sistemul de ventilatie combinat

Sistemul de ventilatie combinata, denumita si semitransversala, fig. 11, este asemanator cu cel cu ventilatia transversala, lipsind conducta independenta pentru eliminarea aerului viciat, rolul ei fiind preluat de spatiul de circulatie.

Parametrii ventilatiei semitransversale sunt inferiori celei transversale, ei se imbunatatesc la tunelurile cu sectiunea in forma de potcoava, unde aerul viciat acumulat in calota se poate indeparta, fara prejudicii importante asupra sigurantei circulatiei, spre puturile de ventilatie sau portaluri.

Fig. 11. Sistem de ventilatie semitransversala.

In tunelurile rutiere concentratia admisibila a gazelor toxice - fig. 12. este masurata in volum si exprimata in ppm (parti pe milion) dar se mai poate exprima si in masa / unitatea de volum: CO- 10^-3ppm=1,14 μg/m³; 1 g/h=0,87 l/h; NO- 10^-3ppm=1,23 μg/m³; NO₂- 10^-3ppm=1,88 μg/m³; 1 g/h=0,53 l/h.

Fig.12. Emisiile poluante si consumul de combustibil functie de viteza de rulare

3.5. Alegerea unui sistem de ventilare

Aceasta se face in functie de cantitatea de gaze provenite de la gazele de esapament ale autovehiculelor care circula prin tunel.

Alegerea sistemului de ventilare a unui tunel rutier se realizeaza in functie de cantitatile de emisii de monoxid de carbon - care exprima arderea incompleta a carburantului, respectiv randamentul redus al combustiei. Valoarea pentru CO trebuie sa fie sub 50 ppm pe o perioada de 30 min si de 90 ppm pentru o perioada de 15 min.; in situatii exceptionale nu trebuie sa depaseasca 150 ppm.

Cantitatea de CO - monoxid de carbon, se poate determina [dupa Kres] si in functie de capacitatea de circulatie si lungimea tunelului din relatiile:

capacitatea de circulatie

, in [veh./ora] (6)

unde: V - viteza medie de circulatie in [km/h];v - viteza medie a unui vehicul in [m/s]; a₁ - lungimea medie a vehiculelor; a - distanta intre vehicule in [m].

Numarul de vehicule ce se afla la un moment dat in tunel:

(7)

unde: L - este lungimea tunelului in km.

Cantitatea de CO produsa este:

, in [m³/s], (8)

unde: q - cantitatea de CO in l/min. produsa de un vehicul.

Debitul de aer necesar este:

, in [m³/s] (9)

unde: f = 0,2 - 0,25 % - procentul admis de CO.

Numarul de schimburi pe ora este:  (10)

Vapori de acroleina (C₃H₄O) - provenite de la gazele de esapament ale motoarelor diesel, este:  (11)

unde: B - cantitatea de combustibil consumat pe ora [kg/h]; A - procentul de acroleina continut in gazul de esapament: 0,13-0,15. Valorile maxime sunt de 750 ppm timp de 5 minute sau 300 ppm timp de 30 minute.

Oxizii de azot, NO_x - provin din combinarea oxigenului si azotului din aerul amestecului carburant, la temperaturile inalte din motor. Factorii care influenteaza concentratia NO_x, in gazele de esapament sunt: tipul motorului, viteza de circulatie, varsta vehiculului, circulatia in rampa. Valorile lui NO₂ pentru dimensionarea ventilatiei in tunel, pentru 2007 este de 0,5 ppm, iar pentru 2010 aceasta va scadea la 0,4 ppm pentru o perioada de 15 min.

Hidrocarburile, HC - poluarea cu hidrocarburi se produce pe doua cai: in afara combustiei si in cadrul combustiei pentru obtinerea fortei de propulsie a autovehiculelor. Factorii care influenteaza emisia de HC in gazele de esapament sunt: conditiile de circulatie, viteza de circulatie, cilindreea vehiculului, varsta vehiculului.

Bioxidul de sulf, SO₂ - se gaseste in gazele de esapament al autovehiculelor diesel si se datoreaza continutului de sulf al carburantilor, dar provine si din oxidarea sulfului din cauciucul anvelopelor.

Poluarea cu fum - sub forma de particule submicronice se gaseste in gazele de esapament ale vehiculelor diesel. Emisia de fum creste odata cu capacitatea de transport a vehiculelor si este influentata de viteza de circulatie si declivitate [13], [14], [15], [16]. Circulatia in rampa cu viteza sporita duce la cresterea de 2-3 ori a emisiei de fum, fig. 13. In cazul tunelurilor, opacifierea aerului din cauza fumului este unul dintre criteriile adoptate pentru proiectarea instalatiilor de ventilare.

Fig. 13. Influenta vitezei de circulatie si a declivitatii asupra emisiei de fum

Poluarea cu particule sedimentabile - sunt alcatuite din compusi cu plumb, Pb, proveniti din gazele de esapament si din uzura caii sub actiunea pneurilor, din uzura ferodourilor de frana si ambreiaj dar si din uzura si corodarea intregului vehicul [17].

Deoarece in tunelurile rutiere cu gabarit redus fluxurile de circulatie sunt alcatuite din vehicule usoare (autoturisme, dubite, autovehicule 4x4), emisiile de poluanti, in acest caz, notate cu e_i, pot fi calculate cu relatia de mai jos:

(12)

unde: σ - coeficient de siguranta pentru calculul emisiilor de poluanti; h_i - coeficient de corectie in functie de altitudine; - vector de repartitie conf. etapelor de reglementare europene - procentajul vehiculelor nonEURO; - procentajul veh. cu EURO 1; - procentajul veh. cu EURO 2; - procentajul veh. cu EURO 3; - procentajul veh. cu EURO 4. e_i - emisiile de poluanti, (e₀ e₄); e₀ , e₁ - emisiile de CO, NO si fum pentru vehicule usoare pe benzina si diesel; e₂ =f₂ e₁; e₃ =f₃ e₁ ; e₄ =f₄e_1.

Calculul debitului de aer curat necesar se determina in functie de dilutia poluantilor pe km de tunel:

(13)

unde: Q - debitul de aer curat; c₀ - concentratia poluantilor, in tunelurile urbane este cca. 0,05 ppm pentru NO₂, cca. 0,15x10^-3 pentru opacitate si de cca 2-5 ppm pentru CO.

4. Concluzii

Lucrarea dezvolta principiilor de baza in conceptia tunelurilor cu gabarit redus ce solutioneaza probleme ale traficului in intersectiile importante din zonele urbane dar si rezolva traficul de tranzit prin adoptarea unor astfel de tuneluri si eliberarea arterelor de circulatie de o parte din fluxurile majore, asigurand utilizatorilor comoditatea, fluenta si siguranta in circulatie. Avantajele unei astfel de constructii, pe langa cele mentionate mai sus, ar fi izolatia termica, reducerea costurilor legate de intretinere (degradarea este mult mai lenta deoarece elementele componente ale tunelului nu sunt supuse intemperiilor de la suprafata - vant, precipitatii, radiatii solare, diferente mari de temperatura, etc.), precum si durata mare de viata a acestora.

Bibliografie

Boti, N. - "Tunnelling: two centuries of theory and computation advances". Fierbinteanu, V.s.a. Prima Conferinta Nationala de Constructii Subterane, Iasi, 1993.

Stematiu, D. - "Calculul structurilor hidrotehnice prin metoda elementelor

finite", Ed. Tehnica, Bucuresti, 1988;

Teodorescu, P. - "Tuneluri, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1977;

Stanculescu, I.  - "Tuneluri si metropolitane, partea I", I.C. Bucuresti, 1977;

Fierbinteanu, V., sa

Fierbinteanu, V. - "The structural analysis of circular tunnel linings using the FEM",

International Congress on Large Underground Openings - Firenze,

Italy, 1986;

Stematiu, D. - "A finite element model for excavation lining and lining

Prestressing of water power plant tunnels", ISRM Symp., Aachen, 1982;

Terzaghi, K. - "Rock effect and loads on tunnel supports", In Rock tunneling with

steel supports, vol.1, Youngstown, OH;

Boti, N. - "Tuneluri si metropolitane". Rotaprint, I.P.Iasi, 1978;

Stanciu, A.

Boti N., - "Considerations regarding a modern analysis method of tunnels",

Rovenschi R. Lucr. II-a Conf. Nat. de Constructii Subterane, Brasov, 1996.

Boti N., - "Influenta rigiditatii captuselilor in calculul constructiilor

Stanciu A., Lungu, I. subterane", Conferinta ART oct. 2003,Timisoara;

Rovenschi, V. - "Contributii privind calculul tunelurilor pentru cai de comunicatii

prin metode moderne", Teza de doctorat, Univ. Teh. Gh. Asachi Iasi, 2002;

Sandulache, G. - "Analiza statica si seismica a constructiilor subterane de tipul

galeriilor, tunelurilor si metrourilor cu considerarea efectelor de interactiune", Teza de doctorat, Univ. Teh. Gh. Asachi Iasi, 2003;

Zarojanu, H. - "Elemente de tehnica traficului rutier", Ed. Societatii Academice

"Matei-Teiu Botez", Iasi, 2002;

Zarojanu, Gh.H. - "Drumuri-Trasee", Ed. Venus, Iasi, 1999.

Popovici, D.

Weinstein, B. - "Contributii la dezvoltarea aspectelor teoretice privind traficul,

cu aplicatie in orasul Iasi". Teza de doctorat, I.P. Iasi, 1979;

Popovici D. - "Sisteme de Transport si Trafic Urban - indrumar de proiectare",

V. Boboc,  Editura Societatii Academice "Matei-Teiu Botez", Iasi 2002.

Galusca N.I. 

Galusca N.I. - " Contributii privind tunelurile cu gabarit redus: studiul si incadrarea

in sistematizarea circulatiei din marile orase". Teza de doctorat, Univ. Tehnica "Gh. Asachi", Iasi, 2008