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Philippe Chopard: Ingénieur chef de projet, Bonnard & Gardel Ingénieurs-conseils SA, Suisse
Alan Weatherill: Responsable du groupe "Ventilation", Bonnard & Gardel Ingénieurs-conseils SA, Suisse

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In Vorbereitung, dem April 2004 ist eine wesentliche Änderung des Klimatisierungs- und Ventilationskreislaufes im Gange. Die Länge der Galerien veranlaßt uns, sich in Richtung eines Kreislaufes zu entwickeln, der mit Druckausgleichskammern und mit wasserdichten Wänden ausgestattet wurde. Dies, um den Männern zu erlauben, unter weniger zwingenden Bedingungen zu arbeiten. Die Klimatisierungskraft wird um 1MW erhöht. Die Bewegungen d'air frisch und verdorben genauer gelenkt. Ich werde Ihnen Einzelheiten je nach des l'avancement der Arbeiten mitteilen.

1 - ALLGEMEINE VORSTELLUNG

Der Basistunnel Lötschberg (dessen Bauherr ist die Gesellschaft BLS AlpTransit AG, Bern), bildet einen der zwei Eisenbahnbasistunnel (mit Gothard), die durch die Schweiz durch die Alpen geplant wurden. Von einer Länge von 35 km stellt er das Hauptwerk der Nord-Südachse Lötschberg-Simplon dar, die Nordeuropa mit Italien verbindet. Es ist ein wesentliches Glied der neuen Eisenbahnalpenlinien (NLFA), Linien an großer Kapazität durch die Alpen, und die durch die Schweiz verwirklicht werden, um dem Morgengrauen des dritten Millenniums die Entwicklung des Personenverkehrs und Waren zu erlauben.
Die Inbetriebnahme agendée Anfang des Jahres 2007. Die Konstruktionskosten werden auf 3,6 Milliarden Schweizerfranken geschätzt.
L’exposé definiert das Konzept an der Basis der Ausmeßung der Ventilation und der Kühlung, dies in Phase des Tunneldurchstichs (Baustelle) in l’attaque Vermittler von Ferden und stellt die aufgetretenen Schwierigkeiten und die in Betracht gezogenen Lösungen vor.
Die klimatischen Bedingungen in Galerie im Laufe des Durchbohrens des Basistunnels Lötschberg im Ferden-Los erscheinen à plus d' un titre als ausgehend vom gewöhnlichen;

Coupe transversale du massif

Abb. 2 - Temperatur des Massivs entlang des Tunnels und geologischen Profils.

zum Beispiel:
- der Röhren böhren des Basistunnels ausgehend vom Fuß der Schachtanlage Ferden langen von 4,1 km an 12 %;
- Die wichtige Länge der Angriffe, das heißt 2 Röhren auf 6.5 km in Norddirektion und 2 Röhren auf 2 km in Süddirektion;
- Die geometrische Komplexität der beigefügten Werke (Höhlen, Zugangsgalerien, den unterirdischen Bahnhof und Wegänderungen);
- Und abschließend die starke Tiefe des Tunnels, der am Anfang der erhöhten Temperaturen des Felsens ist, die 45°C auf einigen Abschnitten überschreiten (Höchstdecke von 2100 m);
Um eine Antwort entsprechend diesen wenig banalen Zwängen zu bringen sieht das Ventilationskonzept die Verwirklichung einer d’extractions grube vor, verdorben sowie die Einführung eines Systems künstlicher Kühlung l’air d’une Kapazität von 5 MW thermischen. Diese verbundenen Maßnahmen müssen erlauben, die trockene besagte 28°C temperatur auf den unterirdischen Arbeitsstellen gemäß den Forderungen der Dienste der Überwachung der Gesundheit aufrechtzuerhalten.
Der Ventilationsschornstein ist ebenfalls wesentlichen Bestandteil des Sicherheitskonzeptes Feuer des Tunnels in Betrieb.

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Abb. 3 - Basistunnel Lötschberg; Bestimmung des Ferden-Loses.

2 - GEOLOGISCHE UND GEOTHERMISCHE ANGABEN

Die geologischen Formationen in Anwesenheit sind vor allem ein Gneis, kristallinische Schiefer und Granite. Die felsige Decke ist auf der ganzen Vorzeichnung sehr wichtig. Sie überschreitet 1500 m auf einem linearen von 10 km mit einem Maximum von 2100 m.
Die erwartete Höchsttemperatur des Massivs ist in Anbetracht der starken Tiefe hoch. Die Werte, die vom Geologeen pro Stelle angekündigt wurden 45°C mit einem wichtigen Unsicherheitsstrand überschreiten. Die maximas werden an 3 km in Norddirektion erwartet. Diese Größenordnung ist pünktlich in mehreren tiefen Bohrungen bestätigt worden, die seit der Oberfläche verwirklicht wurden.


3 - AUSGRABUNG AB FERDEN

Das Ferden-Los der Arbeiten des Basistunnels ist ein " Mitteljob-Stapel", aufgrund der Tatsache, daß der Tunnel jedesmal auf 2 Röhren in den zwei Nord- und Süddirektionen ausgehend vom Fuß der Schachtanlage von Ferden ausgegraben wird.
An ihren Enden begegnen die Angriffe den Ausgrabungen, die ausgehend vom Tal der Rhone zum Süden und von der Schachtanlage von Mitholz im Norden geführt wurden.
Diese Bestimmung ergibt sich aus einem Planungszwang, nach dem der Tunneldurchstich vor Oktober 2004 verwirklicht werden mußte. (am 29/10/03 für den Süden vollendete Aufgabe)
Die Schachtanlage von 4,1 km an 12% stellt den Weg allein der Ernährung der Baustelle des Tunnels an ihrer Basis dar. Eine bereite Einrichtungsstelle unterirdisch in mehreren Höhlen zum Fuß der Schachtanlage erlaubt, die Beherrschung der verschiedenen Flüsse zu gewährleisten.
Da man sich davon bewußt sein kann, herrscht eine sehr starke Aktivität unterirdisch bei der Öffnung der Angriffe der vier nördlichen und südlichen Ausgrabungsvorderseiten; es gibt mehr oder weniger 100 Arbeiter auf diesen verschiedenen unterirdischen Baustellen. Es ist also grundlegend, zufriedenstellende klimatische Bedingungen in Galerie zu garantieren.
Die Ausgrabungen des Ferden-Loses werden durch Bergbau in den hauptsächlich kristallinischen Felsen verwirklicht. Die Kadenz wird auf einen durchschnittlichen Fortschritt von 7,5 m pro Tag Arbeit mit kontinuierlichem Zeitplan über 24 Stunden 7 Tage/7 geschätzt.


4 - VENTILATIONSKONZEPT

Die Baustellenventilation unterliegt den Vorschriften des Kontrollorgans der Arbeitshygiene der nationalen Versicherungskiste Unfall (SUVA).
Dieser legt die maximalen Werte der Konzentration (durchschnittlicher Ausstellungswert VME) der schädlichen Substanzen in der Luft auf den Arbeitsorten fest. Er definiert auch die Werte des frischen minimalen Luftdurchsatzs gemäß der Nennleistung der engagierten Dieselbaumaschinen von der Verwendung von Sprengstoffen (Bergbau) und von der Anwesenheit von Gas im felsigen Massiv.
Eine ausreichende Ernährung in frischer Luft und die alle Sicherheitsgarantien vorstellt, ist im Ferden-Los in Anbetracht der Länge der Angriffe und ihrer Bestimmung in Fuß der Schachtanlage von 4,1 km unentbehrlich.
Die Beachtung der Vorschriften des SUVA, die potentielle Anwesenheit von Gas auf einigen Abschnitten und der allgemeinen Bemühung, ein System der Ernährung frischer Qualitätsluft zu schaffen, haben dazu geführt, das an Abb. 4 reproduzierte Ventilationsschema anzunehmen.
Die Ernährung in frischer Luft erfolgt in voller Sektion durch die Schachtanlage von Ferden. An der Basis der Schachtanlage wird die frische Luft in Richtung der verschiedenen Ausgrabungsvorderseiten und der Stelle der Einrichtung in Höhle verteilt.
Die Luftzirkulation in den 2 Röhren des Tunnels wird immer in voller Sektion in Schleife ausgehend von der intertube Verbindungsgalerie verwirklicht, die mehr in der Nähe der Vorderseiten angesiedelt ist. Die Vorderseiten werden durch eine sekundäre soufflante Ventilation mit Hilfe von Lutten auf einer Höchstlänge von 1500 m vorangetrieben.
Diese Bestimmung ist seit Beginn der Hauptangriffe operationell. Sie erlaubt, die notwendigen wichtigen Ausstöße bis zu 200 m3/s zu garantieren. An diesem Ausstoß entspricht eine Stromgeschwindigkeit der Luft von 11 km/h in der Sektion der Schachtanlage.
Die verdorbene Luft wird durch die Galerie und die Ventilationsgrube von Fystertelläe evakuiert. Der Hauptventilator wird in Höhle an der Basis der Grube verfügt. Von einer Kraft von 1,25 MW gewährleistet er den Luftverkehr durch Aspiration; ein System von Diaphragmen und von Druckausgleichskammern erlaubt, die verschiedenen Ausstöße in Galerie zu regulieren.

Abb. 4 - Ventilationsschema

Diese Lösung bietet eine große Sicherheit bei Feuer an, die Abgabe die verdorbene Luft, die gänzlich von der Zuleitung frischer Luft dissoziiert wird.
Die Höhle, die Galerie und die Ventilationsgrube machen wesentliche Bestandteile des Ventilationskonzeptes Feuer des Tunnels in Betrieb.


5 - KLIMATISCHE BEDINGUNGEN IN GALERIE

5.1 Medizinischer Aspekt

Die wichtige Hitze- und Feuchtigkeitsfreisetzung durch das felsige Massiv, zu dem es sich empfiehlt, die Beiträge der Hitze der Baustellenmaschinen hinzuzufügen, führt dazu, daß das Klima, das in Galerie herrscht, mindestens als feuchte Hitze und bezeichnet werden kann. In Anbetracht der verschiedenen Wasserführungen kann die relative Feuchtigkeit der Luft angrenzen an 100 %.
Diese extremen Bedingungen stellen Problem dar und prüfen stark den menschlichen Körper, wenn es sich darum handelt, eine mühsame Baustellenarbeit zu verwirklichen.
Die Risiken für die Gesundheit sind médicalement wohlbekannt und umfassen alle Demonstrationen hyperthermie, die je nach Fall ernste Folgen schnell haben können.
Deshalb werden die klimatischen Bedingungen bei der Arbeit in heißem und feuchtem Klima strikt (in der Schweiz durch das Kontrollorgan der Arbeitshygiene des SUVA geregelt).

5.2 Regelung über das unterirdische Klima

Es gibt verschiedene Kriterien, die d’évaluer l’incidence der klimatischen Bedingungen des Tunnels auf dem menschlichen Körper erlauben:
- die internationale Norm ISO 7243: WBGT
- in Frankreich: resultieren des Temperaturl’indice
- in der Schweiz: die Grenztemperatur nach den Vorschriften des SUVA
- in Deutschland: wirksames Temperaturl’indice.
Diese vier Referenzen erlauben, eine theoretische resultierende Temperatur zu berechnen, die die Temperatur berücksichtigt, von ihrem d’humiditésatz und von der Stromgeschwindigkeit l’air d’air. L’indice WBGT berücksichtigt ebenfalls die Strahlungshitze auf den Arbeitsstellen (Temperatur der schwarzen Sphäre).
Die für einen normalen Tag Arbeit einzuhaltenen Grenzwerte 8 Stunden sind folgende:
- Wbgt-Temperatur: 28°C
- Wirksame Temperatur (Deutschland): 25°C
- Resultierende Temperatur (Frankreich): 26°C
Die zulässigen trockenen Höchsttemperaturen nach den suva-Kriterien (die Schweiz) für mühsame Arbeiten température effective < 25°C

und die resultierende Temperatur werden < 26°C (Frankreich), mit Abb. 5 für verschiedene d’humiditésätze verglichen. Die Stromgeschwindigkeit wird d’air mit 7 km/h festgelegt.
Man beobachtet auf dieser Darstellung wenig Unterschiede zwischen den befragten Referenzen, die auf ein feuchtes Klima angewendet wurden.
Im Falle des Basistunnels Lötschberg und es basiert sich auf den Erfahrungen, die in den Bergwerken verwirklicht wurden, und ist gemeinsam mit dem SUVA d’utiliser die folgende Grenzbedingung auf dem Klima angenommen worden:
Die trockene Temperatur in l’ensemble vom Tunnel darf nicht überschreiten 28°C.

Abb. 5 – Vergleich der verschiedenen Kriterien der Bewertung des unterirdischen Klimas.


6 - WÄRMEBILANZ

6.1 Hitzebelastungen

Die identifizierten Hitzebelastungen stammen hauptsächlich aus dem felsigen Massiv und aus den Geräten und Baustellenaktivitäten.

6.1.1 Felsiges Massiv
Die Hitzebelastung, die aus dem Massiv stammt, ist hoch. Die durch den Felsen freigesetzte Hitze ist in der d’attaque Zone maximal, wo der Felsen n’a nicht noch abgekühlt durch die Ventilation. Sie erreicht 3 km in Norddirektion, wo die Temperatur des Massivs sich auf 45°C beläuft.

6.1.2 Geräte und Aktivitäten der Baustelle
Die Baustellenaktivitäten sind ebenfalls Produktions- von Hitze. Wenn unter den üblichen Durchbohrbedingungen (Tunnel unter durchschnittlicher Decke mit angrenzender an Gebirgstemperatur 15°C), sie nicht an Folge tragen, stellen sie in diesem Fall eine Quelle zusätzlicher Lastenwärme dar.
In einer Ausgrabung durch Bergbau sind sie auf 650 kW im Durchschnitt geschätzt worden. Sie ergeben sich hauptsächlich aus den Aktivitäten der Bohrung, des Marinierens, des Transportes und der Verwirklichung des geplanten Betonabstützens (Hydrationshitze).
Die angegebenen Werte entsprechen nachfolgend einem Spitzenfortschritt von 12 m auf 24 Stunden.

Bothung
45kW
Bergbau
80kW
Maschines
200kW
Verankerung
120kW
Ventilation
160kW
Marin
40kW
Gesamstzahl in der Zone der Vorderseite
650kW

6.2 Berechnung des Klimas im Tunnel

Die Wärmebilanz ist aufgestellt worden, indem man die Entwicklung in der Zeit der Hitzebelastungen in Betracht gezogen hat, die in Wechselwirkung mit dem Bohrvorgang des Tunnels erwähnt wurden.
Er berücksichtigt auf diese Art und Weise:
- Die Geometrie der Angriffe.
- Die ursprüngliche Temperatur des Massivs.
- Die thermischen Eigenschaften des Massivs thermische Leitfähigkeit zu wissen spezifische Wärme, diffusivité thermisches der verschiedenen geologischen Formationen.
- Der feuchte Umkreis des Hohlraums des Tunnels
- Die Hitzebelastungen der Baustelle, insbesondere die durch das Marinieren induzierten Lasten.
- L’histoire jedes Angriffs und die Vorschubgeschwindigkeit.
- Die Außenventilation und die klimatischen Bedingungen.

6.3 Berechnungsverfahren

Die Berechnung des Klimas in Galerie ist mit der Software verwirklicht worden, die durch Bonnard & Gardel entwickelt wurde. Dieses Programm ist im Vergleich zu anderen Konzepten für rechtsgültig erklärt worden.
L’évolution der Temperatur entlang der Galerie wird ab der Außentemperatur berechnet, für Tranchen des Tunnels von 10 m der Länge l’air. Einzig wird die radiale Wärmeübertragung, die aus dem Massiv stammt, berücksichtigt, die Achsenübertragung wird vernachlässigt.
Die Berechnung der Wärmeübertragung in Galerie ist ein Problem instationnaire radialer thermischer Leitung, das in zylindrischen Koordinaten durch eine Differentialgleichung definiert werden kann:



die mathematische Lösung wird in l’ouvrage von Carslaw and Jaeger [ 12 ] in der Form d’une Serie von Funktionen von Bessel für verschiedene Anzahl Fourier und Biot entwickelt.

6.4 Klimatische Bedingungen ohne Abkühlen

Die Ergebnisse der Berechnung der Temperatur, in Galerie für die Nordröhren l’air, werden in Abb. 6. vorgestellt betrachten zunächst die Temperaturkurve als am höchsten. Der n’est-Tunnel nicht, der zu diesem Zeitpunkt des Abkühlsystems ausgestattet wurde, ausgenommen die forcierte Ventilation. Die Berechnungen berücksichtigen einen Ausstoß der Ventilation von 100 m3/s in der Nordschleife und 100 m3/s in der Südschleife. Zur Erinnerung wird die trockene Grenztemperatur l’air auf 28°C festgelegt.
Diese Bedingung wird in den zwei Südröhren in Anbetracht der mittelmäßig erhöhten Temperatur des Felsens eingehalten. Der Ausstoß der Hauptventilation ist ausreichend, um die Temperatur unterhalb des 28°C aufrechtzuerhalten.
Im Gegenteil in den Nordröhren beläuft sich die erwartete Temperatur auf 34°C und überschreitet die festgelegte 28°Cgrenze; ein System künstlicher Kühlung erweist sich als notwendig. Die kritischen Zonen liegen an den Nordvorderseiten und an der Wetterstrecke in Fuß der Schachtanlage.

Abb. 6 - Kurven der Temperatur der Luft in Galerie ohne und nach Einführung des Systems künstlicher Kühlung.

7.1 Notwendige Kältekraft

Der Kälteantrag, um die durchschnittliche Höchsttemperatur unterhalb des 28°C in Galerie herabzusetzen, wird auf 3 MW geschätzt. Wenn man die Unsicherheiten in Betracht zieht, die die Schätzungen der Temperatur des Massivs beschmutzen, kann sich die erforderliche Kraft auf 5 MW belaufen (vgl. Abb. 7).

Abb. 7 - Kältekraft gemäß der Temperatur

An einer Erhöhung von 1°C der Außentemperatur entspricht ein höherer Kälteantrag von 250 kW. Die vereinfachte Illustration der Wärmebilanz wird Abb. 8 gegeben. Die Aufschlüsselung die Hitzebelastungen von Natur aus und die durch die Ventilation und durch das Kühlungssystem gewährleisteten Teile der Kühlung erscheinen.

Abb. 8 - Hitzebelastungen und des Abkühlens.

7.2 Kühlungssystem

Ein System künstlicher Kühlung wird in Galerie geschaffen. Das Konzept sieht die Kühlung durch kalten Wasserverkehr vor (vgl. Darstellung 9). das Wasser des Lonza-Flusses im künstlichen See des Staudammes von Ferden entnommen. Sie wird filtriert dann erreicht beim Tunnel durch die Grube von Fystertellae; das stellt eine Unebenheit von 567 m dar.
Das kalte Wasser wird danach in Galerie durch isolierte Leitungen geführt (Übertragungskoeffizient < 2.5 W/°K*m2); mehrere bewegliche Konvektionsverteiler von einer Einheitskraft von 300 bis 500 kW sind bereit an den Vorderseiten und in Galerien; sie gewährleisten die Kühlung der Arbeitsplätze. An der Rückkehr geht das durch die Grube aufgewärmte Wasser hinauf und wird am See zurückerstattet. Der Höchstwasserzufluß wird auf 300 m3/h geschätzt.
Die Temperatur des Wassers, das am Fluß entnommen wurde, beträgt 4 an 8°C nach der Saison; dieses niedrige Temperaturniveau ist am guten Funktionieren der Einrichtung wesentlich; es handelt sich in der Hauptsache um Wasser von Gletschergußeisen. Der ziemlich hohe Ausstoß des Lonza-Flusses führt dazu, daß die legale Bedingung, die die Erwärmung des Wasserlaufs an 3°C begrenzt, eingehalten wird daher im Winter.
Ein mechanisches System der Reduzierung und der Übertragung von Druck erlaubt, das Pumpen in der Grube auf einer Höhe von 567 m abzuschaffen, indem es den Druck der Wasserkolonne nutzt, indem es den Kreislauf von Wasser in Galerie auf einem niedrigen Druckniveau aufrechterhält.


Abb. 9 – Wasser Kühlungssystem durch kalten Verkehr.

8 - SCHLUSSFOLGERUNG

Der Job-Stapel von Ferden des Basistunnels Loetschberg stellt Verwirklichungsbedingungen vor, die aus dem gewöhnlichen herauskommen. Die große felsige Decke sorgt dafür, daß die in Galerie erwarteten klimatischen Bedingungen sehr streng sind; nach den Schätzungen des Geologeen können die Gebirgstemperaturen erreichen 45°C.
Gemäß den Vorschriften, die durch das Kontrollorgan der Arbeitshygiene verordnet wurden, darf die Temperatur der 28°Cluft nicht in Galerie überschritten werden. Dies erfordert die Einführung einer künstlichen Kühlung von 3 bis 5 MW nach begegneten Temperaturniveaus.
Ein Kühlungssystem durch kalten Wasserverkehr ist mit Bestimmung beweglicher Verteiler in Galerie geschaffen worden. Das System, das sich charakterisiert durch seine Konzeptionseinfachheit vorgesehen ist, und gerade deshalb eine wirtschaftliche Lösung bildet. Es wird durch den ziemlich kalten Gehalt von Gußeisenwasser im Lonza-Fluß möglich gemacht und erfordert die Einrichtung einer Energie Verbraucherwärmepumpe nicht.


  • IGWS, Bonnard et Gardel, "Principes de base pour le dimensionnement de la ventilation et de la réfrigération de chantier", 04-03-1997.
  • Geologengruppe Loetschberg-Basistunnel, Profil géologique, section Nord, du 14-06-1996, GG54.
  • Geologengruppe Loetschberg-Basistunnel, Profil géologique, section Sud, du 05-08-1996, GG59.
  • SIA, « Ventilation des chantiers souterrains », recommandation 196, 1983. R 352, « Mise en oeuvre de dispositifs de ventilation mécanique », CNAM, 27 juin 1990.
  • ISO 7243, Afnor X 35-204, « Ambiance chaudes - Estimation de la contrainte thermique de l’homme au travail, basée sur l’indice WBGT (température humide et de globe noir) », 1 août 1989.
  • KlimaBergV, « Bergverordnung zum Schutz der Gesundheit gegen Klimaeinwirkungen », 9 Juni 1983.
  • « Règlement général sur l’exploitation des mines de combustibles minéraux solides », annexe au titre VII, Journal Officiel de la République Française n° 1226, 1983.
  • SUVA form. 1484, « Règles relatives au dimensionnement et à l'exploitation de la ventilation mécanique, lors de l'exécution de travaux souterrains ».
  • SUVA form. 1497 « Règles relatives à la prévention des accidents dus au feu et aux explosions lors de la construction d'ouvrages souterrains réalisés dans des couches rocheuses dégageant du gaz naturel ».
  • SUVA form. 1974, « Mémento relatif au travail en souterrain en climat chaud et humide ».
  • Carslaw, H. S. and J. C. Jaeger, « Conduction of heat in solids »,
  • Oxford at the Clarendon Press, 2nd edition 1959.
  • Malcolm J. McPherson, « Subsurface Ventilation and Environmental Engineering », Chapman & Hall, 1993.

 

Sources:BG Ingénieurs-conseils SA
Av. de Cour 61 - CP 241
CH-1001 Lausanne


 

 

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