Evaluating Respirable Dust Distribution in Tunnel Construction Works

Die vorliegende Arbeit untersucht die Entstehung und Kontrolle von alveolengängigem Staub (A Staub) im Untertagebau in Österreich, motiviert durch die jüngst abgesenkten zulässigen Grenzwerte für lungengängigen Quarzfeinstaub (RCS). Vor-Ort-Messungen der A Staubkonzentrationen und Analysen des Quarzgehalts in Tunnelluft- und Staubproben zeigten, dass Sprengen und das Ablauten lockerer Gesteinspartien (Scaling) die höchsten Staubfrachten erzeugen, wobei beim Ablauten die höchste Quarzfeinststaubkonzentration auftrat. Diese, von den lokalen geologischen Bedingungen beeinflussten Daten wurden zur Validierung der in dieser Arbeit durchgeführten partikelbasierten Simulationen herangezogen. Längsbelüftungssysteme in vier österreichischen Tunnelbauwerken wurden mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) analysiert. Die Strömungssimulationen wurden mit in situ gemessenen Luftgeschwindigkeiten validiert und zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Felddaten. Für einen repräsentativen Tunnel wurden zudem detaillierte Partikeldispersionssimulationen mit einer Lagrange¿schen Partikelverfolgung durchgeführt und anhand zeitlich aufgelöster Staubkonzentrationsmessungen nach Sprengungen verifiziert. Dadurch konnte die Eignung des CFD Modells zur Vorhersage sowohl der Luftströmungsverteilung als auch der Partikeldispersion während des Tunnelvortriebs bestätigt werden. Mehrere Belüftungsszenarien, einschließlich Variationen des Abstands zwischen Luttenauslass und Ortsbrust sowie der Austrittsgeschwindigkeit am Luttenende, wurden bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die derzeit eingesetzten Belüftungskonfigurationen in vielen Fällen nicht ausreichen, um A Staubkonzentrationen unter den aktualisierten Arbeitsplatzgrenzwerten zu halten. Insbesondere sind die gebräuchlichen Abstände zwischen Lutte und Ortsbrust zu groß, um eine wirksame Partikelabfuhr sicherzustellen. Eine Reduktion dieses Abstands auf etwa das Fünffache des Tunneldurchmessers (5D) verbessert die Staubabsaugung deutlich; eine ausreichende Sicherstellung der Quarzstaubreduktion erfordert jedoch zusätzlich hinreichend hohe Austrittsgeschwindigkeiten, um die partikelbeladene Strömung wirksam zum Tunnelportal zu fördern. Insgesamt zeigt die Studie, dass die Einhaltung der aktualisierten österreichischen Grenzwerte für lungengängigen kristallinen Quarz sowohl kürzere Abstände zwischen Luttenauslass und Ortsbrust als auch höhere Bewetterungsvolumenströme voraussetzt. Die gemessenen A Staubkonzentrationen und Quarzgehalte lieferten eine wesentliche Grundlage zur Validierung der partikelbasierten CFD Simulationen, die ihrerseits ein robustes Werkzeug zur Optimierung der Bewetterungsauslegung in zukünftigen untertägigen Bauprojekten darstellen.