Modelling air quality in street canyons: a review

High pollution levels have been often observed in urban street canyons due to the increased traffic emissions and reduced natural ventilation. Microscale dispersion models with different levels of complexity may be used to assess urban air qualityand support decision-making for pollution control strategies and traffic planning. Mathematical models calculate pollutant concentrations by solving either analytically a simplified set of parametric equations or numerically a set of differential equations that describe in detail wind flow and pollutant dispersion. Street canyon models, which might also include simplified photochemistry and particle deposition–resuspension algorithms, are often nested within larger-scale urban dispersion codes. Reduced-scale physical models in wind tunnels may also be used for investigating atmospheric processes within urban canyons and validating mathematical models. A range of monitoring techniques is used to measure pollutant concentrations in urban streets. Point measurement methods (continuous monitoring, passive and active pre-concentration sampling, grab sampling) are available for gaseous pollutants. A number of sampling techniques (mainlybased on filtration and impaction) can be used to obtain mass concentration, size distribution and chemical composition of particles. A combination of different sampling/monitoring techniques is often adopted in experimental studies. Relativelysimple mathematical models have usually been used in association with field measurements to obtain and interpret time series of pollutant concentrations at a limited number of receptor locations in street canyons. On the other hand, advanced numerical codes have often been applied in combination with wind tunnel and/or field data to simulate small-scale dispersion within the urban canopy.

Towards Extracting Absolute Roughness From Underground Mine Drift Profile Data

The purpose of this paper is to demonstrate a technique to utilize underground mine drift profile data for estimating absolute roughness of an underground mine drift in order to implement the Darcy-Weisbach equation for mine ventilation calculations. This technique could provide mine ventilation engineers with more accurate information upon which they might base their ventilation systems designs. This paper presents preliminary work suggesting that it is possible to estimate the absolute roughness of drift-like tunnels by analyzing profile data (e.g., collected using a scanning laser rangefinder). The absolute roughness is then used to estimate the friction factor employed in the Darcy-Weisbach equation. The presented technique is based on an analysis of the spectral characteristics of profile ranges. Simulations based on real mine data are provided to illustrate the potential viability of this method. It is shown that mining drift roughness profiles appear similar to Gaussian profiles

Burrow architecture and digging activity in the Cape dune mole rat

While females are traditionally thought to invest more time and energy into parental care than males, males often invest more resources into searching and displaying for mates, obtaining mates and in male-male conflict. Solitary subterranean mammals perform these activities in a particularly challenging niche, necessitating energetically expensive burrowing to both search for mates and forage for food. This restriction presumably affects males more than females as the former are thought to dig longer tunnels that cover greater distances to search for females. We excavated burrow systems of male and female Cape dune mole rats Bathyergus suillus the, largest truly subterranean mammal, to investigate whether male burrows differ from those of females in ways that reflect mate searching by males. We consider burrow architecture (length, internal dimensions, fractal dimension of tunnel systems, number of nesting chambers and mole mounds on the surface) in relation to mating strategy. Males excavated significantly longer burrow systems with higher fractal dimensions and larger burrow areas than females. Male burrow systems were also significantly farther from one another than females were from other females' burrow systems. However, no sex differences were evident in tunnel cross-sectional area, mass of soil excavated per mound, number of mounds produced per unit burrow length or mass of soil excavated per burrow system. Hence, while males may use their habitat differently from females, they do not appear to differ in the dimensions of the tunnels they create. Thus, exploration and use of the habitat differs between the sexes, which may be a consequence of sex differences in mating behaviour and greater demands for food.

Hydraulic Subsurface Measurements and Hydrodynamic Modeling as Indicators for Groundwater Flow Systems in the Rotondo Granite, Central Alps (Switzerland)

Regional groundwater flow in high mountainous terrain is governed by a multitude of factors such as geology, topography, recharge conditions, structural elements such as fracturation and regional fault zones as well as man-made underground structures. By means of a numerical groundwater flow model, we consider the impact of deep underground tunnels and of an idealized major fault zone on the groundwater flow systems within the fractured Rotondo granite. The position of the free groundwater table as response to the above subsurface structures and, in particular, with regard to the influence of spatial distributed groundwater recharge rates is addressed. The model results show significant unsaturated zones below the mountain ridges in the study area with a thickness of up to several hundred metres. The subsurface galleries are shown to have a strong effect on the head distribution in the model domain, causing locally a reversal of natural head gradients. With respect to the position of the catchment areas to the tunnel and the corresponding type of recharge source for the tunnel inflows (i.e. glaciers or recent precipitation), as well as water table elevation, the influence of spatial distributed recharge rates is compared to uniform recharge rates. Water table elevations below the well exposed high-relief mountain ridges are observed to be more sensitive to changes in groundwater recharge rates and permeability than below ridges with less topographic relief. In the conceptual framework of the numerical simulations, the model fault zone has less influence on the groundwater table position, but more importantly acts as fast flow path for recharge from glaciated areas towards the subsurface galleries. This is in agreement with a previous study, where the imprint of glacial recharge was observed in the environmental isotope composition of groundwater sampled in the subsurface galleries. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Experimental and numerical studies on rock breaking with TBM tools under high stress confinement

The understanding of rock breaking and chipping due to the TBM cutter disks mechanism in deep tunnels is considered in this paper. The interest stems from the use of TBMs for the excavation of long Trans-Alpine tunnels. Some tests that simulate the disk cutter action at the tunnel face by means of an indenter, acting on a rock specimen are proposed. The rock specimen is confined through a flat-jack and a confinement-free area on one side of the specimen simulates the formation of a groove near the indenter, like it occurs in TBM excavation conditions. Results show a limited influence of the confinement stress versus the thrust increment required for breaking the rock between the indenter and the free side of the specimen. Numerical modelling of the cutter disk action on confined material has also been carried out in order to investigate further aspects of the fracture initiation. Also in this case the importance of the relative position between disk cutter and groove is pointed out. © 2006 Springer-Verlag.

Soil conditioning for EPBMs

Nowadays, the Earth Pressure Balanced (EPB) shields are used more and more caused by both the mechanical development of the machines and the more effective use of additives such as foams and polymers. These additives are used to condition spoil in the screw conveyor. A crucial component of EPB tunnelling applications is ground conditioning. Thus, in order to permit quantitative measurements of the conditioned ground behavior, it is necessary to develop and use a test able to simulate the extraction of earth from the chamber with a screw conveyor. This reliable test procedure can provide quantitative parameters that can really describe the conditioned soil behavior.

Soil Conditioning and Ground Monitoring for Shield Tunnelling

Soil conditioning consists of mixing and remolding the natural material during the mechanical excavation of tunnels, generally at low depth, with additives, in order to obtain suitable properties of plasticity and consistency for the excavated material, so becoming able to apply a counterpressure against natural earth pressure and groundwater flow towards the excavation chamber. The assessment and the control of the soil parameters and of machine performance are fundamental for a regular and safe excavation, also with regards to surface stability. This paper mainly focus on testing approach aimed to the proper soil conditioning with EPB shields, whose results have been validated at real scale. The influence of the water content and the amount of conditioning foam has been studied by the Authors. A proper definition of conditioning parameters can allow to extend the application field of Earth Pressure Balance (EPB) tunnel machines to various grain soil distribution, even in weak rock formations (e.g. siltstone or flysch). Importance of conditioning is reflected also on the possibility of a proper spoil disposal or better for its reuse.

Numerical modelling of laboratory tests for TBM cutter indentation process analysis

Considering that TBMs are nowadays used for long Trans-Alpine tunnels, the
understanding of rock breaking and chipping due to TBM cutter disks mechanism, for deep tunnelling operations, becomes very interesting. In this paper, the results from carried out laboratory tests that simulate the disk cutter action at the rock tunnel face by means of an indentation tool, acting on a rock
specimen with proper size, and the related three-dimensional and two-dimensional numerical modelling are proposed. The developed numerical models simulate the different test conditions (applied load, boundary conditions) allowing the analysis of the stresses distributions along possible breaking planes.
The influence of a confinement-free area on one side of the specimen, simulating the formation of a groove near the tool, is pointed out.
The obtained results from numerical modelling put in evidence a satisfactory agreement with the experimental observations.

Slot width augmentation in a slotted-wall transonic linear cascade wind tunnel

Transonic tests in linear cascade wind tunnels can suffer
from significant test section boundary interference effects in pitch. A slotted tailboard has been designed and optimised with an in-house Euler numerical method to reduce such ef- fects. Wind tunnel measurements on an overspeed Mach 1.27 discharge from a Rolls-Royce T2 cascade, featuring strong end-wall shock-induced interference, showed a 77% reduction in the flow pitchwise periodicity error with the optimised tail- board, with respect to the baseline open-jet cascade flow. Two-dimensional Euler predictions were also cross-validated against a three-dimensional Reynolds averaged computation, to explore the three-dimensionality of the discharge

As características geotécnicas de um maciço como factores preponderantes na planificação e organização de obras de escavação subterrâneas - uma perspectiva sobre a produção

Com o presente documento pretende-se abordar e identificar os diferentes factores que influenciam directamente a produção e execução de uma escavação subterrânea, com especial relevo sobre a influência exercida pela geotecnia do maciço intersectado. Inicialmente são focados os principais aspectos a ter em conta na caracterização geotécnica de um maciço, seguindo-se uma introdução a diferentes métodos de escavação actuais e metodologias de suporte de uma obra subterrânea, com particular realce para os utilizados em maciços brandos. Depois de tratados estes conceitos, é apresentada uma obra subterrânea em execução que foi acompanhada durante 4 meses para efeitos de desenvolvimento deste estudo. Assim, são abordados neste documento diferentes aspectos construtivos, no que diz respeito à mão-de-obra utilizada, metodologias e técnicas aplicadas, redes técnicas auxiliares instaladas, produções e rendimentos verificados. De seguida e de modo a atestar a importância da caracterização geotécnica ao longo da obra, foi feito um estudo do maciço intersectado, relativamente às descontinuidades que o intersectam, litologia, alteração, e resistência à compressão. Para este último parâmetro foram utilizadas técnicas distintas mas complementares, nomeadamente o ensaio de carga pontual (em laboratório), e o esclerómetro portátil (in situ). Por último, tendo em conta os parâmetros e características presentes e as implicações que uma obra do género acarreta, são propostas de modo sucinto, técnicas alternativas de escavação do maciço cuja viabilidade de implementação seja possível no contexto em questão.

Geotecnia dos túneis do maciço de Paranhos: avaliação hidrogeomecânica exploratória

As classificações geomecânicas são uma das abordagens mais reconhecidas para estimar a qualidade do maciço rochoso, face à sua simplicidade e competência para gerir incertezas. As incertezas geológicas e geotécnicas podem ser avaliadas de forma eficaz usando classificações adequadas. Este estudo pretende enfatizar a importância das classificações geomecânicas e índices geomecânicos, tais como a Rock Mass Rating (RMR), a Rock Tunnelling Quality Index (Qsystem), o Geological Strength Index (GSI) e o Hydro‐Potential (HP) Value, para ajuizar a qualidade do maciço rochoso granítico das galerias subterrâneas de Paranhos (setor de Carvalhido ‐ Burgães; área urbana do Porto). Em particular, o valor hidro‐potencial (HP‐value) é uma classificação semi‐quantitativa aplicada a maciços rochosos que permite estimar as infiltrações de água subterrânea em escavações de terrenos rochosos. Para esta avaliação foi compilada e integrada uma extensa base de dados geológico‐geotécnica e geomecânica, apoiada na técnica de amostragem linear de superfícies expostas descontinuidades. Para refinar o zonamento geotécnico do maciço rochoso granítico, previamente realizado em 2010, foram coletadas amostras de rocha em pontos‐chave, com o objetivo de avaliar a sua resistência através do Ensaio de Carga Pontual (PLT). A aplicação das classificações geomecânicas foi realizada de uma forma equilibrada, estabelecendo diferentes cenários e tendo sempre em conta o conhecimento das características do maciço in situ. Apresenta‐se uma proposta de zonamento hidrogeomecânico com o objetivo de compreender melhor a circulação geo‐hidráulica do maciço rochoso granítico. Pretende‐se com esta metodologia contribuir para aprofundar o conhecimento do substrato rochoso do Porto, nomeadamente no que diz respeito ao seu comportamento geomecânico.

Escavações subterrâneas em meio urbano: Túnel do Seixo Alvo

As obras subterrâneas têm actualmente maior relevância, sobretudo em meios urbanos e são, desde a fase de estudo até à sua execução, projectos tecnicamente complexos, exigentes e interessantes. O meio em que a obra subterrânea está inserida condiciona, quer na fase de estudo quer no desenvolvimento dos trabalhos, as opções técnicas e representa um desafio constante para todos os intervenientes. São poucos os técnicos que têm a oportunidade de acompanhar e apreender o conhecimento envolvido nestas obras, pelo que é importante que toda a experiência adquirida seja registada e se possível transmitida. Pela sua formação e vocação, os engenheiros geotécnicos desempenham um papel de destaque nestes empreendimentos, onde o conhecimento e a sensibilidade técnica, associados à experiência em trabalhos semelhantes, são factores determinantes para atingir os objectivos propostos. Com este trabalho pretende-se caracterizar, valorizar, analisar e concluir sobre as várias etapas desenvolvidas na construção do túnel de Seixo Alvo, enquadrado na Concessão do Douro Litoral. Realizou-se uma apreciação do estado da arte e apresenta-se o túnel do Seixo Alvo como caso de estudo, onde se evidencia a importância do estudo e observação da obra e do meio em que está inserida, caracteriza os métodos e processos construtivos implementados e propostos, analisa os incidentes ocorridos e valoriza os trabalhos executados. Por último conclui-se sobre as técnicas, os custos e os rendimentos obtidos.

Microtunelação. Aplicação a um caso de obra

Um túnel é uma obra subterrânea dimensionada com o objetivo de satisfazer diversas necessidades num mundo onde o planeamento urbano e a gestão de espaços ganha cada vez mais importância. A execução de este género de obras de engenharia pode ter várias finalidades, que podem ir desde a construção/reabilitação de redes de saneamento, abastecimento de água ou gás (túneis de pequeno diâmetro) até à construção/modernização de redes pedonais, rodoviárias ou ferroviárias, galerias mineiras, tuneis para barragens, etc. (túneis de grande diâmetro). As tuneladoras são uma das ferramentas de desmonte mais utilizadas na execução de obras subterrâneas. Existem no mercado vários tipos de máquinas tuneladoras, a sua escolha e dimensionamento depende de diversos fatores que devem ser cuidadosamente analisados, nomeadamente tipo de terreno a escavar, presença ou não de água na zona de escavação, dureza e/ou abrasividade das formações a atravessar, etc. Será feita uma abordagem aos princípios de funcionamento de este tipo de equipamentos, indicando o seu campo de aplicação dentro da respetiva tecnologia de escavação onde se inserem. Finalmente será desenvolvido o caso da empreitada: “Execução da Travessia do Rio Ave, da Estação Elevatória de Vila do Conde e dos Sistemas Elevatória da Aguçadoura e da Apúlia 4 - AR 44.0.08”, onde em alternativa ao desvio provisório do Rio Ave em Vila do Conde foi projetada a execução de duas travessias no diâmetro 1200 mm, uma delas escavadas maioritariamente em terreno aluvionar brando e a outra em terreno rochoso duro e abrasivo com recurso, em ambos casos, à utilização de máquina tuneladora. Através da avaliação do desempenho do equipamento escolhido para execução de este trabalho será estudada a eficiência da utilização deste tipo de equipamento. Com o objetivo de mostrar os custos associados à execução de obras de escavação subterrânea com recurso a utilização de máquinas tuneladoras, será feita uma análise económica e comparativa relativa aos dois casos de obra apresentados.