A Guide to Optimising the Air Quality

8/17/2019 A Guide to Optimising the Air Quality

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www.piarc.org

TUNNELS ROUTIERS :GUIDE POUR L’OPTIMISATION DE L’IMPACTSUR LA QUALITÉ DE L’AIR DANS L’ENVIRONNEMENT

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TUNNELS ROUTIERS :GUIDE POUR L’OPTIMISATION DE L’IMPACTSUR LA QUALITÉ DE L’AIR DANS L’ENVIRONNEMENT

ROAD TUNNELS: A GUIDE TO OPTIMISINGTHE AIR QUALITY IMPACT UPON THE ENVIRONEMENT

Comité technique AIPCR C3.3 Exploitation des tunnels routiers

PIARC Technical Committee C3.3 Road Tunnel Operations

ISBN : 2-84060-204-0


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Statements

The World Road Association (PIARC) is a nonprofit organisation established in 1909 to improveinternational co-operation and to foster progress in the field of roads and road transport.

The study that is the subject of this report was defined in the PIARC Strategic Plan 2004 – 2007approved by the Council of the World Road Association, whose members and representatives of themember national governments. The members of the Technical Committee responsible for this reportwere nominated by the member national governments for their special competences.

Any opinions, findings, conclusions and recommendations expressed in this publication are those ofthe authors and do not necessarily reflect the views of their parent organizations or agencies.

International Standard Book Number 22-84060-204-0

This report is available from the internet site of the World Road Association (PIARC)http://www.piarc.org

Copyright by the World Road Association. All rights reserved.

World Road Association (PIARC) La Grande Arche, Paroi nord, Niveau 592055 La Défense cedex, FRANCE

TUNNELS ROUTIERS : GUIDE POUR L’OPTIMISATION

DE L’IMPACT DE LA QUALITÉ DE L’AIR DANS L’ENVIRONNEMENT

ROAD TUNNELS : A GUIDE TO OPTIMISING

THE AIR QUALITY IMPACT UPON THE ENVIRONMENT

A propos de l’AIPCR

L’Association mondiale de la Route (AIPCR) est une association à but non lucratif fondée en 1909

pour favoriser la coopération internationale et les progrès dans le domaine de la route et du transport

routier.

L’étude faisant l’objet de ce rapport a été définie dans le Plan stratégique 2004-2007 approuvé par

le Conseil de l’AIPCR dont les membres sont des représentants des gouvernements nationaux

membres. Les membres du Comité technique responsable de ce rapport ont été nommés par les

gouvernements nationaux membres pour leurs compétences spécifiques.

Les opinions, constatations, conclusions et recommandations exprimées dans cette publication sont

celles des auteurs et ne sont pas nécessairement celles de la société/organisme auquel ils appar-

tiennent.

N° ISBN : 2-84060-204-0

Ce rapport est disponible sur le site de l’Association mondiale de la Route (AIPCR)

http://www.piarc.org

Tous droits réservés. © Association mondiale de la Route (AIPCR).

Association mondiale de la Route (AIPCR)

La Grande Arche, Paroi nord, Niveau 5

92055 La Défense cedex, FRANCE


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Ce rapport technique a été préparé par le groupe de travail n°6 – Ventilation et maîtrise des incendies

–du Comité technique (C3.3) ‘Exploitation des tunnels routiers’ de l’Association Mondiale de la Route

(AIPCR) et a été approuvé par ce comité.

Les principaux contributeurs à ce rapport étaient :

• Arnold DIX (Australie), Animateur

• Vincenzo FERRO (Italie)

• Hans HUIJBEN (Pays-Bas)

• Arthur KABUYA (Belgique)

• Tomas SANDMAN (Suède)

• Peter STURM (Autriche)

Les relecteurs étaient :

• Dietmar OTTL (Autriche)

• Franz ZUMSTEG (Suisse)

La mise au point de ce rapport a été effectuée par :

• Version anglaise: Arnold DIX (Australie) et Art BENDELIUS (Etats-Unis),• Version française: Arthur KABUYA (Belgique) et Willy DE LATHAUWER (Belgique).

La traduction en langue française de la version originale a été effectuée par l’Administration de l’Equi-

pement et des Déplacements (Belgique).

En tant qu’animateur du groupe de travail n° 6, Art BENDELIUS (Etats-Unis) était responsable de la

production de ce rapport technique. Pierre SCHMITZ (Belgique), en tant que l’un des secrétaires, était

responsable du contrôle qualité au sein du Comité technique C3.3.

Art BENDELIUS (Etats-Unis) était l’animateur du groupe de travail, Norman RHODES (Royaume-Uni)

en était le secrétaire et Alexandre DEBS (Canada) le webmestre.

Le Comité technique C3.3 était présidé par Didier LACROIX (France). Alan WEST (Royaume-Uni),

Pierre SCHMITZ (Belgique) et Manuel ROMANA-RUIZ (Espagne) étaient respectivement secrétaires

anglophone, francophone et hispanophone.

This technical report has been prepared by Working Group 6 - Ventilation and Fire Control ofTechnical Committee C3.3 - Road Tunnel Operation of the World Road Association (PIARC). It hasbeen approved by the Committee.

The principal contributors to the preparation of this report were:

• Arnold DIX (Australia), Task Leader• Vincenzo FERRO (Italy)• Hans HUIJBEN (The Netherlands)• Arthur KABUYA (Belgium)• Tomas SANDMAN (Sweden)• Peter STURM (Austria)

The peer reviews were performed by:

• Dietmar OTTL (Austria)• Franz ZUMSTEG (Switzerland)

The editors of this report were:

• English: Arnold DIX (Australia) and Art BENDELIUS (United States)• French: Arthur KABUYA (Belgium) and Willy DE LATHAUWER (Belgium)

The translation into French of the original version was produced by the Administration del’Equipement et des Déplacements (Belgium)

Art BENDELIUS (United States), as the Animateur, was responsible for the production of thistechnical report within Working Group 6 and Pierre SCHMITZ (Belgium), as one of the Secretaries,was responsible within Technical Committee C3.3 for the quality control.

The Working Group was lead by Art BENDELIUS (United States) as Animateur with Norman RHODES (United Kingdom) as secretary and Alexandre DEBS (Canada) as webmaster.

Technical Committee C3.3 was chaired by Didier LACROIX (France) with Alan WEST (United Kingdom) as the English-speaking secretary, Pierre SCHMITZ as the French-speaking secretaryand Manuel ROMANA-RUIZ as the Spanish-speaking secretary.


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The following members of Working Group 6 were involved in the review and approval process forthis technical report:

• Martin ALLEMANN (Switzerland)• Roberto ARDITI (Italy)• Rune BRANDT (Denmark)• Pierre CARLOTTI (France)• Alexandre DEBS (Canada)• Willy DE LATHAUWER (Belgium)• Ignacio DEL REY (Spain)• Miodrag DRAKULIĆ (Croatia)• François DUPONT (France)• Massimiliano FRESTA (Italy)• Alfred HAACK (Germany)• Ruth Gunlaug HAUG (Norway)• Eddy JACQUES (Belgium)• Marko JÄRVINEN (Finland)• Miroslav NOVAK (Czech Republic)• Stojan PETELIN (Slovenia)• Dieter TETZNER (Germany)

• João VIEGAS (Portugal)• Franz ZUMSTEG (Switzerland)

*** Warning ***

This document should not be used in isolation as the design and operation oftunnel ventilation systems directly impacts upon the level of safety for tunnelusers. A systematic evaluation of the interdependence of environmental impactand fire incident safety must be undertaken as part of the design and operationalstrategy development of a tunnel.





Les membres suivants du groupe de travail n° 6 ont été impliqués dans la relecture et dans le

processus d’approbation de ce rapport technique:

• Martin ALLEMANN (Suisse)

• Roberto ARDITI (Italie)

• Rune BRANDT (Danemark)

• Pierre CARLOTTI (France)

• Alexandre DEBS (Canada)

• Willy DE LATHAUWER (Belgique)

• Ignacio DEL REY (Espagne)

• Miodrag DRAKULIĆ (Croatie)

• François DUPONT (France)

• Alfred HAACK (Allemagne)

• Ruth Gunlaug HAUG (Norvège)

• Eddy JACQUES (Belgique)

• Marko JÄRVINEN (Finlande)

• Miroslav NOVAK (République Tchèque)

• Stojan PETELIN (Slovénie)

• Dieter TETZNER (Allemagne)

• João VIEGAS (Portugal)

• Massimiliano FRESTA (Italie)• Franz ZUMSTEG (Suisse)

*** Avertissement ***

Il est recommandé de ne pas utiliser ce document d’une manière isolée du faitque la conception et le fonctionnement des systèmes de ventilation des tunnelsinfluencent directement le niveau de sécurité des usagers des tunnels. Uneévaluation systématique de l’interdépendance entre l’impact environnemental etla sécurité vis à vis des incendies doit être effectuée dans le cadre de la mise aupoint des principes de conception et d’exploitation d’un tunnel.


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CONT ENT Sw w w . p i a r c . o r gw w w . p i a r c . o r g

S O M M A I R E

SUMMARY ......................� 15

INTRODUCTION ...........� 17

1. BACKGROUND ............................................................................................................................19

1.1. PREVIOUS WORK ON AIR QUALITY BY PIARC .....................................................................19

1.1.1. Overview of PIARC reports dealing with open roads .............................................................19

1.1.2. Overview of PIARC reports dealing with tunnels ...................................................................21

1.1.3. Status of reports and today’s committees ................................................................................21

1.2. DEVELOPMENT OF REGULATIONS ON AIR QUALITY ........................................................23

1.3. INFLUENCE OF ROAD TRAFFIC ON AMBIENT AIR QUALITY ...........................................25

2. AIR QUALITY ...............................................................................................................................31

2.1. WHY DO TUNNEL AIR EMISSIONS NEED TO BE MANAGED? ...................................... 31

2.2. HOW SHOULD TUNNEL AIR QUALITY PERFORMANCE BE SET? .....................................31

2.3. AIR POLLUTANTS IMPACT ON PEOPLE’S HEALTH ..............................................................33

3. AIR POLLUTANTS AND THE ENVIRONMENT ....................................................................35

3.1. MEASUREMENT OF AIR POLLUTANTS ...................................................................................35

3.2. PREDICTION OF AIR QUALITY IMPACTS ...............................................................................37

3.3. WHAT DETERMINATES AIR POLLUTANT CONCENTRATIONS? ......... ........ ........ ........ ....... 37

3.4. AIR POLLUTANTS IN URBAN AREAS ......................................................................................43

3.5. WHAT IF AIR QUALITY GOALS WILL BE EXCEEDED? ........................................................45

4. OPTIMIZING EXTERNAL AIR QUALITY AROUND TUNNELS .......................................474.1. INTRODUCTION ...........................................................................................................................47

4.2. STRATEGIC PLANNING ..............................................................................................................53

4.3. TUNNEL AIR DISPERSION TECHNIQUES ................................................................................55

4.3.1. Dispersion from portals .........................................................................................................55

4.3.2. Mechanical longitudinal ventilation and portal dispersion ..................................................57

4.3.3. Dispersion from stacks ...........................................................................................................59

4.3.4. Dispersion by slots .................................................................................................................61

4.4. CONTAMINENT REMOVAL TECHNOLOGIES .........................................................................65

4.4.1. Overview � 65

4.4.2. Particle removal .....................................................................................................................67

4.4.3. Nitrogen dioxide removal technology ....................................................................................75

4.5. REGULATION OF TRAFFIC USE ................................................................................................794.5.1. Vehicle Type ...........................................................................................................................79

4.5.2. Time of Use ............................................................................................................................79

4.5.3. Traffic speed ...........................................................................................................................81

4.5.4. Tolling ....� 81

4.6. OPERATIONAL ASPECTS ............................................................................................................81

4.6.1. Tunnel structure cleaning strategies .......................................................................................81

4.6.2. Ventilation control strategy ....................................................................................................83

5. CONCLUSIONS ............................................................................................................................85

5.1. APPROACH ....� 85





RÉSUMÉ ............................................................................................................................14

INTRODUCTION ................................................................................................................16

1. CONTEXTE ............. ............... .............. ............... .............. .............. ............... .............. 18

1.1. TRAVAUX ANTÉRIEURS DE L’AIPCR SUR LA QUALITÉ DE L’AIR ............ ........................... 18

1.1.1. Panorama des rapports de l’AIPCR traitant des routes en surface ............. .......... 18

1.1.2. Panorama des rapports traitant des tunnels ............. .............. .............. ............... . 20

1.1.3. Statuts des rapports et comités actuels ............... ............... .............. .............. .... 20

1.2. DÉVELOPPEMENT DES RÉGLEMENTATIONS SUR LA QUALITÉ DE L’AIR ......................... 22

1.3. INFLUENCE DU TRAFIC ROUTIER SUR LA QUALITÉ DE L’AIR AMBIANT ........................... 24

2. QUALITÉ DE L’AIR .............. .............. .............. ............... .............. ............... .............. .. 30

2.1. POURQUOI FAUT-IL GERER LES ÉMISSIONS DES TUNNELS ? ............................ ............. 30

2.2. COMMENT DEVRAIT-ON ÉTABLIR LES CRITÈRES DE PERFORMANCE DU TUNNEL EN

MATIÈRE DE QUALITÉ DE L’AIR ? .. ............................. ............................. ............................. 30

2.3. IMPACT SUR LA SANTÉ DES POLLUANTS PRÉSENTS DANS L’AIR ................ .................. 32

3. LES POLLUANTS DE L’AIR ET L’ENVIRONNEMENT ............. .............. ............... ........ 34

3.1. MESURE DES POLLUANTS DE L’AIR ........................... ............................. ............................. 34

3.2. PRÉVISIONS DES IMPACTS SUR LA QUALITÉ DE L’AIR .......................... ............................ 36

3.3. QU’EST-CE QUI DÉTERMINE LES CONCENTRATIONS DES POLLUANTS DANS L’AIR ? . 36

3.4. POLLUANTS DE L’AIR EN MILIEU URBAIN ............................. ............................. ................... 42

3.5. QUE SE PASSE-T-IL SI LES OBJECTIFS DE QUALITÉ DE L’AIR SONT DÉPASSÉS ? ....... 444. OPTIMISATION DE LA QUALITÉ DE L’AIR À PROXIMITÉ DES TUNNELS .....................................46

4.1. INTRODUCTION ........................... ............................. ............................. ............................. ...... 46

4.2. PLANIFICATION STRATÉGIQUE .......................... ............................. ............................. .......... 52

4.3. TECHNIQUES DE DISPERSION DE L’AIR DES TUNNELS ......................... ............................ 54

4.3.1. Dispersion par les têtes ............. ............... .............. ............... .............. .............. .. 54

4.3.2. Ventilation mécanique longitudinale et dispersion par les têtes ............. .............. . 56

4.3.4. Dispersion par des ouvertures ........................ .............. ............... .............. ......... 60

4.4. TECHNOLOGIES D’ÉLIMINATION DES POLLUANTS ............................ ............................. .... 64

4.4.1. Vue d’ensemble ............... .............. .............. ............... .............. ............... ........... 64

4.4.2. Élimination des particules ............. .............. ............... .............. .............. .............. 66

4.4.3. Technologie d’élimination du dioxyde d’azote .............. ............... .............. ........... 74

4.5. RÉGULATION DU TRAFIC .......................... ............................. ............................. .................... 784.5.1. Type de véhicule .............. .............. .............. ............... .............. ............... ........... 78

4.5.2. Horaires d’utilisation ............. ............... .............. ............... .............. .............. ....... 78

4.5.3. Vitesse du trafic ............... .............. .............. ............... .............. ............... ........... 80

4.5.4. Péages ............. .............. ............... .............. ............... .............. .............. ............ 80

4.6. ASPECTS LIES À L’EXPLOITATION .......................... ............................. ............................. ..... 80

4.6.1. Stratégies de nettoyage de la structure des tunnels ............. .............. ............... ... 80

4.6.2. Stratégie de contrôle de la ventilation .............. ............... .............. .............. ......... 82

5. CONCLUSIONS .............. .............. ............... .............. .............. ............... .............. ....... 84

5.1. APPROCHE ............................. ............................. ............................. ............................. ........... 84


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5.2. MOTOR VEHICLE EMISSIONS ...................................................................................................85

5.3. TUNNELS VERSUS SURFACE ROADS ......................................................................................87

5.4. PLANNING, CONSTRUCTION AND USE OF A TUNNEL ........................................................87

REFERENCES ................� 91

BIBLIOGRAPHY ............� 93

GLOSSARY ......................� 99

APPENDIX A - CASE STUDIES ................................................................................................................101

A.1. LAERDAL TUNNEL, NORWAY ..................................................................................................101

A.1.1. Tunnel details ......................................................................................................................101

A.2. MELBOURNE CITY LINK ..........................................................................................................105

A.2.1. Tunnel details .......................................................................................................................105

A.3. CITY TUNNEL GRAZ-NORD, AUSTRIA ..................................................................................107

A.3.1. Tunnel Details ......................................................................................................................107

A.4. EKEBURG TUNNEL, NORWAY .................................................................................................115

A.4.1. Tunnel details .......................................................................................................................115

A.5. TENNOZAN TUNNEL, JAPAN ...................................................................................................121

A.5.1. Tunnel details .......................................................................................................................121

A.6. HAFNERBERG TUNNEL, SWITZERLAND .............................................................................125

A.6.1. Tunnel details .......................................................................................................................125A.7. ROERTUNNEL, THE NETHERLANDS ......................................................................................129

A.7.1. Tunnel Details ......................................................................................................................129

A.8. LANDY TUNNEL, SAINT DENIS (NORTH OF PARIS), FRANCE .........................................131

A.8.1. Tunnel details ........................................................................................................................131

A.9. SUMMARY OF AIR PURIFICATION SYSTEM AT CHUO-KANJO-SHINJUKU-ROUTE

TUNNEL JAPAN ...........................................................................................................................135

A.9.1. Summary of air purification system .....................................................................................135

A.9.2. Electrostatic Precipitator in air purification system ............................................................137

A.9.3. NO2 removal system .............................................................................................................139

APPENDIX B – AIR QUALITY AND HEALTH ......................................................................................143

B.1. MOTOR VEHICLE EMISSIONS .................................................................................................143B.2. CARBON MONOXIDE .................................................................................................................143

B.3. OXIDES OF NITROGEN .............................................................................................................145

B.4. PARTICLE MATTER ....................................................................................................................149

B.5. LEAD ..............� 151

B.6. OZONE ..........� 153

B.7. SULPHUR DIOXIDE ....................................................................................................................155

B.8. BENZENE .....� 155

B.9. POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS .......................................................................157





5.2. ÉMISSIONS GÉNÉRÉES PAR LES VÉHICULES À MOTEUR ......................... ........................ 84

5.3; LES TUNNELS VIS-A-VIS DES ROUTES DE SURFACE ............................ ............................. 86

5.4. PLANIFICATION, CONSTRUCTION ET EXPLOITATION D’UN TUNNEL ............................ .... 86

RÉFÉRENCES ............... .............. .............. ............... .............. ............... .............. ............... ....... 90

BIBLIOGRAPHIE .............. ............... .............. .............. ............... .............. ............... .............. ..... 92

GLOSSAIRE .............. .............. ............... .............. .............. ............... .............. ............... ............ 98

ANNEXE A – ÉTUDES DE CAS ............. .............. .............. ............... .............. ............... ............ 100

A.1. TUNNEL DE LAERDAL, NORVÈGE ............................................ ............................. .............. 100

A.1.1. Inform ations relati ves au tunnel ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... 100

A.2. CITY LINK DE MELBOURNE .................................................. ............................. ................... 104


A.3. CITY TUNNEL GRAZ-NORD, AUTRICHE ....... ............................. ............................. ............. 106


A.4. TUNNEL EKEBURG, NORVÈGE ......................... ............................. ............................. ..........114

A.4.1. Informa tions relativ es au tunnel . ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... 114

A.5. TUNNEL TENNOZAN, JAPON ............................. ............................. ............................. ......... 120

A.5.1. Inform ations relati ves au tunnel .... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... 120

A.6. TUNNEL HAFNERBERG, SUISSE ............................ ............................. ............................. .... 124

A.6.1. Inform ations relati ves au tunnel ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... 124 A.7. TUNNEL ROER DE L’A73, PAYS-BAS ........................... ............................. ............................ 128


A.8. TUNNEL LANDY, SAINT DENIS (NORD DE PARIS), FRANCE ........................................... .. 130


A.9. PRÉSENTATION RESUMEE DU SYSTÈME DE PURIFICATION ÉQUIPANT LE TUNNEL

ROUTIER CHUO-KANJO-SHINJUKU AU JAPON ............................. ............................. ........ 134

A.9.1. Présent ation r ésumée du sy stème de puri ficat ion de l’air . ..... ..... ..... .... ..... ..... .... 134

A.9.2. Précip itateu r élect rostat ique du syst ème de purific ation de l’ai r ....... .... ..... ..... .... 136

A.9.3. Systè me d’ex tracti on du NO2

............................................................................. 138

ANNEXE B – QUALITÉ DE L’AIR ET SANTÉ .............. .............. .............. ............... .............. ..... 142

B.1. ÉMISSIONS GÉNÉRÉES PAR LES VÉHICULES À MOTEUR ......................... ...................... 142B.2. MONOXYDE DE CARBONE ........................... ............................. ............................. .............. 142

B.3. OXYDES D’AZOTE ........................... ............................. ............................. ............................. 144

B.4. LES PARTICULES ............................ ............................. ............................. ............................. 148

B.5. PLOMB .....� 150

B.6. OZONE ....� 152

B.7. DIOXYDE DE SOUFRE ......................... ............................. ............................. ........................ 154

B.8. BENZENE � 154

B.9. HYDROCARBURES AROMATIQUES POLYCYCLIQUES ........................... ........................... 156


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APPENDIX C - EXAMPLES OF AIR QUALITY GOALS FROM AROUND THE WORLD .............161

APPENDIX D – OVERVIEW OF DISPERSION MODELING IN DESIGNING VENTILATION

SYSTEMS ......� 167

D.1. PHYSICAL MODELLING ...........................................................................................................171

D.2. MATHEMATICAL MODELS .......................................................................................................171

D.3. TRACER EXPERIMENTS ...........................................................................................................175





ANNEXE C – EXEMPLES D’OBJECTIFS DE QUALITE DE L’AIR DANS DIVERS ENDROITS DU

MONDE .............. .............. ............... .............. ............... .............. .............. ............... ... 160

ANNEXE D – APERCU DELA MODÉLISATION DELA DISPERSION POUR LA CONCEPTION DES

SYSTEMES DE VENTILATION ............. ............... .............. .............. ............... ............ 166

D.1. MODELISATION PHYSIQUE ........................... ............................. ............................. .............. 170

D.2. MODÈLES MATHEMATIQUES .......................... ............................. ............................. .............. 170

D.3. EXPÉRIENCES AVEC DES TRACEURS ............................ ............................. ....................... 174


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SUMMARY

Road tunnels provide opportunities to enhance the urban environment by alteringthe emissions from vehicles and changing their spatial distribution within a city.

This guide considers these opportunities – from the selection of the most optimumlocation of a tunnel, to gradients, ventilation type, discharge management, traffic

management, tunnel maintenance and contaminant removal techniques.





RÉSUMÉ

Les tunnels routiers offrent des possibilités d’améliorer l’environnement urbain eninfluant sur les émissions gazeuses produites par les véhicules et en modifiantleur répartition spatiale à l’intérieur d’une ville.

Le présent guide aborde ces différentes possibilités, depuis le choix du meilleuremplacement pour un tunnel jusqu’aux déclivité, type de ventilation, gestion des

rejets, régulation du trafic routier, entretien du tunnel et techniques d’éliminationdes polluants.


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I N T R O D U C T I O N

Road tunnels are usually constructed where the surface is extremely valuable:

• economically (such as within a built city);• socially (such as in a city and the tunnel passes under a valued recreational/

environmentally sensitive area);

• in areas where the topography or climate makes building a surface roaduneconomic or ineffective. (For example - over a mountain, under a bay, riveror canal).

But emissions from internal combustion engines are harmful to human health and because tunnels redistribute these emissions special care must be taken to ensurethat these emissions are managed responsibly from a human health perspective.

From an environmental air quality perspective placing road traffic underground inroad tunnels provides opportunities for the benefit of the external air environment.

Vehicles are removed from congested surface roads, providing immediate motorvehicle emission relief to the areas on the surface and providing opportunities tofurther enhance the environment through careful management of the tunnel air.

However, because emissions are contained within tunnels and are set free moreconcentrated than from the open road, the effects on external air quality must

be managed. Under certain conditions the effects on external air quality may be harmful to human health. There exists a range of opportunities to effectivelymanage outside air quality.

This guide explores how tunnel design and operation has delivered superiorexternal air quality to urban environments. It summarizes ventilation concepts andavailable technologies used to help improve air quality in urban environments.It also provides a set of non-technological measures like urban area planning,control of the traffic flow and operational tunnel management.

This document serves as an introduction to a technically challenging subjectwhich must be carefully scrutinized at both the national and tunnel specific levels.It is therefore necessarily a general introduction to the subject.





I N T R O D U C T I O N

Les tunnels routiers sont en règle générale construits là où, en surface, le sol aune très grande valeur :

• d’un point de vue économique (notamment au cœur d’une ville déjà construite),• d’un point de vue social (dans une ville, lorsque le tunnel doit passer sous une

zone récréative ou de détente, ou sous une zone sensible d’un point de vue

environnemental),• ou dans des zones où la topographie ou le climat rendent la construction

d’une route en surface peu rentable ou impossible (par exemple, une routefranchissant une montagne, ou passant sous une baie ou un canal).

Les émissions gazeuses issues des moteurs à combustion interne sontdangereuses pour la santé ; comme les tunnels redistribuent ces émissions, ilest nécessaire de veiller à ce que ces émissions soient contrôlées de manièreresponsable dans une perspective de santé de l’homme.

Du point de vue de la qualité de l’air ambiant, le fait de placer le trafic routieren sous-sol, dans des tunnels routiers, offre des possibilités d’améliorer

l’environnement extérieur. Les véhicules sont retirés des routes congestionnéesen surface, où se produit une diminution immédiate des émissions ; en outreune amélioration supplémentaire de l’environnement est possible par une gestionsoignée de l’air des tunnels.

Néanmoins, comme les émissions gazeuses sont emprisonnées à l’intérieur destunnels et sont libérées à des concentrations plus élevées que pour une route ensurface, les effets sur la qualité de l’air extérieur doivent être gérés. Sous certainesconditions, les effets sur la qualité de l’air extérieur peuvent être nuisibles pour lasanté. Il existe toute une série de techniques pour gérer efficacement la qualitéde l’air extérieur.

Le présent guide étudie la manière dont la conception et l’exploitation des tunnelsinfluencent positivement la qualité de l’air extérieur dans des milieux urbains. Ildécrit les concepts de ventilation et les technologies utilisés pour améliorer laqualité de l’air dans les villes. Il présente une série de mesures non technologiquestelles que l’aménagement du territoire urbain, la régulation du trafic routier et lagestion de l’exploitation des tunnels.

Ce document introduit un sujet techniquement difficile qui doit être analysésoigneusement, tant au niveau national qu’au niveau de chaque tunnel. Il neconstitue dès lors nécessairement qu’une introduction générale au sujet.


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1. BACKGROUND

1.1. PREVIOUS WORK ON AIR QUALITY BY PIARC

PIARC has published a number of documents dealing with air quality inside atunnel. However in recent years ambient air quality has become an importantissue. Some publications of PIARC related to this subject – mainly meant for openroads – are mentioned below including the way ambient air quality is examined.

1.1.1. Overview of PIARC reports dealing with open roads

Decision-making processes in the implementation of sustainable roadpolicies: 2003The report deals with political aspects. The environment is mentioned as one ofthe aspects to deal with.

Environmental impact of existing pavements: 2000The report deals with environmental aspects concerning soil, water and air quality.It describes common issues rather than specifying figures or measures.

Environment and construction of road projects: 2000This report describes “five major topics”: soil and water protection, contaminatedland, recycling of used materials, dealing with flora, fauna, archaeology, waterand noise. The “five major topics” do not contain air quality issues.

Earthworks methods and requirements to reduce the impact of road projectson the environment: 1999The report only deals with the influence on soil.

Environment and public consultation: 1999The report deals with the consultation of the public during the stages fromdevelopment till construction and maintenance. The report does not address airquality.

The environment in transport policy: 1998Describes the way some countries deal with their policy on the allowance androuting of heavy transport. Air quality is mentioned as one of the aspects.





1. CONTEXTE

1.1. TRAVAUX ANTÉRIEURS DE L’AIPCR SUR LA QUALITÉ DE L’AIR

L’AIPCR a publié toute une série de rapports traitant de la qualité de l’air àl’intérieur des tunnels. Cependant, au cours de ces dernières années, la qualitéde l’air ambiant est devenue un souci majeur. Certaines publications de l’AIPCRà ce sujet – principalement destinées aux routes en surface – sont mentionnées

ci-après, y compris la manière dont la qualité de l’air ambiant est examinée. 1.1.1. Panorama des rapports de l’AIPCR traitant des routes en surface

Processus de décision dans la mise en œuvre de politiques de transportsroutiers durables : 2003Le rapport traite d’aspects politiques. L’environnement est considéré comme undes aspects majeurs à traiter.

Impacts environnementaux des revêtements existants : 2000Le rapport traite des aspects environnementaux relatifs au sol, à l’eau et à laqualité de l’air. Il décrit davantage les problèmes d’ordre général rencontrés plutôt

que de citer des chiffres et des mesures.

Environnement et construction de projets routiers : 2000Il décrit « cinq thèmes majeurs » : la protection du sol et de l’eau, la contaminationdes terrains, le recyclage des matériaux usagés, la gestion de la flore, de lafaune, des bâtiments et de l’eau, et la gestion du bruit. Aucun des « cinq thèmesmajeurs » n’aborde le problème de la qualité de l’air.

Méthodes et exigences en terrassement pour réduire l’impact des projetsroutiers sur l’environnement : 1999Le rapport n’aborde que les influences sur le sol.

Environnement et consultation publique : 1999Le rapport aborde la consultation des citoyens durant les différentes étapesd’aménagement, du développement à la construction, en passant par lamaintenance. Le rapport ne traite pas de la qualité de l’air.

L’environnement dans les politiques de transport : 1998Ce rapport décrit la manière dont certains pays gèrent leur politique d’autorisationet d’itinéraire des transporteurs routiers. La qualité de l’air est mentionnée à titred’aspect.


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Environmental and health aspects related to working with bituminousmixtures: 1995The report describes arrangements made to limit the impact of dust and gaseousemissions during the production and laying stage. Also influences on pavementworkers are dealt with. The main issue is environmental aspects during constructionof the road.

Performance of road administrations: 1999

The transformation of the traditional role of planning and managing the roadsystem (a technical organization) to a role also including responsibilities to the

public is described. The environment is mentioned as one of the important aspectsto deal with for Road Administrations. 1.1.2. Overview of PIARC reports dealing with tunnels

Pollution by Nitrogen Dioxide in Road Tunnels: 2000This report contains a critical review of the NO

2 measurement in tunnels

and ventilation control based on NO2 concentrations. The influence on the

concentrations in ambient air outside the tunnel is not described.

Road tunnels: emissions, ventilation, environment: 1995The report contains emissions figures and ventilation demand based on inside airquality.

Chapter III deals with the environmental aspects of the use of chimneys (stacks), particle filtering and air gaseous cleaning. Chimneys are described in the senseof air dilution from the chimney (plume) but not connected to the neededinstallations inside the tunnel (like transverse ventilation systems or combinationwith longitudinal ventilation). The other subjects are described very briefly.Systems like electrostatic filters are not mentioned.

Road tunnels: vehicle emissions and air demand for ventilation: 2004

The report is an extended update of the publication of 1995.

1.1.3. Status of reports and today’s committees

In the past only little attention has been given to health related subjects in thearea of open roads. The influence of emissions on the environment is examined





Aspects sanitaires et environnementaux liés à l’utilisation des mélangesbitumineux : 1995Le rapport décrit les dispositions prises pour limiter l’impact des poussières et desémissions gazeuses durant les étapes de production et de pose du revêtement.Les influences sur les ouvriers des voiries sont abordées. Le thème principalconcerne les aspects environnementaux durant la construction de la route.

Performance des administrations routières : 1999

Ce rapport décrit le passage d’un rôle traditionnel de planification et de gestiondu réseau routier (organisation technique) à un rôle qui inclut la responsabilitéenvers les citoyens et les usagers. L’environnement y est décrit comme un desaspects majeurs dont il faut tenir compte pour les administrations routières.

1.1.2. Panorama des rapports traitant des tunnels

Pollution par le dioxyde d’azote dans les tunnels routiers : 2000Ce rapport contient une analyse critique des mesures de la concentration en NO2 dans les tunnels et du contrôle de la ventilation en fonction de ces concentrationsen NO2. L’influence sur les concentrations dans l’air ambiant à l’extérieur destunnels n’est pas abordée.

Tunnels routiers : émissions, ventilation, environnement : 1995Le rapport contient les chiffres relatifs aux émissions et aux besoins en ventilationafin d’assurer la qualité de l’air à l’intérieur des tunnels.

La description dans le chapitre III traite des aspects environnementaux liés àl’utilisation des cheminées, des filtres à particules et du traitement des gaz. Lescheminées sont décrites au sens de la dilution dans l’air à partir des cheminées(panaches) mais il n’est pas fait de lien avec les systèmes installés dans lestunnels (tels que les systèmes de ventilation transversaux ou une combinaisonentre systèmes transversaux et longitudinaux). Les autres sujets sont abordés trèsbrièvement. Des systèmes tels que les filtres électrostatiques ne sont pas abordés.

Tunnels routiers : émissions des véhicules et besoins en air pour laventilation : 2004Ce rapport constitue une mise à jour et un complément du rapport publié en1995.

1.1.3. Statuts des rapports et comités actuels

De par le passé, peu d’attention a été accordée aux questions de santé dansle domaine des routes de surface. L’influence des émissions gazeuses sur


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in the period of constructing of the road, related to the health of road workers.

Health aspects were only related to air quality inside tunnels. Air quality in a shortrange outside tunnels is a logical extension of air quality inside tunnels, but must

be seen in a broader perspective. The subject of ambient air quality includes a lotof matters not normally dealt with when considering air quality inside tunnels.

Up to now PIARC committees on roads (in tunnels or otherwise) have dealt withissues such as construction, costs, civil engineering, operational performance (notenvironmental) and political aspects dealing with the public and road users, etc.

None of the existing PIARC committees on roads (in tunnels or otherwise) haveup to now dealt with environmental aspects related to air quality and health inurban areas.

1.2. DEVELOPMENT OF REGULATIONS ON AIR QUALITY

The principle long term means of optimizing the environmental performance ofroad tunnels is by regulating the emissions from their source; motor vehicles.Implementation of measures at both national and local levels to address theseemissions provides immediate benefits to the environment across the entire motorvehicle network.

This is reflected in different countries by the vehicle emission standards. (e.g.EURO standards, TIRE standards, etc) and there are also instances where nationalstandards are complemented by specific measures to address local issues (e.g.diesel vehicles with particle traps in Tokyo).

An example of local environmental regulation can be found at the Leopold IItunnel in Brussels. Specific environmental performance controls were formulated.Actual performance of the tunnel is measured and the results made public.

By treating air pollution at the source; environmental benefits for the entirecommunity are delivered, not limited to the benefits of the minute population ofunderground roads.

In the EU goals are set for ambient air quality by regulations published since





l’environnement était analysée durant la période de construction de la route, visà vis à la santé des travailleurs.

La santé n’était reliée qu’à la qualité de l’air à l’intérieur des tunnels. La qualitéde l’air à courte distance à l’extérieur des tunnels est le prolongement logique dela qualité de l’air à l’intérieur des tunnels, mais doit être abordée d’un point devue plus large. La question de la qualité de l’air ambiant comprend de nombreuxfacteurs qui ne sont généralement pas traités lorsque l’on se penche sur le

problème de la qualité de l’air à l’intérieur des tunnels.

Jusqu’à présent, les comités de l’AIPCR qui ont établi des rapports sur lesroutes (en tunnel ou autres) se sont penchés sur les questions relatives à laconstruction, aux coûts, au génie civil, aux performances opérationnelles (nonenvironnementales) et aux aspects politiques vis-à-vis des citoyens et desusagers de la route, etc. Aucun des comités actuels sur les routes (en tunnel ouautres) n’a encore abordé les aspects environnementaux liés à la qualité de l’airet à la santé en milieu urbain.

1.2. DÉVELOPPEMENT DES RÉGLEMENTATIONS SUR LA QUALITÉ DE L’AIR

Le moyen principal à long terme d’optimiser les performances environnementalesdes tunnels routiers est de réglementer les émissions à leur source – c’est-à-direles véhicules à moteur. La mise en œuvre de mesures tant au niveau nationalque local pour contrôler ces émissions apporte des bénéfices immédiats pourl’environnement de tout le réseau routier.

Cela se traduit dans les différents pays par l’application de nouvelles normesd’émission pour les véhicules (notamment les normes EURO, TIRE, etc.) et ilexiste certains exemples où les normes nationales sont complétées par desmesures spécifiques pour résoudre les problèmes à l’échelle locale (par exemple,véhicules diesel équipés de filtres à particules à Tokyo).

Un exemple de réglementation environnementale locale est illustré par le tunnelLéopold II à Bruxelles. Des contrôles spécifiques de performance environnementalesont effectués ; les performances réelles du tunnel sont mesurées et les résultatsrendus publics.

En traitant la pollution de l’air à la source, on tire des avantages environnementauxpour toute la communauté ; ces avantages ne se limitent pas aux usagers desroutes en sous-sol.

Dans l’Union Européenne, des objectifs de qualité de l’air ambiant sont définis


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1996. The first regulation, 1996/62/EC, describes common air quality aspects.Other publications like 1999/30/EC and 2000/69/EC are the requirementson the maximum levels of SO

2, NO

2, NOx, PM

10, Lead, Benzene and Carbon

monoxide.

The goal of these regulations is to maintain a minimum ambient air quality notonly for humans but also for nature in common.

1.3. INFLUENCE OF ROAD TRAFFIC ON AMBIENT AIR QUALITY

Through the use of catalytic converters and other technologies on petrol carsthe emissions have been reduced substantially. However, traffic still contributesan important amount of nitrogen oxides to the ambient air. In countries suchas Sweden road transport emissions contributes approximately 45 percent ofthe national emissions of nitrogen oxides. In The Netherlands this amount isapproximately 35 percent and locally to roads approximately 65%.

In Sweden approximately 70 percent of the nitrogen oxide emissions in theroad transport sector come from heavy goods vehicles. In other West-Europeancountries similar figures occur.

The introduction of emission standards such as Euro 4 and Euro 5 for heavy dutyvehicles, (mandatory from 2006 and 2009 in Europe), are intended to substantiallydecrease the emissions of oxides of nitrogen from heavy duty vehicles.

Exhaust particle emissions from road transport have decreased considerablythrough the years. However, the exhaust emission control on diesel engines hasgenerally not been that effective.

As an example the contribution of PM10 by the traffic to the total PM

10 concentration

is in the Netherlands approximately 5 – 6%, mainly caused by heavy duty vehiclesusing diesel engines. In the neighbourhood of roads the contribution is about33%. More onerous emission standards for heavy duty vehicles will reduce theemissions of PM

10 further. In other countries a different result may be obtained.

Since 2005 it has been possible for the EU member states to promote diesel carsthat comply with a particle emission limit of 5 mg/km (EU Commission 2005).





par des réglementations publiées depuis 1996. La première réglementation, ladirective 1996/62/EC, décrit les différents aspects de la qualité de l’air. D’autrespublications, telles que les directives 1999/30/EC et 2000/69/EC, établissentles exigences relatives aux niveaux maximum de SO2, NO2, NOx , PM10, plomb,benzène et monoxyde de carbone.

Ces réglementations ont pour objectif de maintenir un niveau minimum de qualitéde l’air ambiant, non seulement pour les hommes, mais aussi pour la nature en

général.

1.3. INFLUENCE DU TRAFIC ROUTIER SUR LA QUALITÉ DE L’AIR AMBIANT

Grâce aux convertisseurs catalytiques et autres technologies qui équipentles voitures à essence, les émissions gazeuses ont été réduites de manièresignificative. Néanmoins, le trafic routier est une importante source d’émissiond’oxydes d’azote dans l’air ambiant. Dans des pays comme la Suède, lestransports routiers représentent environ 45 % des émissions d’oxydes d’azoteà l’échelle nationale. Aux Pays-Bas, ce chiffre est d’environ 35 %, et de 65 % àproximité immédiate des routes.

En Suède, environ 70 % des émissions d’oxydes d’azote générées par le traficroutier sont produites par les poids lourds. Le reste de l’Europe de l’Ouestenregistre des chiffres similaires.

L’introduction des normes d’émission Euro 4 et Euro 5 pour les véhiculesutilitaires lourds (dont l’application est obligatoire en Europe à partir de 2006et 2009, respectivement) devrait réduire sensiblement les émissions d’oxydesd’azote de ce type de véhicules.

Les émissions de particules d’échappement générées par le transport routier ontconsidérablement diminué au fil des années. Ceci dit, le contrôle des émissionsdes moteurs diesel n’a pas été très efficace.

À titre d’exemple, la quantité de PM10 générées par le trafic par rapport à laconcentration totale de PM10 dans l’air aux Pays-Bas est d’environ 5 à 6 % ; cesPM10 sont principalement produites par les camions à moteur diesel. À proximitédes routes, ce chiffre est d’environ 33 %. Des normes d’émission plus sévèresapplicables aux camions réduiront davantage les émissions de PM10. Dans lesautres pays, il se peut que l’on obtienne des résultats différents.

Depuis 2005, il a été possible pour les états membres de l’Union Européenne depromouvoir des voitures diesel qui satisfont à une limite d’émission de particules


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This is only 20 percent of the standard in force (Euro 4). Austria and Germanyhave decided to implement tax incentives to promote diesel cars that comply withthe limit. Such measures improve air quality across the entire country – as well asin tunnels by reducing the contribution of combustion products to the total PM

10

quantity.

On the other hand the contribution of particles from the wear of rubber tyres as well

as re-suspension of road dust including salt and sand from winter services is likelyto remain a significant source of PM

10, often even more than the contribution from

the engine exhausts. The exact proportions of these particles will vary betweentunnels depending upon their particular circumstances.

Exhaust particles are emitted as ultra fine particles with the higher numberconcentration in sizes below 0.2 µm. Through coagulation and accumulation thesize of the particles increases with elapsed time and distance from the source.Particles with a size between 0.1 and 1 µm are often transported over a longdistance. A major component of the dust is often remobilized eroded particlesfrom the road.

The complexity of the origin of particulate matter is illustrated by an analysis ofPM

10 from a tunnel in Sweden. For an example, Figure 1 depicts the results of

measurements on the mass fraction concentration in this tunnel.





de 5 mg/km (Commission européenne – 2005). Cela représente seulement 20 %de la norme en vigueur (Euro 4). L’Autriche et l’Allemagne ont décidé d’octroyerdes avantages fiscaux afin de promouvoir des voitures à moteur diesel qui satisfontà cette limite. De telles mesures améliorent la qualité de l’air dans tout le pays – ainsi que dans les tunnels - en réduisant la part des produits de combustiondans la quantité totale de PM10 générées.

D’autre part, les particules générées par l’usure des pneus ainsi que la remise en

suspension de la poussière des routes, y compris le sel et le sable épandus parles services hivernaux, restent une source importante de PM10, souvent mêmeplus importante que les particules émises par l’échappement des véhicules. Lesproportions exactes de ces particules varient d’un tunnel à l’autre, en fonction deleurs conditions propres.

Les particules émises par les échappements sont ultra fines, les plus nombreusesd’entre elles étant plus petites que 0,2 µm. Par coagulation et accumulation, la tailledes particules augmente avec le temps et la distance par rapport à la source. Lesparticules dont la taille est comprise entre 0,1 et 1 µm sont souvent transportéessur une longue distance. Une partie majeure de la poussière est souvent composéede particules d’érosion de la route remises en suspension dans l’air.

La complexité de l’origine des particules est illustrée par une analyse des PM 10 présentes dans un tunnel suédois. La figure 1 montre un exemple de résultatsde mesures de concentration massique dans ce tunnel.

Figure 1. Résultats des mesures de concentration massique dans le Soderledstunnel à Stockholm en 1999

(tunnel urbain d’une longueur d’environ 2 km)

0

1

5

6

7

Monday Feb 1 Tuesday Feb 2 Wednesday Feb 3 Thursday Feb 4 Friday Feb 5

Particles

from engines

(Middle)

Particles from

Brakes

(Bottom)

Particles from

rubber tyres

(Top)

g /h

Figure 1. An illustration depicting the results of measurements on the mass fraction concentration in theSoderledstunneln tunnel in Stockholm in 1999 (urban tunnel approximately 2 km long)

0

1

2

4

5

6

7

Lundi 1 Fév. Mardi 2 Fév. Mercredi 3 Fév. Jeudi 4 Fév. Vendredi 5 Fév.

Particules provenant

des moteurs

(Centre)

Particules

provenant

des freins

(En bas)

Particules

provenant

des pneux

(En haut)

g /h

TUNNELS ROUTIERS GUIDE POUR L’OPTIMISATION OA S A G O O S G


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The variability of the PM10

non exhaust emissions depends upon on severalenvironmental factors. For example, local weather, local industries, road surfacescan impact upon these emission rates. These factors can conspire to alter theambient nature and variability of the PM

10 fraction. The graph shown on Figure 2

illustrates the variation in these emission rates as a result of changes in humanactivities in a Swedish road tunnel.

These changes reflect sanding/salting in winter time and a higher share of studdedtyres in Sweden in winter time (more than 70% of vehicle fleet).

Figure 2. Measurement of mass concentration of small particles in a Swedish tunnel





La variabilité des émissions de PM10 ne provenant pas des échappementsdépend de plusieurs facteurs environnementaux. La météo, les industrieslocales, la surface des routes peuvent notamment influencer les taux d’émission.Ces facteurs peuvent se conjuguer pour altérer la qualité de l’air ambiant et lavariabilité de la proportion des PM10. Le graphique suivant (voir figure 2) montre lavariation des taux d’émission résultant des changements des activités humaines,dans un tunnel routier en Suède.

Ces changements sont dus au sablage et au salage en hiver, ainsi qu’à uneproportion plus élevée de pneus à clous en Suède en hiver (plus de 70 % du parcautomobile suédois).

Figure 2. Mesure de la concentration massique des particules de petite taille dans un tunnel en Suède

0

100

200

300

400

500

600

700

j u i n - 9 9

a o û t - 9 9

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d é c - 9 9

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a v r - 0 0

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f é v - 0 1

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d é c - 0 1

m a r - 0 2

m a i - 0 2

j u i l - 0 2

o c t - 0 2

PM10

PM2.5

FACTEUR D’ÉMISSION TOTALE POUR LES PARTICULESmg/vehicule km

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j u i n - 0 1

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a o û t - 0 2

0

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600

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1

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m a j - 0 2

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PM10

PM2.5

TOTAL EMISSION FACTOR FOR PARTICLESmg/vehicle km

TUNNELS ROUTIERS : GUIDE POUR L’OPTIMISATION ROAD TUNNELS : A GUIDE TO OPTIMISING


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2. AIR QUALITY

2.1. WHY DO TUNNEL AIR EMISSIONS NEED TO BE MANAGED?

Tunnels form only a very small proportion of the road network. The majorityof health issues arising from motor vehicles arise because of the pollutionfrom vehicles generated on the extensive surface roads network. Motor vehicle

pollution reduction is the key to better air quality in our cities. Tunnels comprise

such a minute component of the road network of cities that their benefits – in realterms- are limited to local air quality improvements.

So pronounced are the air quality benefits of properly designed and operated tunnelsthat in a number of urban environments surface roads are being encapsulated in“tunnels” to redistribute the vehicle emissions. These new tunnels are being builtsolely to achieve local environmental improvement through containment andenhanced dispersion of surface vehicle emissions.

All road tunnels contain and redistribute motor vehicle emissions. The management

of the health and environmental impacts of a road tunnel is a core objective ofresponsible tunnel design and operation. (See Appendix B)

Vehicle emissions inside tunnels are contained and redistributed. These emissionsare comprised of contaminants – which under certain conditions are harmful tohuman health.

The tunnels environmental performance is critical during the design stage andremains fundamental to their acceptability during operational life.

It is essential that air quality criteria are set which reflect the needs and constraintsfor external air quality in the local area outside the tunnel.

2.2. HOW SHOULD TUNNEL AIR QUALITY PERFORMANCE BE SET?

The development of appropriate air quality performance goals is a complex process. Ambient air quality goals should represent levels of contaminants in theair that are considered acceptable.

TUNNELS ROUTIERS : GUIDE POUR L OPTIMISATION




2. QUALITÉ DE L’AIR

2.1. POURQUOI FAUT-IL GERER LES ÉMISSIONS DES TUNNELS ?

Les tunnels ne constituent qu’une très petite partie du réseau routier. La plupartdes problèmes de santé dus aux véhicules à moteur proviennent de la pollutiongénérée par les véhicules sur l’important réseau routier en surface. La réductionde la pollution émise par les véhicules à moteur est la clé d’une meilleure qualité

de l’air dans nos villes. Les tunnels représentent une partie si faible du réseauroutier des villes que leurs avantages – en termes réels – se limitent à desaméliorations locales de la qualité de l’air.

Les avantages que présentent pour la qualité de l’air des tunnels correctementconçus et exploités sont si prononcés que dans bon nombre d’environnementsurbains, les routes en surface sont en train d’être encapsulées dans des« tunnels » en vue de redistribuer les émissions des véhicules. Ces nouveauxtunnels sont construits uniquement pour obtenir un environnement local plus sainen contenant et dispersant mieux les émissions de véhicules en surface.

Tous les tunnels retiennent et redistribuent les émissions des véhicules à moteur.

La gestion des impacts sur la santé et l’environnement d’un tunnel routier sontun souci important de la conception et de l’exploitation responsables d’un tunnel.(Voir annexe B)

Les émissions générées par les véhicules dans un tunnel sont retenues etredistribuées. Ces émissions se composent de polluants qui, dans certainesconditions, sont nuisibles pour la santé de l’homme.

Les performances d’un tunnel sur le plan environnemental constituent un pointsensible durant la phase de conception, et restent fondamentales pour leuracceptabilité durant la phase d’exploitation.

Il est essentiel d’établir des critères de qualité de l’air qui soient le reflet desbesoins et des contraintes relatives à la qualité de l’air extérieur dans la zoneavoisinante du tunnel.

2.2. COMMENT DEVRAIT-ON ÉTABLIR LES CRITÈRES DE PERFORMANCE DUTUNNEL EN MATIÈRE DE QUALITÉ DE L’AIR ?

La définition des objectifs appropriés de performance en matière de qualité del’air est une démarche complexe. Les objectifs en matière de qualité de l’airambiant devraient représenter les niveaux de polluants qui sont considéréscomme acceptables dans l’air.



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The aims of air quality goals are to set objectives for air quality which appropriately protect people from the risks associated with air pollution. The WHO Guidelinesdiscussed in Appendix B are based purely on the potential health effects ofthe air pollutants. Illustrative of this approach are the European environmentalrequirements described in the EU directives on external air quality which aresummarized in Appendix C.

In many countries there are national air quality standards. In addition separate

jurisdictions such as states may set their own air quality goals but these must beat least as stringent as the national goals. Similarly, while there are EU ambient airquality goals, individual European member countries, according to the subsidiary

principle, may set their own standards but they must be more stringent.

Developing air quality objectives is complicated by the existence of backgroundcontaminants which may consist of both naturally occurring and man madecontaminants.

Other issues such as the industrial context, and economic factors also need to

be taken into account when establishing air quality goals, particularly wherestringent goals are at least in the short to medium term considered unachievable – but nonetheless essential to establish a set of environmental objectives.

2.3. AIR POLLUTANTS IMPACT ON PEOPLE’S HEALTH

Motor vehicles emit a range of pollutants which may be harmful to human healthand the environment.

The contaminants which either warrant investigation or are required to beinvestigated may vary between countries or even local regulatory authorities.

The main emissions are as follows:

• carbon monoxide (CO),• oxides of Nitrogen (NOx) comprising mainly a mixture of nitric oxide (NO)

and nitrogen dioxide (NO2),

• particle matter with aerodynamic diameter less than 10 µm (PM10

),• hydrocarbons, including benzene,• lead (in some countries lead is still a component of petrol with associated

emissions, although the use of unleaded and lead replacement petrol is nowwidespread).





Il s’agit de définir des objectifs en matière de qualité de l’air tels que la protectiondes gens contre les risques liés à la pollution de l’air soit assurée. Les directivesde l’OMS discutées à l’annexe B se basent uniquement sur les effets potentielssur la santé des polluants présents dans l’air. Les exigences environnementaleseuropéennes décrites dans les directives européennes relatives à la qualité de l’airextérieur, et qui sont résumées à l’annexe C, illustrent très bien cette approche.

De nombreux pays ont établi des normes nationales de qualité de l’air. De plus,

des autorités de niveau inférieur peuvent définir leurs propres objectifs en matièrede qualité de l’air, à condition que ces objectifs soient au moins aussi sévèresque les objectifs nationaux. De même, alors qu’il existe des objectifs en matièrede qualité de l’air fixés par l’Union Européenne, les Etats membres européens,conformément au principe de subsidiarité, peuvent définir leurs propres normes,mais celles-ci doivent être plus strictes.

Mettre au point des objectifs de qualité de l’air est compliqué par la présence depolluants de fond pouvant être naturels ou générés par l’homme.

D’autres facteurs, tels que le contexte industriel et des facteurs économiques,

doivent être pris en considération lors de la définition des objectifs de qualitéde l’air, notamment lorsque des objectifs rigoureux sont considérés commeirréalisables à court ou moyen terme, mais néanmoins indispensables pour établirun certain nombre d’objectifs environnementaux.

2.3. IMPACT SUR LA SANTÉ DES POLLUANTS PRÉSENTS DANS L’AIR

Les véhicules à moteur émettent toute une série de polluants qui peuvent êtrenuisibles pour la santé des personnes et néfastes pour l’environnement.

Les polluants pour lesquels des études sont soit possibles, soit obligatoires, sontsusceptibles de varier d’un pays à l’autre, voire même d’une autorité locale à une autre.

Les principales émissions sont les suivantes :

• le monoxyde de carbone (CO) ;• les oxydes d’azote (NOx) qui se composent principalement de monoxyde (NO)

et de dioxyde d’azote (NO2) ;• les particules dont le diamètre hydraulique est inférieur à 10 µm (les PM10) ;• les hydrocarbures, notamment le benzène ;• le plomb (dans certains pays, le plomb fait toujours partie des composants de

l’essence, et produit des émissions, bien que l’utilisation de l’essence et dusuper sans plomb soit maintenant répandue).



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In addition, motor vehicle emissions contribute to photochemical smog formation,the major components of which are ozone and secondarily formed aerosols suchas ammonia nitrate.

It has generally been found that Sulphur dioxide (SO2) is not a significant pollutant

from traffic.

Contaminants which have been the subject of regulatory air quality control

include: • CO,• benzene,• lead,• SO

2

• NO2

• PM10

• ozone.

In specific projects other contaminants may be important. Each project must beconsidered from an environmental performance perspective, and the performancecriteria for the project determined. It is essential that the emissions from the tunnels

be placed within an appropriate environmental context. Most importantly, this isusually the road network contribution to air quality – but this can be extended toinclude other factors such as local and regional industrial emissions.

3. AIR POLLUTANTS AND THE ENVIRONMENT

3.1. MEASUREMENT OF AIR POLLUTANTS

Where the evaluation of the impact of emitted tunnel air upon local ambient airquality is required, it is usually complex. Both modelling of the likely tunneland ambient air contributions and the results of actual measurements consistentlydemonstrate that the impact of tunnel emissions cannot easily be differentiatedfrom background ambient air.

The technical difficulties associated with the ongoing measurement of air quality shouldnot be underestimated. This problem is compounded by the high level of expertiserequired to reliably operate the necessary air quality measurement equipment.

As a result of these issues the task of monitoring air quality is often undertakenand/or supported by the local environmental regulatory authority.


DE L’IMPACT DE LA QUALITÉ DE L’AIR DANS L’ENVIRONNEMENT THE AIR QUALITY IMPACT UPON THE ENVIRONMENT

De plus, les émissions générées par les véhicules à moteur contribuent à laformation du smog photochimique composé principalement d’ozone et d’aérosolssecondaires tels que le nitrate d’ammonium.

Il a généralement été constaté que le dioxyde de soufre (SO 2) n’est pas unpolluant significatif produit par le trafic routier.

On compte parmi les polluants qui font l’objet d’un contrôle réglementaire de la

qualité de l’air :• le CO,• le benzène,• le plomb,• le SO2,• le NO2,• les PM10,• l’ozone.

Pour certains projets spécifiques, d’autres polluants peuvent se révélerimportants. Chaque projet doit être considéré du point de vue des performancesenvironnementales, et des critères de performance doivent être définis pour

celui-ci. Il est capital de situer les émissions des tunnels dans un contexteenvironnemental approprié. Le plus souvent c’est le contexte de la contributiondu réseau routier à la qualité de l’air, mais ce contexte peut s’étendre à d’autresfacteurs tels que les émissions industrielles aux niveaux local et régional.

3. LES POLLUANTS DE L’AIR ET L’ENVIRONNEMENT

3.1. MESURE DES POLLUANTS DE L’AIR

Lorsque l’évaluation de l’impact de l’air émis par un tunnel sur la qualité de l’airambiant local est requise, la tâche s’avère généralement complexe. Tant lesmodélisations des contributions probables du tunnel et de l’air ambiant, que lesrésultats des mesures réelles démontrent de façon constante que l’impact desémissions d’un tunnel peut difficilement être différencié de la pollution de fond.

Il ne faut pas sous-estimer les difficultés techniques associées aux méthodes demesure actuelles de la qualité de l’air. Ce problème est aggravé par le niveauélevé d’expertise requis pour utiliser de manière fiable les matériels nécessairesà la mesure de la qualité de l’air.

Conséquence des difficultés rencontrées, le suivi de la qualité de l’air est bien souventréalisé et/ou pris en charge par l’autorité locale de réglementation environnementale.



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3.2. PREDICTION OF AIR QUALITY IMPACTS

The prediction of air quality impacts caused by a tunnel requires detailedinvestigation and analysis. Each project requires special attention becausethere are so many variables which can impact upon the resulting performance.A detailed analysis of traffic predictions, meteorology, fleet characteristics and

projected usage is beyond the scope of this report. An overview of dispersionmodelling is provided in Appendix D.

The science of dispersion modelling is the subject of ongoing research andrefinement. It is recommended that the reader determine the most appropriatemodel for the particular circumstances of the tunnel being considered, whichwill depend upon a range of factors including, stage of project, dispersion issues,meteorological context.

In the environmental impact assessment of a project such modelling is oftencritical.

3.3. WHAT DETERMINATES AIR POLLUTANT CONCENTRATIONS?

The exposure of the environment and human beings to pollution involves an analysisof the quantity of the contaminants, including their spatial and temporal variation.

The concentrations of air pollutants are determined by the emission rate of the pollutants and the effectiveness of the tunnel ventilation system at harnessingthe particular dispersive capacity of the atmosphere at a particular location. Theemissions and dispersion component can be influenced through good tunneldesign, operational practices and where necessary partial pollution removal ofcertain contaminants.

Ultimately the effectiveness of tunnel air dispersion will be a function of factorsincluding the dispersion potential of the atmosphere in the area of the tunnel, theeffect of ambient air quality on the emitted air and upon the operational regime ofthe ventilation system.

Most motor vehicle emissions occur at ground-level or close to ground-level andworst-case conditions are those associated with calm winds and stable atmosphericconditions. An exception to this is emissions dispersed from a tall vent stack usedin a tunnel ventilation system.


3.2. PRÉVISIONS DES IMPACTS SUR LA QUALITÉ DE L’AIR

La prévision des impacts sur la qualité de l’air causés par un tunnel nécessitedes études et des analyses approfondies. Chaque projet requiert une attentionparticulière car très nombreuses sont les variables qui peuvent influencer lesperformances prévues. Une analyse détaillée des prévisions de circulation, de lamétéorologie, des caractéristiques du parc automobile et de l’utilisation prévuesort du cadre de ce rapport. Un panorama des méthodes de modélisation de la

dispersion est fourni à l’annexe D.

La science de la modélisation de la dispersion fait actuellement l’objet derecherches et de perfectionnements. Il est recommandé au lecteur de déterminerle modèle le plus approprié aux circonstances particulières du tunnel considéré ;le modèle sera fonction de nombreux facteurs, notamment l’étape du projet, lesquestions de dispersion, le contexte météorologique.

En ce qui concerne l’évaluation des impacts sur l’environnement d’un projet, unetelle modélisation constitue bien souvent un point critique.

3.3. QU’EST-CE QUI DÉTERMINE LES CONCENTRATIONS DES POLLUANTS

DANS L’AIR ?

L’étude de l’exposition de l’environnement et des êtres humains à la pollution impliqueune analyse quantitative des polluants, y compris leur répartition spatiale et temporelle.

Les concentrations des polluants dans l’air sont déterminées par les tauxd’émission des polluants et par l’efficacité des systèmes de ventilation destunnels à exploiter la capacité dispersive de l’atmosphère spécifique à un endroitprécis. Les composants émis et dispersés peuvent être influencés par unebonne conception du tunnel, par les pratiques d’exploitation et, si nécessaire, parl’élimination partielle de certains polluants.

Au total, l’efficacité de la dispersion de l’air d’un tunnel dépendra de facteurs telsque le potentiel de dispersion de l’atmosphère à proximité du tunnel, l’effet de laqualité de l’air ambiant sur l’air émis et du régime d’exploitation du système deventilation.

La plupart des émissions générées par les véhicules à moteur sont produites auniveau du sol ou non loin du niveau du sol, et les conditions les plus défavorablessont celles de vent faible ou absent et de conditions atmosphériques stables. Desémissions provenant d’une haute cheminée équipant le système de ventilationd’un tunnel constituent une exception.



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For example the ground-level concentrations due to emissions from a tall stackwill generally be low when the dispersive capacity of the atmosphere is low (thatis when winds are calm and the atmosphere is stable) and highest when winds aremoderate and mixing is sufficiently intense to depress the plume to ground-level.The converse is true for ground-level emissions. That is the highest ground-levelconcentrations occur when winds are light and the atmosphere is stable.

Stacks for tunnels are typically of a height of above 20 metres with the additional benefits gained by the momentum and buoyancy of the plume. In such casesunfavourable dispersion conditions can affect both street level and stack emissionsat the same time. Because of the height of the stacks the emissions enjoy betterdispersion conditions and thereby result in lower ground level concentrations.Stacks above the layer directly affected by buildings (this would mean in generalsome 2 to 3 times as high as the surrounding buildings) results in even betterdispersion.

Urban areas located in regions where winds are light and stable conditions persist

for extended periods, particularly if these periods overlap the times of peak trafficemissions, require more detailed analysis when formulating tunnel design oroperational framework than those in windier locations where the atmosphere isunstable. This is true at least for the management of low level emissions.

Climatic effects are not only important in determining the dispersive capacity of aregional air sheds but have a strong-effect on the atmospheric chemical reactions

between the pollutants that give rise to photochemical smog, which is a mixtureof ozone, nitrogen oxides, reactive hydrocarbons and aerosols. These reactionsare driven to a large extent by the ultraviolet component of sunlight and progressmore rapidly at higher temperatures.

The formation of both secondary aerosols (e.g. nitrates and sulfates) isdependent upon temperatures. Colder periods are more critical for secondary PMformation. These secondary aerosols may contribute up to 50% to the PM

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concentrations.

Most impact assessments are based on maintaining ambient concentrations ofkey pollutants to less than predetermined air quality criteria or to the lowest level


Ainsi, les concentrations au niveau du sol dues aux émissions provenantd’une cheminée haute seront généralement faibles si la capacité dispersive del’atmosphère est faible (c’est-à-dire lorsque le vent est faible et que l’atmosphèreest stable), et seront les plus élevées lorsque les vents sont modérés et queles effets de mélange sont suffisants pour rabattre le panache au niveau dusol. L’inverse est vrai pour les émissions au niveau du sol. C’est-à-dire que lesconcentrations au niveau du sol sont les plus élevées lorsque le vent est faible etque l’atmosphère est stable.

La hauteur des cheminées des tunnels dépasse généralement les 20 mètres ;et l’on tire également avantage de la vitesse et de la flottabilité du panache.Dans pareils cas, des conditions de dispersion défavorables peuvent affecter lesémissions au niveau de la rue et au niveau de la cheminée en même temps. Grâceà la hauteur des cheminées, les émissions profitent de meilleures conditions dedispersion, ce qui a pour effet de diminuer les concentrations au niveau du sol.Des cheminées dépassant le niveau directement affecté par les bâtiments (ce quivoudrait dire 2 à 3 fois plus hautes que les bâtiments environnants) procurent unedispersion encore meilleure.

Les zones urbaines situées dans des régions où les vents sont faibles et où des

conditions météorologiques stables persistent pendant des périodes prolongées –particulièrement si ces périodes incluent les heures de pointes au niveau du traficroutier – requièrent des analyses plus approfondies lors de la conception d’untunnel et de sa structure opérationnelle par rapport aux régions plus venteuses,où les conditions météorologiques sont plus instables. Ceci est vrai au moinspour la gestion des émissions de faible niveau.

Le climat n’est pas seulement important pour déterminer la capacité dispersivedes bassins d’air régionaux, mais il a un effet non négligeable sur les réactionschimiques atmosphériques entre les polluants qui donnent naissance au smogphotochimique, qui est un

A Guide to Optimising the Air Quality

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