Wentylacja tuneli komunikacyjnych

Tunele komunikacyjne, z uwagi na podwyższone ryzyko wybuchu pożaru na skutek np. kolizji drogowej (zderzenie dwóch lub więcej pojazdów, zderzenie pojazdu ze ścianą tunelu) lub awarii pojazdu, powinny być wyposażone w odpowiedni system wentylacji pożarowej. Ponadto pożary w tunelach ze względu na ograniczoną przestrzeń są bardzo niebezpieczne. Największe zagrożenie niosą pożary w tunelach długich, dlatego tunele takie muszą sprostać bardzo ostrym wymaganiom, żeby zostały dopuszczone do eksploatacji.

Wysoka temperatura występująca podczas pożaru (tab. 1) może spowodować uszkodzenia konstrukcji tunelu, co jeszcze bardziej zwiększa ryzyko wystąpienia przypadków śmiertelnych (tab. 2 i 3), np. głównym powodem śmierci 39 osób podczas pożaru w tunelu Mont Blanc było szybkie rozprzestrzenianie się dymu z powodu niepoprawnego działania systemu wentylacyjnego. W tunelu tym uległo zadymieniu [11]:

• 900 m tunelu po 3 minutach,
• 1200 m tunelu po 7 minutach,
• 2600 m tunelu po 23 minutach,
• 4800 m tunelu po 40 minutach.
•  

Po tym tragicznym wydarzeniu zmodernizowano system wentylacji tak, żeby w przypadku pożaru dym z tunelu był odprowadzany kanałami oddymiającymi rozmieszczonymi w odstępach co 100 m. W celu poprawy bezpieczeństwa wprowadza się specjalne procedury postępowania na wypadek powstania pożarów w tunelach. Poniżej przedstawiono ich przykładowe zapisy [11]:

• w momencie wykrycia pożaru powinno nastąpić wyłączenie wszystkich wentylatorów wzdłużnych, które są umieszczone pod stropem tunelu, tak aby nie zaburzać swobodnego przepływu dymu,
• w celu ustalenia przepływu dymu należy podwyższyć moc wentylatorów do 50%,
• w schronach ewakuacyjnych należy podwyższyć ciśnienie powietrza w celu niedopuszczenia do przenikania dymu,
• w przypadku powstania pożaru należy uruchomić wentylację pożarową.

Dla poprawy bezpieczeństwa pożarowego oprócz procedur wprowadza się także określone rozwiązania techniczne. Jednym z nich jest zastosowanie wentylacji pożarowej (rys. 1).

Najważniejszym zadaniem wentylacji pożarowej jest niedopuszczenie do rozprzestrzeniania się trujących gazów pożarowych od miejsca wystąpienia zagrożenia do innych części tunelu. Zaprojektowane systemy oddymiania powinny także zmniejszać ryzyko wystąpienia rozgorzenia pożaru. NFPA (National Fire Protection Association – Amerykańskie Stowarzyszenie Ochrony Przeciwpożarowej) zaleca, aby w metrze czas ewakuacji z najodleglejszego punktu na peronie do punktu bezpiecznego był krótszy niż 6 minut, co wymusza zastosowanie odpowiednich środków technicznych dla tych obiektów. Okazało się, że stosowanie technicznych systemów zabezpieczeń wpływa znacząco na poprawę warunków ewakuacji.

Ponadto wg NFPA [1]:

• osoby znajdujące się w tunelu nie powinny być poddawane oddziaływaniu temperatury wyższej niż 60°C,
• wentylatory i klapy powinny być odporne na oddziaływanie temperatury 250°C przez min. 1 h,
• wentylacja powinna uniemożliwiać niekontrolowany przepływ dymu według koncepcji prędkości krytycznej, czyli zapobiegającej cofaniu się dymu.

Wymagania dla tuneli o długości powyżej 500 m reguluje dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych wymagań bezpieczeństwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej [5]. Wymagania te dotyczą zarówno tuneli znajdujących się w eksploatacji, jak i dopiero budowanych czy projektowanych. Skuteczność systemów ochrony przeciwpożarowej tuneli zależy m.in. od: zastosowanego rozwiązania, szybkości jego reakcji na zagrożenie, a także skuteczności działania systemu detekcji pożaru.

Wentylacja tuneli łączy na ogół dwie funkcje: bytową i pożarową. Zadaniem pierwszej z nich jest niedopuszczenie do przekroczenia dozwolonego poziomu stężeń zanieczyszczeń w tunelu emitowanych przez pojazdy oraz utrzymanie właściwej w nim widoczności poprzez odprowadzanie spalin.

Drugą funkcją instalacji wentylacyjnej w tunelu jest spełnienie wymagań pożarowych w razie wystąpienia zagrożenia pożarowego, a mianowicie: umożliwienie skutecznego odprowadzania dymu, ułatwienie prowadzenia akcji ewakuacyjnej i ratowniczo-gaśniczej, zapobieganie rozprzestrzenianiu się pożaru na inne pojazdy. Wybór odpowiedniego systemu wentylacji powinien zostać poprzedzony dokładną analizą, uwzględniającą m.in.: wymiary, natężenie i kierunek ruchu pojazdów oraz ich rodzaj, ukształtowanie terenu, warunki klimatyczne.

Podobnie jak w przypadku budynków również w tunelach zastosowanie znalazły rozwiązania wentylacji grawitacyjnej i mechanicznej (rys. 2). W tunelach o długości większej niż 1800 m istnieją zazwyczaj dwa pasy ruchu w jednym kierunku. W razie wystąpienia zagrożenia pożarem na jednym z pasów drugi przejmuje funkcje ewakuacyjne i ratunkowe.

Zgodnie z dyrektywą [5] przyjmuje się, że wentylację naturalną stosuje się w tunelach o długości nie większej niż 400 m dla ruchu jednokierunkowego lub nie większej niż 240 m dla tuneli, w których ruch jest dwukierunkowy. Ograniczeniem w stosowaniu wentylacji naturalnej jako pożarowej jest ryzyko wystąpienia niekontrolowanego procesu oddymiania, co jest związane z dużą dynamiką pożarów w tunelach. Sprzyja temu wiele czynników, jak np.: gwałtowny wzrost temperatury na ograniczonej przestrzeni, gwałtowne rozgorzenie pożaru na skutek zapłonu i wybuchu paliwa zgromadzonego w pojazdach oraz powstająca przy tym niebezpieczna fala uderzeniowa, „przyklejanie się” dymu do ścian tunelu.

W dyrektywie zawarto następujące wymagania:

• wentylacja mechaniczna jest wymagana dla tuneli dłuższych niż 1 km ze średnią roczną liczbą pojazdów przejeżdżających na jednym pasie ruchu większą od 2000 (tab. 4),
• tam, gdzie nie można stosować wentylacji mechanicznej wzdłużnej, należy stosować wentylację mechaniczną poprzeczną lub półpoprzeczną,
• wentylacja poprzeczna lub półpoprzeczna jest wymagana dla tuneli, w których odbywa się ruch dwukierunkowy pojazdów, oraz dla tuneli o długości powyżej 3 km (tab. 4),
• wentylacja wzdłużna powinna zostać poprzedzona analizą ryzyka i może być stosowana dla ruchu jednokierunkowego,
• prędkość przepływu powietrza przez tunel powinna być monitorowana i regulowana,
• instalacje wentylacyjne powinny być skojarzone z systemem wykrywania zanieczyszczeń, dymu i wysokiej temperatury,
• nowe tunele nie powinny mieć nachylenia większego niż 5%, chyba że z uwagi na warunki geologiczne jest to niemożliwe do zrealizowania,
• wykonanie analizy ryzyka jest niezbędne dla nachyleń większych niż 3%,
• tunele powinny być wyposażone w wyjścia awaryjne oraz trasy ewakuacyjne.

W tunelach, w których wentylacja naturalna mogłaby się okazać nieskuteczna podczas pożaru, stosuje się wentylację mechaniczną (rys. 3).

Systemy wentylacji mechanicznej tuneli

Wentylacja wzdłużna

Wentylacja ta stosowana jest zazwyczaj w tunelach, których długość nie przekracza 4 km. Przepływ powietrza odbywa się wzdłuż tunelu, pomiędzy jego wlotem a wylotem. Jest on wymuszony pracą wentylatorów umieszczonych wewnątrz tunelu, np. strumieniowych, osiowych umieszczonych w sklepieniu tunelu czy wentylatorów zainstalowanych w szybach nawiewnych i wyciągowych. Projektuje się zwykle wentylację wzdłużną z wentylatorami rozmieszczanymi co 60–120 m.

Rozwiązanie to nie wymaga prowadzenia przewodów wentylacyjnych. Zastosowane wentylatory powinny umożliwiać zmianę kierunku przepływu w zależności od aktualnych potrzebwynikających z rozwoju i miejsca występowania pożaru. Należy zaznaczyć, że zmiana kierunku obrotów wentylatora zmienia również jego wydajność. Oddymianie powinno być zapewnione w całym tunelu, a prędkość przepływu powietrza przez tunel powinna zapobiegać cofaniu się dymu (prędkość krytyczna).

Prędkość krytyczną przepływu powietrza w tunelu należy określać za pomocą metody iteracyjnej poprzez równoczesne rozwiązanie poniższych wzorów [4]:

gdzie:

V_kryt – prędkość krytyczna [m/s],

k₁ – 0,606,kg – współczynnik nachylenia tunelu, zgodnie z rys. 4,

g – przyspieszenie ziemskie [s/m2],

H – wysokość tunelu [m],

Q – moc pożaru [MW],

ρ – średnia gęstość powietrza [kg/m³ ],

c_p  – ciepło właściwe powietrza [kJ/(kgK)],

A – powierzchnia przekroju tunelu [m² ],

T_f – średnia temperatura gazów pożarowych [K],

T_o – temperatura otoczenia [K].

Ograniczeniem w zastosowaniu wentylacji wzdłużnej w tunelach długich jest to, że skuteczne oddymianie wymaga w takich wypadkach zastosowania dużych prędkości powietrza, które mogą powodować znaczne utrudnienia podczas ewakuacji ludzi. Sytuacja ta wynika z możliwości mieszania się strumieni powietrza świeżego i dymu. Ponadto znaczny napór powietrza wtłaczanego do tunelu na ludzi utrudnia im możliwość sprawnego poruszania się.

Niektóre rozwiązania wentylacji w tunelach umożliwiają impulsowe włączanie się wentylatorów, które wymuszają ruch powietrza z prędkością 30 m/s, tak aby po ich wyłączeniu zainicjować przepływ powietrza przez tunel. Zastosowane dysze działają na zasadzie odrzutu. Prędkość przepływu powietrza w tunelach wynosi maksymalnie 8 m/s podczas normalnej pracy (z uwagi na niepodrywanie zanieczyszczeń) i 9 m/s podczas pożaru, gdyż prędkość powyżej 11 m/s powoduje utrudnienia w poruszaniu się osób [7].

Wentylacja poprzeczna

Ten rodzaj wentylacji zaleca się stosować w tunelach długich o dużym natężeniu ruchu, gdyż umożliwia on równomierny rozdział powietrza w całym tunelu. Rozwiązanie to jest niestety droższe z uwagi na konieczność prowadzenia przewodów nawiewnych i wyciągowych. Z kolei do zalet tego systemu zalicza się m.in.: możliwość utrzymywania jednakowego ciśnienia w całym tunelu, utrzymywanie niskiej prędkości przepływu powietrza w tunelu podczas pożaru, możliwość podziału tunelu na sektory oddymiania. Nawiew odbywa się dołem, a wyrzut gazów spalinowych – górą.

W tunelach z wentylacją poprzeczną kanały świeżego i zużytego powietrza powinny być oddzielone przegrodami z materiałów niepalnych o odporności ogniowej nie mniejszej niż 120 minut[6].

Wentylacja mieszana

To rozwiązanie jest modyfikacją systemów wentylacji poprzecznej i wzdłużnej.

Przykładowe rozwiązania wentylacji

Na rys. 5 pokazano przykładowe koncepcje wentylacji tuneli, wśród których na uwagę zasługują tunele z rampami bezpieczeństwa, do których sprowadzane są płonące pojazdy. Z kolei na fot. 1 i 2 przedstawiono przykładowe rozwiązania wentylacji oddymiającej tunelu drogowego i metra.

W celu przeprowadzenia skutecznej akcji ratowniczej oraz umożliwienia ucieczki z rejonu zagrożonego tunele wyposaża się w drogi ewakuacyjne z nadciśnieniowymi niszami i schronami bezpieczeństwa. Tunele o długości większej niż 100 m powinny zostać wyposażone w nisze ratunkowe rozmieszczone mijankowo na przeciwległych ścianach, w odległościach nie większych niż 100 m na każdej ze ścian, z tym że w tunelach o długości maks. 200 m dopuszcza się jedną niszę na każdej ścianie.

Nisze powinny być wyposażone w instalację wentylacyjną nadciśnieniową w stosunku do atmosfery tunelu oraz w oświetlenie awaryjne włączane automatycznie w razie pożaru [6]. Niekiedy stosuje się również kurtyny powietrzne (rys. 6a), ciekawym rozwiązaniem jest też zastosowanie kanału termoaktywnego umożliwiającego odprowadzanie gazów pożarowych (rys. 6b).

Podczas konstruowania systemów oddymiania tuneli wykorzystuje się symulacje komputerowe, badania modelowe i badania w skali 1:1. Obecnie jest to najczęściej modelowanie numeryczne pożaru CFD (Computational Fluid Dynamics) i symulacja pożaru za pomocą FDS (Fire Dynamics Simulator).

Literatura

1. Duckworth I.J., Fires in vehicular tunnels, 12th U.S./North American Mine Ventilation Symposium 2008, Wallace (ed.).
2. Miclea P.C., Chow W.K., Shen-Wen C., Junmei L., Kashef A.H., Kang K., International Tunnel Fire-Safety Design Practices, „ASHRAE Journal”, August 2007.
3. Sin Kwa Guian, The Design of Tunnel Ventilation System for a Long Vehicular Tunnel, Land Transport Authority, Singapore.
4. Sztarbała G., Systemy wentylacji pożarowej tuneli drogowych, „Polski Instalator” nr 5/2007.
5. Dyrektywa nr 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych wymagań bezpieczeństwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej (DzU L nr 167/2004, ze zm.).
6. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie (DzU nr 63, poz. 735, ze zm.).
7. Capability in tunnel ventilation and fire & life safety, www.halcrow.com.
8. www.atmb.net.
9. . www.connols-air.com.
10. www.savronik.com
11. tr.11. www.nfpa.org.
12. www.wittfan.de.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!