Wentylacja pożarowa dróg ewakuacyjnych w tunelach

Analizując krajowe inwestycje drogowe na przestrzeni ostatnich dziesięciu lat, można zauważyć, że nastąpił przełom w zakresie budownictwa tunelowego. Do 2016 r. tunele drogowe dłuższe niż 500 m można było policzyć na palcach jednej ręki. Rosnące zapotrzebowanie na drogi o dużej przepustowości, konieczność ich połączenia z europejską infrastrukturą, urbanizacja oraz rosnąca wiedza i doświadczenie spowodowały, że coraz częściej projektuje i wykonuje się właśnie takie obiekty w ciągu infrastruktury drogowej. Obecnie na terenie naszego kraju powstaje 15 tuneli drogowych (1), a planowane są kolejne, w tym najdłuższy w ciągu drogi S6 w Policach (tzw. obwodnica Szczecina). Wspomniane doświadczenie zbudowane zostało głównie w oparciu o inwestycje kolejowe, gdzie większa liczba tuneli zaczęła się pojawiać już na początku obecnego wieku. Przełomowa zaś okazała się budowa za pomocą technologii TBM tunelu linii M1 metra w Warszawie. Tunel o długości ponad 23 km zapewne na długo pozostanie najdłuższym w Polsce.

Bardzo istotną kwestią instalacyjną związaną z obiektami tunelowymi jest wentylacja pożarowa dróg ewakuacyjnych. W artykule opisano przykłady rozwiązania wentylacji pożarowej poziomych oraz pionowych dróg ewakuacyjnych w różnych inwestycjach tunelowych realizowanych obecnie na terenie Polski.

Standardy i wytyczne dotyczące projektowania

W pierwszej kolejności należy przywołać dwa dokumenty opisujące standardy, które należy uwzględnić, projektując drogi ewakuacyjne w tunelach. Pierwszy z nich stanowi 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 [2], wraz z późniejszymi nowelizacjami, a zwłaszcza nowelizacją z 2019 r. [3]. W § 321 określono konieczność zabezpieczania przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych na czas potrzebny do ewakuacji ludzi za pomocą systemu wentylacji mechanicznej. Natomiast w §322 podano różne rozwiązania wyjść awaryjnych, zależne od indywidualnego projektu tunelu:

㤠322b. (..)

2. Wyjściem awaryjnym może być w szczególności:

1) bezpośrednie wyjście z tunelu na zewnątrz,

2) przejście poprzeczne między nawami tunelu lub przejście do innego tunelu,

3) wyjście do korytarza ewakuacyjnego, który może się znajdować obok nawy tunelu lub pod jezdnią w nawie tunelu,

4) „schron z drogą ewakuacyjną wydzieloną pożarowo od nawy tunelu”.

Opisane w artykule trzy przykłady prezentują różne rozwiązania wyjść awaryjnych określone w tym rozporządzeniu.

Kolejny dokument stanowią Wytyczne projektowania wentylacji drogowych tuneli rekomendowane przez Ministra Infrastruktury 2 marca 2021 r. [4]. Oprócz dużej liczby informacji dotyczących wentylacji pożarowej głównych naw tunelu wytyczne te podają również, już konkretnie, jak wentylować drogi ewakuacyjne zarówno poziome, jak i pionowe. Warto już w tym momencie zauważyć analogię podejścia do zabezpieczania dróg ewakuacyjnych w obiektach tunelowych z podejściem przyjmowanym w budynkach o różnych wysokościach w oparciu o normę PN-EN 12101-6. Przyjmowane rozwiązania techniczne są analogiczne. Główne różnice wynikają oczywiście z architektury, jak i z konieczności zabezpieczania wszystkich dróg ewakuacyjnych w obiekcie jednocześnie. Należy również zaznaczyć, że przywołane wytyczne nie stanowią przepisu prawa, lecz jedynie rekomendację i źródło wiedzy technicznej dla projektanta. W polskim Prawie budowlanym nie podano konkretnych wymagań technicznych w tej kwestii.

Warto teraz postawić zasadnicze pytanie: w jaki sposób uniemożliwić zadymienie lub wzrost temperatury na obszarze tunelu przeznaczonym do ewakuacji poprzez wentylację mechaniczną? Podstawowe kryteria techniczne, którymi się posługujemy, są trzy.

Pierwsze: kryterium nadciśnienia „Δp” – utrzymanie nadciśnienia w przestrzeniach chronionych ma zagwarantować, że dym nie przedostanie się przez nieszczelności w przegrodach budowalnych oraz elementach instalacyjnych. W przypadku zamkniętych wszystkich drzwi z przestrzeni chronionej najczęściej przyjmuje się nadciśnienie 50 Pa (w akceptowalnym zakresie 30–80 Pa), zawsze względem przestrzeni objętej pożarem. W uzasadnionych przypadkach (np. zakładając tzw. ewakuację jednoczesną) przyjmuje się również dodatkowo nadciśnienie 10 Pa w razie otwartych drzwi zewnętrznych z drogi ewakuacyjnej.

Drugie kryterium: siła „F” potrzebna do otwarcia drzwi, dotycząca wszystkich drzwi z przestrzeni objętej pożarem na drogi ewakuacyjne. Wartość graniczną stanowi tu 100 N – jak pokazały badania, w przypadku konieczności użycia większej siły ewakuujący się ludzie mogą uznać dane drzwi za zamknięte i zacząć szukać innego wyjścia, często z fatalnym skutkiem. Uzyskiwane w praktyce siły zależą też od konstrukcji drzwi.

Trzecie: kryterium prędkości przepływu powietrza przez drzwi z drogi ewakuacyjnej do nawy tunelu w momencie ich otwarcia „w”. Przyjmuje się co najmniej 1 m/s, natomiast na drzwiach pomiędzy klatką schodową a przejściem poprzecznym przyjmuje się wartość 0,5 m/s.

Systemy wentylacji pożarowej wymiaruje się tak, aby spełniały wymagania wszystkich przypadków i kryteriów. Następnie, w zależności od aktualnej sytuacji, układ nawiewny nadążnie reguluje się w taki sposób, aby spełnione były aktualnie wymagane kryteria.

Trzeba pamiętać o tym, że niektóre kryteria wpływają na siebie, tzn. wraz ze wzrostem nadciśnienia po jednej stronie drzwi rośnie siła niezbędna do ich otwarcia, dlatego należy wprowadzić dopuszczalny zakres ciśnienia. Kryteria muszą być utrzymywane również w sytuacjach pośrednich, a zalecany czas automatycznego przestawienia się systemu nie powinien przekraczać 3 s. Oczywiście zastosowane urządzenia stanowią elementy wentylacji pożarowej, a zatem niezbędne jest stosowanie urządzeń oraz wyrobów budowlanych posiadających stosowne dokumenty dopuszczające do obrotu.

Podstawowym urządzeniem w instalacji wentylacji pożarowej dróg ewakuacyjnych w tunelach jest zestaw do różnicowania ciśnienia, którego najważniejszy komponent stanowi jednostka nawiewna, realizująca fizyczne dostarczanie powietrza do przestrzeni chronionej. Wykonywana jest w różnych wariantach, w zależności od konkretnej potrzeby obiektowej, a zarówno jej wydatek, jak i spręż zależą od obliczeń związanych z konkretnym przypadkiem. Może to być sam wentylator w obudowie osiowej przeznaczonej do zabudowy kanałowej, jak i pełnoprawna jednostka izolowana termicznie i akustycznie, z zabudowaną automatyką, odporną na warunki atmosferyczne.

Jednostka nawiewna uzupełniona jest o równie ważny komponent, mianowicie tablicę sterującą. Zawiera ona między innymi przetwornicę częstotliwości oraz zazwyczaj przemysłowy sterownik swobodnie programowalny. Element ten zasila oraz kontroluje pracę wszystkich komponentów zestawu do różnicowania ciśnienia.

Listę obligatoryjnych elementów zamyka tablica ręcznego sterowania. Jest to nieduża tablica, którą montuje się przy wejściu zewnętrznym do dróg ewakuacyjnych, służąca do wskazywania stanu, testowania oraz ręcznego wysterowania pracy systemu przez ekipy ratownicze. Pozostałe komponenty mogą się różnić w zależności od producentów zestawu i umożliwiają jego skonfigurowanie.

Niektóre zestawy mają możliwość zastosowania komponentów (zarówno wentylatora, jak i tablic sterujących) wykonanych ze stali 1.4571 stabilizowanej tytanem o bardzo wysokich parametrach odporności korozyjnej w celu spełnienia wymagań środowisk o klasie korozyjności wyższej niż C3. Oczywiście zestaw do różnicowania ciśnienia stanowi wyrób budowlany i w całości musi być objęty Krajową Oceną Techniczną oraz posiadać Krajową Deklarację SWU.

Zobacz także: Wentylacja szkolnych sal gimnastycznych

W tabeli 2 zestawiono wybrane parametry analizowanych obiektów tunelowych. Wybór padł na możliwie różne przypadki, tak aby zaprezentować wynikające z nich różnice w drogach ewakuacyjnych i ich zabezpieczaniu przed zadymieniem. Kluczowa różnica to usytuowanie tunelu oraz jego konstrukcja – przedmiotowy tunel kolejowy realizowany jest w technologii TBM i usytuowany na względnie stałej głębokości pod gęsto zabudowanym terenem w odcinkach o różnej długości. Tunel drogowy realizowany metodą górniczą jest dwunawowy, usytuowany pod masywem górskim, naturalnie na dużej głębokości. Natomiast jednonawowy tunel drogowy, także realizowany w technologii TBM, zlokalizowany jest pod cieśniną. Wszystkie tunele są obecnie realizowane, prace są na różnych etapach zaawansowania.

Tunel kolejowy

W przypadku tego typu tunelu można przywołać liczne przykłady stacji oraz komór, o różnych głębokościach i konfiguracjach. Cechą wspólną jest to, że z nawy tunelu ewakuacja prowadzona jest bezpośrednio do klatki schodowej. W innych nitkach tego tunelu oraz tuneli planowanych bezpośrednio pod miastem koncepcja dróg ewakuacyjnych jest podobna. Różnice sprowadzają się do obecności przedsionków pożarowych lub ewakuacji z obu stron tunelu.

W takim przypadku koncepcja systemu zabezpieczenia przed zadymieniem praktycznie nie różni się od systemu klasy C stosowanej do zabezpieczania klatek schodowych w budynkach użyteczności publicznej klasy ZL1. Jest to tzw. przypadek ewakuacji jednoczesnej, tzn. uwzględniający nadciśnienie 10 Pa w sytuacji, w której otwarte są drzwi zewnętrze z klatki schodowej. Za regulację ciśnienia odpowiada czujnik ciśnienia z przetwornikiem. W momencie otwarcia drzwi do tunelu system w ciągu trzech sekund nadążnie przestawia się na realizację kryterium prędkości powietrza na drzwiach. Warto zwrócić uwagę na lokalizację tablicy ręcznego sterowania przy wejściu zewnętrznym. Jednostki nawiewne zlokalizowane zostały na zewnątrz i wykonane w stosownym standardzie. Na rys. 1 przedstawiono schemat ideowy instalacji wentylacji pożarowej wyjścia ewakuacyjnego w tym obiekcie.

Może Cię zainteresuje: Zeroenergetyczny dom w Chorzowie z certyfikatem MULTICOMFORT

Tunel drogowy usytuowany pod górą

Przedmiotowy tunel drogowy usytuowany pod górą jest przykładem konstrukcji typowej dla długich tuneli drogowych dwunawowych. Ewakuacja odbywa się z nawy objętej pożarem poprzez przejścia poprzeczne do drugiej bezpiecznej nawy tunelu. W omawianym przykładzie jest 10 przejść poprzecznych oraz jeden przejazd dla ekip ratowniczych w połowie długości tunelu.

Przyjęta koncepcja zabezpieczania przed zadymieniem zapewnia najprostsze spełnienie kryteriów. Każde przejście wyposażone jest w dwa bliźniacze układy, czerpiące jednak powietrze z różnych naw. W momencie wykrycia pożaru uruchamiany jest system czerpiący powietrze z nawy bezpiecznej. Układ od strony pożaru pozostaje zamknięty przez klapę odcinającą do wentylacji pożarowej. W przestrzeni chronionej wytwarzane jest nadciśnienie 50 Pa. W momencie otwarcia drzwi wentylator wchodzi na wyższe obroty, zapewniając prędkość 1 m/s na drzwiach do nawy objętej pożarem.

Na rys. 2 przedstawiono przykładowy przekrój i rzut przejścia wraz z instalacją wentylacji pożarowej. Zastosowano tu tzw. układ rozproszony, tzn. wentylatory osiowe zabudowano kanałowo, natomiast tablice sterujące zamontowano we wnęce technicznej oraz pomieszczeniach technicznych. Warto podkreślić, że z uwagi na oczekiwaną żywotność systemów pomimo środowiska o podwyższonej klasie korozyjności zastosowano tu komponenty, zarówno wentylatory, jak i tablice, w obudowach wykonanych ze stali tytanowej 1.4571.

Oczywiście jednocześnie zabezpieczone przed zadymieniem są wszystkie przejścia pomiędzy nawami, każde w oparciu o lokalny czujnik ciśnienia. Gwarantuje to spełnienie kryterium 100 N na wszystkich drzwiach. Układy zostały zaprojektowane z zapasem umożliwiającym regulację parametrów podczas uruchamiania systemów w zależności od indywidualnej sytuacji w obiekcie.

Tunel drogowy pod korytem cieśniny

Trzeci z przykładów różni się diametralnie od poprzednich. Jest to tunel drogowy jednonawowy, zlokalizowany pod korytem cieśniny. Z oczywistych względów nie ma możliwości wyprowadzenia wyjść ewakuacyjnych na powierzchnię w dużej jego części. Pod jezdnią na całej długości tunelu powstaje galeria ewakuacyjna.

Wyznaczono cztery wyjścia ewakuacyjne z nawy tunelu na drogi ewakuacyjne, dwa wyjścia poprzez klatkę schodową (niewydzieloną względem galerii) na galerię poniżej jezdni, natomiast dwa bezpośrednio na klatki schodowe w okolicach końców galerii. Wyjścia z galerii wyprowadzono na te same klatki. Klatki schodowe zostały wydzielone pożarowo względem galerii. Klatka schodowa po stronie wyspy II wychodzi bezpośrednim ciągiem na zewnątrz, natomiast po stronie wyspy I zawiera jeszcze odcinek poziomy.

Przyjęta koncepcja ochrony przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych opiera się na czterech współpracujących systemach różnicowania ciśnienia. Dwa systemy o większym wydatku służą do utrzymania kryterium nadciśnienia 50 Pa na klatkach schodowych zewnętrznych oraz prędkości na otwartych drzwiach do klatek bezpośrednio z nawy tunelu. Natomiast dwa pozostałe systemy nawiewają powietrze do galerii połączonej z niskimi klatkami do wyjść z nawy. Utrzymują nadciśnienie 50 Pa oraz prędkość w razie otwarcia drzwi do tunelu. Drzwi zostały wyposażone w styki bezpotencjałowe, informujące o ich otwarciu w celu możliwości lepszej regulacji wydajności układu, a mianowicie dostosowania ilości powietrza do liczby otwartych drzwi. W innym wypadku mogłoby dojść do osiągnięcia w drzwiach prędkości rzędu 5 m/s, co negatywnie wpłynęłoby na ewakuację. W drodze symulacji CFD określono, że długość galerii ewakuacyjnej powoduje dodatkową zwłokę wynoszącą zaledwie 2 s w osiągnięciu projektowanego kryterium ciśnienia. Ciekawostką może być fakt, że jednostki po obu stronach tunelu musiały został połączone światłowodem, gdyż klasyczne rozwiązanie powodowało zbyt dużą zwłokę w układzie sterowania. Na rys. 3 przedstawiono przekrój tunelu wraz z instalacją wentylacji pożarowej wyjść ewakuacyjnych.

Podsumowanie

Jak pokazują opisane przykłady, każdy obiekt tunelowy jest inny i wymaga indywidualnej analizy, obliczeń, koncepcji oraz nierzadko symulacji CFD w celu opracowania najlepszego systemu wentylacji pożarowej poziomych oraz pionowych dróg ewakuacyjnych. Jednocześnie rosnąca liczba krajowych inwestycji buduje doświadczenie firm realizujących powyższe systemy, co przekładać się będzie na coraz wyższy standard zabezpieczeń pożarowych w obiektach tunelowych.

Pierwotna wersja artykułu: MOSTY 3/2022

Literatura

1. https://pl.wikipedia.org/wiki/Tunele_w_Polsce

2. 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 2000, nr 63, poz. 735)

3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 1 sierpnia 2019 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1642).

4. Rymsza Janusz, Sztarbała Ewa, Sztarbała Grzegorz, WR-M-42 Wytyczne projektowania wentylacji drogowych tuneli, Warszawa 2021

5. http://tunel-swinoujscie.pl/zdjecia-lipiec-2022/

6. https://www.frapol.com.pl/produkt/273/System-Roznicowania-Cisnien-Franec-RC

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!