Systemy wentylacji pożarowej tuneli drogowych

Problem pożarów w tunelach drogowych w Polsce do niedawna nie występował, ze względu na niewielką liczbę takowych obiektów inżynierskich. W ciągu ostatnich pięciu lat można zaobserwować wyraźne ożywienie w tej dziedzinie. W dniu 30 sierpnia 2003 roku został oddany do użytku tunel Zagłębienie Wisłostrady w Warszawie, w roku 2006 tunel śródmiejskiej obwodnicy zachodniej w Bielsko-Białej i tunel pod katowickim rondem. Obecnie w fazie realizacji lub w fazie projektowania znajdują się kolejne tunele.

Wydane w 2000 roku rozporządzenie ministra
transportu i gospodarki morskiej
w sprawie warunków technicznych, jakim
powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie [1], w sposób
bardzo ogólnikowy reguluje sprawy związane z wentylacją pożarową tuneli, tzn.
przez umieszczenie wymagania „przystosowania
wentylatorów do oddymiania
w przypadku pożaru”. W rozporządzeniu
tym bardziej szczegółowo zostały ujęte
przepisy dotyczące wymiany powietrza
w przestrzeni tunelu ze względu na zagrożenie przekroczenia dopuszczalnego stężenia zanieczyszczeń w powietrzu.

Fot. 1-3. Pożar w tunelu Tauren 29 maja 1999 r.
Należy wspomnieć, że Dyrektywa Parlamentu
Europejskiego i Rady z dnia 29
kwietnia 2004 r., w sprawie minimalnych
wymagań bezpieczeństwa dla tuneli
w transeuropejskiej sieci drogowej [2] ma
na celu zapewnienie minimalnego poziomu
bezpieczeństwa użytkowników dróg
w tunelach w transeuropejskiej sieci drogowej
poprzez zapobieganie krytycznym
zdarzeniom, które mogą zagrażać ludzkiemu
życiu, środowisku i instalacjom tunelowym,
jak również poprzez zapewnienie
ochrony w razie wypadków. Ma ona zastosowanie
do wszystkich tuneli w ramach
transeuropejskiej sieci drogowej, mających długość ponad 500 metrów, znajdujących się w eksploatacji, w trakcie budowy
lub na etapie projektowania.
W pkt. 2.9. tej Dyrektywy zawarte są wymagania
dotyczące systemów wentylacji
mechanicznej.
W tabeli 1 przedstawiono fragment tabeli
z Załącznika nr 1 do Dyrektywy, zawierającej skrót minimalnych wymagań dla
tuneli drogowych w ramach transeuropejskiej
sieci drogowej.

Rys. 4. Schemat ilustrujący zjawisko cofania się dymu
spowodowane niewystarczającą prędkością krytyczną

Rys. 5. Schemat ilustrujący kierunek rozprzestrzeniania się dymu
przy wymaganej prędkości krytycznej

Pożary w tunelach – przyczyny i...
poprawa bezpieczeństwa
Analizując dane z tabeli 2, można wskazać
na kilka Źródeł pożarów. Pierwszym, stanowiącym około 50% pożarów, jest kolizja.
Zazwyczaj były to kolizje z samochodem
jadącym w przeciwnym kierunku,
ale zdarzały się także kolizje z poprzedzającym pojazdem, czy też ze ścianą tunelu.
Drugim znaczącym źródłem pożarów są
pożary silnika i skrzyni biegów.

Fot. 4. Jednokierunkowy tunel drogowy z wentylatorami strumieniowymi
Konsekwencje, jakie niosą ze sobą pożary
w tunelach drogowych ograniczają się w najlepszym
przypadku do zniszczeń obudowy
tunelu na pewnym odcinku. Nierzadko jednak
w wyniku tych wydarzeń następstwem
jest utrata ludzkiego życia. W celu poprawy
bezpieczeństwa użytkowania tego typu
podziemnych obiektów komunikacyjnych
specjaliści z wielu krajów, w tym Polski,
skoncentrowali swoje wysiłki na opracowaniu
pewnych procedur projektowania,
wykonawstwa, odbioru i użytkowania tego
typu obiektów. Jednym z wielu aspektów
rozważanych w ramach europejskich projektów
badawczych, takich jak: UPTUN
(Upgrading Tunnels), FIT (Fire in Tunnel),
SafeT (Safe Tunnel), SIRTAKI (Safety
Improvement in Road and rail Tunnels
using Advanced information technologies
and Knowledge Intensive decision support
models) oraz DARTS (Durable and Reliable
Tunnel Structures), była poprawa poziomu
szeroko rozumianego bezpieczeństwa
pożarowego.
Wcześniej wspomniana Dyrektywa Parlamentu
Europejskiego jest jednym z efektów
prowadzonych prac. Doświadczenia
zebrane w czasie realizacji wyżej wymienionych
projektów są prezentowane między
innymi na konferencjach związanych
z bezpieczeństwem tuneli drogowych.
Konferencja taka miała miejsce w dniu
2 października 2006 r. w Warszawie – Sympozjum
Bezpieczeństwa Przeciwpożarowego
w Tunelach Samochodowych, Kolejowych i Metra.

Systemy wentylacji pożarowej
tuneli drogowych
W przypadku tuneli drogowych, cel stosowania
systemów wentylacji pożarowej
jest wyraźnie zdefiniowany. Zaprojektowany
system wentylacji ma za zadanie
odprowadzać dym, gorące gazy pożarowe
oraz toksyczne produkty spalania w celu
umożliwienia ewakuacji ludzi oraz zapewniania
dostępu ekipom gaśniczo-ratowniczym.
Powinien być zaprojektowany
w taki sposób, aby nie powodować
rozprzestrzeniania się pożaru na inne
pojazdy.
Ze względu na sposób usuwania i dostarczania
powietrza, wentylację tuneli drogowych
można podzielić na grawitacyjną
lub mechaniczną. Wybór systemu wentylacji,
grawitacyjna czy mechaniczna, uzależniony jest od wielu czynników, wśród
których należy wyróżnić:
- przebieg i typ tunelu, jego długość,
przekrój poprzeczny i podłużny,
- warunki klimatyczne i topograficzne,
- charakterystykę ruchu pojazdów, natężenie,
rodzaj pojazdów oraz kierunek ruchu,
- możliwość zapewnienia odpowiedniej
przestrzeni montażowej wewnątrz tunelu
poza skrajnią jezdni, dla usytuowania
urządzeń wentylacyjnych.
Zgodnie z wynikami prac prowadzonych
w ramach europejskich projektów badawczych,
jak również Dyrektywy Parlamentu
Europejskiego wybór systemu powinien
być poprzedzony analizą ryzyka przeprowadzoną dla danego tunelu.
Ze względu na to, że wentylacja naturalna
stosowana jest tylko w tunelach o długości
nieprzekraczającej 400 m, dla tunelu,
w którym ruch odbywa się w jednym
kierunku oraz do 240 m dla tunelu dwukierunkowego,
w dalszej części omówione
zostaną systemy wentylacji mechanicznej
tuneli drogowych.

Wentylacja mechaniczna
Wśród systemów wentylacji mechanicznej
tuneli drogowych można wyróżnić dwa typy
wentylacji: wentylacja wzdłużna oraz
wentylacja poprzeczna. W przypadku wentylacji
poprzecznej można wyróżnić jedną
modyfikację – wentylację półpoprzeczną.

Rys. 1. Schemat systemu wentylacji wzdłużnej
z zastosowaniem szybu wentylacyjnego nawiewnego

Rys. 2. Schemat systemu wentylacji wzdłużnej
z zastosowaniem wentylatorów strumieniowych

Rys. 3. Schemat systemu wentylacji wzdłużnej
z zastosowaniem szybu wentylacyjnego wyciągowego i nawiewnego

Wentylacja wzdłużna
System wentylacji wzdłużnej jest najczęściej
stosowanym rozwiązaniem technicznym
dla tuneli o długości nieprzekraczającej 4000 m. W systemie tym ruch
powietrza odbywa się w jednym kierunku,
od jednego portalu tunelu do drugiego.
Przepływ powietrza wywoływany jest
przez działanie wentylatora lub wentylatorów
umieszczonych w szybach wentylacyjnych
lub wewnątrz tunelu.
W przypadku zastosowania systemu wentylacji
z wentylatorami strumieniowymi
rewersyjnymi możliwe jest odwrócenie
kierunku przepływu powietrza.
Na rys. 1÷3 zilustrowano schematy systemów
wentylacji wzdłużnej.
Zasadą stosowaną w projektowaniu systemu
wentylacji wzdłużnej, jest takie określenie
wydajności systemu, aby w całym przekroju
zapewniona była wymagana prędkość
krytyczna, Vkryt. Prędkość krytyczna jest to
minimalna prędkość powietrza w całym
przekroju tunelu, która nie pozwala na cofanie
się dymu [ang. backlayering].
Prędkość krytyczna przepływu powietrza
w tunelu powinna zostać określona na
podstawie rozwiązania równoczesnego
poniższych wzorów metodą iteracyjną.


gdzie:
Vkryt – prędkość krytyczna (m/s)
K1 – 0.606
Kg – współczynnik nachylenia tunelu, zgodnie z rys. 6
g – przyśpieszenie ziemskie (m/m²)
H – wysokość tunelu (m)
Q – moc pożaru (MW)
o – średnia gęstość powietrza (kg/m²)
Cp – ciepło właściwe powietrza (kJ/kg•K)
A – powierzchnia przekroju tunelu (m²)
Tf – średnia temperatura gazów pożarowych (K)
To – temperatura otoczenia (K)
Na rys. 7 przedstawiono wykres zmienności
prędkości krytycznej powietrza w zależności
od mocy pożaru, dla tunelu drogowego, którego
wysokość wynosi 4,2 m, zaś powierzchnia
przekroju poprzecznego 37,8 m².

Rys. 6. Wykres ilustrujący zmianę współczynnika kg
w zależności od nachylenia tunelu

Rys. 7. Wykres zmienności prędkości krytycznej w zależności od mocy pożaru

Wentylacja poprzeczna
System wentylacji poprzecznej zalecany
jest dla długich tuneli z bardzo dużym natężeniem ruchu pojazdów. System ten
składa się z kanału nawiewnego i wywiewnego,
poprowadzonych wzdłuż tunelu.
Zaletą tego systemu jest równomierny
rozdział powietrza na całej długości tunelu,
wadą zaś konieczność uwzględnienia
dodatkowej przestrzeni na kanał nawiewny
i wywiewny oraz wyższy koszt.
W układzie tym ciśnienie powietrza na
całej długości tunelu jest jednakowe, a na
jego wartość nie wpływa w sposób znaczący efekt tłoka wywołany poruszającymi
się pojazdami. W tunelach wyposażonych
w system wentylacji poprzecznej,
powietrze zewnętrzne doprowadzane
jest od dołu, a wyciągane od góry. Schemat
systemu wentylacji poprzecznej
przedstawiono na rys 8.

Rys. 8. Schemat wentylacji poprzecznej

Rys. 9. Schemat wentylacji półpoprzecznej
z szybem wentylacyjnym nawiewnym

Rys. 10. Schemat wentylacji półpoprzecznej
z szybem wentylacyjnym wyciągowym

Wentylacja półpoprzeczna
System wentylacji półpoprzecznej stanowi
kombinację systemu wzdłużnego
z systemem poprzecznym. Powietrze
może być nawiewane (patrz rys. 9) lub
usuwane (patrz rys. 10) za pomocą kanału wentylacyjnego.
Schemat przedstawiony na rys. 9 funkcjonuje
głównie w wentylacji bytowej, choć
możliwe jest jego zastosowanie w krótkich
tunelach dwukierunkowych. W przypadku
wybuchu pożaru w tunelu wyposażonym
w system wentylacji przedstawiony na rys.
10, dym usuwany jest poprzez kanał zlokalizowany
w górnej części tunelu, świeże
zaś powietrze napływa portalami wlotowymi.
Tego typu rozwiązanie wentylacji dobrze
sprawdza się w tunelach o długości
powyżej 3000 m i dużym natężeniu ruchu.
Wydajność sytemu wentylacji poprzecznej
i półpoprzecznej określa się na bardzo podobnej
zasadzie, jak w przypadku pomieszczeń
magazynowych i garaży podziemnych
wyposażonych w przewodowy
system wentylacji.
Ważnym elementem procedury obliczeń
wydajności systemu wentylacji pożarowej
tuneli drogowych, niezależnie od typu,
jest przyjęcie odpowiednich danych początkowych. W tabeli 3, zestawiono dane
dotyczące mocy pożaru w oparciu o wytyczne
PIARC [3], francuskie [4]
i NFPA 502 [5] oraz rzeczywistą moc na
podstawie badań w skali rzeczywistej.

Projekt wentylacji a analiza ryzyka
– podsumowanie
Odpowiednio zaprojektowany system
wentylacji pożarowej jest ważnym elementem,
mającym istotny wpływ na bezpieczeństwo
pożarowe tunelu. System
ten powinien zostać wybrany po przeprowadzeniu
wielu analiz. Jego wydajność
powinna być określona w oparciu o przewidywaną moc pożaru. Szacowanie wydajności
systemu wentylacji pożarowej
w oparciu o wskaźniki jest niedopuszczalne.
Zaprojektowany system wentylacji powinien
uwzględniać wyniki analizy ryzyka.
Obecnie bardzo powszechnie stosowane
są narzędzia komputerowe wspomagające
proces projektowania. Jednym z takich
narzędzi jest obliczeniowa mechanika
płynów (CFD), która pozwala na ocenę
skuteczności funkcjonowania przyjętego
rozwiązania projektowego w oparciu o założony scenariusz pożarowy. W tabeli 4 przedstawiono zakres stosowania systemów
wentylacji pożarowej tuneli drogowych
w zależności od typu tunelu.
Autor: mgr inż. Grzegorz Sztarbała, Instytut Techniki Budowlanej, Zakład Badań Ogniowych
Źródło: Polski Instalator 5/2007

Literatura
[1] 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 63/2000.
[2] Dyrektywa 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego
i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych
wymagań bezpieczeństwa dla tuneli
w transeuropejskiej sieci drogowej.
[3] „Fire and smoke control in road tunnels”. PIARC
Committee on Road Tunnels, 1999.
[4] Lacroix D., „New French Recommendations for
Fire Ventilation in Road Tunnels”, 9th International
Conference on Aerodynamics and Ventilation
of Vehicle Tunnels, Aosta Valley, Italy, 6-8
October, 1997.
[5] NFPA 502, „Standard for Road Tunnels, Bridges, and
Other Limited Access Highways”, 2004 Edition.
[6] Głąbski P., Sztarbała G. „Wentylacja pożarowa tuneli
drogowych”.