Jednym z priorytetów użytkowania tuneli jest zapewnienie bezpieczeństwa pożarowego. Większość tuneli budowana jest obecnie z uwzględnieniem - oprócz systemów gaśniczych i przeciwpożarowych - różnego typu systemów wentylacji, których stosowanie wymagane jest przepisami budowlanymi czy komunikacyjnymi danych państw, jak też unijnymi regulacjami. Zabezpieczenia przed zagrożeniem pożarowym są wprowadzane już na poziomie projektowania. - W tym momencie ważne jest, aby znaleźć rozwiązania ekonomicznie oraz technologicznie uzasadnione, a także realne do wykonania. Wyborowi rozwiązania służy ocena stanu zagrożenia pożarowego i możliwości ewakuacji użytkowników, wykonywane na etapie projektowania. Taką ocenę można dokonać stosując metody modelowania, zwłaszcza modelowania matematycznego przy wykorzystania techniki komputerowej – wyjaśnia Sebastian Napieraj z Katedry Górnictwa Podziemnego Wydziału Górnictwa i Geoinżynierii Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Przepływ powietrza w tunelach następuje albo wskutek depresji naturalnej i ten sposób wentylacji stosowany jest przeważnie w tunelach bardzo krótkich, albo wskutek depresji mechanicznej. W przypadku depresji naturalnej powietrze samoistnie przepływa w jednym bądź drugim kierunku, bez możliwości kontrolowania jego przepływu. W bardziej zaawansowanym systemie wzdłużnej wentylacji mechanicznej istnieje możliwość kontroli przepływu powietrza i odbywa się to zazwyczaj w kierunku, w którym działa depresja naturalna.
- W najbardziej efektywnych systemach wentylacji świeże powietrze dostarczane jest do tunelu za pomocą odizolowanego kanału umieszczonego pod powierzchnią jezdni. Przechodzi ono poprzez kanały dolotowe równomiernie rozmieszczone na długości całego tunelu, a ulokowane kilkadziesiąt centymetrów nad powierzchnią jezdni. Zużyte powietrze odprowadzane jest także osobnym kanałem najczęściej umieszczonym pod stropem, z wylotami i wentylatorami ssącymi, które są rozmieszczone co kilkadziesiąt metrów. Dzięki temu atmosfera w tunelu jest czysta, spełniająca unijne wymagania. System ten daje możliwość kontrolowania przepływu powietrza podczas wystąpienia pożaru – podkreśla Sebastian Napieraj.
W Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie wykonano model symulacyjny wystąpienia pożaru dla teoretycznego tunelu. Dla oceny zagrożenia pożarowego w tunelu zastosowano program bazujący na metodzie CFD (Computational Fluid Dynamics CFD - Obliczeniowa Mechanika Płynów). Jednym z programów CFD jest Fire Dynamics Simulator opracowany przez Amerykańską Agencję Rządową Building and Fire Research Laboratory, wchodząca w skład National Institute of Standards and Technology. Program ten pozwala na wykonanie bardzo zaawansowanych symulacji pożarów i innych zdarzeń wentylacyjnych.
W ramach tych badań przeprowadzono analizy dla tunelu o przekroju prostokątnym o długości 2 km, szerokości 14 m i wysokości 6 m. W założeniu przyjęto wystąpienie pożaru w połowie tunelu w wariantach mocy pożaru: 25MW, 50MW, 75MW i 100MW. Badania zostały przeprowadzone dla systemów wentylacji: wzdłużnej naturalnej, wzdłużnej z wentylatorami oraz dla wentylacji poprzecznej pełnej. Założono też, że pożar osiągnie swą maksymalną wartość cieplną po upływie 3,5 minuty.
- Analizy wykazały, że w przypadku wentylacji wzdłużnej naturalnej dym rozprzestrzenia się bardzo szybko w obu kierunkach powodując olbrzymie zadymienie, co może uniemożliwić ewakuację osób znajdujących się w najbliższej odległości od źródła pożaru. Dzieje się tak dlatego, że układ wentylacji wzdłużnej naturalnej nie ma możliwości kontroli parametrów wentylacyjnych. Głównymi czynnikami wpływającymi na zmianę kierunku powietrza są warunki atmosferyczne (różnica ciśnień, napór wiatru) i depresja pożaru – tłumaczy Sebastian Napieraj.
Zastosowanie wentylatorów powoduje, że powstaje wzdłużny przepływ powietrza, dzięki czemu część tunelu będąca przed źródłem pożaru pozostaje niezadymiona. Zaletą tego systemu jest możliwość sprawnego dotarcia załóg ratowniczych od strony niezanieczyszczonej przez dym, co umożliwia szybsze ugaszenie pożaru.
W przypadku zastosowania trzeciego systemu, a więc wentylacji mechanicznej poprzecznej pełnej, zadymienie tunelu osiąga najniższy poziom dzięki odprowadzaniu dymu odrębnymi kanałami stropowymi. System ten umożliwia najsprawniejszą ewakuację, bo dym znajduje się wyłącznie w pobliżu źródła pożaru i jest wyciągany z tunelu wentylatorami o wydajności 10 m sześciennych na sekundę.
Wentylacja mechaniczna poprzeczna pełna jest stosowana zazwyczaj do przewietrzania tuneli długich i zagrożonych dużą ilością zanieczyszczeń stałych i gazowych. System ten zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa, szczególnie w przypadkach wystąpienia zagrożenia pożarowego. Podczas projektowania wentylacji poprzecznej pełnej zazwyczaj zakłada się istnienie dwóch równoległych komór tunelu, z których w czasie pożaru jedna (w której nie zaistniał pożar) traktowana jest jako droga ewakuacyjna dla użytkowników tunelu z komory, w której zaistniał pożar.
- System wentylacji powinien zapewnić taki poziom bezpieczeństwa, aby w razie pożaru była możliwość bezpiecznej ewakuacji dla wszystkich użytkowników tunelu. Najważniejszym sposobem oceny możliwości ewakuacji użytkowników jest przeprowadzenie testów – podkreśla Sebastian Napieraj. Dlatego dla trzech badanych systemów wentylacyjnych została przeprowadzona symulacja ewakuacji 2000 osób z przyjętego teoretycznego, 2-kilometrowego tunelu. W przypadku systemu wentylacji naturalnej i pożaru o mocy 25MW czas ewakuacji takiej grupy wyniósł 83 min. Dla wentylacji wzdłużnej z wentylatorami czas ewakuacji wyniósł 91 min., ale dał on możliwość szybkiego dotarcia ekip ratunkowych i ugaszenia pożaru. - Najlepiej na tym tle wypadła wentylacja poprzeczna pełna - tu symulowana ewakuacja trwała 6 min. W przypadku większej mocy pożaru czas ewakuacji drastycznie się nie zwiększył, a proporcje czasów ewakuacji pozostały niezmienione – zaznacza Sebastian Napieraj.
Oprogramowanie użyte do przeprowadzania symulacji pozwala także na oszacowanie ilości wypadków śmiertelnych, które mogą mieć miejsce podczas wystąpienia pożaru. Jest to związane z długością przebywania osób w zadymionym tunelu i ilości tlenku węgla. Dla pożaru o mocy 25MW i 50MW w żadnym z badanych systemów nie zanotowano prawdopodobieństwa wystąpienia wypadków śmiertelnych. Jednak dla pożaru o mocy 75MW w tunelu z wentylacją naturalną zaszło prawdopodobieństwo poniesienia jednej ofiary śmiertelnej, natomiast dla takiego systemu pożar o mocy 100MW mógłby spowodować śmierć dwóch osób. W przypadku zastosowania systemu wentylacji poprzecznej pełnej oraz wyjść ewakuacyjnych rozmieszczonych w tunelu co 200 m nie zaistniało ryzyko wystąpienia wypadków śmiertelnych.
***
Programy komputerowe oraz symulacje wykonywane za ich pomocą, pomagają ustalać drogi ewakuacji pasażerów, czas reakcji służb ratowniczych, przewidywać rozkład temperatury w tunelu itp. - Z przeprowadzonych w AGH badań modelowych wynika, że najwyższe warunki bezpieczeństwa użytkowników mogą być zapewnione w tunelach, w których zastosowano wentylację poprzeczną – podsumowuje Sebastian Napieraj. Dyrektywa UE nakazuje umieszczenie wentylacji poprzecznej w tunelach o długości ponad 2 km, natomiast polskie przepisy wymagają zastosowania wentylacji poprzecznej mechanicznej w tunelach o długości przekraczającej 1 km.
Marcin Noszkiewicz
Możliwości zastosowania badań modelowych, zwłaszcza programów grupy CFD dla analizy różnych procesów wentylacyjnych, w tym rozwoju pożarów zostały opisane w referacie „Modelowanie komputerowe dla oceny zagrożenia pożarowego i bezpieczeństwa w tunelach komunikacyjnych”, autorstwa Stanisław Nawrat, Natalia Schmidt, Sebastian Napieraj z Akademii Górniczo–Hutniczej w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geologii, Katedra Górnictwa Podziemnego. Sebastian Napieraj omówił te zagadnienia podczas konferencji „Budownictwo podziemne i bezpieczeństwo w komunikacji drogowej i infrastrukturze miejskiej” – Kraków, 19-20 kwietnia 2012 r. Organizatorami konferencji były: Katedra Górnictwa Podziemnego oraz Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, AGH w Krakowie.
