Katedra Systemów Transportowych, Inżynierii Ruchu i Logistyki Wydział Transportu i Inżynierii Lotniczej

Badania wentylacji pożarowej w tunelach drogowych

System wentylacji ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa użytkowników tuneli drogowych. Dotyczy to zarówno normalnej eksploatacji tunelu, jak również sytuacji awaryjnych, związanych przede wszystkich z wybuchem pożaru w tunelu. Wtedy zagrożeni są nie tylko ludzie w bezpośrednim sąsiedztwie zdarzenia, ale ze względu na szybkie rozchodzenie się toksycznego dymu, wszystkie osoby znajdujące się w tunelu.

1. Pomiary w tunelu w Lalikach

W dniu 16 października 2016 w tunelu drogowym Emilia przeprowadzone zostały pomiary wydajności systemu wentylacji. Tunel Emilia znajduje się przy drodze S69 w pobliżu miejscowości Laliki i łączy Żywiec z Zwardoniem. Długość tunelu wynosi 678 m, szerokość 11,9 m, a wysokość 6,55 m. Nachylenie tunelu wynosi 4%. Oś tunelu jest nieco zakrzywiona. Portal północny ma elewację 669 m n.p.m. a portal południowy ma elewację 642 m n.p.m.

Tunel podzielony jest na 5 sekcji, z których pierwsza znajduje się w pobliżu północnego portalu. Każda sekcja ma zamontowane dwa wentylatory. Każdy z nich wytwarza siłę ciągu 810 N. Wszystkie wentylatory są odwracalne, chociaż główny kierunek ich pracy to S → N.

Czternaście anemometrów firmy Sensor zostało zamontowanych na dwubiegunowych stojakach. Wysokość stojaków słupowych wynosiła odpowiednio 6,1 mi 4,5 m. Na wyższym stojaku zamontowano osiem anemometrów, a na krótszym 6 anemometrów. Odległość między anemometrami wynosiła 0,77 m. Stojaki były w trakcie pomiarów przesuwane zgodnie z wcześniej ustaloną siatką pomiarową.

Ta metoda pozwoliła na pokrycie całego przekroju tunelu siatką 0,77 × 0,90 m. Obejmował 76 punktów pomiarowych w określonym przekroju tunelu. Podczas testów wentylatory były włączane ręcznie. Tabela 1 przedstawia szczegóły serii pomiarowych.

Tabela 1. Szczegóły serii pomiarowych

Jako wyniki otrzymano pełne profile prędkości powietrza. Można wyciągnąć następujące wnioski:

1. Zgodnie z wymaganą prędkością krytyczną praca jednej sekcji wentylatorów wytwarza wymagany przepływ powietrza w kierunku portalu N (seria 1 i 4). Dzieje się tak, gdy kierunek przepływu powietrza jest w tym samym kierunku, co ciąg naturalny. Średnie prędkości powietrza w obu seriach wynosiły odpowiednio 3.2 m/s i 3.3 m/s
2. Gdy kierunek ciągu naturalnego jest przeciwny do przepływu powietrza wytwarzanego przez sekcję wentylatorów, konieczne jest załączenie kolejnej sekcji wentylatorów (seria 2 i 3). W przeciwnym razie prędkość krytyczna nie zostanie osiągnięta. Średnie prędkości powietrza w tych dwóch seriach wynosiły odpowiednio 2.5 m/s i 2.3 m/s

    2. Pomiary w tunelu pod Martwą Wisłą w Gdańsku

Podobne pomiary przeprowadzono 10.06.2017 w tunelu Martwa Wisła. Jest to tunel miejski, który znajduje się w Gdańsku pod jednym z odnóg Wisły. Całkowita długość tunelu wynosi 1378 m. Tunel składa się z dwóch naw dla obu kierunków ruchu. Wysokość każdej nawy wynosi 7.03 m, a szerokość 10.09 m. Minimalna głębokość pod rzeką to około 8 m. Tunel przebiega w kierunku z południowo-wschodniego (SE) na północny zachód (NW). Najgłębsza część tunelu znajduje się mniej więcej w jego środkowej części. Nachylenie w kierunku NW wynosi 4%, a w kierunku SE 3%. Spadek poprzeczny jezdni wynosi 2,5%. Nawy są połączone co 170 m wyjściami ewakuacyjnymi.

Tunel wyposażony jest w podłużny system wentylacji. Obsługiwany jest przez 11 osiowych wentylatorów strumieniowych w każdej rurze. Montowane są indywidualnie pod sufitem co 95 m.

Wentylatory osiowe są częściowo odwracalne. Ich nominalny nacisk wynosi 1200 N w kierunku normalnym i 407 N w trybie odwróconym. Średnica wentylatora wynosi 1.12 m, a jego długość 4.7 m. Normalny kierunek przepływu powietrza jest taki sam jak kierunek ruchu. Przepływ powietrza w kierunku normalnym wynosi 33.76 m³/s, a w trybie rewersyjnym 20.25 m³/s. Prędkość wylotowa w kierunku normalnym wynosi 34.27 m/s.

Układ statywów był podobny jak poprzednio, ale ze względu na inny kształt sklepienia tunelu został nieco zmieniony i obejmował 56 punktów pomiarowych w danym przekroju tunelu.

Przeprowadzono pięć serii pomiarowych w południowej nawie, gdzie ruch odbywa się z północnego zachodu (NW) na południowy wschód (SE). Przedstawiono je w Tabeli 2. Każdą serię pomiarów przepływu powietrza wykonano w tym samym przekroju w odległości 520 m od portalu NW (w pobliżu najgłębszego punktu tunelu). Wentylatory zostały wyłączone podczas pierwszej serii pomiarowej. Pierwsze pomiary dotyczyły ciągu naturalnego.

Tabela 2. Opis serii pomiarowych

Pomiary potwierdziły istnienie silnego ciągu naturalnego, będącego wynikiem połączenia warunków otoczenia (głównie wiatru i temperatury powietrza przy wrotach tunelu) oraz geometrii tunelu (głównie jego nachylenia). Intensywność ciągu naturalnego jest na ogół zmienna, dlatego może nieoczekiwanie wpłynąć na działanie systemu wentylacyjnego. Zjawisko to należy uwzględnić na etapie projektowania systemu wentylacji tunelu.

Symulacje rozwoju pożaru w tunelach drogowych

Podobszar: Bezpieczeństwo w systemach transportowych i logistycznych

Eksperymenty pożarowe w tunelach są bardzo trudne do przeprowadzenia, gdyż pożar o rzeczywistej mocy może doprowadzić do zniszczenia infrastruktury tunelu. Realnie wykonalne są eksperymenty w postaci prób dymowych z ogniem o mocy rzędu 1.5 MW (kilkakrotnie mniej niż pożar samochodu osobowego) i wytwarzaniem sztucznego dymu. W takiej sytuacji preferowane są symulacje numeryczne, ale powstaje problem walidacji uzyskanych wyników.

3. Próby z gorącym dymem w tunelu Laliki.

Przeprowadzono dwa testy z gorącym dymem. Były one oparte na australijskiej normie AS 4391-1999. W użyciu było pięć wytwornic dymu firmy Vulcan oraz dwie lub cztery tace (zawierające etanol). Zgodnie z powyższą normą, dwie tace o rozmiarze A1 wypełnione 16 dm³ etanolu dają moc cieplną (HRR) 700 kW, natomiast cztery tace tej samej wielkości dają moc cieplną (HRR) 1500 kW. Taka konfiguracja tac oraz ilość paliwa powinny zapewnić następującą sekwencję spalania: 3 min wzrostu pożaru, 10 min stabilnego płomienia i 3 min zaniku. Tace ustawiono na środku jezdni.

Drugi test z gorącym dymem wykazał wzrost temperatury po stronie nawietrznej, ewidentnie wsteczny przepływ gorących gazów wymuszony był uwolnionym ciepłem. Temperaturę 46˚C zarejestrowano na wysokości 5.6 m, 5 metrów od ostatniej tacy. Podczas tego testu zawietrzna część tunelu była całkowicie wypełniona dymem

Ze względu na stosunkowo krótki czas badania gorącego dymu strop tunelu nie został znacząco nagrzany - temperatura stropu tunelu tuż nad ogniem mierzona kamerą termowizyjną nie przekraczała w obu testach 20°C. Wartość ta jest poniżej progu temperatury zadziałania czujnika światłowodowego (około 40˚C), ale w pierwszym teście czujnik ten powinien być również wyzwalany przez gwałtowny wzrost temperatury (około 5˚C / 60 s).

4. Numeryczne badanie wypadku pożaru w tunelu miejskim

Najbardziej niebezpiecznym zagrożeniem dla uwięzionych ludzi jest pożar w tunelu drogowym. Głównym zagrożeniem jest wytwarzanie dużych ilości toksycznego dymu. Pożary tuneli rozwijają się w nieprzewidywalny sposób, ale warunki pogarszają się bardzo szybko. Dlatego tak ważna jest samo-ewakuacja, obejmująca podjęcie właściwych decyzji i sprawne działanie. Sprawdzono kilka scenariuszy pożarów tunelu i późniejszej ewakuacji. Uwzględniono różne opóźnienia w wykrywaniu pożarów w tunelach, typy systemów wentylacyjnych, warunki ruchu, miejsca pożaru i moce pożaru. Badania przeprowadzono za pomocą połączonej symulacji numerycznej: do symulacji ruchu i powstawania zatorów wykorzystano oprogramowanie VISSIM, do odtworzenia rozwoju pożaru wykorzystano FDS, a do symulacji ewakuacji i oszacowania obrażeń użyto PATHFINDER. Aby objąć dużą liczbę czynników wpływających na opisywany problem, zastosowano metodę projektowania eksperymentu Taguchi. Pozwoliło to również na określenie względnego wpływu tych czynników na proces ewakuacji.

Poniżej zestawiono najważniejsze bezpośrednie wnioski płynące z opisywanego badania:

1. Głównym czynnikiem zagrażającym ludziom uwięzionym w tunelu jest dym, który pogarsza widoczność i może zawierać toksyczne składniki.
2. Podwyższona temperatura jest zagrożeniem o mniejszym znaczeniu, tylko osoby znajdujące się w pobliżu źródła ognia może być narażonych na to zagrożenie.
3. Liczba osób zagrożonych szybko rośnie wraz z siłą ognia i natężeniem ruchu.
4. Nawet w przypadku krótszych tuneli instalacja wentylacji pół-poprzecznej w postaci dodatkowych nawiewników zlokalizowanych tuż nad jezdnią znacznie podnosi poziom bezpieczeństwa. Obserwowany zysk jest większy w tunelach z ruchem jednokierunkowym.
5. Szybkie i niezawodne wykrywanie pożaru ma kluczowe znaczenie. Dlatego systemy wykrywania pożarów powinny być zwielokrotnione i być wrażliwe nawet na pożary, które rozwijają się w ukryciu. Szybkość wykrywania pożaru jest szczególnie ważna w tunelach dwukierunkowych, w których ludzie mogą zostać uwięzieni po obu stronach pożaru. Chociaż opóźnione wykrycie pożaru o dużej mocy może skutkować dużą liczbą narażonych osób, taki scenariusz nie jest zbyt prawdopodobny.
6. Lokalizacja pożaru ma niewielkie znaczenie.

Wyniki przeprowadzonych eksperymentów numerycznych pozwoliły również na sformułowanie kilku innych sugestii o charakterze raczej ogólnym:

7. Szczególnie zagrożeni są pasażerowie autobusów. Dlatego kierowcy autobusów powinni znać zasady sprawnej ewakuacji, a autobusy powinny być wyposażone w systemy ogłaszające jednoznaczne sygnały alarmowe.
8. Pomimo tego, że symulowana ewakuacja przebiegała bez zakłóceń, liczba osób zagrożonych była w niektórych przypadkach dość duża. W rzeczywistości, gdy ludzie byliby zdezorientowani, niewyraźne komunikaty i nieczytelne oznaczenia, podejmowane byłyby nieoptymalne decyzje, więc czas ewakuacji mógłby być znacznie dłuższy, a liczba ofiar bardziej dotkliwa. Dlatego pożądane jest zastosowanie ruchomych strzałek świetlnych, wykonanych w technologii LED. Takie znaki zamontowane w chodniku lub w ścianach tuż nad nim byłyby wyświetlane w trybie alarmowym i wyraźnie kierowałyby ludzi we właściwym kierunku. Dodatkowo można sobie wyobrazić dynamiczne sterowanie takim systemem, które uwzględni bieżące warunki w tunelu i wybierze odpowiednią ścieżkę dla ewakuowanych.
9. Pożar pojedynczego samochodu osobowego ma małą moc, co skutkuje stosunkowo małą liczbą osób zagrożonych. Pożar samochodu ciężarowego może być niebezpieczny dla znacznie większej liczby osób, zwłaszcza w tunelach o dużym natężeniu ruchu. Dlatego w przypadku dużego natężenia ruchu w tunelu wjazd dużych pojazdów przewożących łatwopalne ładunki mógłby zostać zakazany za pomocą znaków zmiennej treści (VMS), a także zaproponowano by objazdy tymczasowe. Pożądane byłoby również rozpowszechnienie monitorowania samochodów wjeżdżających do tunelu w podczerwieni w celu wykrycia ewentualnego zapłonu pożaru.
10. Ruch drogowy charakteryzuje się dużą zmiennością, nawet dla podobnych wartości średniego natężenia ruchu. Dlatego we wszelkich testach systemów bezpieczeństwa należy zakładać najmniej korzystne warunki.