Схеми за проветряване на автотунели

Проектъта за за проветряване на тунел започва с е избор на подходяща схема на проветряване, която следва да се оразмериява чрез компютърно моделиране, базирано на изчисления за параметрите на системата - – аеродинамични и функционални.

Статията представя информация за избор на подходящи схеми за проветряване, чрез анализ на ефективността на приложимостта приложението им към конкретни параметри на тунела, ограничения за прилагането им и възможностите им за тяхното адаптиране към аварийна вентилация. Представените в статията схеми са залегнали в [2], в което са отчетени изискванията на [1]. Тяхната приложимост, възможности и ограничения са базирани на стандарти за проектиране на пътни тунели нав нчяколко европейски страни и на САЩ, а именно:

• 
  Германският RABT 2006 [3];
  
• 
  Швейцарският ASTRA 2008 [4];
  
• 
  Норвежкият [6];
  
• 
  Английският [7];
  
• 
  Американският NFPA 502 [5]
  
• 
  Австрийският [8].
  

Схемата за проветряване на тунел е предназначена да осигури задоволително качество на въздуха в тръбите, напречните връзки и защитените евакуационни маршрути. Към нея се добавят вентилатори и вентилационни съоръжения и се получава вентилационна система. Тя Системата трябва да отговаря на следните изисквания:

1. 
   да бъде аеродинамично устойчива (- посоката на въздушните течения да се поддържа като големина и посока съгласно проекта);
   
2. 
   да осигурява безопасна въздушна среда за пътниците вътре в тунела и в околността, (чрез контрол на да се контролира съдържанието на вредни газове, прах и топлина съгласно хигиенните и екологични изисквания);
   
3. 
   да управлява разпространението на дима в случай на пожар, като осигури изнасяне на димните газове и сажди безопасно за автомобилите в тунела и да позволи на спасителните екипи и пожарникари да работят за неутрализиране ликвидиране на пожарни и непожарни авариина аварията) ;
   
4. 
   да позволява лесен контрол, поддръжка и почистване на тунела от оторизирания зааз това персонал.
   
5. 
   да позволява лесно и бързо да се преминеаване от нор­мален към авариен вентилационен режим, с максимално изпол-зване на систематга за нормалниo проветряване на тунела.
   

Изборът на схема за проветряване на тунел зависи от много параметри:

1. 
   дължина, наклон, напречно сечение и обща конфигурация на тунела;
   
2. 
   местоположение на тунела, общото въздействие върху околната среда, екологични съображения относно порталите и изходите на шахтите;
   
3. 
   прогнозни условия на движение - брой ленти, еднопосочно или двупосочно движение, интензивност, скорост и състав на трафика, превоз на опасни товари;
   
4. 
   причини и честота на задръстванията в тунела, вкл. изисквания за работа срещу потока на движение на трафика по време на ремонти;
   
5. 
   нива на автомобилните емисии при нормални условия;
   
6. 
   енергийна ефективност на системата при нормална експлоатация, с регулиране в зависимост от трафика и отделянето на вредности;
   
7. 
   пожари и тяхната проектна максимална мощност и време-температурна характеристика;
   
8. 
   непожарни инциденти с изисквания към вентилацията;
   
9. 
   гъвкавост на системата, позволяваща бързо премина-ване от режим на нормално проветряване на тунела в към авариен вентилационен режим;
   
10. 
    капиталови и, експлоатационни разходи, включи­телно и ремонтопригодност на вентилационните съоръже­нията и конструкциите.
    

Вентилационните Основните вентилационните схеми, които се прилагат за проветряване на тунели са:

• 
  надлъжна (естествена и механична);
  
• 
  полунапречна;.
  
• 
  напречна;.
  

Въздухът в тунела се движи под влиянието на естестве-но генерирани фактори (разлика в температурите и налягането между двата портала на тунела) и от буталното действие на преминаващите движещите се превозни средства. За да възникне движение на въздуха, тези сили трябва да преодолеят линейното съпротивление по стените на тунела и челното съпротивление на автомобилите в него. Естествената вентилация може да създаде значително налягане и скорости на въздуха вътре в тунела, които следва да се вземат предвид в проекта на механичните вентилационни системи.

При постоянен естествен въздушен поток по посока на трафика концентрацията на емисиите на изгорели газове се повишава от входа до максимална стойност близо до изходния портал. Ако въздухаът в тунела смени посоката си, концентрацията на изгорелите газове може да достигне максималната си стойност в средата на тунела (фиг.1).


Фиг. ура. 1.
На естественатата вентилация не може да се разчита за предотвратяване натрупването на газове, замъгляване и замърсяването на въздуха в тунела по време на безвет-рие, неблагоприятен вятър или бавен трафик. При тунели без механична вентилация следва да се планират мерки, с които при неблагоприятни условия на замърсяване, да не се допуска навлизане на още автомобили в тунела и да се поиска от водачите на спрелите в тунела автомобили да изключат двигателите. Естествена (без механична) вентилация на тунел се допуска за тунели с еднопосочно движение до 500 m, а за и тунели с двупосочно движение - до 400 m. Отсъствие на аварийна механична вентилация за естествено проветрявани тунели следва да се обоснове с оценка на риска, основана на анализ на конкретни за дадения тунел параметри – наклон, метеорологични условия, трафик, превозвани товари, проектни пожари, евакуация и други особености на конкретния тунел.

5. Механична вентилация на тунел

5.1. НАДЛЪЖНА СХЕМА

При тази схема е възприета следната организация на въздухообмена: въздухът постъпва през единия портал (или вентилационна шахта), преминава по дължината на тунела и излиза през другия портал, насочван от вентилационна инсталация. При нормална експлоатация средната скорост на въздушния поток в тунела не трябва да надвишава:

а) при двупосочно движение 8 m/s,

б) при еднопосочно движение 10 m/s.

Минимална скорост на въздушния поток се лимитира в диапазона 1,0 – 1,5 m/s. Естествената надлъжна вентилация следва да се използва в максимално възможна степен, да се контролира големината и посоката на естествените течения, а механичната вентилация да увеличава нейния капацитет с включване на допълнителни вентилатори. Степента на замърсяване при надлъжен вентилационен поток се повишава постепенно по протежение на тунела, достигайки максимум на изхода (фиг. 2). Замърсеният въздух се изпуска директно през тунелния портал.


Фиг.ура 2.

Механичната надлъжна вентилация се осъществява с прилагането на няколко вентилационни схеми и комбинации между тях:

• 
  със струйни вентилатори (фиг. 3), които създават надлъжен въздушен поток по протежение на тунела. Подходяща е за тунели с еднопосочно движение с дължина до 3 km. и за къси тунели с двупосочно движение. Вентилаторите се разполагат на серии, като е препоръчи-телно да са реверсивни и дистанционно управляеми.
  

• 
  При тази схема се спазват се следните изисквания: изпуска-телният и смукателенният отвори на вентилаторите в две съседни серии трябва да са на разстояние, по-голямо от 25 m; площта на изпускателните отвори на вентилаторите в една серия трябва да бъде равна на 30-50% от напречното сечение на зоната на движение на превозните средства.
  

• 
  с главни вентилатори и шахта за отвеждане на замърсения въздух (фиг.4). Дължината на тТунелъта се секционира на по-малки участъци, с цел да се избегне линейното натрупване на вредности. Подходяща е за тунели с двупосочно движение. Смукателната вентилаторна уредба трябва да
  

• 
  с главни вентилатори и скоростни дюзи тип Сакардо (Saccardo) на входа (фиг. 5) или около средата на тунела (фиг. 6). Дюзите осигуряват по-голямо динамично налягане на вентилационното течение и размесване на отделяните в тунела вредности;
  

• 
  с главни вентилатори и скоростни дюзи тип Сакардо (Saccardo) на входа (фиг. 5) или около средата на тунела (фиг. 6). Дюзите осигуряват по-голямо динамично налягане на вентилационното течение и по-добро размесване на отделяните в тунела вредности;
  

Допълнително осигуряване на надлъжен поток се постига чрез комбинация на схемите от фиг.ура 3 и фиг.4 - с главни и струйни вентилатори, дюза Сакардо и две вентилационни шахти - за отвеждане на замърсения въздух отв едната секция на тунела и за подаване на чист въздух в другата част секция (фиг. 7).

Прилагането на надлъжна схема изисква следните изчисления и проверки [108,9]:

• 
  оценка на метеорологичните условия и влиянието им за върху естествената тяга по големина и посока в тунела;
  
• 
  качество на постъпващия въздух;
  
• 
  аеродинамично съпротивление на тунела и съпътства-щите въздухоподаващи/въздухоотвеждащи съоръжения;
  
• 
  конструктивни особеностирешения, необходими за вентила-цион-ните съоръжения ( струйни вентилатори, дюзи Сакардо и др);
  
• 
  данни за големината и разпределението на трафика и за бутален буталния ефект от движението на транспорттните средства;
  
• 
  икономически аспекти, свързани с консумацията на електроенергия за разглежданите варианти (необходими мощности за и консумацията на електроенергия).
  

Тези схеми са ефективни за тунели с еднопосочно движение и с ограничен обем двупосочен трафик. Системата включва въздухопровод по протежение на тунела, по който се доставя чист въздух (фиг. 8 -нагнетателна схема) или отвежда замърсения въздух (фиг. 9 - смукателна схема). Каналът може да е разположен над, под или странично на зоната за движение на превозните средства. През пространството за трафик се осъществява надлъжен поток, който изнася/доставя въздуха или през порталите, или през една или повече вентилационни шахти.

Пълната напречна вентилация (фиг.10) работи незави-симо от естествения надлъжен поток, –като създава се вертикален поток през напречното сечение на тунела от подаващ въздухопровод до изсмукващ въздухопровод, всеки от които с отделени системи системен вентилатори (нагнетателен и смукателен) (фиг.10). Съединенията на захранващите и засмукващи въздухопро-води с пътното пространство са разположени по цялата дължина на тунела. Чистият въздух се подава към зоната на движение на превозните средства по вентилационен канал, а замърсеният въздух се отвежда от зоната на движение на превозните средства по канал, изграден под тавана по дължината на тунела. Разстоянието между смукателните отвори не трябва да е по-голямо от 110 m, а между нагнетателните – от 55 m.

Системите за пълна напречна вентилация се класифи-цират като насочени нагоре, хоризонтални или насочени надолу (засмукващи), в зависимост от положението на засмукващи въздухопроводи и нормалната посока на движение на въздуха между тях. Насоченият нагоре възду-шен поток, т.е. входящ чист въздух, подаван на ниско ниво със засмукване на високо ниво, е най-ефективната схема както за контрол на нормалното замърсяване, така и за контрол на дима при пожари. Движението на въздуха в пространството на трафика не налага ограничения върху дължината на тунела.

Няма прогресивно натрупващо се замърсяване, тъй като замърсяващите въздуха примеси се засмукват близо до източника. Моделът на вентилация не се влияе от посоката на трафика. Управляеми регулиращи решетки позволяват спазване на изискванията за чистота на възду-ха чрез промяна на скоростта на течението в отделните сектори. При пожар димът се изсмуква директно, подпо-могнат от неговата плаваемост (фиг. 10а) и така надлъж-ното разпространение на дима и горещите газове ефектив-но се ограничава. Плаваемост на дима е възходящата сила, обратна на теглото му, която възниква от температурно намалената му плътност спрямо въздушното течение.

Възможни са различни комбинации от трите основни системи (надлъжна, напречна и полунапречна). Подобни схеми се проектират за конкретни условия. Например, един дълъг тунел може да изисква централна секция с напречна или полунапречна вентилация за осигуряване подаването на чист въздух към основната надлъжна вентилационна система. С използване само на една група смукателни вентилатори, т.е. изсмукване при изходящия портал и нагнетяване на чист въздух при входящия портал на тунела, е възможно генериране на надлъжни потоци (течения) с различна скорост в секциите на тунела. При всеки избор на система трябва основно да се обръща внимание на най-доброто, по възможност, използване на естественото над-лъжно въздушно течение, дължащо се на транспортния поток, както и максималното използване на нормалната механична вентилация за бързото й превключване в авариен режим.

Напречните и полунапречни схеми изискват следните аеродинамични изчисления [108,9]:

• 
  загуба на налягане в зоната на тунелните портали, вентилаторните уредби, пожарните и клапите за прераз-пределяне на въздушните дебити, вентилационните шахти или други конструктивни съоръжения за вентилация;
  
• 
  загуба на налягане на тунела, аеродинамично съпротивление (линейни и местни съпротивления) ;
  
• 
  загуба на налягане на нагнетателните и/или смукателни тръбопроводи или канали и вентилационните инсталации към тях;
  
• 
  определяне на минимални загуби на въздух от просмуквания между връзките (съединителните галерии) на двете тръби и на регулиращите дебита на въздуха клапи (решетки).
  

Процесъта на проектиране проветряването на тунел изисквадава вариантни решения за постигане на изискванията при нормална експлоатация [2] и анализираните аварийни вентилационни режими в зависимост от потенциалните пожарни или непожарни инциденти. Този процес може да доведе до промяна на първоначално приетата вентила-ционна схема и получената вентилационна система. Първият (начален) [8] проектен вариант на вентилационната система за проветряване при нормална експлоатация може да бъде избран по проектните параметри в табл.ица 1.

За осъществяване на схемите за проветряване на тунели се използват три вида вентилатори – осеви и центробежни - за главно проветряване и струйни (осеви), като основни или спомагателни спомагателни за осъществяване на схеми с надлъжна вентилация и комбинирани схеми.

Главни осеви вентилатори се използват за проветряване на големи пътни тунели [7]. Капацитетът им обикновено превишава 100 m³/s. Вентилаторите с голям диаметър се монтират на входа на шахтите или в машинно помещение за захранване на въздухопроводите на напречна или полунапречна система. Реверсиране на потока се постига чрез обръщане на посоката на въртене на двигателя. При реверсия осевите вентилатори осигуряват значително по-малък дебит (по-малко от 60%) и депресия отколкото в нормален режим. По-ефективно управление може да се осъществи при използване на вентилатори с променлив ъгъл на лопатките.

При намален дебит и висока депресия осевите вентила-тори работят в нестабилната част на характеристиката си, което довежда до пулсации на налягането и на мощността с допълнителен риск от прекомерни вибрации, водещи до повреди и износване. Конструкцията на вентилатора трябва да гарантира достатъчен размах между работната точка върху характеристиката на вентилатора и точката на затихване. При нормално проветряване вентилаторите трябва да работят в зоната на максималната си ефективност.

Центробежните вентилатори имат по-дълъг експлоата-ционен срок. Изискват по-голямо пространство от осевите вентилатори със същата мощност, но реверсиране на въздушния поток може да се постигне само с клапи и допълнителен въздухопровод за осигуряване на алтернативна посока на вентилационните потоци. Центробежните вентилатори имат предимство пред осевите с това, че при реверсияране не променят характеристиките си и имат по-ниско ниво на шум. Самото реверсиране се постига по-бързо, поради това, че вентилаторът не се спира за да се променя посоката му на въртене, което забавя реверсирането на главните осеови вентилатори.

Струйните вентилатори са сравнително малки по размер и се поставят в тунела на групи. Вентилаторите поддържат надлъжната скорост на въздуха вътре в тунела. Създадената от вентилатора струя с висока скорост (30-40 m/s) се смесва с бавно движещия се въздух в пространството на трафика, за да се постигне течение със средна скорост в нормите за разреждане на вредностите.

Струйните вентилатори трябва да са комплектовани от производителя с аеродинамична характеристика в нормален и в реверсивен режим при стандартни условия. Характеристиките на напора на вентилатора и скоростта на изходящия въздушен поток да са доказани чрез изпитвания в работни условия.

Особености при използване на струйни вентилатори [7]:

• 
  монтират се на разстояние минимум 10 хидравлични диаметъра на тунела един от друг или на 6 до- 8 хидравлични диаметъра с 5- до 10 градуса наклон на лопатките;
  
• 
  крепежните елементи следва да са в антикорозионно изпълнение;
  
• 
  най-ефективна работа се постига при монтиране на разстояние от стената на тунела, равно на 3 пъти диаметъра на вентилатора. Монтиране на вентилатори в ниши на тавана или в стените довежда до загуба на ефективност до 17 %, а в ъгли - до 30%;
  
• 
  изискването за реверсивност на тези вентилатори усложнява конструкцията на вентилационния вход и изход, особено когато изтичащата дюза е наклонена надолу, за по-ефективно смесване;
  

Изборът на схема за проветряване е само един детайл от цялостния проект на вентилация на тунел. Следващите етапи се състоят в аеродинамични изчисления на:

• 
  посоката и големината на естествената тяга, на основата на продължители метеорологични измервания и прогноза за трафика;
  
• 
  аеродинамични съпротивления на вентилационните пътища, при вариантно разположение и размери на вентилационните канали в тунела;
  
• 
  депресионни изчисления за определяне напора на вентилаторите;
  
• 
  съставяне на топология на целия тунел, включващ отделните тръби, връзките между тях, връзките с повърхността;
  
• 
  компютърно моделиране на взаимодействието на вентилационните течения и определяне на режими на работа на така получената вентилационна система с отчитане на конкретните за тунела метеорологични условия на връзките й с повърхността.
  

1. 
   Наредба № 1 от 4 април 2007 г. за минималните изисквания за безопасност в тунели по републиканските пътища, които съвпадат с трансевропейската пътна мрежа на територията на Република България, ДВ бр. 102, 2008.
   
2. 
   Норми за проектиране на пътни тунели, АПИ, 2014.
   
3. 
   Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Strassentunneln (RABT-2006), ISBN 3-937356-87-8
   
4. 
   Lüftung der Strassentunnel, Systemwahl, Dimensionierung und Ausstattung, Bundesamt für Strassen ASTRA 13001, Ausgabe 2008 V2.02.
   
5. 
   NFPA 502. Standard For Road Tunnels, Bridges and Other Limited Access Highways, 2004 Edition
   
6. 
   Road Tunnels, Norwegian Public Roads Administration, Standard, April 2004, ISBN82-7207-540-7.
   
7. 
   Design manual for roads and bridges, BD 78/99, Part 2, Design of road tunnels.
   
8. 
   RVS 09.02.31 Tunnel Ventilation - Basic Principles
   
9. 
   Власева Ел., Оразмеряване вентилацията на тунел, Четвърта национална научно-техническа конференция с международно участие „Технологии и практики при подзе-мен добив и минно строителство“, септември, 2014 (под печат)
   

Статията е препоръчана за публикуване от кат. „РВ и ТБ“.

За осъществяване на схемите за проветряване на тунели се използват три вида вентилатори – осеви и центробежни - за главно проветряване и струйни – (осеви), като основни или спомагателни спомагателни за осъществяване на схеми с надлъжна вентилация и комбинирани схеми.

Главни осеви вентилатори се използват за проветряване на големи пътни тунели. Капацитетът им обикновено превишава 100 m³/s. Вентилаторите с голям диаметър се монтират на входа на шахтите или в машинно помещение за захранване на въздухопроводите на напречна или полунапречна система. Реверсиране на потока се постига чрез обръщане на посоката на въртене на двигателя. При реверсия осевите вентилатори осигуряват значително по-малък дебит (по-малко от 60%) и депресия отколкото в нормален режим. По-ефективно управление може да се осъществи при използване на вентилатори с променлив ъгъл на лопатките.

При намален дебит и висока депресия осевите вентилатори работят в нестабилната част на характеристиката си, което довежда до пулсации на налягането и на мощността с допълнителен риск от прекомерни вибрации, водещи до повреди и износване. Конструкцията на вентилатора трябва да гарантира достатъчен размах между работната точка върху характеристиката на вентилатора и точката на затихване. При нормално проветряване вентилаторите трябва да работят в зоната на максималната си ефективност.

Центробежните вентилатори имат по-дълъг експлоатационен срок. Изискват по-голямо пространство от осевите вентилатори със същата мощност, но реверсиране на въздушния поток може да се постигне само с клапи и допълнителен въздухопровод за осигуряване на алтернативна посока на вентилационните потоци. Центробежните вентилатори имат предимство пред осевите с това, че при реверсия не променят характеристиките си и имат по-ниско ниво на шум. Самото реверсиране се постига по-бързо, поради това, че вентилаторът не се спира за да се променя посоката му на въртене, което забавя реверсирането на главните осови вентилатори.

Струйните вентилатори са сравнително малки по размер и се поставят в тунела на групи. Вентилаторите поддържат надлъжната скорост на въздуха вътре в тунела. Създадената от вентилатора струя с висока скорост (30-40 m/s) се комбинира смесва с бавно движещия се въздух в пространството на трафика, за да се постигне течение със средна скорост в нормите за разреждане на вредностите.

Струйните вентилатори трябва да са комплектовани от производителя с аеродинамична характеристика в нормален и в реверсивен режим при стандартни условия. Характеристиките на напора на вентилатора и скоростта на изходящия въздушен поток да са доказани чрез изпитвания в работни условия.

Особености при използване на струйни вентилатори

• 
  монтират се на разстояние минимум 10 хидравлични диаметъра на тунела един от друг или на 6 до 8 хидравлични диаметъра с 5 до 10 градуса наклон на лопатките;
  
• 
  крепежните елементи следва да са в антикорозионно изпълнение;
  
• 
  най-ефективна работа се постига при монтиране на разстояние от стената на тунела, равно на 3 пъти диаметъра на вентилатора. Монтиране на вентилатори в ниши на тавана или в стените довежда до загуба на ефективност до 17 %, а в ъгли - до 30%;
  
• 
  изискването за реверсивност на тези вентилатори усложнява конструкцията на вентилационния вход и изход, особено когато изтичащата дюза е наклонена надолу, за по-ефективно смесване;
  

на,прогноза, при вариантно разположение и размери на вентилационните канали в тунела с отчитане на конкретните за тунела метеорологични условия на връзките й с повърхността

10. 
    Наредба № 1 от 4 април 2007 г. за минималните изисквания за безопасност в тунели по републиканските пътища, които съвпадат с трансевропейската пътна мрежа на територията на Република България, ДВ бр. 102, 2008.
    
11. 
    Норми за проектиране на пътни тунели, АПИ, 2014.
    
12. 
    Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Strassentunneln (RABT-2006), ISBN 3-937356-87-8
    
13. 
    Lüftung der Strassentunnel, Systemwahl, Dimensionierung und Ausstattung, Bundesamt für Strassen ASTRA 13001, Ausgabe 2008 V2.02.
    
14. 
    NFPA 502. Standard For Road Tunnels, Bridges and Other Limited Access Highways, 2004 Edition
    
15. 
    Road Tunnels, Norwegian Public Roads Administration, Standard, April 2004, ISBN82-7207-540-7.
    
16. 
    Design manual for roads and bridges, BD 78/99, Part 2, Design of road tunnels.
    
17. 
    Bring A., T.Malmström, C.A. Boman, Simulation and Measurement of Road Tunnel Ventilation, Tunneling and Underground Space Technology, vol. 12, Issure 3, July 1997, Pages 417-424.
    
18. 
    R.C.Hall (MottMacDonald), TRL Limited, Ventilation during Road Tunnel Emergencies, August 2006, PPR140.
    
19. 
    Власева Ел.,Оразмеряване вентилацията на тунел, Четвърта национална научно-техническа конференция с международно участие „Технологии и практики при подземен добив и минно строителство“,септември, 2014 (под печат)