Vetranie tunela Sitina

Prevádzkové a technologické vybavenie tunelov zahŕňa súbor funkcií zabezpečujúcich ich bezpečnú a ekonomickú prevádzku a okrem vetrania patrí do neho aj osvetlenie, riadenie dopravy, bezpečnostné a komunikačné vybavenie, napájanie elektrickou energiou a požiarne vybavenie. Vetranie tunela má zabezpečovať:

• zníženie koncentrácií emisií produkovaných motorovými vozidlami v tuneli pod limitné hodnoty koncentrácií,
• dobrú viditeľnosť na prejazd vozidiel pri znečistení vzduchu v tuneli dymom zo vznetových motorov,
• odvod spalín horenia a prívod vzduchu pre osoby unikajúce z tunela v prípade požiaru,
• usmernenie rozptylu škodlivých látok z exhalácií vozidiel do okolia tunela a zníženie emisného zaťaženia okolia tunela; odvádzanie znečisteného vzduchu sa musí posúdiť vzhľadom na dovolené koncentrácie emisií v miestach vypúšťania a na miestne klimatické a morfologické podmienky.

Názov stavby: Tunel Sitina Miesto: Bratislava Zhotovovateľ: Taisei corporation – Skanska D.S. Diaľničný ťah: D2 Názov úseku: Lamačská cesta – Staré Grunty Začiatok realizácie: 30. 10. 2003 Uvedenie do prevádzky: 24. 6. 2007 Rúry: 2 Dĺžka tunela: 1 440 m – západná tunelová rúra, 1 415 m – východná tunelová rúra Priemerný sklon tunelových rúr: 2 % Plocha priečneho prierezu: 59,11 m2 Hydraulický priemer priečneho prierezu: 7,80 m SOS výklenky: po 150 m Požiarne výklenky: po 90 m Vetranie: pozdĺžne, prúdovými ventilátormi Autori vetrania: doc. Ing. Jozef Jandačka, PhD., Ing. Ján Kapusta

Prívod čerstvého vzduchu do tunela

Základnou požiadavkou bezpečnosti prevádzky a kvality ovzdušia v cestnom tuneli je udržanie prípustných koncentrácií plynných emisií a dymu produkovaných motorovými vozidlami pod limitnými hodnotami. Vyššie koncentrácie emisií než dovolené možno znížiť systémom vetrania tunela prostredníctvom prívodu čerstvého vzduchu do tunela.

Privádzané množstvo čerstvého vzduchu sa pri normálnej prevádzke tunela projektuje na základe množstva emisií a splodín horenia vznetových motorov (opacity), ktoré produkujú vozidlá pri prejazde tunelom, a na základe maximálnych prípustných koncentrácií oxidu uhoľnatého (CO) a opacity. Výpočet množstva čerstvého vzduchu sa pri normálnej prevádzke v tuneli realizuje pre plynulú a viaznucu (stop and go) premávku. Maximálna prípustná koncentrácia CO pre plynulú a viaznucu premávku v tuneli je 70 ppm a maximálna prípustná viditeľnosť charakterizovaná hodnotou opacity je 0,005 1/m.

Množstvo emisií produkované dopravným prúdom vozidiel sa určuje výpočtom, ktorého vstupnými hodnotami sú intenzita a skladba dopravného prúdu. Do úvahy sa pritom berie nielen podiel a priemerná hmotnosť vozidiel poháňaných vznetovými motormi, ale aj veková skladba vozového parku. Ďalšími vstupnými hodnotami výpočtu množstiev škodlivín sú rýchlosť vozidiel v tuneli, sklon trasy a nadmorská výška tunela. Výpočet produkcie CO a opacity sa realizuje zvlášť pre osobné a nákladné vozidlá. Množstvo emisií, ktoré produkujú vozidlá v tuneli, sa vypočíta na základe produkcie emisie jedného priemerného osobného vozidla (benzínového, dieslového) a nákladného vozidla.

Vetracie systémy cestných tunelov sa realizujú s možnosťou riadenia množstva privádzaného čerstvého vzduchu, ktoré závisí od rýchlosti, zloženia a intenzity dopravného prúdu v tuneli. Množstvo potrebného čerstvého vzduchu privádzaného do tunela ovplyvňuje celkovú energetickú náročnosť vetracieho systému, a tým aj výšku nákladov na prevádzku tunela.

Systémy vetrania

Systémy vetrania cestných tunelov možno rozdeliť na prirodzené, ktoré nevyužívajú žiadne prídavné technické zariadenia, a na nútené, ktoré sa realizujú ventilátormi.

Prirodzené vetranie nevyžaduje žiadne prídavné technické zariadenia. Obmena vzduchu sa realizuje pomocou rozdielu tlakov a teploty medzi portálmi a prostredníctvom vozidiel spôsobujúcich výmenu vzduchu tzv. piestovým efektom. Značný vplyv na prirodzené prúdenie má i smer prevládajúcich vetrov a celkový odpor tunela pre prúdiaci vzduch. Systém prirodzeného vetrania neobsahuje žiadne mechanické komponenty. Výmena vzduchu sa realizuje výlučne cez vstupné portály tunela.

Nútené systémy vetrania rozdeľujeme na pozdĺžne, polopriečne a priečne. Každý z týchto systémov núteného vetrania charakterizuje jeho usporiadanie.

Obr. 1 Pozdĺžne vetranie	Obr. 3 Polopriečne vetranie
	Obr. 4 Priečne vetranie

Pozdĺžny systém vetrania v cestnom tuneli (obr. 1) sa realizuje prúdovými ventilátormi (obr. 2). Pri tuneloch s jednosmernou premávkou sa smer prúdenia vzduchu vplyvom ventilátorov zvyčajne zhoduje so smerom premávky. Pri tuneloch s obojsmernou premávkou treba spúšťať prúdové ventilátory vždy tak, aby sa podporovali prirodzené spôsoby vetrania vyplývajúce zo samotnej premávky, teplotných a meteorologických rozdielov. V prípade nehody sa uvoľnené spaliny šíria v pozdĺžnom smere v priestore tunela. Smer a rýchlosť týchto plynov v jazdnom priestore ovplyvňujú prúdové ventilátory. V klenutých tuneloch sa môžu prúdové ventilátory umiestniť nad jazdným profilom, čím sa nezväčšuje prierez tunela. Pravouhlé prierezy v priestore vyžadujú zväčša miestne rozšírenie profilu tunela.

Obr. 2 Hlavné časti prúdového ventilátora
1 – závesná konštrukcia, 2 – zariadenie proti vybočeniu, 3 – bezpečnostný záves/poistná reťaz, 4 – nosný držiak na bezpečnostný záves/poistnú reťaz, 5 – signalizačný elektrický spínač pri spadnutí ventilátora, 6 – kryt prúdového ventilátora, 7 – vodiaca lopatka, 8 – lopatkové koleso ventilátora, 9 – presmerovacia lopatka, 10 – motor, 11 – tlmič hluku, 12 – ochranná mriežka, 13 – pripojovacia skrinka, 14 – vedľajšia/doplnková pripojovacia skrinka

Pri polopriečnom vetraní sa čerstvý vzduch privádza vzduchotechnickým kanálom pozdĺž tunela (obr. 3) a v pravidelných vzdialenostiach sa rozdeľuje distribučnými klapkami do priestoru tunelovej rúry. Vyfukovaný vzduch prúdi portálmi do vonkajšieho prostredia.

Pri priečnom vetraní (obr. 4) sa čerstvý vzduch privádza do dopravného priestoru osobitným rozdeľovacím vzduchotechnickým kanálom. Kontaminovaný vzduch sa z dopravného priestoru odvádza zberným vzduchotechnickým kanálom vedeným pozdĺž tunela. Pri požiari sa čerstvý vzduch privádza zdola a dymové škodliviny sa odsávajú hore.

Voľba vetracieho systému

Na správnu voľbu vetracieho systému tunela a jeho dimenzovanie vplýva veľa vstupných údajov, ktoré musia byť k dispozícii. Medzi ne patria:

Údaje o tuneli

Medzi tieto údaje patrí miesto vstupného a výstupného otvoru tunela, počet tunelových rúr, počet jazdných pruhov, dĺžka každej tunelovej rúry, normálny profil a od neho sa odlišujúce priečne profily tunelovej rúry, údaje o možnosti rozmiestnenia prúdových ventilátorov, výškový profil tunela, nadmorská výška, možnosť umiestnenia vetracích jednotiek a vetracích šácht na odvádzanie vzduchu s obsahom škodlivín, miesta únikových chodieb.

Údaje o dopravnej premávke

Sem sa zaraďujú údaje ako priemerná denná intenzita dopravy, podiel nákladných vozidiel na priemernej dennej intenzite dopravy, smerodajná hodinová preprava, podiel nákladných vozidiel na smerodajnej hodinovej preprave (všetky uvedené údaje pre rok plánovaného otvorenia tunela a o desať rokov neskôr), jednosmerná alebo obojsmerná premávka, stredná celková hmotnosť nákladných vozidiel, rozdelenie vyššie uvedených hodnôt na jednotlivé jazdné pruhy, najvyššie povolené rýchlosti, povolenie pre vozidlá poľnohospodárskej techniky, motorky a bicykle, ako aj pre chodcov, predpokladaná početnosť zablokovanej dopravy a početnosť jej výskytu na každú tunelovú rúru.

Iné údaje

Sem patria meteorologické údaje (teplota, vietor, tlak vzduchu), normy týkajúce sa životného prostredia a pod.
 

Vetranie cestných tunelov pri požiari

Z hľadiska bezpečnosti prevádzky cestných tunelov patrí požiar medzi najnepriaznivejšie prevádzkové stavy. V prvom rade tu ide o záchranu ľudských životov. V prípade požiaru v cestnom tuneli treba chrániť unikajúce osoby pred účinkom ohňa a dymu technickými alebo stavebnotechnickými opatreniami. Neoddeliteľnou súčasťou technických prostriedkov ochrany osôb pred účinkami požiaru v cestnom tuneli je aj vetrací systém.

Vetrací systém cestných tunelov by mal pri požiari zabezpečiť dve základné funkcie, a to odvod spalín horenia z miesta lokalizácie požiaru a vhodné podmienky na únik osôb.

Množstvo spalín horenia a uvoľnený tepelný výkon požiaru závisia od druhu automobilu a nákladu, ktoré v tuneli horia. Pri požiari osobného vozidla sa počíta s nominálnym výkonom 25 MW, pri dodávkovom vozidle 15 MW, pri autobuse 20 MW a pri naloženom nákladnom vozidle 20 až 30 MW. Množstvo spalín horenia závisí od uvoľneného tepelného výkonu pri požiari. Pri tepelnom výkone 30 MW sa predpokladá produk­cia spalín horenia 80 m3/s, pri výkone 50 MW 120 m3/s a pri výkone 100 MW 200 m³/s.

Šírenie dymu v tuneli s nulovým sklonom bez pôsobenia ventilátorov je znázornené na obr. 5.

Obr. 5 Šírenie dymu a) v čase vzniku, b) o niekoľko minút neskôr

Potrebný počet ventilátorov vychádza pre prípad požiaru pri pozdĺžnom vetraní tunelov z požiadavky na veľkosť pozdĺžnej rýchlosti v tunelovej rúre pre daný druh premávky (jednosmerná, resp. obojsmerná). Táto rýchlosť sa stanovuje na základe požiadavky ohraničiť šírenie dymu smerom proti účinku ventilátorov, resp. zamedziť zaplneniu celého prierezu tunela, čo ovplyvňuje veľkosť tzv. kritickej rýchlosti. Na obr. 6 je znázornené šírenie dymu v tuneloch so sklonom.

Obr. 6 Šírenie dymu v tuneloch so sklonom
a) silný prietok vzduchu smerom hore,	b) slabý prietok vzduchu smerom hore,
c) slabý prietok vzduchu smerom dole,	d) silný prietok vzduchu smerom dole

Pri dimenzovaní počtu ventilátorov pre prípad požiaru zohráva dôležitú úlohu počet vozidiel, ktoré sa nachádzajú v tunelovej rúre. Pre jednosmernú premávku v tunelovej rúre s nízkou početnosťou dopravných zápch v tuneli sa počíta s počtom stojacich vozidiel, ktoré sa nachádzajú pred miestom požiaru, daným časom 3 minúty, ktorý ubehol od začiatku požiaru po uvedenie opatrení pre prípad požiaru v tuneli do prevádzky. Pre tento prípad premávky sa počet vozidiel v tuneli pri požiari vypočíta na základe hodinovej premávky v tuneli. Pri tuneloch s jednosmernou premávkou s častou početnosťou dopravných zápch sa počíta s počtom vozidiel pri požiari v tuneli, ktorý sa rovná minimálne 75 % zaplnenia celkovej dĺžky tunela. V prípade požiaru treba brať do úvahy aj meteorologicko-teplotné vplyvy.

Vetrací systém tunela Sitina

Tunel Sitina je súčasťou diaľnice D2 Lamačská cesta – Staré Grunty a európskej cesty E65 Praha – Brno – Bratislava – Györ – Budapešť. Leží na severnom okraji Bratislavy. Pozostáva z dvoch paralelných tunelových rúr – východnej s dĺžkou 1 415 m a západnej s dĺžkou 1 440 m (obr. 7). Obe tunelové rúry sú riešené s jednosmernou prevádzkou. V prípade výluky jednej tunelovej rúry sa predpokladá občasná obojsmerná prevádzka. Pri južných aj severných portáloch sú vybudované portálové objekty, ktoré sa riešia ako podzemné. V portálových objektoch sú priestory na umiestnenie energetického, bezpečnostného a riadiaceho zabezpečenia tunela. Tieto priestory treba z hľadiska spoľahlivej prevádzky vetrať. Vetranie sa rieši vzduchotechnickou jednotkou zo strojovne vzduchotechniky. Nasávanie a výtlak vzduchu do strojovne vzduchotechniky portálového objektu je na obr. 11. Najvyššia prípustná rýchlosť vozidiel v tuneli je 80 km/h. Tunel sa projektoval podľa švajčiarskej smernice Lüftung der Strassentunnel (Systemwahl, Dimensionierung und Aussttatung) ASTRA 2004.

Obr. 7 Portály tunela	Obr. 8 Umiestnenie ventilátora bez tlmičov v tuneli

Vetranie oboch tunelových rúr sa realizuje desiatimi prúdovými ventilátormi s možnosťou reverzácie, ktoré sú vybavené dvomi kusmi tlmičov hluku s difúzorom. Na obr. 8 je znázornený ventilátor bez tlmiča a na obr. 9 ventilátor s tlmičmi. Prúdové ventilátory s tlmičmi hluku majú vrátane závesnej konštrukcie odolnosť 400 °C počas 90 minút. Maximálna povolená hodnota vybrácií počas prevádzky je 2,8 mm/s.

Nábeh motora je priamy. Nábeh motora na menovité otáčky trvá max. 10 sekúnd. Ak ventilátor po tomto časovom úseku nie je prevádzkovaný na menovitých otáčkach, je nevyhnutné ho vypnúť a zistiť príčinu dlhšieho nábehu. Parametre ventilátora a elektromotora sú uvedené v tab. 1.

V západnej aj východnej tunelovej rúre sú na vstupe do tunelovej rúry umiestnené tri páry ventilátorov vo vzdialenostiach 100, 200 a 300 m od severného, resp. južného portálu. Na výstupe zo západnej a východnej tunelovej rúry sú umiestnené dva páry ventilátorov vo vzdialenostiach 100 a 200 m od južného, resp. severného portálu.

Ventilátory sa za normálnej prevádzky ovládajú v závislosti od intenzity a smeru dopravy, koncentrácie CO a opacity, ktoré sa merajú pomocou centrálneho riadiaceho systému. Ventilátory by sa mali ovládať tak, aby hodnoty emisií v tuneli nepresiahli prípustné koncentrácie CO 70 ppm a opacity 0,005 1/m. Meranie koncentrácie škodlivín však vplyvom dopravného prúdu v tuneli vykazuje veľkú fluktuáciu hodnôt. Podmienkou je číslicová filtrácia hodnôt.

Nastavenie prúdenia vzduchu v prípade dopravnej udalosti závisí od druhu a momentálneho stavu premávky. Prevádzka prúdových ventilátorov sa musí regulovať na základe merania pozdĺžnej rýchlosti, ktoré by sa malo vykonať mimo zóny ovplyvnenej nehodou.

Vybavenie tunela Sitina pre prípad požiaru

V prípade požiaru v tunelovej rúre s jednosmernou premávkou treba zabezpečiť pozdĺžnu rýchlosť vzduchu v tuneli 3 m/s. V prípade požiaru v tunelovej rúre s obojsmernou premávkou alebo v tunelovej rúre s jednosmernou premávkou s vozidlami nachádzajúcimi sa za miestom požiaru bez možnosti výjazdu treba zabezpečiť pozdĺžnu rýchlosť vzduchu v tuneli 1,5 m/s. Niektoré smernice počítajú aj s mierne odlišnými hodnotami. Pri jednosmernej premávke a voľnom výjazde dopravy za miestom požiaru sa má dym vytláčať v smere jazdy z tunela. Pri dvoch paralelných tunelových rúrach by sa malo realizovať riadenie vetrania v nezasiahnutej rúre.

Riadenie vetrania pri požiari sa musí minimálne v samozáchrannej fáze (fáza 1) realizovať automaticky. Podstatné predpoklady na to sú detekcia požiaru s krátkym časom reakcie na zapnutie a rýchly nábeh prevádzky vetrania pri požiari. Vo fáze likvidácie požiaru (fáza 2) by sa mali vytvoriť také podmienky vetrania, aby sa zamedzilo spätnému prúdeniu dymu.

Obr. 9 Umiestnenie ventilátora s tlmičmi v tuneli	Obr. 10 Úniková chodba
Obr. 11 Nasávanie a výtlak zo strojovne VZT	Obr. 12 Vetranie únikovej chodby

Tunel Sitina je vybavený piatimi únikovými cestami, ktoré sú oddelené zo strany tunelových rúr únikovými dverami (obr. 10). Tretia úniková cesta sa realizovala ako prejazdová pre záchrannú a požiarnu techniku, ako aj pre únik osôb. Ostatné sú určené len na únik osôb. Únikové cesty sú vetrané axiálnymi ventilátormi (obr. 12). Každá úniková cesta má dva ventilátory, ktoré sú situované nad požiarnymi dverami z oboch tunelových rúr. Pred ventilátorom je umiestnená protipožiarna klapka. Ventilátory sú vybavené autonómnou reguláciou.

doc. Ing. Jozef Jandačka, PhD.
Foto a obrázky: archív autora
Autor pôsobí na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity v Žiline.