Особое место в подземном строительстве занимает возведение подземных автодорожных тоннелей. Любые подземные сооружения представляют собой объекты повышенной опасности и для нормальной работы тоннеля большое значение имеет вентиляционное оборудование. В ряду опасностей, которые имеют место при эксплуатации тоннелей, самыми серьезными являются выхлопные газы автомобилей и пожары.

Авторы:
Е.П. ВИШНЕВСКИЙ, к.т.н., техниче¬ский директор;
Г.В. ЧЕПУРИН, к.т.н., ведущий инженер, отдел исследований и развития, United Elements Group (г. Санкт-Петербург)
 

Транспорт играет решающую роль в обеспечении экономического роста, гуманитарных связей и интеграции торговых рынков как в рамках стран содружества, так и на широком международном уровне. Эффективная работа всех видов транспорта необходима для поддержания конкурентоспособности промышленных и других предприятий, снижения транс-портной составляющей в стоимости продукции, повышения уровня транспортного обслуживания. И важнейшую роль в инфраструктуре наземного транспорта играют тоннели. Они облегчают сообщения между разными регионами и странами и поэтому являются важным звеном внутренних и международных связей, способствующих функционированию и развитию экономики, а также мобиль¬ности населения.

Выхлопные газы

В соответствии с [1], вентиляция должна обеспечивать эксплуатацию тоннеля в нескольких режимах. При нормальном режиме «А» осуществляется безостановочное движение транспорта с максимальной разрешенной скоростью при интенсивности, соответствующей часу «пик». При замедленном режиме «Б» осуществляется безостановочное движение транспорта со скоростью менее 20 км/ч. И режим транспортной пробки «В» соответствует полной остановке транспорта с работающими двигателями длительностью до 15 минут.

Для нормального режима эксплуатации тоннеля (режим «А») предельно допустимая концентрация (ПДК) оксида углерода как индикатора всего набора выхлопных газов в воздухе транспортной зоны тоннеля должна быть не выше приведенной в табл. 1 [1], а для режимов «Б» и «В» — не выше значений ПДК, указанных в табл. 2 [2]. При проведении в тоннеле ремонтных и других работ концентрация вредных веществ в воздухе тоннеля и обслуживаемых зонах также не должна превышать ПДК, указанных в табл. 2 [2].

Время нахождения в тоннеле и предельно допустимые концентрации (ПДК) могут быть при необходимости расширены в обе стороны экстраполяцией зависимости ПДК от времени, являющейся линейной при построении в логарифмических координатах.

Средняя по сечению скорость движения воздуха в транспортной зоне тоннеля при эксплуатационных режимах вентиляции без учета влияния транспортных средств должна быть не выше 6 м/с. В тоннелях с односторонним движением при продольной вентиляции необходимо, чтобы направление вентиляционного потока совпадало с преимущественным направлением движения транспортных средств. Система вентиляции должна обеспечивать необходимую по условиям видимости в тоннеле прозрачность воздуха, при которой показатель ослабления света не превышает 0,0075 м-1.

Пожары

Пожары являются одной из самых больших опасностей в тоннелях. При пожарах в тоннелях все опасные для жизни человека факторы (дым, высокая температура, пониженное содержание кислорода в воздухе, обрушение конструкций и т.д.) значительно быстрее достигают критических значений. Кроме того, ликвидация пожаров в подземных сооружениях сопряжена с большими сложностями. Из многочисленных случаев пожаров в тоннелях вспомним самые трагические и показательные.

В первом полугодии 1999 г. в Европе произошло два пожара высшей категории сложности с интервалом в два месяца: в тоннеле Монблан (Франция-Италия,
11,6 км) и в тоннеле Тауерн (Австрия, 6 км). Пожар в Монблане произошел 24 марта. Пожарная сигнализация сработала через пять минут после возгорания, но пожарные части из-за плотной стены копоти и дыма не смогли прибыть к очагу пожара и остановились примерно в километре от него. Пожар бушевал более двух суток, погибли 39 человек, сгорело 36 автомобилей. Происшедшее показало, что быстрый и эффективный ввод сил и средств пожарной охраны в многокилометровый тоннель крайне затруднен. Пламя пожара под Монбланом высветило массу проблем, которые потребовали решения как в организационном, так и в техническом плане.

Другой пожар под массивом Тауерн случился 25 мая. Пожарные работали в очень сложных условиях. Высокая температура, дым, ограниченная возможность для прохода предельно осложнили ситуацию. Ликвидировать аварию было крайне трудно, т.к. произошло разрушение тоннеля, что создало дополнительную опасность. Стены и внутритуннельные перекрытия, разделявшие проезжую и вентиляционную части, обвалились. Пожар продолжался около семи суток, погибло 12 человек, сгорело 40 автомобилей. По своим последствиям этот пожар был менее трагичен, чем пожар под Монбланом, однако он показал всем, что поверхностный подход к обеспечению пожарной безопасности подземных сооружений недопустим.

24 октября 2001 г. произошел другой катастрофический пожар в тоннеле Сен-Готард (Швейцария; длина 16,3 км). В этой аварии погибло и пропало без вести около 20 человек. Следует сказать, что количество жертв могло бы быть намного больше, если бы тоннель Сен-Готард не был оборудован специальной галереей для эвакуации людей и запасными выходами, расположенными через каждые 250 м. Примечательным является то, что все инженерные системы жизнеобеспечения и противопожарной защиты этого подземного сооружения сработали в полном объеме, без каких либо отказов и сбоев. Этот пожар усилил обеспокоенность общественности и привел к ускорению разработок мероприятий, направленных на ужесточение норм безопасности.

4 июня 2006 г. случился крупный пожар в тоннеле Фрежюс (Франция- Италия; длина 12,8 км). Погибли два человека, тела которых были обнаружены в одном из т.н. «островков безопасности» — ниш, предназначенных для спасения людей в чрезвычайных ситуациях. В этом тоннеле (шестью годами ранее, после пожара в Монблане) была проведена полная модернизация системы пожарной безопасности.

В марте 2007 г. четыре грузовика и три легковых автомобиля столкнулись в самой середине тоннеля Бернли (Мельбурн, Австралия; длина 3,4 км), мощным взрывам и пожару. Погибли три человека. Однако было отмечено, что системы вентиляции справились с вытяжкой дыма и гари, поэтому никто из нескольких сотен людей не отравился продуктами горения.

Учитывая всю серьезность возможных последствий пожаров в тоннелях и в любых подземных сооружениях, к обеспечению их пожарной безопасности предъявляются особые требования. В полной мере требования пожарной безопасности относятся к системам вентиляции, которые вместе с системами дымоудаления объединяются в единую систему. В случае пожара система вентиляции с искусственным побуждением должна быть реверсивной и обеспечивать [1]:

• устойчивость заданного направления движения вентиляционного потока;
• незадымленность путей эвакуации до ее завершения путем создания подпора воздуха не менее 20 Па;
• время переключения системы при реверсировании вентиляционного потока должно быть не более пяти минут.

Существует несколько схем вентиляции автомобильных тоннелей, а именно [3,4]: естественная, продольная, полупо- перечная и полнопоперечная. Их выбор
зависит от многих факторов, подробно рассматриваемых в специальной литературе. Основными из них являются дайна тоннеля и наличие в нем одностороннего или двухстороннего движения. Что касается естественной вентиляции, то ее использование, к сожалению, допустимо только в тоннелях небольшой протяженности.

В табл. 3 приведена сводка принятых за рубежом ограничений [5]. За пределами указанных ограничений механиче¬ская вентиляция является обязательной.

В общем случае продольная механическая вентиляция — это наиболее экономичная система, обеспечивающая наименьшие нагрузки на вентиляторы и не требующая сооружения специальных воздухопроводов. Поперечная и полупоперечная системы вентиляции являются более действенными с точки зрения механического проветривания [6], но они имеют высокую первоначальную стоимость и характеризуются большими эксплуатационными затратами. Поэтому поперечная и полупоперечная схемы вентиляции реализуются только там, где нельзя применять продольную схему, вследствие чего последняя остается наиболее востребованной.

К тоннельным вентиляторам предъявляются особые требования. При небольших статических давлениях они должны обеспечивать перемещение значительного количества воздуха на максимально возможное расстояние по длине тоннеля. Вентиляторы должны обладать высоким КПД и обеспечивать работу не только на прямом, но и на реверсном ходе. Аэродинамическая характеристика вентиляторов должна обеспечивать одновременную устойчивую работу двух одинаковых вентиляторов. Крайне актуальны для ограниченных пространств подземных сооружений минимальные габариты вентиляционного оборудования. Привод от электродвигателя к вентилятору должен быть надежным, простым в обслуживании и малошумным. Такие характеристики как малая вибрация, разборность и возможность очистки, наименьший аэродинамический шум являются важными критериями при выборе вентиляционного оборудования.

Приведенным требованиям лучше отвечают струйные вентиляторы, специально разработанные для тоннелей и ориентированные для эксплуатации, в первую очередь, в продольных схемах. Они отличаются высокой эффективностью, низким уровнем шума, долговечностью, высокой надежностью, минимальным объемом техобслуживания и устойчивостью к коррозии. Вентиляторы име¬ют взрывозащищенный электропривод с автоматическим регулированием про-изводительности и могут обеспечивать обратный поток до 100%.

В основу устройства струйного вентилятора заложен осевой вентилятор, оборудованный входным и выходным (нагнетательным) патрубками (рис. 2).

В отличие от традиционных конструкций осевых вентиляторов струйные име¬ют свои особенности. Важнейшая особенность использования струйных вентиляторов заключается в том, что они устанавливаются не в сети воздуховодов, а в свободном пространстве тоннеля. Чтобы обеспечить движение воздуха по тоннелю в определенном направлении выходящая из вентилятора воздушная струя должна иметь большую дальнобойность при минимальном рассеивании и обладать значительным импульсом (количеством движения). Формирование струи происходит в выходном патрубке, который одновременно играет роль глушителя. При этом не должно быть возвратного потока свободного воздуха от выходного нагнетательного патрубка к входному всасывающему патрубку. В выходящей из вентилятора струе максимальная скорость воздуха будет на оси струи. Причем по мере движения с увеличением расстояния скорость воздушной струи постепенно уменьшается, а воздушный поток линейно увеличивается за счет турбулентного обмена между струей и окружающим воздухом. В результате этого струйный вентилятор, располагая очень небольшой установленной мощностью, может перемещать огромные массы воздуха при минимальных затратах энергии.

Основное назначение струйного вентилятора — создание струи большой дальнобойности, где под дальнобойностью понимается расстояние от выходного сечения (где средняя по сечению скорость обычно находится в пределах от 20 до 40 м/с) до сечения, в котором максимальная скорость составляет 0,5 м/с (для вентилятора в свободном пространстве, но не в тоннеле). Объем перемещаемого воздуха на расстоянии равном дальнобойности струйных вентиляторов в 40 раз больше, чем в выходном сечении.

В условиях ограниченного пространства тоннеля выходящая из вентилятора воздушная струя подхватывает окружающие массы воздуха и проталкивает их вдоль по тоннелю к следующему вентилятору и т.д. до выходного портала. Площадь выходного сечения струйных вентиляторов составляет 1-2% от площади поперечного сечения тоннеля, и они пропускают через себя приблизительно 5-20% от полного потока воздуха в тоннеле, т.е. от 80 до 95 % воздуха проходят в обход вентиляторов по свободному сечению тоннеля. При этом в одном сечении тоннеля может быть установлен не один, а два или более вентиляторов параллельно.

Параллельная работа одинаковых вентиляторов дает преимущества:

• позволяет снизить мощность вентиляционного агрегата и пусковые токи;
• повышает надежность работы системы вентиляции;
• улучшает эксплуатационные качества системы вентиляции;
• расширяет пределы регулирования производительности СВ;
• кроме этого, вентиляционная установка из нескольких параллельных вентиляторов имеет меньший габарит по высоте по сравнению с одиночным вентилятором той же производительности.

Таким образом, в силу большого количества требований и норм проектирование и монтаж вентиляционных систем в автодорожных тоннелях можно отнести к разряду наиболее сложных. Точный математический расчет основных компонентов продольной системы вентиляции принципиально может быть осуществлен путем решения системы дифференциальных уравнений газовой динамики второго порядка в частных производных с использованием новейших средства численного моделирования широко известных как CFD (Computational Fluid Dynamic), являющихся воплощением последних достижений в области компьютерных технологий и теории параллельных вычислений. В наибольшей степени данный подход реализован в составе программного комплекса SES (Subway Environment Simulation), разработанного фирмой РВ (Parsons Brinckerhoff) в рамках проекта SERP (Subway Environment Research Project). К достоинствам программного комплекса SES следует отнести тот факт, что он оснащен развитым интерфейсом, обеспечивающим моделирование работы систем вентиляции, как в штатном, так и в экстремальных режимах (аварии, пожары, взрывы) с использованием визуализации получаемых результатов компьютерными средствами VR (Virtual Reality). Однако такие расчеты представляют значительную сложность и требуют большого количества исходных данных.

Немаловажным обстоятельством является также то, что стоимость указанного и других подобного рода программных комплексов достаточно велика, составляя сотни тысяч долларов. Поэтому на практике пользуются упрощенными инженерными методиками, которые в интересующих, как правило, ограниченных диапазонах при использовании ряда постоянных эмпирических коэффициентов позволяют получать результаты приемлемой точности.

В настоящее время предприятия изготовители сами осуществляют расчет и подбор струйных вентиляторов без огласки используемых методик расчета, декларируя их как «ноу-хау». В таких условиях приходится полагаться на добросовестность предприятий изготовителей, надеясь, что они не очень сильно переусердствуют в своих корыстных интересах. Более того, при отсутствии единого порядка расчетов используемые методики могут несколько отличаться по количеству учитываемых параметров, по точности расчетов и т.п.

В то же время следует иметь ввиду, что традиционные для отопления, вентиляции, кондиционирования (ОВК) методики не могут быть адекватным образом использованы для расчета систем продольной вентиляции тоннелей со струйными вентиляторами в силу специфических особенностей последних.

Так, например, расходно-напорная характеристика, на основании которой обычно выполняются расчеты вентиляционных систем, не может столь же однозначно использоваться для расчета тоннельной вентиляции в силу того, что воздушный поток через струйный вентилятор кардинальным образом отличается от воздушного потока в тоннеле, а связь между ними не является очевидной. И это при весьма незначительной величине напора.

Поэтому производители струйных вентиляторов в технической документации стали приводить иные характерные исходные данные, знание которых позволило бы осуществлять подбор необходимого оборудования. Например, некоторые производители приводят значение дальнобойности вентилятора (в метрах). Этот параметр обладает наглядностью, но при этом, не будучи привязан к конструктивным особенностям проектируемого тоннеля, вызывает большое количество вопросов относительно его правомочности. Ниже приводятся результаты осуществленной нами попытки разработать обобщенную методику расчета, пригодную для подбора струйных вентиляторов, работающих по продольной схеме.

Адекватность методики проверялась путем сопоставления получаемых результатов с таковыми, выдаваемыми в рамках технико-коммерческих предложений наиболее добросовестных производителей вентиляторов струйного типа.

Особенности предлагаемой методики сводятся к подбору вентиляторов по осевой реактивной силе (тяге) и скорости выходящего из вентилятора воздуха, а не по расходу и напору, как обычно. Первый из указанных параметров имеет ключевое значение и у добросовестных производителей подлежит выходному контролю на соответствие заявленным значениям.

Термин «осевая реактивная сила» вернулся к нам из англоязычной литературы как один из вариантов перевода на русский язык слова thrust. Другие варианты перевода могут выглядеть так: «реактивная тяга вентилятора» или просто «тяга», «импульс силы», «сила постоянного толчка» и др. Следует заметить, что последние два перевода являются крайне неудачными. Чтобы это понять, достаточно найти определение импульса в любом справочнике или учебнике по физике или механике. А термин «постоянный толчок» так же нелеп, как и «постоянный удар» или «сухая вода». После работ И.В. Мещерского и К.Э. Циолковского в конце XIX в. в русском языке для силы реакции (отдачи) струи газа, вытекающего из сопла, прочно закрепилось название «реактивная тяга» или «реактивная сила». Поэтому далее мы будем употреблять термин «тяга вентилятора».

Разумеется, зная тягу и скорость, всегда можно определить расход и напор и наоборот, но тяга и скорость лучше отражают суть продольной вентиляции тоннелей и облегчают понимание расчетов. А вот расход вентилятора в данном случае не является показательным, потому что, как мы увидим дальше, более актуальным параметром является иной воздушный поток — расход в тоннеле, причем расходы через вентилятор и через тоннель значительно отличаются и не связаны между собой простой зависимостью. Итак, расчет начинается с определения минимальных воздушных потоков, необходимых для снижения концентрации угарного газа до допустимых величин при разных значениях интенсивности дорожного движения (трафиках):

• в транспортной пробке (скорость движения транспортных средств 0 км/ч);
• при замедленном движении (скорость движения 10 км/ч);
• при нормальном движении (60 км/ч).

Выделение угарного газа одним легковым автомобилем, м /ч:

где qcoLg(УL) — выделение угарного газа [г/ч] одним легковым автомобилем, является функцией от скорости легкового транспортного средства 1^ и дорожного уклона;

кь — высотный коэффициент;

ка — коэффициент холодного пуска;

 к$ — коэффициент старения катализаторов;

Рсо — плотность угарного газа, г/м3.

Минимальный воздушный поток для снижения концентрации угарного газа, выделяемого всеми легковыми автомобилями в тоннеле, м3/с:

где — общее количество легковых автомобилей в тоннеле, является функцией от скорости транспортного средства;

[СО„б] — максимально допустимая объемная концентрация угарного газа в воздухе, в долях (одна миллионная промилле);

СО0б/ои1 — значение объемной концентрации угарного газа в атмосферном воздухе за пределами тоннеля, в долях (в сельской местности эта величина пренебрежимо мала, и обычно принимается равной нулю).

Выделение угарного газа одним грузовым транспортным средством, м3/ч:

гДе ^со^С^н) — выделение угарного газа [г/ч] одним грузовым транспортным средством, является функцией от скорости грузового транспортного средства Ун и дорожного уклона;

кь — высотный коэффициент;

кт — массовый коэффициент.

Минимальный воздушный поток для снижения концентрации угарного газа, выделяемого всеми грузовыми транспортными средствами в тоннеле, м3/с:

где -Мнт(^н) — общее количество грузовых транспортных средств в тоннеле, является функцией от скорости транспортного средства.

Общий поток воздуха, м3/с:

Тогда минимальная скорость воздушного потока для разбавления выделений угарного газа в тоннеле составит, м/с:

где Ат — площадь поперечного сечения тоннеля, м .

Минимальную скорость воздушного потока (6) следует определить для всех режимов движения. Кроме этого, следует найти расчетное значение скорости воздушного потока для дымоудаления в случае пожара в тоннеле. Эта скорость обычно задается в нормативных документах в зависимости от максимального значения расчетной или предполагаемой мощности возможного пожара.

Продолжение следует.

1. Вишневский Е.П. Проектные решения и технические средства вентиляции тоннелей // Журнал «С.О.К.», №6/2008.
2. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.