Zagrożenia w tunelach komunikacyjnych

Wentylacja wybranych obiektów podziemnych

Wykład 4

Zagrożenia w tunelach komunikacyjnych

Prof. dr hab. inż. Stanisław Nawrat Mgr inż. Sebastian Napieraj

Mgr inż. Natalia Schmidt - Polończyk

rok akademicki: 2015/2016, semestr zimowy

Zagrożenia w tunelach

Wybuch pożaru Wybuch pożaru

Wyciek toksycznych substancji Zalanie wodą

Wypadek pojazdu/ów Trzęsienie ziemi

Przekroczenie stężeń szkodliwych gazów

ZANIECZYSZCZENIA W TUNELACH

3

Problem zanieczyszczeń w tunelach

 szkodliwe gazy emitowane przez poruszające się pojazdy samochodowe lub szynowe,

 nadmierne wydzielanie się ciepła i wilgoci,

 pyły,

 wieloma innymi substancjami szkodliwymi wydzielającymi się podczas pożaru,

 długie tunele oraz powstające zatory.

Zanieczyszczenia w tunelach drogowych

Spaliny w tunelu są rezultatem pracy silników samochodowych, w których następuje zamiana energii chemicznej na

mechaniczną. Za podstawowe substancje zanieczyszczające atmosferę, emitowane przez silniki spalinowe uważa się:

• tlenek węgla CO,

• węglowodory CxHy, przy czym dotychczas w spalinach zidentyfikowano ponad 1000 różnych związków węgla z wodorem,

• aldehydy R C H O, z których największe stężenie posiada

formaldehyd - najlżejszy związek z grupy aldehydów nasyconych,

• sadza C,

• tlenki azotu NOX, przy czym tym ogólnym określeniem jest objęty tlenek azotu NO wywiązujący się w komorze spalania w wysokich temperaturach w wyniku reakcji tlenu z azotem, oraz dwutlenku azotu NO2 powstającego w wyniku utleniania tlenku azotu,

• dwutlenek siarki SO2.

Przeciętny ilościowy skład gazów spalinowych silników z zapłonem samoczynnym

6

Skład procentowy spalin silnika wysokoprężnego

7

Zanieczyszczenia w tunelach drogowych

Najbardziej niebezpiecznym składnikiem dla zdrowia i życia ludzkiego jest tlenek węgla (CO) – produkt niecałkowitego spalania węgla. Tlenek węgla działa bardzo toksycznie na organizm ludzki, głównie z powodu wysokiej zdolności wiązania się z hemoglobiną zawartą w krwi ( ok. 250 razy większej od tlenu), co w konsekwencji powoduje blokadę transportu tlenu z płuc do tkanek i jest powodem niedotlenienia, a w konsekwencji śmierci.

Ze względu na mniejszą gęstość od powietrza tlenek węgla w pomieszczeniach zamkniętych gromadzi się w górnych obszarach, jednak w spalinach CO występuje w mieszaninie z CO

co powoduje, że sumaryczna gęstość spalin jest większa od powietrza i prowadzi do kumulacji spalin w dolnych obszarach pomieszczenia.

Przy zapewnieniu warunków granicznej wartości zawartości CO, zawartość innych szkodliwych składników spalin spada

poniżej dopuszczalnej normy.

Problem zanieczyszczeń w tunelach

Emisja spalin wynikająca z ruchu pojazdów związana jest m.in. z:

 natężeniem i płynnością ruchu,

 typem silnika przejeżdżających przez tunele samochodów

 ich stanem technicznym,

 rodzajem paliwa,

 ukształtowaniem trasy.

.

Wymagania prawne

Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie

i ich usytuowanie.

Według wytycznych omawianego aktu system wentylacji w tunelu powinien przeciwdziałać przekroczeniom stężeń

zanieczyszczeń pyłowych i gazowych, które mogą zagrażać użytkownikom tunelu oraz zapewnić właściwą widoczność i

temperaturę w przestrzeni tunelu.

Wybór prawnego systemu wentylacji przewidzianej dla

odprowadzania zanieczyszczonego powietrza uzależniony jest m.in.

od długości tunelu.

Dobór parametrów wentylacji powinien zostać określony na podstawie stężenia określonego ułamkiem molowym tlenku węgla i tlenku azotu w powietrzu tunelu oraz emisji dymów ograniczających widoczność.

Dopuszczalne stężenie określone ułamkiem

molowym tlenku węgla w powietrzu

Dopuszczalne graniczne wartości

współczynnika widoczności i komfortu jazdy

Rozkład zanieczyszczeń w tunelu

drogowym z wentylacją mechaniczną

wzdłużną

Rozkład zanieczyszczeń w tunelu drogowym

z systemem wentylacji poprzecznej pełnej

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych i gazowych w tunelach drogowych

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych i gazowych w tunelu jest realizowana ze względu na zapewnienie dobrych

warunków widoczności, odpowiedniej jakości powietrza podczas eksploatacji tunelu oraz ograniczenie emisji zanieczyszczeń usuwanych z powietrzem z tunelu do atmosfery. Problem

oczyszczania powietrza wyemitowanego z tuneli jest od szeregu lat przedmiotem zainteresowania konstruktorów i naukowców.

Problem zanieczyszczenia powietrza wydostającego się z portali drogowych po raz pierwszy dostrzeżono w Japonii. W okolicach wylotów tuneli koncentracja zanieczyszczeń powietrza przekraczała dopuszczalne wartości, a tym samym wpływała na warunki życia mieszkańców. Po raz pierwszy urządzenie filtrujące zainstalowane zostało w roku 1979 w tunelu Tsuruga o długości 2,1 km w ciągu drogi ekspresowej Hokuriku. W latach osiemdziesiątych instalacje oczyszczające powietrze zastosowano w 12 kolejnych tunelach japońskich.

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych - cząstek pyłu

sadzy i dymów w tunelu przeprowadza się z wykorzystaniem filtrów elektrostatycznych (ESP). Proces oczyszczania powietrza można podzielić na trzy etapy:

 ładowanie cząstek zanieczyszczeń wykorzystując wysokie napięcie,

 naładowane cząstki zanieczyszczeń gromadzone są na elektrodach,

 cząstki usuwane są z powierzchni elektrod.

Usuwanie nagromadzonych cząstek z powierzchni elektrod, tj.

cząstki pyłu, paliw i sadzy, trudnych do usunięcia odbywa się

zazwyczaj poprzez okresowe spryskiwanie wodą, tzw. mokre ESP lub przedmuch sprężonym powietrzem, tzw. suche ESP.

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych

Elektrody budowane są w dwóch sekcjach. Pierwsza sekcja to tzw. sekcja ładowania, w której jak najszybciej

realizowany jest proces ładowania cząstek stałych

ładunkiem elektryczny. W drugiej sekcji występuje zjawisko zbierania, przyciągania cząstek przez elektrody siłami

Columba

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych

Konstrukcja elektrod elektrofiltra stosowanego w tunelach komunikacyjnych

18

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych

Urządzenia ESP stosowane w tunelach komunikacyjnych zostały przystosowane do pracy w specyficznych warunkach poprzez zaprojektowanie elektrod potrzebujących mało miejsca wykonanych z płyt ze stali nierdzewnej o grubości 0,4mm. Usuwanie nagromadzonych cząstek z powierzchni elektrod, tj. cząstki pyłu, paliw i sadzy, trudnych do usunięcia odbywa się poprzez:

- okresowe spryskiwanie wodą, tzw. mokre ESP,

- przedmuch sprężonym powietrzem, tzw. suche ESP.

Skuteczność oczyszczania powietrza zależy głównie od prędkości powietrza, składu zanieczyszczeń, wielkości cząstek ich koncentracji. Obecnie stosowane urządzenia filtrujące charakteryzują się 70-80 % wydajnością.

19

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń gazowych w tunelach drogowych

 proces neutralizacji zanieczyszczeń gazowych odbywa się w specjalnych filtrach,

 technologie usuwania NO_x wymagają oczyszczenia powietrza z cząstek stałych z powietrza przed procesem nautralizacji (stosowane zazwyczaj w zatłoczonych obszarach miast),

 jedna z metod usuwania dwutlenku azotu to absorpcja, czyli wchłanianie poprzez chemiczne przekształcanie go w KNO₂ i KNO₃ przy użyciu wodorotlenku potasu KOH, na materiale pochłaniającym,

 inna metoda neutralizacji dwutlenku azotu w tunelach

komunikacyjnych wykorzystuje materiał przypominający plaster miodu. W wyniku adsorpcji dwutlenku azotu z materiałem

nasączonym Na₂SO₄ następuje neutralizacja NO₂.

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń gazowych w tunelach drogowych

Metoda usuwania dwutlenku azotu - absorpcja, polega na wchłanianiu poprzez chemiczne przekształcanie w KNO

i KNO

przy użyciu wodorotlenku potasu KOH, na materiale pochłaniającym. Materiałem pochłaniającym jest porowata struktura z węglem aktywnym nasycona wodorotlenkiem potasu. Po okresie eksploatacji konieczna jest regeneracja materiału pochłaniającego dwutlenek azotu. Nagromadzona sól potasowa jest zmywana wodą. Wodorotlenek potasu, który nie brał udziały w reakcji neutralizacji NO

jest

neutralizowany za pomocą HCL . Natomiast w biologicznym procesie odazotowanie powstałe sole są neutralizowane do dwutlenku węgla i azotu. Materiał absorpcyjny zanim

ponownie zostanie wykorzystany do neutralizacji dwutlenku azotu jest ponownie nasycany wodorotlenkiem potasu.

Proces absorpcyjnej neutralizacji dwutlenku węgla odbywa się w temperaturze otoczenia przy ciśnieniu

atmosferycznym.

21

Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń gazowych w tunelach drogowych

Inną metodą neutralizacji dwutlenku azotu w tunelach komunikacyjnych jest wykorzystanie materiału

przypominającego plaster miodu. W wyniku adsorpcji dwutlenku azotu z materiałem nasączonym Na

SO

następuje neutralizacja NO

[29]. Wydajność obu systemów uzależniona jest od okresowej regeneracji substancji

absorbującej i adsorbującej. Technologie usuwania

dwutlenku azotu charakteryzują się wysoką efektywnością w granicach 90% przy niewielkim spadku ciśnienia.

22

Neutralizacja zanieczyszczeń powietrza w tunelach komunikacyjnych

Możliwe jest także powiązanie oczyszczania powietrza z wyniesieniem wyrzutni na znaczną wysokość. Tego typu rozwiązanie znalazło zastosowanie między innymi w tunelu w Oslo, gdzie powietrze jest usuwane dwiema wyrzutniami o wysokościach 20 i 30 m oraz dodatkowo oczyszczane z pyłów.

Problem oczyszczania powietrza wyemitowanego z tuneli jest od szeregu lat przedmiotem zainteresowania konstruktorów i naukowców.

23

Przykładny usuwania zanieczyszczeń z tuneli komunikacyjnych na świecie

Tunel Hai Van Pass, Wietnam

 długość 6,3 km i wymiary 11,5x7,5m,

 odcinek autostrady łączącej prowincję Thua Thien z Danang w centrum Wietnamu,

 w tunelu głównym znajdują się dwa pasy ruchu, wzdłuż biegnie tunel konserwacyjno-ewakuacyjny połączony z tunelem

głównym za pomocą jedenastu korytarzy,

 w tunelu zastosowano system wentylacji wzdłużnej z szybem zlokalizowanym w środkowej części tunelu,

 przy stropie tunelu umieszczono system 32 wentylatorów typu Jet-Fan wywołujących wzdłużny ruch powietrza w tunelu,

 w tunelu zainstalowano system oczyszczania powietrza z cząstek stałych składający się z trzech kawern o długości 153 m

wyposażonych w dwa wentylatory o średnicy 2600 mm i wydajności 260 m³/s każda,

 wentylatory zasysają powietrze kierując je do oczyszczalnia

przez filtr elektrostatyczny, na którym osadzają się cząstki stałe.

Wydajności systemu wynosi 80%.

Przykładny usuwania zanieczyszczeń z tuneli komunikacyjnych na świecie

Tunel Leardal w Norwegii

 długość 24 510 m,

 łączy obszar Bergen z północną Norwegią,

 wyposażony w specjalny system oczyszczający powietrze z cząstek stałych sadzy i kurzu za pomocą dwóch elektrofiltrów, zlokalizowanych w specjalnych kawernach o długości 100 m oddalonych 9,5 km od Aurland,

 Elektrofiltry zabezpieczone są poprzez filtr wstępny, składający się z 450 metalowych komór filtracyjnych o wymiarach

600x600x50 mm wykonanych z 20 warstw,

 Powietrze oczyszczane jest z dwutlenku azotu w specjalnym filtrze. Dzięki zastosowaniu systemu oczyszczania możliwe jest zmniejszenie prędkości przepływu powietrza z 5 m/s na 4 m/s.

Sprawności systemu oczyszczania wynosi 80-90%,

 wydajność oczyszczania 180m3/s przy zapotrzebowaniu na moc cieplną 360 kW,

 system wentylacji kontrolowany jest w oparciu o pomiary jakości powietrza i w zależności od potrzeby następuje intensyfikacja wymiany powietrza lub jego filtracja w stacji uzdatniania

powietrza,

 tunel przewietrzany jest za pomocą wentylacji wzdłużnej, posiada stację wentylatorową zasysającą zużyte powietrze,

 stacja wyposażona jest w dwa wentylatory o średnicy 2984 mm i łącznym wydatku 430 m³/s,

 w tunelu zamocowano 32 wentylatory strumieniowe o średnicy 1594 mm rozlokowane w pięciu grupach,

 zanieczyszczenia wywiewane są na szczyt góry Tynjadalen za pomocą tunelu technicznego o długości ok. 2100 m.

Przykładny usuwania zanieczyszczeń

z tuneli komunikacyjnych na świecie

Przykładny usuwania zanieczyszczeń

z tuneli komunikacyjnych na świecie

Schemat filtra ECCO do oczyszczania cząstek stałych – firmy AIGNER

30

Filtry w tunelu M-30 w Madrycie

31

Filtry ECCO na jednym z odcinków tunelu M-30 w Madrycie

Filtry w tunelu M-30 w Madrycie

32

Instalacja filtórw ECCO + ECCO

na odcinku By-Pass

Tunel PV3

Filtry w tunelu M-30 w Madrycie

Jonizator ze stali nierdzewnej do ładowania cząstek stałych

33

Tunel M-30 w Madrycie

34

POŻARY W TUNELACH

35

Przyczyny powstania pożaru w tunelu

 następstwo kolizji lub wypadku,

 przeniesienie się pożaru z innego źródła,

 zwarcie instalacji elektrycznej,

 nieodpowiednie obchodzenie się z materiałami łatwopalnymi,

 samozapłon przewożonego towaru,

 podpalenie,

 przegrzanie się systemu hamulcowego,

Skutki pożarów w tunelach komunikacyjnych

 rozprzestrzenianie się w tunelu zadymienia, brak widoczności,

 wysokie temperatury,

 przekroczenie dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń stałych i gazowych,

 uszkodzenie obudowy tunelu,

 wydzielanie się innych substancji szkodliwych wydzielających się podczas pożaru.

37

Pożary na świecie – wybrane przykłady

POŻAR W TUNELU Konsekwencje

Rok Długość

tunelu m Kraj

Pojazd w którym zauważono

pożar

Prawdopodobna przyczyna pożaru

trwaniaCzas pożaru

Konsekwencje w ludziach

Zniszczone pojazdy

Obudowa tunelu i instalacje

1994 Huguenot

3 914 m Południowa

Afryka Autobus z 45

pasażerami Zwarcie instalacji

elektryczne i pożar 1h 1 ofiara śmiertelna

poszkodowanych28 1 autobus Poważne uszkodzenie

tunelu

199924.

marzec

BlancMont 11 600 m

Francja- Włochy

Samochód ciężarowy z

płynną margaryną

Wyciek oleju z

silnika i pożar - 39 ofiar śmiertelnych

23 samochody ciężarowe samochodów10

osobowych 1 motocykl 2 samochody straży pożarnej

Poważne uszkodzenie

Tunnel otwarty 22.12.2001

200018

listopada Eurotunel Wielka Brytania -

Francja

samochód ciężarowy

Wyciek oleju z silnika samochodu

i pożar 7h -

samochodów,10 uszkodzenie

tunelu

Zatrzymanie ruchu przez 7

godzin

24. Oct.2001

GotthardSt.

16 918 m

SzwajcariaA 2 Samochód ciężarowy

Zderzenie czołowe dwóch

samochodów ciężarowych i

pożar

2 dni 11 ofiar śmiertelnych

samochodów13 ciężarowych

4 vany 6 samochodów

osobowych

Poważne uszkodzenie.

Tunelu, zamknięty za dwa miesiące

Pożar w tunelu drogowym Mont Blanc

Tunel Mont Blanc został zbudowany w latach 1956 – 1964 o długość 11 600 m, jako tunel z jedną jezdnią dwupasmową i ruchem

dwukierunkowym (w każdą stronę). Przez tunel prowadzi najkrótsza droga z Paryża do Rzymu. Z tego względu obsługuje on około 50 % transportu kołowego między Francją i Włochami.

39

Pożar w tunelu drogowym Mont Blanc

24 marca 1999 roku w tunelu doszło do katastrofy. Belgijska

ciężarówka Volvo znajdująca się w tunelu w odległości około 7 km od francuskiego portalu stanęła w płomieniach, blokując ruch na jednym pasie jezdni. Powodem wybuchu pożaru był żarzący się niedopałek papierosa w filtrze powietrznym samochodu. Dopiero po 9 minutach w tunelu zapaliły się czerwone światła alarmowe w związku z tym przez ten czas samochody jechały w kierunku pożaru. Pożar szybko

rozprzestrzeniał się z pojazdu na pojazd. Tunel został bardzo silnie zadymiony. Gęsty dym uniemożliwiał orientację i prowadzenie

obserwacji przez kamery. Temperatura osiągnęła nawet 1000 0C. Dla uwięzionych w samochodach ludzi, a także tych, którzy usiłowali dostać się do przejść ewakuacyjnych nie było ratunku. Po zwiększeniu

wydatku powietrza sytuacja uległa jeszcze pogorszeniu. Przez kolejne trzy dni z obu stron tunelu wydobywał się dym. W katastrofie zginęło 39 ludzi, spłonęło 7 samochodów ciężarowych i około 20 samochodów osobowych. Tunel został zamknięty na okres 3 lat.

40

Pożar w tunelu drogowym Mont Blanc Przebieg pożaru

• Wielkość ruchu w tunelu wynosiła 150 sam/godzinę (50% ciężarowych);

• Prędkość jazdy pojazdów w tunelu ok. 60 km/h;

• Belgijska ciężarówka (chłodnia) była załadowana mąką i margaryną a także posiadała materiały palne w zbiorniku pojazdu – 1000 l oleju napędowego;

• Kontrola samochodów i ładunku

przeprowadzona przez francuską policję, nie wykazała nic szczególnego;

41

Pożar w tunelu drogowym Gotthard

Tunel Alp Transit Gotthard jest jednym z głównych drogowych punktów tranzytowych między północą i południem Alp. Został

otwarty w 1980 roku. Jego długość wynosi 16 918 m. Każdego dnia tunelem przejeżdżało średnio 19000 pojazdów.

24 października 2001 r. wybuchł pożar 2 km od południowego wjazdu do tunelu. Przyczyną pożaru było zderzenie dwóch ciężarówek. Ogień rozszerzył się na długości kilkuset metrów.

Zawaliła się część sklepienia tunelu. Tunel uległ zadymieniu, temperatura ogniska pożaru sięgała ponad 1000 ⁰C. Ratownicy gasząc pożar, zdołali obniżyć temperaturę do 200 ⁰C.

Po wystąpieniu pożaru natychmiast podjęto akcję ewakuacji ludzi z tunelu. Większość użytkowników zdołała sama opuścić tunel, zawracając samochody albo uciekając do biegnącego równolegle tunelu ewakuacyjnego. Wiele osób zostało rannych lub zmarło z powodu zatrucia gazami toksycznymi (11 osób). W skutek

uszkodzeń powstałych w czasie pożaru tunel został zamknięty na kilka miesięcy.

42

Pożar w Eurotunelu

Pożar w Eurotunelu wybuchł 18 listopada1996 r., kiedy pociąg wahadłowy wjechał do tunelu ze składem wagonów. W nich zapalił się samochód.

43

Pożar w Eurotunelu Rozwój pożaru

1. Ogień pożaru został przeniesiony w czasie jazdy do sąsiednich wagonów,

2. Temperatura pożaru osiągnęła 1000 ºC;

3. Pożar spowodował poważne uszkodzenia 46 m tunelu w miejscu, gdzie nastąpiło

zatrzymanie pociągu, a zasięg różnych uszkodzeń objął dalsze 500 m.

44

Spalony wagon po pożarze w Eurotunelu

45

6 Sierpień 2001 –Austria. Po zderzeniu czołowym samochodu ciężarowego z osobowym. W wyniku pożaru 5 osób uległo wypadkom śmiertelnym, a cztery wypadkom ciężkim.

46

Pożar w tunelu Gleinalm

4 czerwca 2005 we Francji W tunelu Frejus (13 km)

ciężarówka przewożąca opony zapaliła się. Dwie osoby zginęły siedem zatruło się tlenkiem

węgla.

47

Pożar w tunelu Frejus

16.05.2011r. - tunel, którym przebiega odcinek

Wisłostrady został zablokowany po tym, jak w tunelu zapalił się samochód. Tunel został zamknięty,

ponieważ doszło do dużego zadymienia.

48

Pożar w tunelu Wisłostrada