Modelowanie komputerowe dla oceny zagrożenia pożarowego i bezpieczeństwa w tunelach komunikacyjnych

Modelowanie komputerowe dla oceny zagrożenia pożarowego i bezpieczeństwa w tunelach komunikacyjnych Stanisław Nawrat, Natalia Schmidt, Sebastian Napieraj AGH Akademia Górniczo Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geologii, Katedra Górnictwa Podziemnego STRESZCZENIE: W ostatnich latach znacznie wzrosło zapotrzebowanie na usługi transportowe krajowe i międzynarodowe, co wpłynęło w sposób bezpośredni na rozwój komunikacji drogowej i kolejowej na świecie. Bardzo ważnym problemem jest zapewnienie bezpieczeństwa w zakresie eksploatacji tuneli a szczególnie w aspekcie zagrożenia pożarami. W artykule przedstawiono możliwości zastosowania programów grupy CFD do zasymulowania pożaru w przykładowym tunelu. Programy komputerowe, oraz symulacje wykonywane za ich pomocą, pomagają ustalać drogi ewakuacji pasażerów, czas reakcji służb ratowniczych, przewidywać rozkład temperatury w tunelu itp. 1. WPROWADZENIE W ostatnich latach w Świecie i w Polsce nastąpił duży rozwój komunikacji zwłaszcza samochodowej, której podstawowym elementem są sieci dróg. Drogi w zależności od klasy muszą spełniać odpowiednie parametry np. nachylenia. Dla przejścia przez przeszkody terenowe (góry, rzeki itp.,) budowane są tunele o coraz większych długościach (długość najdłuższego tunelu drogowego Leardal w Norwegii wynosi ponad 24 km). Tunele ułatwiają także połączenia drogowe przez silnie zurbanizowane tereny miast oraz mogą być wykorzystywane do ochrony środowiska naturalnego przez ograniczenie emisji hałasu i zanieczyszczeń gazowych. Z drugiej strony tunele są miejscem, gdzie może dochodzić do kolizji drogowych o dużych skutkach wypadkowych, prowadzących także do powstania pożarów, których skutki dla użytkowników mogą być katastrofalne. W ostatnich latach zaistniało wiele pożarów w tunelach o różnych skutkach dla ich użytkowników i dla konstrukcji tunelu i tak pożar w 1999r. w tunelu Mont Blanc spowodował śmierć 41 ludzi. To tragiczne zdarzenie 155

spowodowało wiele podstawowych zmian w projektowaniu wentylacji i bezpieczeństwa w tunelach komunikacyjnych. Zmiany te znalazły także odzwierciedlenie w przepisach budowlanych, komunikacyjnych krajowych i Unii Europejskiej [1], [7], [8], [9], [10]. W związku z tym bardzo ważnym zagadnieniem jest dokonanie oceny stanu zagrożenia pożarowego i możliwości ewakuacji użytkowników już na etapie projektowania tuneli, którą można dokonać stosując metody modelowania, zwłaszcza modelowania matematycznego przy wykorzystania techniki komputerowej. 2. ZAGROŻENIE POŻAROWE Pożary w tunelach komunikacyjnych stanowią realne zagrożenie dla ludzi, pojazdów i konstrukcji obiektów budowlanych o czym świadczą zdarzenia z ostatnich lat. Pożar w tunelu drogowym Mont Blanc W dniu 24 marca 1999 roku w tunelu doszło do pożaru i katastrofy. Samochód ciężarowy uległ zapaleniu w tunelu w odległości około 7 km od francuskiego portalu (długość tunelu 11,6km). Pożar szybko rozprzestrzeniał się, tunel został bardzo silnie zadymiony. Gęsty dym uniemożliwiał orientację i prowadzenie obserwacji przez kamery. Po zwiększeniu wydatku powietrza sytuacja w zakresie zadymienia i widoczności uległa jeszcze pogorszeniu. W katastrofie 41 osób uległo wypadkom śmiertelnym, spłonęło 35 samochodów. Tunel został zamknięty na okres dwóch lat z powodu uszkodzenia obudowy na odcinku 900m i stwierdzenia poważnych nieprawidłowości w systemie wentylacyjnym. Pożar w tunelu Gleinalm W dniu 6 sierpnia 2001 w Austrii doszło do wybuchu pożaru w połowie długości tunelu drogowego (długość tunelu 8km) po zderzeniu czołowym samochodu ciężarowego z osobowym. W wyniku pożaru 5 osób uległo wypadkom śmiertelnym, a cztery wypadkom ciężkim. Pożar w tunelu Frejus W dniu 4 czerwca 2005 we Francji w tunelu Frejus (13 km, otwarty w 1980r.) na autostradach A43 i A32 pomiędzy Chambery (Francja) i Turin (Włochy) ciężarówka przewożąca opony zapaliła się. Ogień rozprzestrzenił się na dwie kolejne ciężarówki. Dwie osoby zginęły, siedem zatruło się dymem. Pożar w tunelu Wisłostrada, W dniu16 maja 2011r. tunel, którym przebiega odcinek Wisłostrady został zablokowany po tym, jak w tunelu zapalił się samochód. Pożar został ugaszony. W akcji uczestniczyło 156

15 strażaków. W samochodzie doszło do samozapłonu. Kierowca zdążył opuścić pojazd, nie ucierpiał w tym zdarzeniu. Tunel został zamknięty, ponieważ doszło do dużego zadymienia. Strażacy pracowali w maskach. Tunel na Wisłostradzie przebiega w rejonie Mostu Świętokrzyskiego, jest to najdłuższy tunel drogowy w Polsce - ma ok. 900 metrów długości. 3. WENTYLACJA TUNELI Tunele komunikacyjne z punktu widzenia wentylacji są definiowane, jako zamknięte przestrzenie naziemne, podziemne, jak i podwodne, przez które przemieszczają się pojazdy i ludzie oraz przepływa powietrze w wyniku, czego zachodzi szereg nieraz skomplikowanych procesów z zakresu: dynamiki gazów, wymiany ciepła, propagacji dymów pożarowych, oraz zanieczyszczeń stałych i gazowych dla stanów ustalonych jak i nieustalonych. Przepływ powietrza w tunelach może następować pod wpływem depresji: naturalnej, mechanicznej. Na ruch powietrza w tunelach ma także wpływ "tłokowe" oddziaływanie poruszających się pojazdów zależne od relacji pomiędzy przekrojem tunelu i sumą przekrojów poprzecznych pojazdów oraz od kierunku i prędkości ich jazdy. Podstawowe wymagania dotyczące budowy, eksploatacji i bezpieczeństwa w tunelach komunikacyjnych zostały określone w Rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie. W przypadku wykonywania robót przy zastosowaniu technik i technologii górniczych zastosowanie mają przepisy określone w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 25 czerwca 2010 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych. Uwzględniając stan techniki wentylacyjnej i wymagania przepisów można wyróżnić następujące systemy wentylacji tuneli: wzdłużne: wentylacja naturalna, wentylacja naturalna z szybem, wentylacja naturalna z wentylatorami, wentylacja mechaniczna, 157

system Saccardo Nozzle, poprzeczne: wentylacja mechaniczna półpoprzeczna przyspągowa, wentylacja mechaniczne półpoprzeczna przystropowa, wentylacja pełna mechaniczna poprzeczna, mieszane, specjalne. Tunele komunikacyjne są przewietrzane przy zastosowaniu różnych systemów w zależności od warunków technicznych, natężenia ruchu oraz stopnia zagrożenia pożarowego i zanieczyszczenia powietrza. 3.1. Systemy wentylacji wzdłużnej W systemach wentylacji wzdłużnej powietrze płynie w kierunku zgodnym z osią tunelu od portalu wlotowego do portalu wylotowego, głównie pod wpływem działania depresji naturalnej lub depresji naturalnej i mechanicznej. Mogą występować modyfikacje systemów w przypadkach wykonania dodatkowych połączeń z powierzchnią terenu np. szybów skracających odcinki tunelu z wentylacją wzdłużną. Wentylacja naturalna wzdłużna W systemie wentylacji naturalnej wzdłużnej (rys. 1.) przepływ powietrza wywołany jest głównie depresją naturalną powstająca w wyniku różnicy gęstości powietrza występujących na portalach wlotowym i wylotowym tunelu. Wielkość wydatku strumienia powietrza w tunelu jest zależna także od natężenia i kierunku wiatru oraz tłokowego oddziaływania przejeżdżających pojazdów [2]. Depresja naturalna może powodować przepływ powietrza w różnych kierunkach w tunelu: od portalu wlotowego do przekroju portalu wylotowego, od portali wlotowych do szybu, od szybu do portali wylotowych. 158

Rys. 1. Wentylacja naturalna wzdłużna [3] Fig. 1. Natural ventilation system [3] W przypadku stosowania wentylacji naturalnej może występować duża zmienność stanów przewietrzania (wydatku strumienia powietrza i kierunku) powodująca występowanie trudności w ustabilizowaniu kierunków powietrza w tunelach, co szczególnie jest ważne w przypadkach zagrożenia pożaru. Koncentracje zanieczyszczeń powietrza narastają w kierunku portalu wylotowego. Wentylacja naturalna wzdłużna z szybem W przypadkach tuneli o średniej długości lub znacznego natężenia ruchu pojazdów w celu zwiększenia wielkości strumienia powietrza, a także umożliwienia usuwania zanieczyszczeń powietrza, stosuje się dodatkowo połączenia tunelu z powierzchnią terenu za pomocą szybu lub szybów. Zastosowanie więcej niż jednego szybu może spowodować wystąpienie zaburzeń w wentylacji tunelu np. zmiany kierunku przepływającego powietrza. Koncentracje zanieczyszczeń powietrza narastają od portali wlotowych w stronę szybu. Wentylacja wzdłużna z wentylatorami Wentylacja wzdłużna naturalna z wentylatorami jest stosowana głownie w tunelach o małych i średnich długościach [4], oraz w przypadku występowania dużych koncentracji zanieczyszczeń powietrza (rys. 2.). Najczęściej wentylatory są umieszczane pod stropem tunelu w grupach w odstępach około 50 200m. 159

Rys. 2. Wentylacja wzdłużna wspomagana wentylatorami [3] Fig. 2. Longitundial with jet fans ventilation system [3] Wentylatory umożliwiają okresowe lub stałe zwiększenie przepływu powietrza w tunelu, który pozwala ograniczyć wysokie koncentracje zanieczyszczeń w powietrzu. 3.2. Wentylacja mechaniczna poprzeczna W systemach wentylacji poprzecznej działających głównie pod wpływem depresji mechanicznej powietrze doprowadzane jest do tunelu poprzez kanały dolotowe umieszczone zazwyczaj pod jezdnią, a odprowadzane przez kanały wylotowe umieszczone zazwyczaj pod stropem tunelu. Ruch powietrza odbywa się zatem w kierunku poprzecznym do osi tunelu. Przy czym mogą wystąpić różnorodne modyfikacje systemu wynikające z uwarunkowań lokalnych [5]. Wentylacja mechaniczna półpoprzeczna przyspągowa W systemie wentylacji mechanicznej półpoprzecznej przyspągowej powietrze jest doprowadzane do wnętrza tunelu kanałami przyspągowymi i rozdzielane odpowiednio na całej długości tunelu za pomocą regulowanych otworów wentylacyjnych umieszczonych w niewielkiej wysokości od poziomu jezdni. Wentylacja półpoprzeczna przyspągowa zapewnia jednolity rozdział powietrza na całej długości tunelu. 160

Usytuowanie wylotów powietrza do tunelu w pobliżu jezdni tunelu umożliwia szybkie mieszanie się spalin z powietrzem od razu po wydostaniu się ich z układu wydechowego pojazdów. Wentylacja mechaniczna półpoprzeczna przystropowa Cechą charakterystyczną wentylacji mechaniczna półpoprzecznej przystropowej jest to, że powietrze wpływa do tunelu poprzez portale a zanieczyszczone powietrze jest odprowadzane poprzez otwory do kanału lub kanałów wentylacyjnych znajdujących się w przystropowej części tunelu. Przy zastosowaniu takiego rozwiązania największa koncentracja zanieczyszczeń występuje przy stropie tunelu. [6] W przypadku pożaru można otworzyć otwory wentylacyjne usytuowane w bezpośredniej bliskości miejsca pożaru by w ten sposób umożliwić odprowadzanie dymów i gazów pożarowych do kanałów wentylacyjnych i uniemożliwić rozprzestrzenianie się dymów i gazów na większej długości tunelu, a w innych miejscach tunelu pozwala zwiększyć intensywność przewietrzania dla rozrzedzenia dymu i gazów. Wentylacja mechaniczna poprzeczna pełna System wentylacji mechanicznej poprzecznej pełnej (rys. 3.) jest połączeniem wentylacji półpoprzecznej przyspągowej i wentylacji półpoprzecznej przystropowej. Do tunelu powietrze jest doprowadzane przez kanał lub kanały i wtłaczane poprzez otwory rozmieszczone przy spągu, natomiast zanieczyszczone powietrze z tunelu odprowadzane jest przez otwory i kanały rozmieszczone w części stropowej tunelu. Wentylacja mechaniczna poprzeczna pełna zazwyczaj jest stosowana dla przewietrzania długich tuneli i zagrożonych dużymi ilościami zanieczyszczeń stałych i gazowych. System ten zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa szczególnie w przypadkach wystąpienia zagrożenia pożarowego. 161

Rys. 4. Wentylacja mechaniczna poprzeczna pełna [3] Fig. 4. Transverse ventilation system [3] 4. MODELOWANIE POŻARU W TUNELU Dla naukowców i praktyków bardzo ważna jest znajomość przebiegów w czasoprzestrzeni procesów zjawisk fizycznych występujących w przyrodzie, technice i technologiach. Kompleksowe badanie tych przebiegów jest bardzo trudne, a niekiedy nawet niemożliwe. Modelowanie jest metodą naukową pozwalająca badać parametry danego procesu zjawisk występujących w przyrodzie poprzez zastąpienie go uproszczonym układem, który odzwierciedla jedynie wybrane cechy procesu. Procesy proste można modelować fizycznie. Badania eksperymentalne procesów są bardzo trudne i kosztowne, ale zapewniają bardzo duże podobieństwo w stosunku do stanu rzeczywistego. Procesy skomplikowane można modelować jedynie matematycznie, zwłaszcza przy wykorzystaniu techniki komputerowej. Modelowanie matematyczne jest znacznie tańsze od fizycznego. Badania modelowe pozwalają także badać wpływ symulowanych zmian parametrów modelu i przenosić wyniki badań na procesy i obiekty rzeczywiste. W tunelach przebiegi zjawisk fizycznych są trudne lub niemożliwe do zbadania w sposób eksperymentalny zwłaszcza związane z zagrożeniami naturalnymi, procesami wentylacyjnymi i pożarami zarówno dla stanów ustalonych jak i nieustalonych. Zjawiska te mogą być badane poprzez zastosowanie metod modelowania matematycznego zwłaszcza przy 162

wykorzystaniu komputerowej techniki obliczeniowej. Metody te różnią się dokładnością opisu matematycznego modelu i procesów fizyczno-chemicznych zjawisk. Dla zbadania wpływu różnych systemów wentylacji tuneli na stan zagrożenia pożarowego i możliwości ewakuacji użytkowników, zostały przeprowadzone badania modelowe dla teoretycznego - modelowego tunelu. Dla oceny zagrożenia pożarowego w tunelu zastosowano program bazujący na metodzie CFD (Computational Fluid Dynamics CFD - Obliczeniowa Mechanika Płynów). CFD to metoda umożliwiająca przeprowadzanie szczegółowej analizy zagadnień związanych z przepływem płynów. Jednym z programów CFD jest Fire Dynamics Simulator opracowany przez Amerykańską Agencję Rządową Building and Fire Research Laboratory, wchodząca w skład National Institute of Standards and Technology. Program ten pozwala na wykonanie bardzo zaawansowanych symulacji pożarów i innych zdarzeń wentylacyjnych. FDS pozwala także wyznaczać dla danego układu przestrzeni i każdego wybranego jej przekroju, w konkretnych przedziałach czasowych, m.in. takie parametry jak: temperatura, ciśnienie i gęstość gazów, prędkość i stężenie gazów, a także przepływ ciepła. Program bazuje na równaniach Naviera-Stokesa, odpowiednich dla powolnych przepływów wywołanych ciągiem powstałym pod wpływem depresji pożaru ze szczególnym uwzględnieniem transportu dymu i ciepła. FDS jest doskonałym narzędziem przeznaczonym do szczegółowej analizy zagrożeń pożarowych i rozwiązywania problemów związanych z inżynierią bezpieczeństwa pożarowego i wentylacją. Program ten, w zakresie zagadnień związanych z bezpieczeństwem pożarowym, można stosować do modelowania między innymi następujących zjawisk: 1. transportu ciepła i produktów spalania powstałych na skutek pożaru, 2. wymiany ciepła poprzez promieniowanie i konwekcję, 3. rozprzestrzeniania się płomieni oraz rozwoju pożaru. Możliwości FDS pozwalają na wykorzystanie tego programu do opracowania analizy bezpieczeństwa pożarowego obiektów w tym tuneli komunikacyjnych. Analizie mogą zostać poddane w szczególności parametry jak: 1. zasięg widzialności, 2. temperatura w obszarze przebywania ludzi, 3. bezpieczeństwo konstrukcji, 4. stężenie gazów jak np. CO itp. 163

4.1. Założenia modelu tunelu Dla oceny zagrożenia pożarowego w tunelach o rożnych systemach wentylacji przeprowadzono badania modelowe dla tunelu o następujących parametrach: długość tunelu 2000 m, przekrój prostokątny 84 m 2, tunel poziomy od portalu A do portalu B, wymiary wysokość/szerokość 6 m/14m. Dodatkowo dla tunelu z wentylacją poprzeczną pełną uwzględniono zainstalowanie wyjść ewakuacyjnych w odstępach co 200m wzdłuż tunelu. W modelu przeprowadzono analizę wystąpienia w ½ długości tunelu pożarów o mocach cieplnych 25MW, 50MW, 75MW i 100MW. Materiałem palnym jest paliwo i inne elementy konstrukcyjne dla których przyjęto krzywą dynamiki rozwoju pożaru wg. RABT rys. 5. 1400 1200 Temperatura [C] 1000 800 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Czas [min] Rys. 5. Krzywa dynamiki rozwoju pożaru wg. RABT [10] Fig. 5. Fire curve RABT [10] Badania modelowe przeprowadzono dla trzech przypadków: systemu wentylacji wzdłużnej naturalnej, systemu wentylacji wzdłużnej z wentylatorami, 164

systemu wentylacji poprzecznej. 4.2. Modelowanie wystąpienia pożaru w tunelu z wentylacją wzdłużną naturalną Wyniki przeprowadzonych badań modelowych zadymienia po czasie 4500s dla wentylacji wzdłużnej przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Zadymienie tunelu wentylacja naturalna Fig. 6. Smoke distribution in tunnel natural ventilation system Z przedstawionej symulacji wynika, że rozprzestrzenianie się dymów następuje w całym tunelu, w związku z czym wszyscy użytkownicyy tunelu są narażeni na niebezpieczeństwo. W związku z tym, że układ wentylacji wzdłużnej naturalnej, nie ma możliwości kontroli parametrów wentylacyjnych system ten w przypadku powstania pożaru w tunelu długim, 165

może stwarzać zagrożenie dla użytkowników. Głównymi czynnikami wpływającymi na zmianę kierunku powietrza są warunki atmosferyczne (różnica ciśnień, napór wiatru) i depresja pożaru. W czasie pożaru będzie następowało znaczne narastanie temperatury, co będzie dużym zagrożeniem dla ewakuacji użytkowników oraz dla konstrukcji tunelu. Zadymienie w przedstawionej symulacji rozprzestrzeniało się w obydwu kierunkach, co uniemożliwia sprawną ewakuację użytkowników oraz dojście służb ratowniczych do ogniska pożaru w celu jego ugaszenia. 4.2. Pożar w tunelu z wentylacją wzdłużną wspomaganą depresją mechaniczną Wentylacja wzdłużna naturalna z wentylatorami strumieniowymi jest stosowana głownie w tunelach o małych i średnich długościach, oraz w przypadku występowania dużych koncentracji zanieczyszczeń powietrza. W modelu przyjęto zastosowanie 4-ech wentylatorów podwieszanych o wydatku 10m 3 /s każdy, rozmieszczonych co 100m wzdłuż tunelu. Wyniki przeprowadzonych badań modelowych dla wentylacji wzdłużnej przedstawiono na: rys. 7. 166

Rys. 7. Zadymienie przy portalach tunelu wentylacja wzdłużna z wentylatorami Fig. 7. Smoke distribution in tunnel longitundial ventilation system 4.3. Pożar w tunelu z wentylacją poprzeczną W systemach wentylacji poprzecznej działających pod wpływem depresji mechanicznej, powietrze w przekrojach dolotowych i wylotowych płynie w kierunku poprzecznym w stosunku do osi tunelu, natomiast pomiędzy tymi przekrojami przepływ powietrza jest wzdłużny, przy czym mogą wystąpić różnorodne modyfikacje systemu wynikające z uwarunkowań lokalnych. 167

W systemie wentylacji poprzecznej powietrze zawierające zanieczyszczania stałe i gazowe jest odprowadzane przez kanały wylotowe znajdujące się przy stropie, a powietrze świeże jest doprowadzane przez kanały wlotowe rozmieszczone przy spągu. Wentylacja mechaniczna poprzeczna pełna zazwyczaj jest stosowana dla przewietrzania długich tuneli i zagrożonych dużymi ilościami zanieczyszczeń stałych i gazowych. System ten zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa szczególnie w przypadkach wystąpienia zagrożenia pożarowego. Podczas projektowania wentylacji poprzecznej pełnej zazwyczaj zakłada się istnienie dwóch równoległych komór tunelu, z których w czasie pożaru jedna (w której nie zaistniał pożar) traktowana jest jako droga ewakuacyjna dla użytkowników tunelu z komory w której zaistniał pożar. Wyniki przeprowadzonych badań modelowych dla wentylacji wzdłużnej przedstawiono na rys. 8. Rys. 8. Zadymienie przy portalach tunelu wentylacja poprzeczna pełna Fig. 8. Smoke distribution in tunnel transverse ventilation system 168

5. MODELOWANIE EWAKUACJI UŻYTKOWNIKÓW TUNELU Podczas pożaru zazwyczaj podejmowana jest samoistna próba wycofywania się użytkowników tunelu ewakuacja ludzi, której sprawność i możliwości trudno ocenić, gdyż zależy ona od wielu czynników technicznych, ludzkich, organizacyjnych itp. Najważniejszym sposobem oceny możliwości ewakuacji użytkowników jest przeprowadzenie ćwiczeń praktycznych. Natomiast w fazie projektowania niezbędne jest bazowanie na programach symulujących ewakuację. Dzięki współpracy dwóch instytutów naukowo-badawczych, National Institute of Standards and Technology (NIST) oraz fińskiego VTT Technical Research Centre, został opracowany model obliczeniowy parametrów ewakuacji ludzi z obszarów objętych pożarem. Program ten o nazwie FDS+EVAC oparto o modele matematyczne zawarte w programie FDS. Po uzyskaniu zadanych w programie FDS obliczeń w zakresie wentylacyjnym (rozprzestrzeniania się pożaru), możliwe jest dokonanie symulacji ewakuacji użytkowników tunelu znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie zagrożonych obszarów, ze szczególnym uwzględnieniem prędkości przemieszczającego się tłumu w założonej geometrii obiektu, oddziaływania dymu, toksycznych produktów spalania oraz ciepła na ewakuujące się osoby, zachowania się ludzi w warunkach pożaru. Wizualizacji wyników obliczeń przeprowadzonych za pomocą programu FDS+EVAC dokonuje się przy użyciu programu Smokeview. Dla przedstawionego modelu założono, że: ilość użytkowników w tunelu wynosi 2000, ewakuacja użytkowników tunelu następuje przez portale A i B, ewakuacja użytkowników rozpoczyna się w od 1 do 5 minuty po wystąpieniu pożaru. Założono, że użytkownikami tunelu są osoby dorosłe, prędkość poruszania się ewakuowanych osób podczas ewakuacji wynosi 1.25±0.30m/s. Podczas ewakuacji w zadymieniu prędkość poruszania się ewakuowanych osób wynosi 0,2m/s. Wybrane wizualizacje ewakuacji użytkowników tunelu przedstawiono na rys 9a, 9b, i 9c. 169

Rys. 9a. Wizualizacje ewakuacji użytkowników tunelu dla tunelu z systemem wentylacji naturalnej, przy symulacji wystąpienia pożaru o mocy 100MW Fig 9a. Visualization of tunnel users evacuation, the tunnel with natural ventilation system, the simulation of a fire with a capacity of 100 MW Rys. 9b. Wizualizacje ewakuacji użytkowników tunelu dla tunelu z systemem wentylacji wzdłużnej z wentylatorami, przy symulacji wystąpienia ą pożaru o mocy 100MW Fig 9b. Visualization of tunnel users evacuation, the tunnel with longitundial ventilation system, the simulation of a fire with a capacity of 100 MW Rys. 9c. Wizualizacje ewakuacji użytkowników tunelu dla tunelu z systemem wentylacji poprzecznej, przy symulacji wystąpienia pożaru o mocy 100MW Fig. 9c. Visualization of tunnel users evacuation, the tunnel with transverse ventilation system, the simulation of a fire with a capacity of 100 MW 170

Symulacja ewakuacji użytkowników tunelu wykazała, że czas ewakuacji z tunelu z wentylacją: 1. wzdłużną dla mocy pożaru 25MW, 50MW, 75MW, 100MW wynosi odpowiednio 83min, 89min, 91min, 93min, 2. wzdłużną z wentylatorami wynosi dla mocy pożaru 25MW, 50MW, 75MW, 100MW wynosi odpowiednio 91min, 95min, 96min, 99min, 3. poprzeczną wynosi dla mocy pożaru 25MW, 50MW, 75MW, 100MW wynosi odpowiednio 6min, 7min, 7min, 7min. Czas ewakuacji użytkowników z tunelu został przedstawiony na rys. 10. Podczas ewakuacji tunelu spowodowanej wystąpieniem pożaru, użytkownicy poruszają się w zadymieniu. Przy wystąpieniu pożaru o mocy 50MW do przestrzeni tunelu wydziela się ok. 150m 3 spalin na sekundę, zawartość tlenu w powietrzu zmniejsza się, zawartość gazów jak tlenek węgla zwiększa się. Program FDS+EVAC pozwala oszacować liczbę osób, które dla warunków symulowanego zagrożenia ulegną wypadkom śmiertelnym. Dla przeprowadzonych symulacji wystąpienia pożaru uzyskano następujące wyniki: w przypadku wentylacji wzdłużnej i wystąpieniu pożaru o mocy cieplnej 25MW i 50MW nie wystąpią wypadki śmiertelne, przy wystąpieniu pożaru o mocy cieplnej 75MW i 100MW mogą wystąpić odpowiednio 1 i 2 wypadki śmiertelne, w przypadku wentylacji wzdłużnej z wentylatorami i wystąpieniu pożaru o mocy cieplnej 25MW i 50MW nie wystąpią wypadki śmiertelne, przy wystąpieniu pożaru o mocy cieplnej 75MW i 100MW mogą wystąpić odpowiednio 2 i 4 wypadki śmiertelne, w przypadku zastosowaniu systemu wentylacji poprzecznej pełnej oraz wyjść ewakuacyjnych rozmieszczonych w tunelu co 200m nie wystąpią wypadki śmiertelne rys. 11. Należy zaznaczyć, że przyjęte założenia modelowe nie uwzględniają wszystkich cech osobowych i indywidualnych osób korzystających z tunelu a uzyskane wyniki są szacunkowe, niemniej jednak dają obraz skali zagrożenia, które może wystąpić podczas pożaru w tunelu. 171

Czas ewakuacji [min] 120 100 80 60 40 20 0 91 95 96 99 89 91 93 83 6 7 7 7 25MW 50MW 75MW 100MW Moc cieplna pożaru [MW] naturalna wzdłużna + wentylatory poprzeczna Rys. 10. Czas ewakuacji w zależności od mocy pożaru oraz zastosowanego systemu wentylacji Liczba wypadków śmiertelnych 5 4 3 2 1 0 4 2 2 1 0 0 0 0 25MW 50MW 75MW 100MW Moc cieplna pożaru [MW] naturalna wzdłużna + wentylatory poprzeczna Rys. 11. Ilość wypadków śmiertelnych w zależności od mocy cieplnej pożaru oraz zastosowanego systemu wentylacji 172

6. STWIERDZENIA I WNIOSKI Przedstawiony materiał pozwala na sformułowanie następujących stwierdzeń i wniosków: 1. W tunelach komunikacyjnych pomimo stosowania szeregu różnorodnych środków i zabezpieczeń istnieje stan potencjalnego zagrożenia pożarowego. 2. W fazie projektowania należy określić poziom ryzyka zagrożeniem pożarowym, które powinno być jednym z podstawowych czynników decydującym o strukturze i konstrukcji tunelu, systemie wentylacji, sposobie ewakuacji ludzi, systemach kontroli i sterowania parametrami wentylacji oraz zarządzaniu ruchem w czasie normalnej eksploatacji i w sytuacjach awaryjnych np. pożaru. 3. Skomplikowane systemy wentylacji bardzo często są przyczyną powstawania trudności w opanowaniu pożaru zwłaszcza w pierwszej chwili jego zaistnienia np. pożar w tunelu Mont Blanc. 4. Szybkie i sprawne opanowanie zagrożenia pożarowego szczególnie w zakresie ewakuacji ludzi wymaga stosowania w tunelach automatycznych systemów bezpieczeństwa obejmujących: monitorowanie lokalizacji powstania pożaru, parametrów powietrza oraz dymów i gazów pożarowych, sterowanie urządzeniami wentylacyjnymi, zarządzanie ruchem pojazdów, ewakuacją ludzi i akcją przeciwpożarową. 5. Określony przez Dyrektywę Komisji Unii Europejskiej system klasyfikacji tuneli komunikacyjnych pod kątem bezpieczeństwa determinuje, w sposób kompleksowy, podstawowe wymagania techniczne i technologiczne. 6. W celu sprawdzenia i oceny stanu bezpieczeństwa dla tuneli komunikacyjnych powinny być przeprowadzane audyty przez specjalistyczne jednostki nadzoru budowlanego, przeciwpożarowego i technicznego. 7. Konieczne są dalsze badania teoretyczne i doświadczalne, które powinny doprowadzić do wypracowania jednolitych kryteriów oceny stanu bezpieczeństwa w tunelach. 8. Bardzo ważną rolę w badaniu przebiegów procesów w przyrodzie i technice odgrywa modelowanie eksperymentalne i matematyczne. 9. Duży postęp w modelowaniu matematycznym uzyskano przez szerokie zastosowanie techniki komputerowej. 173

10. Istnieje wiele programów komputerowych umożliwiających modelowanie matematyczne różniących się kompleksowością opisu zjawisk i dokładnością rozwiązań. 11. Szerokie zastosowanie modelowania komputerowego pozwoli badać wiele procesów w wentylacji tuneli komunikacyjnych a w szczególności związanych z: zagrożeniami naturalnymi, badaniem przepływów powietrza dla stanów nieustalonych i ustalonych, przepływami powietrza i gazów, rozwoju pożarów, zagrożeniem cieplnym i klimatyzacją. 12. Przeprowadzone symulacje potwierdzają szybkie rozprzestrzenianie się dymów i gazów pożarowych, co jest zgodne ze stanem rzeczywistym. 13. Przedstawiony w artykule materiał potwierdza możliwości zastosowania badań modelowych, zwłaszcza programów grupy CFD dla analizy różnych procesów wentylacyjnych w tym rozwoju pożarów. 14. Z przeprowadzonych badań modelowych wynika, że najwyższe warunki bezpieczeństwa użytkowników mogą być zapewnione w tunelach, w których zastosowano wentylację poprzeczną. 15. Badania modelowe potwierdzają wymogi prawne określone w Dyrektywie Unii Europejskiej (tunele o długości ponad 2 km powinny posiadać wentylację poprzeczną) i wymagania Polskie (w tunelach o długości większej niż 1 km powinna być zastosowania wentylacja poprzeczna mechaniczna). LITERATURA [1] Dyrektywa 2004/54 WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 roku w sprawie minimalnych wymagań bezpieczeństwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej. [2] Nawrat S., Napieraj S., 2004, Tunele komunikacyjne : stan i perspektywy, Budownictwo Górnicze i Tunelowe. [3] Nawrat S., Napieraj S., 2005 Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych,: Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH,. Kraków [4] Nawrat S., Napieraj S., 2005, Zagrożenie pożarowe i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych, Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej, 174

[5] Nawrat S., Napieraj S., 2005, Wentylacja tuneli komunikacyjnych Budownictwo Górnicze i Tunelowe. [6] Nawrat S., Napieraj S., 2005, Systemy bezpieczeństwa w tunelach komunikacyjnych drogowych Budownictwo Górnicze i Tunelowe. [7] PIARC World Road Association pt. Roads Tunnels: Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation. [8] Rozporządzenie nr 735 Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 63 poz. 735 z dnia 3 sierpnia 2000r.). [9] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 października 2008 roku w sprawie dokumentacji bezpieczeństwa tunelu (Dz. U. z dnia 30 października 2008 r.). [10] Wytyczne dotyczące wyposażenia i eksploatacji tuneli drogowych RABT 2008 Richtlinien fuer die Austattung und den betrieb von Strassentunneln. USING COMPUTER MODELING TO ASSESS FIRE RISK AND TRAFFIC SAFETY IN TUNNELS ABSTRACT: In last year s increased on forwarding national and international services, which influenced in direct way on development of road and railway transport on the world. The very important problem is the assurance of safety in range of tunnels exploitation and particularly in aspect of fires threat. This paper present possibilities of use CFD programs to fire simulation in example tunnel. Computer programs and simulations, help establish evacuation way for passengers, time reaction for safety groups and temperature distribution in tunnel etc. 175