Wentylacja tuneli komunikacyjnych podczas ich drążenia

Wentylacja tuneli komunikacyjnych podczas ich drążenia Stanisław Nawrat 1), Natalia Schmidt 1) AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii STRESZCZENIE: Artykuł zawiera podstawowe zagadnienia związane z systemami wentylacji dla tuneli komunikacyjnych będących w fazie budowy. Dla zapewnienia odpowiednich warunków higienicznych i bezpieczeństwa na etapie drążenia zachodzi potrzeba stosowania odpowiedniej wentylacji w tunelach. Celem wentylacji tuneli komunikacyjnych podczas budowy jest zapewnienie odpowiedniej wymiany powietrza w celu utrzymania dopuszczalnego poziomu stężeń szkodliwych zanieczyszczeń stałych i gazowych oraz odprowadzania ciepła z tunelu, a także w przypadku wystąpienia pożaru umożliwienie bezpiecznej ewakuacji ludzi i sprawne ugaszenie pożaru w tunelu. SŁOWA KLUCZOWE: wentylacja, tunele komunikacyjne, drążenie tuneli 1. WPROWADZENIE Wykonywanie robót podziemnych z zastosowaniem techniki górniczej zawsze wiąże się z niebezpieczeństwem dla otoczenia, szczególnie dla osób na terenie budowy, otaczającego środowiska oraz budowanego obiektu. Do budowy tuneli komunikacyjnych wykorzystywane są głównie metody z zastosowaniem technologii wiertniczej oraz strzelniczej, powodując powstawanie dużych ilości pyłów i szkodliwych gazów. Dla zapewnienia bezpieczeństwa podczas drążenia tych obiektów stosuje się wentylację tuneli. Zadaniem wentylacji tuneli komunikacyjnych podczas budowy jest zapewnienie odpowiedniej wymiany powietrza w celu utrzymania dopuszczalnego poziomu koncentracji stężeń szkodliwych zanieczyszczeń, co jest szczególnie istotne dla zdrowia pracującej załogi oraz odprowadzenie ciepła wydzielanego m.in. przez zainstalowane w tunelu pojazdy oraz powstającego na skutek robót strzałowych. Ponadto w przypadku wystąpienia pożaru wentylacja ma umożliwić bezpieczną ewakuację ludzi z tunelu i sprawne ugaszenie pożaru. W artykule omówiono podstawowe zasady systemu wentylacji dla tuneli komunikacyjnych w trakcie budowy. 123

2. WYMAGANIA PRAWNE Tunele komunikacyjne są specyficznymi obiektami łączącymi elementy budownictwa podziemnego przy wykorzystaniu techniki górniczej i budownictwa powierzchniowego, co ma także wyraźne odbicie w aktach prawnych. W przypadku drążenia tuneli z wykorzystaniem techniki górniczej stosowane są przepisy wynikające z Prawa geologicznego i górniczego oraz z związanych z nim aktów wykonawczych. Prawidłowa wentylacja wyrobiska tunelowego wpływa nie tylko na bezpieczeństwo pracy, ale również na postęp robót i koszty. Podstawowe wymogi określone są w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych, (Dz.U.02.139.1169), a w szczególności w regulacjach prawnych z działu IV Przewietrzanie i klimatyzacja [5], z których najważniejszymi są: 187.1. Ilość powietrza doprowadzana do wyrobisk powinna zapewniać utrzymanie w tych wyrobiskach wymaganego składu powietrza i jego temperatury. 2. Wszystkie dostępne wyrobiska i pomieszczenia przewietrza się w taki sposób, aby zawartość tlenu w powietrzu nie była mniejsza niż 19% (objętościowo), a najwyższe dopuszczalne stężenia gazów w powietrzu nie przekraczały wartości określonych w tabeli 2.1: Tabela 2.1 Najwyższe dopuszczalne stężenia gazów w powietrzu [5] Table 2.1 Maximum concentrations of gases in the air [5]. Rodzaj gazu NDS mg/m 3 NDSCh mg/m 3 (objętościowo i %) (objętościowo i %) Dwutlenek węgla - (1,0) - (1,0) Tlenek węgla 30 (0,0026) 180 (0,015) Tlenek azotu 5 (0,00026) 10 (0,00052) Dwutlenek siarki 2 (0,000075) 5 (0,00019) Siarkowodór 10 (0,0007) 20 (0,0014) 3. Skróty wymienione w ust. 2 oznaczają: 1) NDS najwyższe dopuszczalne stężenie średnio ważone, 2) NDSCh najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe 124

zdefiniowane w odrębnych przepisach. 4. W zakładach górniczych stosujących maszyny z napędem spalinowym zawartość tlenków azotu określa się na podstawie stężenia dwutlenku azotu. 188. W przypadku stwierdzenia, że skład powietrza nie odpowiada wymaganiom określonym w 187 ust. 2, niezwłocznie wycofuje się ludzi, a wejście do zagrożonego wyrobiska zabezpiecza się. W miejscach tych wykonuje się wyłącznie prace z zakresu ratownictwa górniczego i przeciwpożarowego. 223. 2. Lutniociągi powinny być wykonywane z lutni metalowych lub trudno palnych antyelektrostatycznych lutni z tworzyw sztucznych. 3. Wyrobiska można przewietrzać pomocniczymi urządzeniami wentylacyjnymi, jeżeli długość tych wyrobisk nie jest większa niż: 1) w polach niemetanowych i polach zaliczonych do I kategorii zagrożenia metanowego: a) 15 m przy nachyleniach do 10 (we wzniosie i upadzie), b) 10 m przy nachyleniach powyżej 10 (we wzniosie i upadzie), 228. 1. Prędkość prądu powietrza w wyrobisku przewietrzanym z użyciem lutniociągu powinna wynosić co najmniej w polach: 1). niemetanowych i I kategorii zagrożenia metanowego 0,15 m/s, 2). W drążonym wyrobisku o przekroju poprzecznym w wyłomie ponad 20 m 2 przewietrzanym z użyciem lutniociągu prędkość powietrza może być mniejsza niż określona w ust. 1, jeżeli zapewnione jest utrzymanie dopuszczalnych zawartości gazów oraz właściwych warunków klimatycznych. 234. Wentylatory lutniowe w polach metanowych powinny pracować bez przerwy; w przypadku przerwy awaryjnej w pracy wentylatora roboty wstrzymuje się, wycofuje ludzi, a wejście do wyrobiska zagradza. 125

3. WENTYLACJA TUNELI PODCZAS DRĄŻENIA Tunelowanie obejmuje działania związane z m.in. drążeniem, wierceniem, wysadzaniem masy skalnej ładunkami wybuchowymi, urabianiem, kotwieniem, załadunkiem i transportem urobku z tunelu. Wszystkie te czynności mogą generować występowanie w powietrzu dużych ilości zanieczyszczeń pyłowych i gazowych. W związku z tym niezbędne są działania, które pozwolą na zachowanie wymogów określonych przepisami. Głównymi źródłami zanieczyszczenia powietrza w tunelu są: pyły i gazy spowodowane wierceniem, załadunkiem i transportem urobku oraz natryskiem betonu, spaliny i dymy emitowane przez pojazdy z silnikiem diesla, gazy postrzałowe zawierające znaczne ilości głównie dwutlenku węgla, tlenku węgla i tlenków azotu, szkodliwe gazy wydzielane z górotworu, najczęściej jest to dwutlenek węgla lub metan, podwyższona temperatura i wilgotność powietrza w tunelu, zarówno na skutek zjawisk geotermicznych, jak i od ciepła powstającego na skutek robót strzałowych oraz wydzielanego przez ludzi, oraz maszyny zainstalowane w tunelu. Do środków technicznych, które umożliwią zapewnienie odpowiednich warunków higienicznych w tunelu zaliczyć można: 1. odpowiedni system wentylacji i ew. klimatyzacji, 2. stosowanie instalacji odpylania i ew. pochłaniania szkodliwych gazów, 3. stosowanie ochrony indywidualnej. Odpowiedni system wentylacyjny pozwala ograniczać pyłowe i gazowe zanieczyszczenia powstające podczas budowy tunelu. Przepływ powietrza w lutniociągach i otworach wiertniczych może odbywać się pod wpływem depresji naturalnej lub wentylatora czy układu wentylatorów. 3.1. Systemy wentylacji tuneli podczas drążenia W fazie drążenia może być stosowane przewietrzanie [4] tuneli za pomocą: lutniociągów wykonanych z lutni metalowych lub z tworzyw sztucznych (rys. 3.1.), otworów wentylacyjnych (wiertniczych wielkośrednicowych) (rys. 3.2.), lutniociągów i tuneli równoległych (rys. 3.3.). 126

Przewietrzanie przy pomocy lutniociągu może być: ssące (powietrze zasysane), tłoczące (świeże powietrze tłoczone do przodka), kombinowane (ssące z wspierającym systememm tłoczącym, tłoczące z systemem ssącym do odpylacza). Na rysunku 3.1. przedstawiono system wentylacji tłoczącej, gdzie świeże powietrze zasysane jest do przodka czoła, a następnie odprowadzane całą długością tunelu. Rys. 3.1. Wentylacja tuneli lutniociągiem tłoczącym Figure 3.1. Ventilation by blowing duct line Bardzo często w celu skrócenia długości lutniociągu i poprawienia skuteczności wentylacji lutniociągami zostają wykonane sztolnie, szyby i szybiki pozwalające uzyskać przewietrzanie odcinków tunelu prądami przepływowymi, w których są lokalizowane wentylatory wymuszające przepływ powietrza w lutniociągu [3]. Wentylację tuneli za pomocą lutniociągu i otworu wentylacyjnego przedstawia rys. 3.2. 127

Rys. 3.1. Wentylacja tunelu za pomocą otworu wentylacyjnego (wielkośrednicowego) i lutniociągu tłoczącego Figure 3.2. Tunnel ventilated through the ventilation bore hole and blowing duct line System wentylacji polegający na wykonaniu tuneli równoległych połączonych przecinkami, przewietrzanych prądami powietrza przepływowymi, w których zainstalowane wentylatory czerpiące powietrze do lutniociągów tłoczących do przodka drążonego tunelu przedstawia rys. 3.3. Rys. 3.2. Wentylacja za pomocą tunelu równoległych i przecinek Figure 3.3. Ventilation provided by a parallel tunnel and a break-through Możliwe jest także stosowanie wentylacji lutniociągami ssącymi oraz wentylacji kombinowanej, np. tuneli drążonych kombajnami (rys. 3.4). 128

Rys. 3.4. Schemat wentylacji tunelu drążonego pełnoprzekrojową maszyną drążącą tunel Figure 3.4. Schematic of the ventilation of the tunnel driven using TBM Charakterystykę poszczególnych systemów wentylacji tuneli komunikacyjnych na etapie budowy przedstawiono w tabeli 3.1. Tabela 3.1. Wady i zalety podstawowych systemów wentylacji tuneli komunikacyjnych podczas drążenia. Table 3.1. Advantages and disadvantages of basic ventilation systems during drilling tunnels. System wentylacji Wentylacja tłocząca (świeże powietrze dostarczane lutniociągami do przodka tunelu/miejsca pracy) Zalety - świeże powietrze doprowadzane do miejsca pracy/przodka, - korzystniejsze warunki cieplne w tunelu, - łatwa instalacja, - niskie opory przepływu lutniami, - oszczędne i niskie zużycie energii, Wady - szkodliwe gazy i dymy odprowadzane wzdłuż tunelu, - zanieczyszczenia pyłowe i gazowe odprowadzane są wzdłuż tunelu 129

Wentylacja ssąca - odprowadzenie - wymagane co najmniej wzmocnione przewody (zanieczyszczone zanieczyszczeń gazowych i elastyczne, powietrze pyłowych odbywa się - sztywniejsze lutnie powodują większy spadek odprowadzane lutniociągami wzdłuż tunelu, ciśnienia i większe zużycie energii, lutniociągiem z - zanieczyszczone powietrze - wyższe koszty materiałowe w porównaniu do przodka /miejsca wylotowe jest wyciągane przewodów elastycznych, pracy) bezpośrednio z wyrobisk bez - możliwe większe przecieki spowodowane zanieczyszczania pozostałej większą liczbą połączeń i koniecznością część tunelu, wyrównania i regulowania połączenia rękawów. Ssąca - szybsze rozrzedzenie - kanały z większym spadkiem ciśnienia (większe z przewodem odprowadzenie szkodliwych zużycie), tłoczącym stężeń gazów na przodku, - całkowita wymagana moc silnika jest większa. - szybsze odprowadzenie szkodliwych stężeń gazów i dymów kanałem wentylacyjnym 3.2. Projektowanie wentylacji tuneli podczas drążenia Przy projektowaniu wentylacji tunelu będącego w fazie drążenia należy szczegółowo przeanalizować: 1. warunki geologiczne oraz górnicze technologie wykorzystywane podczas budowy tunelu, 2. zagrożenie czynnikami naturalnymi m.in.: dopływy gazów z górotworu (CH 4, CO 2, H 2 S), dopływy wody, trzęsienia ziemi, dopływy ciepła ziemskiego, działanie czynników atmosferycznych (wiatr, temperatura), 3. zagrożenia czynnikami technologicznymi, takimi jak np.: gazy odstrzałowe (tlenek węgla, tlenki azotu), gazy emitowane przez silniki spalinowe urządzeń technicznych, zapylenie powietrza spowodowane procesami technologicznymi (urabianie i transport skały), 4. zagrożenie pożarowe, 5. wymagania higieniczne określone w prawie. Podstawowym działaniem dla zapewnienia bezpieczeństwa pracy w tunelu, w aspekcie ograniczenia lub wyeliminowania negatywnego oddziaływania zagrożeń, jest doprowadzenie minimalnego wydatku strumienia powietrza do czoła przodka tunelu. Podczas prac projektowych należy wyznaczyć minimalny wydatek strumienia powietrza, a także dobrać odpowiedni system wentylacji tunelu wraz z urządzeniami wentylacyjnymi 130

oraz ich parametrami. Opracowanych zostało wiele zasad i metod projektowania wentylacji lutniociągami różniących się stopniem skomplikowania obliczeń i ich dokładnością w odniesieniu do rzeczywistości. Jedna z metod według [4] zakłada, że konieczna objętość strumienia powietrza w przodku tunelu powinna być maksymalną wartością wyznaczoną ze względu na: 1. minimalną prędkość powietrza określoną przepisami bhp, 2. rozrzedzenie zanieczyszczeń pyłowych i gazowych zagrażających bezpieczeństwu, do wielkości dopuszczalnych koncentracji - np. ilość metanu lub inne gazy występującego w górotworze, 3. rozrzedzenie gazów postrzałowych, powstałych po zastosowaniu materiałów wybuchowych do urabiania skał, 4. rozrzedzenie szkodliwych pyłów, do koncentracji wymaganej przepisami prawa, 5. cieplne warunki pracy. 3.3. Urządzenia do wentylacji tuneli w fazie drążenia Instalacja wentylacji tunelu w fazie drążenia składa się z: - głównych elementów: wentylatora lub układu wentylatorów lutniowych, przewodów wentylacyjnych (lutnie), - wtórnych elementów: instalacje odpylające, inne (kolanka, złącza, itp.). Przepływ powietrza w lutniociągu realizowany jest za pomocą wentylatora lub wentylatorów lutniowych. Zazwyczaj są to wentylatory osiowe jedno- lub dwu stopniowe z napędem elektrycznym lub pneumatycznym (na powietrze sprężone). Za pośrednictwem przewodów wentylacyjnych (lutni) doprowadzane jest świeże powietrze, bądź odprowadzane są szkodliwe gazy z czoła przodka. Lutnie wentylacyjne to cienkościenne rury metalowe, płócienne lub z tworzyw sztucznych. Lutnie płócienne i z tworzyw sztucznych określane są powszechnie jako lutnie elastyczne. Przewody te mają kilka istotnych zalet; mają niższe opory przepływu i są łatwiejsze w instalacji niż sztywne kanały. Dodatkowo są również mniej podatne na uderzenia. Połączenia lutni mogą być tzw.: wsuwane (kielichowe) lub kołnierzowe. 131

Lutnie wentylacyjne powinny się cechować: wysoką wytrzymałością mechaniczną, możliwością wykonania szczelnych połączeń, niewielką masą, małą chropowatością, łatwym transportem i szybkim montażem, nie powinny powodować powstawania ładunków elektrycznych. 4. PRZYKŁADY WENTYLACJI TUNELI KOMUNIKACYJNYCH W CZASIE DRĄŻENIA 4.1. Wentylacja tunelu Emilia w Lalikach Tunel Emilia w Lalikach ma długość 687 m i jest najdłuższym pozamiejskim tunelem drogowym w naszym kraju, przechodzącym przez górę Sobczakowa Grapa, w ciągu drogi ekspresowej S69. Tunel wydrążono metodą górniczą z wykorzystaniem systemu NATM, tj. Nowej Austriackiej Technologii Drążenia Tuneli, w myśl której górotwór jest elementem nośnym tunelu. Podczas drążenia używano wierteł oraz środków wybuchowych na całej powierzchni przekroju tunelu. W początkowym stadium zaawansowania prac tunel drążony był z dwóch stron, jednak od strony północnej doszło do osuwiska, dlatego tunelu drążony był na całej długości od strony południowej. Podczas budowy tunelu Emilia zastosowano wentylację tłoczącą, której zasadę działania przedstawiono w poprzednim punkcie na rys 3.1. Zastosowano przewód (lutniociąg) o średnicy 0,8 m. Wentylator osiowy Korfmann typ GAL 7 300/300 umieszczony został w odległości 16 m od portalu południowego (rys. 4.1.), aby zapobiec zasysaniu odprowadzonych zanieczyszczeń z tunelu z powrotem do jego przestrzeni. Maksymalny wydatek przepływu powietrza skalkulowano na 9,2 m 3 /s. 132

Rys.4.1. Portal południowy tunelu Emilia w Lalikach podczas budowy [7] Fig. 4.1. South portal of Emilia tunnel during construction [7] 4.2. Wentylacja tunelu Milthotz będącego odcinkiem Lötschberg Base Tunnel [3] [8] Tunel Lötschberg jest istotnym elementemm sieci połączenia kolejowego przez Alpy Szwajcarskie (rys.4.3.). Wykonany został przy wykorzystaniu technologii wiertniczej oraz strzelniczej. Tunel liczący ok. 34 km, drążony przez skały do głębokości 2000 m od powierzchni, stworzył szczególne wymagania dla wentylacji i chłodzenia tunelu w czasie jego budowy. Tunel Mitholz liczący ok. 26 km stanowi najdłuższy odcinek tunelu Lötschberg. Wentylację tunelu za pomocą lutniociągów oraz tuneli równoległych i przecinek, która została zastosowana w czasie drążenia tunelu Mitholtz przedstawia rys. 4.2. 1333

Rys. 4.2. Sposób przewietrzania tunelu Mitholtz w czasie drążenia [8] Fig. 4.2. Ventilation in Mitholtz tunnel during construction [8] Rys. 4.3. Lötschberg Base Tunnel [8] Fig. 4.3. Lötschberg Base Tunnel [8] 134

4.3. Analiza przypadku Poniżej przedstawiono obliczenia przeprowadzone według [4] dla hipotetycznego tunelu drogowego, jednonawowego, w obudowie monolitycznej żelbetowej o docelowej długości 600m oraz przekroju poprzecznym 80 m 2, wykonywanego metodami górniczymi za pomocą materiałów wybuchowych. Roboty strzałowe prowadzone byłyby po wycofaniu załogi na zewnątrz tunelu, dlatego w obliczeniach nie będzie uwzględniana emisja tlenu węgla i tlenów azotu podczas wykonywania robót. Ponadto z rozpoznania geologicznego wynika, że do tunelu w czasie jego drążenia nie będzie następował dopływ innych gazów złożowych jak: dwutlenek węgla, tlenek węgla, azot i siarkowodór, radon oraz metan. W świetle powyższego wyznaczono: 1) minimalny wydatek powietrza ze względu na: minimalną prędkość powietrza: = = 0,15 80 m2 = 12 [m 3 /s], jednokrotną wymianę powietrza w ciągu godziny: = = = 13,3 [m3 /s], Przyjęto najwyższą wartość wydatku powietrza dla przodku drążonego tunelu: V =13,3 [m 3 /s]. 2) parametry wentylacji: rodzaj wentylacji tłocząca rodzaj lutni elastyczna średnica lutniociągu 0,8 m współczynnik nieszczelności 0,00015 [um 3 /N 1/2 ] jednostkowy opór 0,039 [Ns 2 /(um 3 m 6 )] lutniociągu długość lutniociągu 600 m sprawność lutniociągu = 0,86 opór lutniociągu R = 24.2 kg m -7 spiętrzenie wentylatora 4280,74 Pa typ wentylatora WLE-1000B 135

5. STWIERDZENIA I WNIOSKI 1) W przypadku drążenia tuneli metodami górniczymi wymagane jest stosowanie przepisów wynikających z Prawa geologicznego i górniczego oraz jego pochodnych. 2) Dla każdego tunelu podczas budowy dobrany musi zostać odpowiedni system wentylacji pozwalający zapewnić: minimalną prędkość powietrza określoną przepisami bhp, rozrzedzenie zanieczyszczeń pyłowych i gazowych zagrażających bezpieczeństwu do wielkości dopuszczalnych koncentracji - np. ilość metanu lub innego gazu występującego w górotworze, rozrzedzenie gazów postrzałowych, powstałych po zastosowaniu materiałów wybuchowych do urabiania skał, rozrzedzenie szkodliwych pyłów do koncentracji wymaganej przepisami prawa, cieplne warunki pracy. 3) Najczęściej stosowanym systemem jest wentylacja tłocząca, której działanie przedstawiono na rys 3.1., a w przypadku długich tuneli komunikacyjnych najczęściej wykorzystywany systemem jest wentylacja za pomocą tunelów równoległych i przecinek. 4) Prawidłowa wentylacja za pomocą lutniociągów w tunelu będącym w fazie drążenia pozwala na zapewnienie odpowiedniej wymiany powietrza w celu utrzymania dopuszczalnego poziomu koncentracji stężeń szkodliwych zanieczyszczeń, odprowadzenie ciepła wydzielanego m.in. przez zainstalowane w tunelu pojazdy oraz powstającego na skutek robót strzałowych oraz w przypadku wystąpienia pożaru umożliwienie bezpiecznej ewakuacji ludzi i sprawne ugaszenie pożaru w tunelu. 5) Prawidłowa wentylacja wyrobiska tunelowego wpływa nie tylko na bezpieczeństwo pracy, ale również na postęp robót i koszty. 6. LITERATURA [1] Fathi Tarada, HBI Haerter Ltd. Ventilation with Safety. World Tunnelling Switzerland, April 2000 [2] ITA WG5 Health & Safety in Works. Guidance on the safe use of temporary ventilation ducting in tunnel. N ISBN: 978-2-9700776-0-2 ITA REPORT n 008 / NOV 2011 136

[3] Nawrat S., Napieraj S.: Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo Dydaktyczne, Kraków 2005. [4] Praca zbiorowa: Poradnik Górnika. Katowice, Wydawnictwo Śląsk 1974 [5] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz.U.02.139.1169) [6] Ustawa Prawo geologiczne i górnicze z dnia 9 czerwca 2011 r. (Dz.U. Nr 163, poz. 981) [7] http://www.nbi.com.pl/assets/nbipdf/2008/4_19_2008/pdf/ 2_doprastav_drazy_tunel_w_lalikach_nbi.pdf [8] http://www.marticontractors.ch/data/pages/documents/loetschberg_e.pdf ABSTRACT: The article contains basic issues related to ventilation systems for transportation tunnels in the phase of construction. To ensure adequate conditions of hygiene and safety at the stage of drilling is necessary to use adequate ventilation in tunnels. The purpose of ventilation of tunnels during construction is to ensure adequate air exchange in order to maintain acceptable levels of harmful concentrations of pollution and heat from the tunnel, and in case of fire to enable the safe evacuation of people and efficiently extinguish a fire in the tunnel. KEYWORDS: ventilation, transport tunnels, tunneling 137