Вентилация на тунели

Вентилацията на тунелите е задължителен елемент от процеса на тяхното проектиране и изграждане. Необходимостта от вентилация се налага поради различни причини, сред които: осигуряване на качествен въздух, за да се контролира разпространението на дима в случай на пожар, за регулиране на температурата и др. В зависимост от вида на тунела, неговата дължина и напречно сечение, съществуват различни варианти за вентилиране. В статията ще разгледаме някои от особеностите на естествената и механична вентилация на тунели.

При липса на вентилация в тунелите се акумулират изгорели вредни газове, които влошават качеството на въздуха. Вредните газове, отделяни от превозните средства, са въглеродни окиси – СО2 и СО, азотни окиси, метан – СН4, както и ненаситени въглеводороди – ацетилен, етилен, пропилен и др. Концентрацията на вредни газове зависи от дължината на тунела и от трафика – неговата интензивност и скорост на движение на превозните средства. Освен вредни газове, в тунелите се натрупва и голямо количество водни пари, също така се повишава и температурата от превозните средства и работата на инсталациите. Всичко това в комбинация влияе неблагоприятно на въздуха в транспортното съоръжение. Решението за осигуряване на по-здравословна и благоприятна среда е във вентилацията, било то естествена или механична, на тунела.

Вентилацията на тунела трябва да бъде предвидена на два етапа. Първият етап е още по време на строителство на съоръжението. По време на строителството е необходимо да се осигури добра вентилация с оглед на безопасна среда спрямо изискванията за безопасност на труда. Вторият етап е осигуряване на вентилация по време на експлоатация на тунелното съоръжение – тема на настоящата статия.

Основният принцип на тунелната вентилация е поддържане на качеството на атмосферния въздух чрез осигуряване на чист въздух във вътрешността на тунела и отвеждане на замърсения въздух през порталите или други изходи, предназначени за това. Тунелите могат да бъдат вентилирани по естествен начин и посредством механичен начин с използването на различни системи и съоръжения.

Естествена вентилация
Реализацията на естетсвена вентилация се базира на разликата в температурите вътре и извън тунела, разликата в налягането, посоката и скоротта на ветровете. Тъй като съществена роля за естествената вентилация има температурната разлика, то съвсем обосновано е вентилацията да е с различно проявление през годината. През зимния сезон, например, температурата вътре в тунела е няколко градуса по-висока от тази навън. В такъв случай, и когато тунелът е разположен в участък под наклон, може да се прояви т. нар. „ефект на комина” – по-топлият въздух се издига, а студеният се задържа ниско над земната повърхност. По този начин се получава обмен на въздух, и ако тунелът не е много дълъг, този въздушен обмен се оказва достатъчен за целите на вентилацията. През лятото, обаче, по-студеният въздух е в тунела, което е предпоставка за по-малко въздушен поток в такъв случай, и е по-малко вероятно да се постигне естествено вентилиране на тунела.

От значение за естественото вентилиране е и буталното действие на преминаващите транспортни средства. То от своя страна е в пряка зависимост от вида на трафика и скоростта на преминаващите транспортни средства. Особено осезателен е този ефект при еднопътните железопътни тунели, понеже влакът заема голяма част от сечението на тунела и дължината му е съизмерима с тази на тунела. При двупътните жп тунели e значително по-малък, защото оставащото свободно пространство между влака и стените на тунела е значително по-голямо, а при разминаване на два влака в тунела въздушните потоци почти се уравновесяват. По-малък е и ефектът при автомобилните тунели, тъй като при тях движението е двупосочно и се получава аналогичен случай. Ефектът се проявява по-чувствително при движението на колона от леки и товарни автомобили с минимални разстояния между тях, като така транспортните средства обхващат по-голяма надлъжна част от тунела.

Естествената вентилация е сполучливо решение при пътни тунели с дължина до 150m и при железопътни - до 500 (за локомотиви с дизелова тяга) и до 100 (при електрически мотриси). Решаващо при избора за вентилация се оказва и трасето. Например при тунели, разположени в хоризонтална крива значително се затруднява движението на въздуха, вследствие на което няма възможност за естествено вентилиране на съоръжението.

Механична вентилация
При тунели с по-голяма дължина от посочената, както и в подводните и подземни тунели, задължително се налага тунелите да са с механична вентилация. Нейната основна роля е да намали замърсяването на въздуха вътре в тунела, да намали концентрацията на вредни вещества, тъй като тяхното количество надхвърлящо определени граници, може да се окаже пагубно както за здравето на хората, така и да компрометира състоянието на инсталациите и облицовките в тунела. Механичната вентилация трябва да отстранява дима, за да има по-добра видимост. И още, вентилацията трябва да поддържа благоприятни климатични условия и комфортна среда. С оглед избягването на въздушни течения, разликата в температурите на външната среда и вътре в тунела трябва да е сведена до минимум. Подаването на въздух трябва да е така контролирано, че по цялата дължина на съоръжението, включително ниши, напречни галерии и отбивки, съдържанието на вредни частици във въздуха да не превишава допустимите норми. При проектирането на вентилационна инсталация се вземат предвид вида на движението, геометрията на тунела и вида на облицовката. Трябва да се отчетат интензивността, посоката, скоростта и видът на превозните средства. Механичната вентилация бива – надлъжна, напречна и полунапречна. Могат да се прилагат както самостоятелно, така и комбинирано.

Надлъжна тунелна вентилация
Надлъжни системи се използват главно в къси градски тунели или тунели за железопътен транспорт. Този начин на вентилиране е често практикувам, поради опциите за по-лесна реализация и сравнително по-ниските разходи. Особено подходящ и предпочитан вариант е за тунели с не много голяма дължина и еднопосочно движение.

При надлъжната вентилация се създава въздушен поток по цялата дължина на тунела посредством система от вентилатори, монтирани на тавана на съоръжението през определено разстояние. Има различни варианти за подаване на пресен въздух и отвеждане на замърсения. Един от начините е подаване на чист въздух по цялата дължина, който се смесва със замърсения и се отвежда в другия край. Друго решение е свързано със изсмукване на замърсения въздух от единия край на съоръжението и подаване в единия край на свеж и чист въздух. В този случай се използва два вида вентилатори – нагнетателен и смукателен.

При надлъжното вентилиране винаги трябва да се отчита посоката на естествения въздушен поток. Когато тя не е постоянна, следва да се използват два вентилатора (по един за всеки портал) или реверсивни вентилатори. Основното предимство на надлъжната вентилация е, че цялото светло сечение на тунела действа като вентилационна тръба. Поради това, благодарение на големите размери на тунела, се обезпечава малко съпротивление на движението на въздуха, а това намалява необходимата мощност на вентилаторите. Разновидност на надлъжната система на вентилиране е струйната, при която се използват реверсивни струйни вентилатори, които имат опцията да променят автоматично посоката си на въртене в зависимост от посоката на естественото въздушно течение в тунела.

Напречна тунелна вентилация
Напречни системи се използват предимно за дълги пътни тунели, и основно в железопътния транспорт. Там са приложими аксиални вентилатори с диаметър до 2,25 м. Тези аксиални вентилатори се характеризират с големи обеми отработен въздух и регулируеми лопатки на работното колело. При напречните вентилационни системи чистият въздух се нагнетява в тунела чрез вентилатори, монтирани на тавана. В този случай чистият въздух се подава от горната част на тунела, а се отвежда от долната. Този вариант е добър, защото вредните газове и прахта не се издигат нагоре, което благоприятства по-добрата видимост в тунела. При разделяне на тунела на отделни участъци за вентилиране, се намалява сечението на вентилационните канали.

Прилага се и схема, при която чистият въздух може да се подава отдолу, а да се отвежда в горната част на тунела. Отработеният въздух се извежда от вентилатори, които също са вградени в тавана на тунела.

Напречното вентилиране има няколко предимства. При него се осъществява бързо премахване на вредните газове от сечението на тунела по най-краткия път, а постъпването на чист въздух става равномерно по цялата дължина на тунела. Не се създава въздушно течение с големи скорости и естественото надлъжно движение на въздуха не оказва влияние върху ефективността на вентилацията. Също така съществува възможност за подаване на различни количества чист въздух в различните участъци, в зависимост от конкретните нужди. Недостатък е значително по-голямото необходимо напречно сечение на тунела, в сравнение с това при надлъжното вентилиране. Каналите за чист и замърсен въздух заемат 20-30% от общото сечение на тунела, а това води до значително увеличаване на строителните разходи. За да се реализира напречна вентилационна система, е необходимо по-голямо напречно сечени на тунела. Затова този начин на вентилиране се прилага предимно при големи и дълги тунели. При полунапречните системи чистият въздух се нагнетява по начин, типичен за напречна инсталация, а замърсеният се събира в горната част на свода и, движейки се надлъжно, излиза през порталите или се изсмуква през вентилационни шахти. Надлъжното и напречното вентилиране могат да се прилагат и комбинирано - в полунадлъжни или полунапречни системи. Преди една вентилационна система да бъде пусната в експлоатация, се провеждат редица изпитвания, за да се предотвратят евентуални бъдещи проблеми. Пресъздават се екстремни ситуации, които може да се случат в периода на експлоатация на съоръжението - катастрофи и пожари. Стремежът е опитната постановка да бъде максимално близка до реалността. Тунелът се пуска в експлоатици след като е преминал успешно всички тестове.