V príspevku sú uvedené ciele a výstupy spoločného výskumného projektu Ústavu informatiky Slovenskej akadémie vied (ÚI SAV) v Bratislave a Žilinskej univerzity v Žiline (UNIZA), ktorého úlohou je prispieť k zvýšeniu požiarnej bezpečnosti cestných tunelov. Cieľom projektu bolo vypracovanie počítačových simulácií vybraných typov požiarov v cestných tuneloch, vytvoriť ich 2D, resp. 3D vizualizáciu a poskytnúť informácie o povahe požiaru a prúdenia v danom priestore. Súčasťou projektu bolo riešenie problémov súvisiacich s mimoriadnymi udalosťami a analýzou rizík prevádzky tunelov. Cieľom výskumu bolo aj vypracovanie vizualizácií stratifikácie dymu v tunelovej rúre pre rôzne scenáre požiaru a činnosti ventilácie vo fiktívnom tuneli ‒ Simulátore riadenia tunelov (SRT) ‒ na základe reálnych meraní in situ pri simulovanom požiari v tuneli a mnohých počítačových simulácií.

Mimoriadne udalosti v cestných tuneloch

Počas prevádzky v cestných tuneloch sa vyskytujú rôzne dopravné situácie, ktoré sú bežné alebo ich môžeme označiť ako mimoriadne. Medzi mimoriadne udalosti môžeme uviesť nasledujúce:

Kongescie v tuneloch – väčšinou nevznikajú náhle, a preto je nutné v časovom predstihu identifikovať a predvídať nestability dopravy, prejavujúce sa ako tzv. stop & go vlny. Je nutné regulovať dopravu v širšom okolí tunela skôr, než sa nestability prejavia vo vlastnom tuneli, kde sú zdrojom veľkého rizika. Ako príklad možno uviesť tunel Horelica, kde momentálne z dôvodu vysokej intenzity premávky a slabej priepustnosti križovatky na vjazde do mesta Čadca často (niekoľkokrát v rannej aj poobednej dopravnej špičke) dochádza k uzatváraniu tunela v smere Žilina – Čadca. 

Zastavenie vozidla a strata nákladu – sú potenciálnym nebezpečenstvom pre účastníkov premávky. Ihneď po tejto udalosti je nutné previesť dopravné opatrenia, ako je: uzatvorenie príslušného jazdného pruhu, obmedzenie rýchlosti, aktivácia varovných premenných dopravných značiek atď. Extrémne vysoké riziko vzniká pri likvidácii úniku nebezpečných látok (pohonné hmoty) alebo straty nebezpečného nákladu, keď sa požaduje okamžité zastavenie dopravy na vstupoch do tunela.

Požiare v tuneloch – majú relatívne nízku početnosť, ale fatálne následky, preto musí byť reakcia technológií tunela čo najrýchlejšia. Požaduje sa dokonalá organizácia činností podľa prevádzkového poriadku a havarijných kariet.

Operátori tunela majú neľahkú úlohu, niektoré situácie zapríčiňujúce nehodu nie je jednoduché včas identifikovať, pri väčšine z nich im výrazne pomáha automatický kamerový detekčný systém. Dôležité je čo najskôr identifikovať, o akú situácie ide, a miesto jej vzniku (pred portálom, tunelová rúra, začiatok alebo koniec tunelovej rúry, núdzový záliv, číslo najbližšej SOS kabíny a pod.).

Ide o:

• prekročenú rýchlosť (nedodržiavanie povolenej rýchlosti),

• vodičmi nedodržiavané bezpečnostné odstupy,

• nebezpečný spôsob jazdy (nečakané brzdné manévre, zmeny smeru),

• poruchy a zastavovanie vozidiel v jazdnom pruhu (výnimočne v núdzovom zálive na to určenom),

• jazda v protismere (pri jednosmernej premávke, výnimočne pri predbiehaní v obojsmernom tuneli),

• kolóna vozidiel v rámci určitej udalosti,

• príjazd nadrozmerného vozidla,

• chodci v tuneli (po nehode alebo nedovolený vstup do tunela),

• zviera v tuneli (najčastejšie cez portál tunela) atď.

Všetky tieto udalosti si vyžadujú adekvátne riešenie vzniknutej situácie a následnú evidenciu vzniknutých situácií. Optimálne riešenie vzniknutej situácie je v podmienkach SR opísané v operatívnych kartách tunelov, ktoré sú súčasťou každého operátorského pracoviska tunela a operátori ich musia ovládať. Ako príklad je uvedená časť operatívnej karty tunela pre konkrétnu mimoriadnu udalosť – požiar v tunelovej rúre uvedený na obr. 1.

Obr. 1: Operatívna karta tunela – mimoriadna udalosť (požiar v tuneli)

Experiment v tuneli Poľana

Tunel Poľana je jednorúrový tunel s obojsmernou premávkou kategórie 2T – 8,0 s dĺžkou 898 m a priemerným stúpaním 2 % v smere na Poľsko. Tunel je pre potreby detekcie a riadenia požiaru, resp. šírenia dymu vybavený 3 anemometrami, 7 dymovými hlásičmi (DH), 3 opacitometrami (meračmi viditeľnosti), lineárnym teplotným káblom a 4 dvojicami ventilátorov. Pre potreby projektu, vytvorenie série počítačových simulácií požiarov v tuneli Poľana, sa dňa 9. 5. 2017 uskutočnil experiment so sieťovým meraním prúdenia vzduchu v tuneli počas dymovej skúšky osobného automobilu pomocou aerosólu umiestneného medzi núdzovými zálivmi (obr. 2).

Obr. 2: Umiestnenie meracích prístrojov; Legenda: OG – optická brána, AN – anemometrická sieť, SA – zdroj aerosolu, A – samostatný anemometer

Príprava experimentu pozostávala z rozmiestnenia meracích prístrojov podľa schémy na obr. 2. Každá anemometrická sieť pozostávala z troch stojanov na uchytenie deviatich anemometrov (po 3 na každom stojane), pričom stredný bol doplnený o dva merače smeru prúdenia vzduchu (smerovníky), čím sa zabezpečil časový záznam otočenia smeru prúdenia vzduchu v hornej a spodnej polovici tunela. Jeden samostatný anemometer bol umiestnený na konci Núdzového zálivu č. 2 (NZ2) a druhý o pár metrov ďalej. Oba boli doplnené o smerovníky. Pri núdzových zálivoch boli umiestnené tri optické brány (merače opacity) vo výške 1,6 m nad úrovňou vozovky. Tieto optické brány tam boli umiestené z toho dôvodu, že predbežné počítačové simulácie ukázali porušenie stratifikácie (vrstvenia) dymu v oblasti pred a za NZ2 spôsobené kombináciou viacerých vplyvov, a to rýchlym prúdením vytvoreným vztlakom, nárazom do zvislej prekážky a pravdepodobne aj činnosťou tretieho ventilátora v blízkosti NZ2.

Obr. 3: Zdroj aerosólu pre experiment v tuneli Poľana

Priebeh experimentu sa začal stabilizáciou prúdenia v tuneli smerom z Poľska (v zmysle schémy sprava doľava) pomocou mobilného ventilátora na rýchlosť ‒1 m/s, ktorý fúkal počas celého experimentu. Po zapálení aerosólu sa zaznamenal čas predbežného alarmu, keď vetrací systém zostáva vypnutý, pretože prúdenie má nižšiu rýchlosť ako 1,5 m/s. Následne sa zaznamenal čas alarm1, keď Centrálny riadiaci systém tunela (CRS) súčasne spustil 4 prúdové ventilátory (v každej dvojici stojí 1 ventilátor) takou rýchlosťou, aby za 120 s dosiahli cieľovú hodnotu rýchlosti pozdĺžneho prúdenia 0 m/s, čiže zastavili prúdenie, a potom pomocou frekvenčných meničov na ventilátoroch udržiavali zastavené prúdenie. V čase alarm2 CRS spustil tie 4 ventilátory tak, aby za 120 s dosiahli cieľovú rýchlosť pozdĺžneho prúdenia pre alarm2 hodnotu ‒1,5 m/s (zrýchlenie prúdenia) a udržiavali túto rýchlosť prúdenia pomocou frekvenčných meničov.

S cieľom spresnenia počítačových simulácií boli využité aj dáta z meraní zhotoviteľa tunela ako napr. sieťové merania, kalibrácia meračov rýchlosti, skúšky dymových hlásičov a pod. Počas experimentu ešte neboli funkčné meteostanice na portáloch tunela a zistilo sa, že smer a rýchlosť nárazového prúdenia (fluktuácia vetra) na portáloch tunela majú značný vplyv na prúdenie vzduchu v tuneli. V prípade známej činnosti ventilácie a rýchlosti prúdenia v tuneli počas experimentu sa počítačovou simuláciou zistil časový priebeh dynamického tlaku na portáloch (DT). Pre zistené hodnoty DT sa realizovali simulácie požiarov s nastavením požiaru tak, aby zodpovedal generovanému množstvu dymu a tepla (aerosól), tento postup umožnil vyhodnotiť, opísať a vizualizovať šírenie a stratifikáciu dymu a analyzovať rýchlosť šírenia dymu a reakcie dymových hlásičov a meračov opacity.

SIMULÁCIA ŠÍRENIA DYMU PRI POŽIARI 

Počítačová simulácia požiaru automobilu medzi núdzovými zálivmi tunela Poľana s nastavením vetrania v zmysle platnej slovenskej legislatívy (nastavenia centrálneho riadiaceho systému) znázorňuje vývoj dymu v štyroch fázach jeho šírenia. Obr. 4 znázorňujú stratifikáciu dymu počas prvých 155 sekúnd od vzniku požiaru.

V 88. sekunde od vzniku požiaru sa udržiavajú prijateľné podmienky na oboch stranách od zdroja požiaru. Je možné sledovať odlišnú tendenciu prúdenia vzduchu na oboch stranách od zdroja ohňa. Vpravo od zdroja sa vytvára značný protiprúd. V 100. sekunde dym dosahuje NZ vpravo od zdroja. Podmienky sú stále udržateľné na oboch stranách od zdroja ohňa. Smerom vpravo od zdroja sa dym účinkom vztlakovej sily šíri v hornej časti tunelovej rúry rýchlejšie smerom k pravému portálu tunela. Súčasne je možné pozorovať vytvorenie dolného protiprúdu k zdroju ohňa, ktorý ochladzuje vrstvu dymu. V 127. sekunde požiaru dym v NZ predstavuje bezpečnostné riziko, pretože začína padať do nižších častí prierezu tunela. Vľavo od zdroja ohňa zachováva stratifikácia dymu. V 155. sekunde od vzniku požiaru sú udržiavateľné podmienky naľavo od zdroja požiaru. Podmienky pred NZ vpravo od zdroja požiaru zlyhávajú a bezpečnostné riziko sa vytvára na konci NZ aj za ním, z dôvodu ochladenia vzduchu, nárazu vzduchu na vertikálnu prekážku a výrazných turbulencií na konci NZ. V 182. sekunde sa začína zvyšovať rýchlosť prúdenia vzduchu k zdroju ohňa a postupne sa vytvoria neudržateľné podmienky pre ľudí vpravo a potom aj vľavo od zdroja ohňa.

Obr. 4: Vývoj dymu v 88., 100., 127. a 155. sekunde požiaru

Záver

V tomto príspevku bolo stručne charakterizované riešenie výskumného projektu s cieľom prispieť k zvýšeniu požiarnej bezpečnosti cestných tunelov pomocou počítačovej simulácie priebehu požiaru. Boli opísané niektoré špecifické javy súvisiace s narušením stratifikácie dymu v diaľničnom jednorúrovom tuneli Poľana. Bolo poukázané najmä na javy, keď je ohrozená bezpečná samoevakuácia ľudí z tunela. Ukazuje sa, že takýmito kritickými miestami sú priestory pred a za núdzovými zálivmi, ktoré slúžia nielen na núdzové odstavenie vozidla v mimoriadnej situácii, ale vždy sú miestom vstupu do únikového východu zo zasiahnutej tunelovej rúry, a teda sú dôležitým miestom medzi nechránenou a chránenou únikovou cestou.

Poďakovanie

„Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-15-0340.“

Použitá literatúra:

Glasa, J. ‒ Valášek, L. ‒ Weisenpacher, P.: Note on the impact of slope on smoke spread in tunnel fire conditions. In: Journal of Physics: Conf. Series 1141 (2018) 012150, International Conference on Mathematical Modelling in Physical Sciences

Gašpar, G. ‒ Šedivý, Š. ‒ Pepucha, Ľ. ‒ Florková, Z.: Road structural elements temperature trends diagnostics using sensory system of own design, In: IOP conference series: Materials science and engineering. ISSN 1757-8981. Vol. 236 (2017), art. no. 012036, [9] s.

Weisenpacher, P. ‒ Glasa, J. ‒ Valášek, L.: Computer simulation of smoke stratification during fire in bi-directional road tunnel by FDS 6. In MCS-10 : Tenth mediterranean combustion symposium. - Napoli, Italy, 2017, 10 p. ISBN 978-1-5090-4119-0.

Šedivý Š. ‒ Mičechová L. ‒ Scheber P.: Mechatronics solutions in process of transport infrastructure monitoring and diagnostics. In: Mechatronics 2019: Recent Advances Towards Industry 4.0, 2019. s. 141 – 148. ISBN: 978-3-030-29992-7. ISSN: 2194-5357.

Danišovič, P. ‒ Kántor, K. ‒ Hodoň, M.: Modely vzniku a šírenia požiarov v cestných tuneloch. V: Hasiči, Spravodajca protipožiarnej ochrany a záchrannej služby, 2018. Ročník XLVIV, číslo 1 a 2. ISSN: 1335-9975. s. 6 ‒ 9.

Ing. Peter Danišovič, PhD.

doc. Ing. Juraj Šrámek, PhD.

Žilinská univerzita v Žiline, Stavebná fakulta

www.uniza.sk