Wentylacja w tunelach może powodować nagromadzenie zanieczyszczeń stałych i gazowych w miejscu ich usuwania z tunelu, dlatego dla zapewnienia odpowiednich warunków środowiskowych w rejonie wylotu zanieczyszczonego powietrza z tunelu konieczne jest stosowanie stacji uzdatniania powietrza.
Rozwój gospodarki pociąga za sobą zapotrzebowanie na dobrej jakości infrastrukturę transportową zarówno drogową, jak i kolejową. W wielu krajach warunki topograficzne oraz przeciążone ciągi komunikacyjne w rozbudowanych aglomeracjach sprawiają, że najbardziej racjonalnym infrastrukturalnie rozwiązaniem stają się tunele komunikacyjne. Głównym powodem ich budowania jest zapewnienie komunikacji przez różnego rodzaju przeszkody oraz skrócenie i usprawnienie czasu podróży [1]. Budowle tunelowe to także najlepsze rozwiązania problemów środowiskowych napotykanych na gęsto zaludnionych terenach, takich jak hałas, zanieczyszczenia powietrza itp. Na terenach górzystych wykorzystanie tuneli często staje się jedynym możliwym rozwiązaniem, umożliwiającym pokonanie przeszkody terenowej [5].
Rys. 1 Rozkład zanieczyszczeń w tunelu drogowym z wentylacją mechaniczną wzdłużną [3]
Problemy środowiskowe na terenach zurbanizowanych
Zwiększenie natężenia ruchu na terenach zurbanizowanych oraz nieustający wzrost liczby pojazdów na polskich drogach przyczyniają się do wzrostu poziomu zagrożeń środowiskowych, wpływających negatywnie na zdrowie i życie ludzi.
Do głównych zagrożeń wywołanych ruchem ulicznym zaliczamy zagrożenia chemiczne (m.in. zanieczyszczenia powietrza) oraz fizyczne (m.in. hałas, wibracje), a ich poziomy regulowane są w:
– rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 14 czerwca 2007 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku,
– dyrektywie Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/50/WE z dnia 21 maja 2008 r. w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy.
Obecnie pod względem ochrony zdrowia 11 substancji podlega ocenie: dwutlenek siarki (SO2), dwutlenek azotu (NO2), tlenek węgla (CO), benzen (C6H6), ozon (O3), pył drobny PM10 (o średnicy do 10 µm), pył drobny PM2,5 (o średnicy do 2,5 µm); metale ciężkie: ołów (Pb), arsen (As), nikiel (Ni), kadm (Cd) oznaczane w pyle PM10 oraz benzopiren oznaczany w pyle PM10. Dla każdego z wymienionych zanieczyszczeń określone są stężenia w powietrzu, które nie powinny być przekraczane [3]. Ponadto stan przeciążonych szlaków komunikacyjnych i zakorkowane ulice – coraz częstszy problem dużych miast – zmuszają władze lokalne do podejmowania nowych inicjatyw budowy dróg, bardzo często kosztem obszarów zielonych.
Dla ochrony mieszkańców przed wpływem hałasu oraz zanieczyszczeń powietrza w rejonach dróg stosuje się rozwiązania techniczne, takie jak ekrany dźwiękochłonne oraz tunele. Budowanie tuneli jest szczególnie uzasadnione w przeciążonych komunikacyjnie aglomeracjach miejskich. Przenosząc ruch drogowy i kolejowy pod ziemię, stwarza się dodatkowo możliwość rekultywacji terenów na powierzchni.
Rys. 2 Rozkład zanieczyszczeń w tunelu drogowym z systemem wentylacji poprzecznej pełnej [3]
Tunele dla zmniejszenia zagrożeń środowiskowych
W celu zmniejszenia emisji hałasu pochodzącego z ruchu drogowego, szczególnie w rejonach gęsto zaludnionych, budowane są tunele. Rozwiązania te stosowane są w wielu państwach, przyczyniając się w znaczny sposób do ograniczenia negatywnego wpływu hałasu, ponadto tunele pozwalają na kontrolę oraz zmniejszenie emisji zanieczyszczeń gazowych i pyłowych w ich rejonach [4]. Zanieczyszczenia w ruchu ulicznym związane są najczęściej ze szkodliwymi gazami emitowanymi przez pojazdy samochodowe lub szynowe, nadmiernym wydzielaniem się ciepła, wilgoci i pyłów. Dodatkowym czynnikiem implikującym powstawanie podwyższonych stężeń zanieczyszczeń są zatory drogowe. Emisja spalin wynikająca z ruchu pojazdów związana jest z natężeniem i płynnością ruchu, typem silnika przejeżdżających przez tunele pojazdów oraz ich stanem technicznym, rodzajem paliwa i ukształtowaniem trasy [2].
Projektowane tunele, aby zmniejszyć zagrożenia środowiskowe, powinny spełniać wymogi w zakresie:
– wymiany powietrza w stopniu powodującym obniżenie szkodliwych koncentracji zanieczyszczeń gazowych, pyłowych oraz dymów w powietrzu w tunelach do poziomu dopuszczonego przez odpowiednie przepisy lub inne wymagania, np. medyczne;
– dobrej widoczności;
– korzystnych warunków klimatycznych poprzez m.in. regulację prędkości i temperatury powietrza w tunelu;
– możliwości sprawnej ewakuacji użytkowników w przypadkach wystąpienia pożaru;
– możliwości sprawnego gaszenia pożaru.
Rys. 3 Schemat filtra ECCO [8]
System wentylacji w tunelu powinien zapewniać spełnienie wymogów, technicznych i organizacyjnych dla stanu wentylacji normalnej, awaryjnej oraz pożarowej,gwarantując bezpieczeństwo eksploatacji tuneli przez użytkowników, oraz uwzględnić wymagania zawarte w następujących aktach prawnych:
– dyrektywie 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 18 czerwca 2004 r. w sprawie minimalnych wymagań bezpieczeństwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej;
– 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 (Dz.U. z 2000 r. Nr 63, poz. 735);
– rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 3 lipca 2003 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (Dz.U. Nr 130, poz. 1133);
– rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 września 1998 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz.U. z 1998 r. Nr 126, poz. 839);
– ustawie z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane;
– rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 14 października 2008 r. w sprawie dokumentacji bezpieczeństwa tunelu (Dz.U. z 2008 r. Nr 193, poz. 1192);
– rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.);
– rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2008 r. Nr 201, poz. 1238).
Ponadto w różnych krajach istnieją wytyczne projektowe w zakresie bezpieczeństwa i wentylacji tuneli komunikacyjnych, które zawierają praktyczne zalecenia związane z projektowaniem, budowaniem, bezpieczeństwem, wyposażeniem oraz zarządzaniem obiektami tunelowymi, są to m.in.:
– wytyczne dotyczące wyposażenia i eksploatacji tuneli drogowych RABT (Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Strassentunneln);
– PIARC World Road Association pt. „Roads Tunnels: Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation”.
W Polsce ciągle brakuje takich wytycznych, mimo że istnieje zapotrzebowanie na opracowanie odpowiedniego dokumentu.
Fot. 1 Wizualizacja terenu przed budową tunelu M-30 w Madrycie oraz idei przeniesienia ciągów komunikacyjnych pod ziemię
Uwzględniając stan techniki i wymagania przepisów, stosuje się następujące systemy wentylacji tuneli:
– wzdłużny (wentylacja naturalna, wentylacja naturalna z szybem, wentylacja naturalna z wentylatorami, wentylacja mechaniczna, system Saccardo Nozzle);
– poprzeczny (wentylacja mechaniczna półpoprzeczna przystropowa, wentylacja mechaniczna przyspągowa, wentylacja mechaniczna poprzeczna pełna) [3].
W przypadku wzdłużnego przepływu powietrza w tunelu odprowadzenie powstałych zanieczyszczeń następuje wzdłuż długości tunelu. Koncentracja zanieczyszczeń powietrza rośnie wraz ze wzrostem długości obiektu, dlatego gromadzące się w tunelu zanieczyszczenia osiągają najwyższe poziomy stężeń na wyjściu z tunelu (rys. 1).
W celu uniknięcia bardzo wysokiego poziomu zanieczyszczeń w długich tunelach drogowych z wzdłużnym przepływem powietrza budowane są szyby wentylacyjne z wentylatorami.Ideą takiego rozwiązania jest rozrzedzenie powstałych zanieczyszczeń przez dostarczenie świeżego powietrza do przestrzeni tunelu, co odbywa się za pośrednictwem zamontowanego w szybie wentylatora.
System wentylacji poprzecznej pełnej działającej pod wpływem depresji mechanicznej jest połączeniem wentylacji półpoprzecznej przyspągowej i wentylacji półpoprzecznej przystropowej. Powietrze zawierające zanieczyszczenia stałe i gazowe jest odprowadzane przez kanały wylotowe znajdujące się przy stropie, a powietrze świeże doprowadza się przez kanały wlotowe rozmieszczone przy spągu (rys. 2). System wentylacji poprzecznej zazwyczaj stosowany jest dla przewietrzania długich tuneli i tuneli zagrożonych dużymi ilościami zanieczyszczeń stałych i gazowych.
Stosowanie wentylacji mechanicznej w tunelach umożliwia skierowanie zanieczyszczeń do wylotów tunelu w miejscach, gdzie nie są one uciążliwe dla środowiska, lub do miejsc, w których następuje ich koncentracja i dopływ do urządzeń oczyszczających.
Rys. 4 Instalacja filtrująca w tunelu M-30 w Madrycie [8]
Możliwości oczyszczania powietrza wentylacyjnego z tuneli
Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych i gazowych w tunelu jest realizowane w celu zapewnienia dobrych warunków widoczności, odpowiedniej jakości powietrza podczas eksploatacji tunelu oraz ograniczenia emisji zanieczyszczeń usuwanych z powietrzem z tunelu do atmosfery.
Oczyszczanie powietrza w tunelu z zanieczyszczeń stałych – cząstek pyłu sadzy i dymów – przeprowadza się, wykorzystując filtry elektrostatyczne (ESP, ang. electrostatic precipitator) (rys. 3). Proces oczyszczania powietrza można podzielić na trzy etapy:
1) ładowanie cząstek zanieczyszczeń, wykorzystując wysokie napięcie,
2) gromadzenie się naładowanych cząstek zanieczyszczeń na elektrodach,
3) usuwanie cząstki z powierzchni elektrod.
Neutralizacja zanieczyszczeń gazowych, ściślej dwutlenku azotu, odbywa w specjalnych filtrach. Technologie usuwania NOx wymagają oczyszczenia powietrza z cząstek stałych przed procesem neutralizacji. Dlatego doskonalenie metod neutralizacji dwutlenku azotu uzależnione jest od skuteczności ESP. Technologie usuwania dwutlenku azotu stosowane są głównie w tunelach zlokalizowanych w zatłoczonych obszarach miast, gdzie występuje silnie zanieczyszczone powietrze. Jedną z metod usuwania dwutlenku azotu jest absorpcja, czyli wchłanianie przez chemiczne przekształcanie go w KNO2 i KNO3 przy użyciu wodorotlenku potasu KOH, na materiale pochłaniającym. Inną metodą neutralizacji dwutlenku azotu w tunelach komunikacyjnych jest wykorzystanie materiału przypominającego plaster miodu. W wyniku adsorpcji dwutlenku azotu z materiałem nasączonym Na2SO4 następuje neutralizacja NO2 [6].
Fot. 2 Po lewej stronie przedstawiono filtry ECCO na jednym z odcinków tunelu, po prawej – jonizator ze stali nierdzewnej do ładowania cząstek stałych (źródło: opracowanie własne)
Tunel Madrid Calle 30 w Hiszpanii jako przykład skutecznego rozwiązania problemów środowiskowych
Tunel drogowy M-30 zlokalizowany w samym sercu Madrytu jest jedną z najważniejszych i najbardziej uczęszczanych dróg stolicy Hiszpanii. Wewnętrzna tunelowa obwodnica miasta liczy 56 km długości i składa się z dwóch komór – każda o jednokierunkowym ruchu.
Przed wybudowaniem tunelu miasto borykało się z wieloma problemami wynikającymi głównie z przeciążonej infrastruktury komunikacyjnej. Mieszkańcy Madrytu narzekali również na złą kondycję dróg oraz duże zanieczyszczenie powietrza spowodowane spalinami. Miasto stanęło przed trudnym wyborem między dwoma rozwiązaniami:
1) generalnym remontem dróg oraz budową estakad, co finalnie nie rozwiązałoby problemów zanieczyszczeń powietrza, panującego hałasu oraz innych zagrożeń;
2) przeniesieniem całej infrastruktury pod ziemię – fot. 1.
Wybudowany tunel zlikwidował blokadę w ruchu samochodowym w Madrycie, ponadto całą powierzchnię naziemną zrekultywowano i odzyskano ekologicznie, tworząc liczne parki, obszary zielone, z których korzystają mieszkańcy miasta.
Problem zanieczyszczonego powietrza emitowanego z tunelu został rozwiązany przez zamontowanie instalacji filtrującej, składającej się z siedmiu filtrów do oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń stałych (ECCO) oraz dwóch instalacji złożonych z filtrów do oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń stałych oraz gazowych (ECCO + ECCONOxCAT) – rys. 4 i fot. 2.
Podsumowanie
Przedstawiony materiał pozwala na sformułowanie następujących wniosków:
1. Rozwój infrastruktury transportowej, zwłaszcza na terenach silnie zurbanizowanych, wymaga budowy tuneli komunikacyjnych.
2. Tunele ułatwiają komunikację, zmniejszają lub niwelują emisję hałasu, zanieczyszczenia stałe i gazowe oraz pozwalają na zagospodarowanie przestrzeni naziemnej: tworzenie obszarów zielonych, parków.
3. Stosowana wentylacja w tunelach może powodować nagromadzenie zanieczyszczeń stałych i gazowych w miejscu ich usuwania z tunelu, dlatego dla zapewnienia odpowiednich warunków środowiskowych w rejonie wylotu zanieczyszczonego powietrza z tunelu konieczne jest stosowanie stacji uzdatniania powietrza, składającej się z filtrów stałych i gazowych.
prof. dr hab. inż. Stanisław Nawrat
mgr inż. Sebastian Napieraj
mgr inż. Natalia Schmidt-Polończyk
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
Literatura
1. P. Czaja, Tunele – współczesne potrzeby cywilizacyjne i ich możliwości zaspokajania, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne”, 2012, s. 34–40.
2. J. Makowiecki, Uwarunkowania w prognozowaniu przepływów powietrza w tunelach drogowych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 11/2005.
3. S. Nawrat, S. Napieraj, Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2005.
4. S. Nawrat, S. Napieraj, N. Schmidt-Polończyk, Możliwości ograniczenia zagrożeń środowiskowych przez zastosowanie tuneli komunikacyjnych, „Budownictwo Górnicze i Tunelowe” nr 2/2014, s. 11–16.
5. N. Schmidt, Stan i perspektywy budownictwa tuneli drogowych w Polsce, materiały Krakowskiej Konferencji Młodych Uczonych, s. 439–448, Kraków 2011.
7. N. Schmidt, Wybrane aspekty procesu oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń i wentylacji w tunelach drogowych, „Logistyka” nr 4/2013, s. 484–496.
8. www.aignertunnel.com.
