Обоснование параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору

Актуальность работы. В последнее время все больше внимания уделяется строительству и эксплуатации подземных объектов различного назначения, особенно широкие масштабы приобретает строительство тоннелей большого сечения. Это вызвано высокой стоимостью земли, необходимостью сохранения природного ландшафта и другими причинами.

Опыт эксплуатации тоннелей свидетельствует о том, что пожары в них происходили и происходят во всем мире и нередко приводят к катастрофическим последствиям. Так, с 2000 по 2001 гг. было 3 крупных пожара в автодорожных тоннелях Европы, унесших жизни 191 человека. В 2005 и 2007 гг. также не удалось избежать жертв при пожарах в тоннелях Италии. В последнее десятилетие в России было сдано в эксплуатацию много транспортных тоннелей, при этом уже было зафиксировано несколько серьезных пожаров и возгораний, при которых был нанесен ущерб здоровью людей как следствие отравления газообразными продуктами горения, в частности угарным газом. Таким образом, защита человека при пожаре в тоннелях большого сечения прежде всего должна быть направлена на снижение опасного воздействия угарного газа, то есть на снижение его концентраций до предельно допустимых значений.

На сегодняшний день для защиты людей от опасного воздействия газового фактора в подземном сооружении применяются технические и организационные мероприятия, основанные на большом опыте, накопленном при добыче полезных ископаемых, а также при строительстве и эксплуатации тоннелей различного назначения. Основную роль при этом играет вентиляция. Но имеющиеся решения не всегда обеспечивают необходимый уровень защиты людей.

В научных исследованиях, проведенных ранее в области безопасности горных выработок по газовому фактору, отражены вопросы снижения опасного воздействия на людей токсичных газовоздушных смесей, образовывающихся при пожаре. Однако до сих пор не рассматривались существенно изменившиеся в последнее время условия современных тоннелей, заключающиеся в больших площадях поперечных сечений, увеличении их протяженности и связанной с этим большой плотности людей и материальных объектов, находящихся в них. Поэтому научные исследования, направленные на определение параметров системы пожарной безопасности для тоннелей большого сечения, в настоящее время являются весьма актуальными.

Цель работы — установление зависимостей концентрации пожарного газа в атмосфере тоннелей большого сечения от влияющих в пространстве и времени факторов для обоснования параметров системы пожарной безопасности тоннелей, позволяющей снизить воздействие на людей газового фактора.

Идея работы заключается в применении математического моделирования процесса газопереноса в пространстве тоннеля большого сечения с течением времени от момента начала пожара.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

• Оценка газового фактора в атмосфере тоннеля при пожаре осуществляется с учетом распределения концентрации пожарного газа путем математического моделирования газопереноса по протяженности и высоте сооружения под действием скорости движения воздуха, подъемной силы, диффузии.

• Влияние формы поперечного сечения на степень заполнения атмосферы тоннеля пожарными газами определяется с помощью предложенных коэффициентов кф, основанных на сопоставлении высоты загазованной области при различных формах сечения выработки.

• Оптимальные параметры системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору, включающие расстояние между аварийными выходами, время эвакуации людей, рекомендуемую 5 скорость движения воздуха, целесообразно определять на основе полученных зависимостей концентрации пожарного газа от расстояния до очага пожара с учетом коэффициента заполнения тоннеля пожарными газами кф средней скорости движения воздуха в тоннелевремени от начала пожаравысоты от почвы выработкиплощади поперечного сечения.

• Разработанный алгоритм определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору позволяет оптимизировать их путем подбора защитных мероприятий на разных стадиях жизненного цикла тоннелей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

— анализом большого количества научно-технических материалов и литературных источников о пожарной безопасности подземных сооружений;

— представительным объемом исследований с использованием лабораторного стенда «Моделирование процессов газопереноса в сооружениях тоннельного типа»;

— удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований процесса переноса пожарного газа в атмосфере тоннеля (погрешность не более 23%).

Научное значение работы состоит в разработке методического подхода к определению параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения на основе учета динамики пожарных газов.

Практическая значимость исследований состоит в разработке рекомендаций по повышению безопасности людей при пожарах в тоннелях большого сечения на стадиях проектно-планировочных решений сооружения, его строительства и эксплуатации.

Реализация работы. Результаты исследований приняты для использования при разработке системы пожарной безопасности строящегося комплекса тоннелей дороги Адлер — Горноклиматический курорт «Альпика-Сервис» в районе г. Сочи.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных научных симпозиумах «Неделя горняка» в 2008 — 2009 гг., научной конференции стипендиатов Германской службы академических обменов в 2009 г. в г. Бонн (Германия), международной научно-технической конференции «Основные направления развития инновационных технологий при строительстве тоннелей и освоении подземного пространства крупных мегаполисов» в г. Москве в 2010 г., научных семинарах кафедр «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона», «Аэрология и охрана труда».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научных работы, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключениясодержит 20 таблиц, 39 рисунков, список литературы из 115 наименований.

Выводы.

Разработана математическая модель процесса переноса пожарного газа в атмосфере тоннеля, отражающая влияние движения воздуха, подъемной силы и диффузии на газоперенос и позволяющая определять и прогнозировать величину концентрации газа с учетом пространственных и временных характеристик.

Исследования влияния форм поперечного сечения тоннеля на безопасность людей при пожаре по газовому фактору, позволили разработать коэффициенты заполнения тоннеля пожарными газами кф, а также установить, что наиболее безопасным вариантом формы поперечного сечения тоннеля относительно прямоугольной является эллиптическая форма (кф = 0,78).

Установлены зависимости концентрации пожарного газа от расстояния до источника пожара при различных формах поперечного сечения тоннеля, средней скорости движения воздуха, высоты от почвы тоннеля, времени от начала пожара и площади поперечного сечения тоннеля.

4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО.

СЕЧЕНИЯ ПО ГАЗОВОМУ ФАКТОРУ.

4.1. Разработка алгоритма определения параметров безопасности тоннелей большого сечения при пожаре.

Для реализации последовательности действий по определению и использованию параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору разработан соответствующий алгоритм, представленный на рис. 4.1.

Исходными данными для определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения являются характеристики объекта, а также информация о пожаре и состоянии воздушной среды на момент пожара. К характеристикам объекта относятся длина тоннеля, площадь поперечного сечения и данные о его форме, радиус в случае круглых частей формы сечения. При возникновении пожара необходима информация о месте возникновения очага пожара, его мощности, значениях температуры окружающей воздушной среды и температуры пожарных газов, а также величине средней скорости движения воздуха.

На ' первом этапе алгоритма производится расчет концентрации пожарного газа с использованием разработанной компьютерной модели. Исходными данными для расчета являются: температура окружающей среды Тв, температура пожарного газа Тг, средняя скорость движения воздуха в тоннеле уср, начальная концентрация пожарного газа в объеме-«очаг пожара», а также геометрические характеристики тоннеля: длина, площадь поперечного сечения и его форма.

Основываясь на данных о концентрации пожарного газа, полученных с использованием компьютерной модели, далее определяется расстояние от самой высокой точки кровли тоннеля до отметки, на которую опустились пожарные газы кф для прямоугольной формы.

Исходные данные I.

Параметры тоннеля Аварийная ситуация «Пожар».

Длина Место аварии Температура пожарного газа Тг, температура окружающей среды Тв, концентрация газа в элементарном объеме-«очаг пожара», средняя скорость движения воздуха в тоннеле мср

Форма поперечного сечения.

Радиус.

Площадь поперечного сечения.

Расчет расстояния до аварийного выхода I. 1.

Расчет величины расстояния кф с учетом фактора формы поперечного сечения тоннеля 1.

Расчет концентрации токсичного газообразного вещества С с использованием компьютерной модели.

Расчет времени движения человека до аварийного выхода 1.

Выбор мероприятий по защите человека от газового с) актора.

Расчет необходимого времени движения до безопасной зоны, 1 Расчет необходимого расстояния между аварийными выходами 1ав Обустройство передвижными спасательными пунктами Аварийный режим вентиляции I.

Расчет необходимой скорости движения воздуха и определение его направления, у.

Рис. 4.1. Алгоритм определения параметров системы пожарной безопасности тоннелей большого сечения по газовому фактору.

С учетом коэффициентов заполнения тоннеля пожарными газами кф расстояние кф пересчитывается для случая с рассматриваемой формой. Величина 1ц необходима для обоснования наиболее безопасного варианта формы поперечного сечения тоннеля. Но решение по выбору формы поперечного сечения с точки зрения безопасности людей по газовому фактору принимается на стадиях разработки проекта тоннеля большого сечения.

Расчет времени эвакуации, при котором люди могут находиться в безопасных условиях по газовому фактору (концентрация газа не превышает ПДК), производится как сумма времени движения человека в области с концентрацией меньшей ПДК и в областях с концентрациями токсичного газа большей ПДК ^ на основе знаний о средней скорости движения человека по горизонтальной выработке в условиях задымленности.

Максимальное требуемое расстояние между аварийными выходами может пересчитываться относительно принятого нормируемого с учетом коэффициентов заполнения тоннеля пожарными газами.

На следующем этапе алгоритма производится сравнение расчетной концентрации со значением ПДК. При превышении расчетной концентрации газа ПДК, необходимо применять мероприятия по защите людей от воздействия газового фактора, которые принимаются в зависимости от стадии жизненного цикла тоннелей (проектирование, строительство, эксплуатация). При проектировании противопожарной защиты тоннелей большого сечения, на основе разработанного алгоритма производится прогнозирование различных сценариев пожаров. Далее производится расчет необходимого времени движения до безопасной зоны, необходимого расстояния между аварийными выходами, а также принимается решение о необходимости обустройства тоннеля передвижными спасательными пунктами. Спасательные камеры и передвижные спасательные пункты организуются в тоннеле, выход по которому может быть неосуществим из-за большой задымленности, загазованности и других обстоятельств. В камерах.

119 или у пунктов люди должны иметь возможность дождаться помощи или воспользоваться самоспасателями. Камеры и пункты должны содержать запас самоспасателей, средств первой помощи, а также средств для обновления воздуха (от баллона, из пневмосети, через скважины с поверхности и т. д.).

Для тоннелей, находящихся в строительстве или эксплуатации, основным мероприятием по защите людей от воздействия газового фактора служит аварийный режим вентиляции, заключающийся в регулировании работы вентиляторных устройств для обеспечения подачи необходимого количества воздуха и вытяжки дымовых газов. Это позволяет обеспечить снижение концентрации пожарных газов, незадымленность путей эвакуации, а также создание благоприятных условий для ликвидации аварии.

4.2. Формирование рекомендаций по защите людей от газового фактора при пожаре в тоннеле большого сечения.

Пожарные газы, распространяющиеся по тоннелю, постепенно охлаждаются, перемещаются вниз к дорожному полотну и перемешиваются со свежим воздухом, поступающим со стороны портала. Такой эффект можно предотвратить механическим путем. Осевые вентиляторы, установленные во многих тоннелях для вентиляции при нормальных условиях, являются в данном случае не очень эффективными, так как они выдувают токсичные горячие газы от источника в сторону одного из порталов, что препятствует эффективной работе спасательной бригады с этой стороны тоннеля (на основании тестов, исследования пожаров в тоннелях, натурные эксперименты, Норвегия) [96].

При проектировании системы тоннельной вентиляции согласно [57] следует учитывать:

— нормируемые параметры микроклимата и состава воздуха в сооружениях согласно 5.17;

— нормируемые метеорологические условия города;

— гидрогеологические условия залегания линии;

— наличие термальных и сернистых вод в окружающих грунтах;

— выделение радона, метана и иных газов из окружающих грунтов;

— преобладание количества приточного воздуха над удаляемым на 15 -20%;

— обеспечение не менее чем трехкратного воздухообмена в час по внутреннему объему пассажирских и других помещений, обслуживаемых тоннельной вентиляцией;

— подачу наружного воздуха не менее 30 мЗ/ч, а в часы пик — не менее 50 мЗ/ч на одного пассажира;

— обеспечение предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе тоннелей и пассажирских помещений;

— годовой тепловой баланс, обеспечивающий допустимые параметры температуры и относительной влажности воздуха при минимальном росте температуры окружающих грунтов;

— дымоудаление при пожаре на станции или в тоннеле;

— влияние негативных факторов, возникающих при прогнозируемых чрезвычайных ситуациях техногенного и другого характера;

— применение устройств для снижения шума и вибрации, возникающих при работе вентиляционных агрегатов;

— применение мероприятий по снижению влияния эффекта «дутья», возникающего при движении поездов.

При возникновении пожара к вентиляции предъявляются требования защиты людей от пожарных газов (при выводе их из подземного сооружения и во время работ по ликвидации пожара), предупреждение распространения пожара. Выбор вентиляционного режима при пожаре зависит от места его возникновения и мощности, количества выделяемых пожарных газов, схемы вентиляции, путей вывода людей, наличия средств регулирования воздушными потоками [2].

Количество воздуха, которое необходимо подавать в тоннель по условиям обеспечения разбавления и эффективного разбавления вредных веществ, выделяемых транспортными средствами в наиболее неблагоприятном режиме работы и окружающим тоннель горным массивом, до уровня предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ, а также по условиям тепловыделений, следует определять расчетом [59].

Расчет воздухообмена по содержанию вредных веществ в воздухе транспортной зоны тоннеля (отнесенному к внутреннему его объему) следует определять только по окиси углерода СО, выделяемой с выхлопными газами дизельных и карбюраторных двигателей, концентрация которых не должна превышать значений, приведенных в табл. 4.1 [58].