Особенности проектирования и монтажа систем вентиляции в подземных сооружениях

А. В. Карликов, генеральный директор ЗАО «Промвентиляция»

Требования к вентиляции подземных сооружений

Современные подземные объекты – капитальные сооружения, рассчитанные на длительные сроки эксплуатации (100 и более лет), – должны удовлетворять требованиям эксплуатационной надежности, обеспечивая безопасность для жизни людей, безотказность, долговечность и ремонтопригодность. В соответствии с «Концепцией освоения подземного пространства и основных направлений развития подземной урбанизации г. Москвы» к 2010 го-ду в столице планируется построить 2–3 млн м², что составит 15 % от общего объема строительства. Под землей планируется разместить до 70 % всех гаражей, 80 % складских помещений и 30 % объектов сферы услуг.

Особое место в подземном строительстве занимает возведение подземных автодорожных тоннелей, названных в Концепции «уникальными объектами общегородского значения», ввиду их значимости для жизнедеятельности города, масштабности и сложности. Тоннелями называются горизонтальные или наклонные подземные искусственные сооружения, характеризующиеся большой длиной и предназначенные для транспортных целей.

Безусловно, для нормальной работы тоннеля большое значение имеет вентиляционное оборудование. Вентиляция обеспечивает эксплуатацию железнодорожного или автодорожного тоннеля в нескольких режимах. Режим А – нормальный – когда осуществляется безостановочное движение транспорта с максимальной разрешенной скоростью при интенсивности, соответствующей часу «пик». Режим Б – замедленный – в ситуациях, когда осуществляется безостановочное движение транспорта со скоростью менее 20 км/ч. Режим В – транспортная пробка – в случаях, когда происходит остановка транспорта с работающими двигателями на время длительностью до 15 мин.

Необходимо понимать, что в ряду опасностей при эксплуатации тоннелей особое место занимают выхлопные газы автомобилей и пожары, что определяет особенности проектирования и монтажа вентиляционных систем, а также оборудования. Так, для нормального режима эксплуатации тоннеля (режим А) предельно допустимая концентрация (ПДК) оксида углерода как индикатора всего набора выхлопных газов в воздухе транспортной зоны тоннеля должна быть не выше приведенной в табл. 1, а для режимов Б и В – не выше значений ПДК согласно ГОСТ 12.1.005.

Таблица 1 ПДК загрязняющих веществ в воздухе транспортной зоны

мг м3 Оксид углерода 200 Оксид азота (в пересчете на NO2) 5 Сажа 4

При проведении в тоннеле ремонтных и других работ концентрация вредных веществ в воздухе тоннеля и в обслуживаемых зонах не должна превышать предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных ГОСТ 12.1.005.

В однопутных железнодорожных тоннелях и автодорожных тоннелях с односторонним движением при продольной вентиляции необходимо, чтобы направление вентиляционного потока совпадало с преимущественным направлением движения транспортных средств.

Особые требования к системе вентиляции предъявляются со стороны пожарной безопасности. Вентиляция с искусственным побуждением должна быть реверсивной и обеспечивать:

- устойчивость заданного направления движения вентиляционного потока;

- незадымленность путей эвакуации до их завершения путем создания подпора воздуха не менее 20 Па;

- в) время переключения системы при реверсировании вентиляционного потока должно быть не более 5 мин.

Уровень шума в тоннеле, создаваемого работой вентиляционного оборудования в тоннелях, не должен превышать значений, указанных в табл. 2, а в технологических, вспомогательных и служебных помещениях – установленных ГОСТ 12.1.003.

Таблица 2 Уровень шума в тоннеле, создаваемого работой вентиляционного оборудования

Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц 63 125 250 500 1 000 2 000 4 000 8 000 Уровень звукового давления, дБ 97 88 83 76 72 62 54 47

Поскольку в данных сооружениях присутствует большая тепловая инерция ограждающих конструкций и грунта, расчет можно вести на среднечасовые тепловыделения. При вентиляции с искусственным побуждением движение воздуха происходит в результате совместного действия работающих вентиляторов и гравитационных сил, а для железнодорожных тоннелей и поршневого действия поездов гравитационные силы тем больше, чем больше перепад высот на входе и выходе воздуха из тоннеля.

Существуют несколько способов вентиляции. Поперечный, или распределительный, при котором наружный воздух из приточного воздуховода подается в тоннель через специальные отверстия, равномерно расположенные по длине тоннеля, и вытягивается через такие же отверстия, расположенные в вытяжном воздуховоде; приточные и вытяжные отверстия размещаются в шахматном порядке. При полупоперечном способе чистый наружный воздух подается в тоннель принудительно, как и при поперечном способе, а отработанный проходит по всему тоннелю и выходит наружу через порталы тоннеля или специальные вентиляционные шахты, расположенные по длине тоннеля. Третий способ продольный, при котором тоннель служит воздуховодом, по которому проходит воздух, необходимый для вентиляции тоннеля.

К вентиляторам предъявляются особые требования. При небольших статических давлениях они должны обеспечивать перемещение больших объемных расходов воздуха. Вентиляторы должны обладать высоким коэффициентом полезного действия. Они должны работать как на прямом, так и на реверсном ходе. Аэродинамическая характеристика вентиляторов должна обеспечивать одновременную устойчивую работу двух одинаковых вентиляторов. Важно, чтобы вентиляционное оборудование имело наименьшие размеры и занимало малую площадь. Привод от электродвигателя к вентилятору должен быть надежным, простым в обслуживании и малошумным. Такие характеристики, как малая вибрация, разборность и возможность прочистки, наименьший аэродинамический шум являются важными критериями при выборе вентиляционного оборудования.

Приведенным требованиям лучше отвечают струйные осевые вентиляторы, специально разработанные для тоннелей и метро. Они отличаются высокой эффективностью, низким шумом, долговечностью, высокой надежностью, небольшим объемом технического обслуживания, устойчивостью к коррозии и взрывозащищенными электродвигателями с автоматическим регулированием производительности и могут обеспечивать обратный поток до 100 %. Могут применяться также радиальные вентиляторы с рабочим колесом, у которого лопатки загнуты назад.

Параллельная работа одинаковых вентиляторов дает следующие преимущества:

 – позволяет снизить мощность вентагрегата и пусковые токи;

– повышает надежность работы системы вентиляции;

– улучшает эксплуатационные качества;

– позволяет просто регулировать производительность системы вентиляции.

Таким образом, в силу большого количества требований и норм проектирование и монтаж вентиляционных систем в подземных сооружениях можно отнести к разряду самых сложных.

Специфика вентиляционных систем Лефортовского тоннеля

Лефортовский тоннель – это самый большой в Европе городской автодорожный тоннель, пересекающий городские массивы без нарушения сложившейся среды обитания с сохранением целостности зданий и инженерных сооружений.

Конструктивно Лефортовский тоннель представляет собой комплекс подземных сооружений, возведенных на разной глубине из различных строительных материалов. В технологическом плане внутреннее пространство тоннеля разделено на три сектора. В верхнем секторе размещаются вентиляторы для продольной вентиляции и вытяжные воздуховоды из железобетона с воздуховодами-ответвлениями из нержавеющей стали. В среднем секторе устроена проезжая часть со служебным проходом и обустроены технологические системы тоннеля: тамбуры с эвакуационными лотками, пожарные шкафы, светильники, громкоговорители, телекамеры и т. д. В нижнем секторе под проезжей частью находятся эвакуационные коридоры, кабельные коллекторы, вентиляционные каналы, технологические коммуникации, средства пожарной сигнализации и пр. (подплатформенные помещения, предназначенные для эвакуации пассажиров, прокладки коммуникаций и обеспечения технологического процесса эксплуатации тоннеля).

Эвакуационная зона разделена сеткой на 2 части.

В одной находится кабельный коллектор, состоящий из 15 отсеков, каждый из которых имеет систему приточно-вытяжной вентиляции и дымоудаления. Эвакуационная зона отделяется от основного тоннеля противопожарными дверьми и при введении аварийного вентиляционного режима в ней создается подпор воздуха по отношению к основному тоннелю. Это мероприятие позволяет организовать эвакуацию и проведение аварийно-спасательных работ через технический тоннель.

Вентиляционная система глубокого тоннеля представляет собой 46 струйных осевых вентиляторов немецкого производства; они обеспечивают объемный расход воздуха 1 млн м³/ч. Кроме того, в двух точках тоннеля глубокого заложения расположены две венткамеры с 2 приточными и 2 вытяжными вентиляторами. Производительность каждого приточного и вытяжного вентилятора – 360 тыс. м³/ч.

В транспортной зоне тоннеля смонтированы 11 датчиков газового анализа на окись углерода и 4 датчика на двуокись азота. В зависимости от уровня концентрации вредных веществ в воздухе ступенчато изменяется расход воздуха (пять ступеней). Если в тоннеле из-за огромного числа машин движение замедляется и образуются пробки, то на 4-й ступени включаются 2 приточных и 2 вытяжных радиальных вентилятора – по одному с каждой стороны тоннеля. Наконец, в самой сложной ситуации дополнительный свежий воздух подается еще двумя большими приточными вентиляторами. Максимальный расход приточного воздуха в тоннеле составляет 2,44 млн м³/ч.

Регулирование и контроль расхода воздуха осуществляются автоматически с ЦДП. Система автоматического регулирования обеспечивает равномерное поступление свежего воздуха на всем протяжении тоннеля. По всей длине тоннеля устроены 24 киоска приточной вентиляции (они же являются входами в аварийные спуски). Их двери легко открываются в любое время, и человек сразу попадает на площадку перед желобом (его называют «склизом»), по которому в секунды соскальзывает вниз, в зону эвакуации, где ему указывают, в какую сторону идти. Если появляется необходимость в спасателях, они продвигаются по второй половине зоны, отгороженной сеткой.

Принята продольная схема вентиляции отрезков тоннеля мелкого заложения с естественным притоком и механическим удалением воздуха. Подвижность воздуха внутри тоннеля обеспечивают струйные осевые вентиляторы отечественного производства. Вытяжная вентиляция двух отрезков тоннеля мелкого заложения осуществляется радиальными вентиляторами № 20. Они размещены в десяти венткамерах по 5 штук в каждой и подключены к вентиляционной сети параллельно. Каждый вентилятор обеспечивает объемный расход воздуха 80 000 м³/ч и развивает давление 1 800 Па. Параллельное соединение вентиляторов дает возможность автоматически регулировать расход воздуха в системе вентиляции и повышает надежность системы.

Радиальные вентиляторы служат одновременно вентиляторами дымоудаления на случай пожара. Они способны работать непрерывно в течение двух часов при температуре 600 °С. Перед вентиляторами установлены универсальные противопожарные клапаны с внешним электроприводом. Вентиляторы и воздуховоды имеют отверстия для прочистки, так как удаляемый из тоннеля воздух содержит большое количество грязи и пыли. Система автоматического регулирования контролирует уровень вибрации вентилятора – при превышении заданного значения уровня вибрации вентилятор отключается, и его необходимо чистить.

Жалюзийные решетки для удаления воздуха из тоннеля изготовлены из нержавеющей стали, они снабжены регуляторами расхода воздуха для равномерного всасывания воздуха по всей длине отрезков тоннеля. В верхней части тоннеля размещен вытяжной воздуховод из железобетона, который соединен с вытяжными решетками отрезками воздуховодов из нержавеющей стали толщиной 3 мм.

Предусмотрены также системы механической приточной и вытяжной вентиляции трех трансформаторных подстанций, кабельных коллекторов, помещений для размещения водоотливных установок и самих водоотливных каналов, приточные системы для подачи воздуха в венткамеры и др. Вытяжные системы кабельных коллекторов и трансформаторных подстанций также совмещены с системой дымоудаления.

В тоннеле в случае возникновения пожара системы вытяжной вентиляции переключаются на режим эффективного дымоудаления, приточные системы обеспечивают подачу свежего воздуха в эвакуационный коридор, а также создают воздушный подпор на проезжей части через приточные клапаны у аварийных выходов, что препятствует распространению пожара. Для повышения огнестойкости воздуховодов и вентиляторов была использована специальная штукатурка на минераловатной основе.

Монтаж систем вентиляции и дымоудаления осуществлялся в 2 этапа. Первый этап монтажных работ на внутреннем направлении тоннеля (1,2 км) занял 3 месяца. Второй этап работ (на втором участке в 1,2 км) был выполнен всего за 1,5 мес. Всего в монтажных работах участвовало 50 специалистов-монтажников. При изготовлении и монтаже воздуховодов из нержавеющей стали повышенной толщины (3 мм) были использованы новые технологии. Соединение воздуховодов происходило с помощью бесфланцевой сварки посредством муфт из нержавеющей стали. Сварка производилась полуавтоматами в среде аргона и углекислого газа.

Управление всем технологическим оборудованием тоннеля производится из центрального диспетчерского пункта (ЦДП), откуда осуществляется дистанционный контроль за работой всех эксплуатационных систем тоннеля.

При строительстве Лефортовского тоннеля специалистами ЗАО «Промвентиляция» был накоплен большой практический опыт сооружения автодорожных тоннелей. Эксперты пришли к ряду выводов. Налицо необходимость в анализе, осмыслении принятых технических решений на данном уникальном объекте. С нашей точки зрения, следует более полно отражать современные технические решения в нормативной документации. Специалисты настоятельно рекомендуют разработать «Нормы пожарной безопасности для автодорожных тоннелей», которые вышли бы отдельным разделом в «Правилах безопасности при эксплуатации транспортных тоннелей».