La ventilation dans les tunnels a deux fonctions :
• En fonctionnement normal, elle assure une qualité d'air suffisante dans le tunnel, généralement en diluant les polluants ;
• En cas d'incendie , elle devrait rendre l'environnement aussi sûr que possible pour les usagers du tunnel et les services de secours en contrôlant le flux de fumée de manière appropriée.
Historiquement, la première raison d'installer des systèmes de ventilation dans les tunnels était la réduction des niveaux de pollution. Bien que les émissions de polluants par les véhicules routiers aient considérablement diminué au cours des dernières décennies, cette fonction est toujours importante et doit faire l'objet d'une attention particulière lors de la conception. Dans certains cas, la ventilation naturelle due à l'effet de piston des véhicules en mouvement peut être suffisante pour satisfaire aux exigences de qualité de l'air en fonctionnement normal. La nécessité d'un système de ventilation mécanique est évaluée en tenant compte, entre autres, de la longueur du tunnel, du type de trafic (bidirectionnel ou unidirectionnel) et des conditions (possibilité de congestion) et du type de véhicules.
Les mêmes facteurs déterminent les exigences en matière de ventilation dans les situations d'urgence, notamment en cas d'incendie. La présence d'autres équipements ou installations, par exemple les sorties de secours, doit également être prise en compte. La ventilation naturelle peut être suffisante dans certains cas, mais une ventilation mécanique est souvent nécessaire pour les tunnels de plus de quelques centaines de mètres de long.
Outre ces aspects majeurs, il convient de prendre en considération les questions environnementales liées à la ventilation, les questions relatives à la consommation d'énergie et l'empreinte carbone qui s'y rattache. Celles-ci sont liées au rejet localisé et concentré d'air pollué provenant des portails et des cheminées. La réduction de leur impact sur les environs du tunnel fait partie d'une bonne conception environnementale.
Les chapitres suivants décrivent les principaux aspects à prendre en considération pour une conception et un fonctionnement corrects des systèmes de ventilation dans les tunnels routiers.
La page Principes de ventilation présente les éléments stratégiques qui doivent être pris en compte avant de prendre une décision concernant le choix ou la conception d'un système de ventilation de tunnel.
La page Conception et dimensionnement décrit les principaux critères à prendre en compte pour la conception et le dimensionnement des systèmes de ventilation dans les tunnels routiers, couvrant à la fois la ventilation normale et la ventilation d'urgence.
La page Contrôle et surveillance examine certains aspects spécifiques liés à la fois au système de ventilation du tunnel et au système de contrôle et SCADA.
D'autres aspects liés aux équipements de ventilation des tunnels peuvent être trouvés dans les pages sur la ventilation et les systèmes de ventilation des tunnels (dans la page sur les équipements et les systèmes ).
Enfin, d'autres considérations liées à l'exploitation des tunnels sont présentées dans la page sur les stratégies de ventilation. Celles-ci sont essentielles pour garantir que toutes les actions requises sont traitées de manière cohérente et sûre, en reconnaissant que le niveau de sécurité offert aux usagers du tunnel dépend fortement des caractéristiques spécifiques du tunnel, mais aussi des procédures d'exploitation qui doivent être prises en compte pour chaque tunnel.
1. Types de systèmes de ventilation
2. Ventilation en fonctionnement normal
3. Scénarios d'incendie
4. Autres risques
La conception des systèmes de ventilation des tunnels vise à sélectionner le meilleur choix afin de faire face aux défis suivants :
• la dilution des polluants atmosphériques (à l'intérieur des tunnels),
• les questions environnementales (hors tunnel),
• le contrôle des fumées en cas d'incendie.
En tenant compte du volume d'air requis pour la dilution des polluants ainsi que d'autres facteurs, tels que la longueur du tunnel, son emplacement, le type de trafic, les lois sur l'environnement et, surtout, les considérations de sécurité incendie, une évaluation peut être effectuée et le système de ventilation peut être choisi pour chaque tunnel particulier.
1. Types de systèmes de ventilation
De nombreux types de systèmes de ventilation peuvent être identifiés dans les tunnels routiers, notamment les suivants :
• la ventilation naturelle ; qui peut être induite par la température de l'air et les conditions météorologiques et/ou par le trafic ;
• la ventilation mécanique, qui peut être
o longitudinale,
o extraction massive ponctuelle ou à flux ponctuel,
o transversale,
o semi-transversale (et semi-transversale réversible),
o transversale partielle ;
(des combinaisons des systèmes ci-dessus sont possibles et, dans certains cas, inévitables) :
• le traitement de l'air combiné à une ventilation mécanique.
Une description des principales caractéristiques de chacun de ces systèmes se trouve au chapitre V "Ventilation pour le contrôle du feu et de la fumée" du rapport AIPCR 1999 05.05.B, au chapitre 4 "Ventilation" du rapport AIPCR 2007 05.16.B Systèmes et équipements pour le contrôle du feu et de la fumée et au chapitre "Classification des systèmes de ventilation " du rapport AIPCR 2011R02 Tunnels routiers : Stratégies opérationnelles pour la ventilation d'urgence.
Les critères et les méthodologies de conception et de dimensionnement des ventilations de tunnels se trouvent à la page Conception et dimensionnement , qui sont basés sur les principaux principes de base de la ventilation, applicables à l'exploitation normale et aux scénarios d'incendie, comme décrit dans les sections suivantes.
2. Ventilation en fonctionnement normal
Les émissions de CO, de particules et de NOx (la somme de NO et de NO2) sont considérées comme les polluants de référence des véhicules à moteur à combustion interne dans les tunnels routiers.
La quantité d'air frais requise pour une situation de trafic donnée dans le tunnel dépend du nombre et du type de véhicules dans le tunnel, de l'émission moyenne par voiture dans ce trafic et de la concentration admissible pour cette émission particulière (voir le rapport 2019 R02 de l'AIPCR Émissions des véhicules et demande d'air pour la ventilation ).
Pour les polluants affectant la santé humaine, des valeurs seuils dépendant du temps d'exposition peuvent être imposées par les autorités. Le dosage de la pollution dépend du temps de parcours nécessaire pour transiter dans le tunnel. En l'absence de réglementations nationales, le chapitre 4 "Valeurs de conception et d'exploitation des polluants" du rapport AIPCR R02 2019 "Tunnels routiers : Emissions des véhicules et besoins en air frais pour la ventilation" recommande des limites de concentration et d'exploitation (normales et d'entretien) admissibles.
Des informations supplémentaires sur les émissions de NOx et les recommandations qui en découlent en ce qui concerne la ventilation des tunnels routiers figurent dans le rapport AIPCR 2000 05.09.B. "Pollution par le dioxyde d'azote dans les tunnels routiers" .
En outre, pour des raisons environnementales, la qualité de l'air ambiant aux têtes des tunnels est souvent soumise à certains seuils de polluants, principalement le NO2. Cela peut être réalisé par la gestion des émissions atmosphériques aux têtes . Les exigences en matière de qualité de l'air dans les tunnels ou de qualité de l'air ambiant aux têtes des tunnels peuvent déterminer, dans certains cas, les exigences de capacité du système de ventilation.
La page Conception et dimensionnement décrit les principaux critères à prendre en compte pour la conception et le dimensionnement des systèmes de ventilation dans les tunnels routiers pour un fonctionnement normal.
En outre, pendant l'exploitation du tunnel, le contrôle du système de ventilation est établi en fonction de points de consigne, généralement inférieurs aux valeurs limites de concentration admissibles, de sorte que la ventilation du tunnel est activée avant que les niveaux de polluants ne dépassent les critères. Pour les circonstances extrêmes, des valeurs limites de fermeture du tunnel qui ne doivent jamais être dépassées sont définies pour une exploitation sûre du tunnel. De plus amples informations sur la conception du système de contrôle de la ventilation sont disponibles à la page Contrôle et surveillance.
3. Scénarios d'incendie
Il est essentiel de comprendre le comportement de la fumée lors d'un incendie dans un tunnel pour tous les aspects de la conception et de l'exploitation d'un tunnel. Cette compréhension influencera le type et le dimensionnement du système de ventilation à installer, son fonctionnement en cas d'urgence et les procédures d'intervention qui seront élaborées pour permettre aux exploitants et aux services d'urgence de gérer l'incident en toute sécurité.
Le chapitre 1 "Principes de base de la progression des fumées et de la chaleur au début d'un incendie" du rapport AIPCR 2007 05.16.B Systèmes et équipements pour le contrôle du feu et de la fumée présente les détails du comportement général de la fumée et les principales influences qui affectent sa propagation dans un tunnel, tandis que le chapitre 3 décrit des expériences de cas réels sur l'influence du fonctionnement de la ventilation d'un tunnel sur le contrôle de la fumée en cas d'incendie.
Comme un tunnel peut être emprunté par différents véhicules tels que des voitures, des bus, des camions, des véhicules spéciaux, etc., qui peuvent avoir des chargements différents (personnes, ininflammables, inflammables, explosifs, produits toxiques, etc.), les incendies de tunnel possibles peuvent différer en termes de quantité et de qualité. Dans la plupart des cas, il s'agit de petits incendies de tunnel relativement inoffensifs, avec une température et un dégagement de fumée mineurs, mais des incendies de camions-citernes très dangereux avec des températures élevées, un dégagement de fumée énorme et un risque d'explosion peuvent se produire. Il n'est donc pas possible de prescrire la température et le dégagement de fumée pour chaque type d'incendie de tunnel possible.
Le développement et la dispersion dans le tunnel de la fumée résultant des incendies dépendent principalement des facteurs suivants :
• éventuellement une réduction de l'approvisionnement en oxygène sur le site de l'incendie,
• le dégagement de chaleur,
• la convection de la chaleur,
• la pente longitudinale,
• le type de ventilation,
• les dimensions de l'espace de circulation et les obstructions éventuelles,
• la poussée causée par tout véhicule en mouvement,
• les influences météorologiques (force et direction du vent).
En gros, on peut dire qu'en raison de la chaleur dégagée autour du site de l'incendie, la fumée monte au plafond, et qu'elle continue son écoulement dans une direction lorsque la vitesse longitudinale est élevée, avec ou sans nappe de retour (voir la section Dimensionnement de la page Conception et dimensionnement ) et dans les deux directions lorsque la vitesse longitudinale est faible. Ainsi, il devrait y avoir un espace sans fumée juste au-dessus de la surface de la route à proximité d'un incendie - au moins pendant une courte période.
Des informations détaillées sur la production de fumée et de polluants lors d'incendies réels et d'essais d'incendie à grande échelle figurent à la section II.4 "Choix des incendies de référence" et à la section III.4 "Développement et dispersion de la fumée dans les essais d'incendie" du rapport AIPCR 05.05.B de 1999 sur le contrôle des incendies et des fumées dans les tunnels routiers et à l'annexe 2 "Essais d'incendie" du rapport AIPCR R01 de 2017 sur les caractéristiques des incendies de référence pour les tunnels routiers.
La ventilation des tunnels est un élément clé pour atténuer les conséquences d'un incendie dans un tunnel. La page Conception et dimensionnement décrit les principaux critères à prendre en compte pour la conception et le dimensionnement des systèmes de ventilation dans les tunnels routiers pour les scénarios d'incendie.
En outre, la page Stratégies de ventilation fournit des informations supplémentaires sur les meilleures stratégies opérationnelles en cas d'incendie.
4. Autres risques
Un facteur de risque très important en matière de sécurité incendie dans un tunnel est de savoir si les véhicules transportant des marchandises dangereuses sont autorisés ou non. Les critères permettant de décider quand un tel transport doit être autorisé ne sont généralement pas abordés dans les thèmes liés à la ventilation des tunnels. De plus amples informations sur l'évaluation et l'atténuation des risques associés au transport de véhicules dangereux dans les tunnels routiers sont disponibles à la page Risques liés au transport de marchandises dangereuses.
1. Choix et conception des systèmes de ventilation
2. Capacité de ventilation pour un fonctionnement normal
3. Capacité de ventilation pour les scénarios d'incendie
4. Dimensionnement de la ventilation des tunnels routiers
5. Autres questions. Tunnels souterrains et urbains complexes
Le processus de conception de la ventilation comprend essentiellement le choix du type de système de ventilation, le calcul de la capacité minimale acceptable du système en termes de poussée et/ou de débit, la conception du réseau de ventilation et la sélection des équipements de ventilation appropriés, qui doivent répondre à un certain nombre de spécifications, notamment la résistance au feu et les performances acoustiques.
1. Choix et conception des systèmes de ventilation
Le choix et la conception d'un système de ventilation dépendent de ces principaux facteurs :
• Longueur du tunnel, nombre de tubes, urbain ou rural
• Besoin d'air frais dans des situations de trafic normales et spéciales
• Pollution atmosphérique admissible autour des têtes de tunnel
• Considérations relatives à la sécurité incendie
La page Principes de ventilation fournit des informations générales sur les différents types de systèmes de ventilation que l'on peut trouver dans les tunnels routiers.
Un système de ventilation naturelle peut être très efficace pour la dilution des polluants (en particulier pour les tunnels unidirectionnels), mais il n'est pas possible de compter sur la ventilation naturelle à des fins de sécurité pour les tunnels de plus de quelques centaines de mètres de longueur. En raison du nombre de paramètres de conception contradictoires, il n'est pas possible d'exprimer des recommandations universelles sur les limites de la ventilation naturelle.
Dans la plupart des pays, la nécessité d'un système de ventilation mécanique en fonctionnement normal est évaluée en tenant compte de la longueur du tunnel, du type de trafic (bidirectionnel ou unidirectionnel) et des conditions (possibilité de congestion). Les mêmes facteurs déterminent les besoins de ventilation dans les situations d'urgence, notamment en cas d'incendie. La présence d'autres équipements ou installations, les issues de secours par exemple, doit également être prise en compte.
D'une manière générale, on peut trouver deux types de stratégies de ventilation :
• Ventilation longitudinale (VL) : À l'aide d'un jet d'air placé dans la colonne d'air du tunnel, la résistance à l'écoulement peut être surmontée en convertissant l'impulsion du jet en pression statique. Les jets d'air peuvent être placés à l'entrée du tunnel (Saccardo), soufflant de l'air extérieur dans le tunnel ou comme des ventilateurs canalisés le long du tunnel, chacun accélérant une partie du flux d'air du tunnel. Les accélérateurs (ventilateurs de jet) peuvent fonctionner dans les deux directions du tunnel. (voir section IV.2 "Ventilation longitudinale" du rapport AIPCR 1996 05.02.B "Tunnels routiers : Emissions, Environnement, Ventilation")
• Ventilation semi-transversale (VST) ou transversale (VT) : elle est principalement appliquée dans les tunnels bidirectionnels ou unidirectionnels présentant un risque de congestion. En répartissant l'air frais de manière égale le long du tunnel à partir d'un conduit d'air frais séparé, les émissions des voitures sont diluées localement le long du tunnel. En cas d'incendie dans le tunnel, la fumée peut être extraite en utilisant une gaine d’évacuation dédiée ou en inversant le système d'alimentation en air frais, ce qui permet de réduire les exigences en termes de sorties de secours. (voir section IV.3 "Ventilation semi-transversale" du rapport AIPCR 1996 05.02.B "Tunnels routiers : Emissions, Environnement, Ventilation")
Voici quelques-uns des arguments qui permettent de choisir entre la ventilation longitudinale (VL) et la ventilation transversale (VST/VT) pour une situation donnée dans un tunnel :
• Coûts initiaux : L'installation d'une VST/VT, avec son ou ses conduit(s) de distribution d'air frais et d'évacuation séparés et sa ou ses station(s) de ventilation, présente des coûts de construction plus élevés qu'une VL, alors que les coûts d'installation électromécanique peuvent être à peu près les mêmes. Selon l'évaluation de la sécurité incendie, il peut y avoir des coûts supplémentaires pour les sorties de secours ou les gaines d’évacuation de la fumée avec un système VT.
• Énergie de ventilation : dans un tunnel bidirectionnel, la consommation d'énergie de ventilation pour des tunnels plus longs est moindre pour une VST/VT que pour une VL. Dans un tunnel unidirectionnel, l'effet de piston du trafic fluide crée une auto-ventilation suffisante même dans les longs tunnels, mais en cas de trafic congestionné ou bidirectionnel dans un tel tunnel, la consommation d'énergie est généralement plus importante pour une VL par rapport à une VST/VT. Lorsque les exigences en matière de pollution conduisent à l'installation de cheminées d'extraction massive en tunnel pour contrôler la quantité d'air sortant au droit d’une tête, la consommation d'énergie de la cheminée devient dominante. Cela peut ne pas être le cas lorsque le système de ventilation retenu pour diluer les gaz d'échappement dans le tunnel peut fonctionner indépendamment des cheminées qui contrôlent l'écoulement de l'air du tunnel.
De plus amples informations sur l'impact de la ventilation des tunnels sur les coûts d'exploitation globaux et la consommation d'énergie sont disponibles dans le rapport AIPCR 1999 05.06 Tunnels routiers : Réduction des coûts d'exploitation
• Contrôle des incendies et de la fumée : une VT ou VST fonctionnant en mode inversé, peut extraire la fumée du tube de circulation, créant ainsi un espace sans fumée juste au-dessus de la surface de la route, mais elle pourrait s'avérer moins adaptée pour empêcher la propagation de la fumée si les flux d'air longitudinaux ne peuvent être contrôlés. Une VL peut pousser la fumée vers un côté du feu, et limiter fortement le retour de fumée en amont, mais elle ne pourra pas empêcher le remplissage par les fumées de toute la section du tunnel en aval de l'incendie jusqu'à un puits d'extraction ou la tête du tunnel.
• Protection de l'environnement : avec une VST/VT dans un tunnel à circulation bidirectionnelle, il y existe une pollution de l'air du tunnel au droit des deux têtes, alors qu'avec une VL, cela peut être limité à une seule tête.
• Les longs tunnels : Les vitesses longitudinales maximales admissibles doivent être respectées, ce qui limite l'utilisation de la VL et de la VST pour les tunnels très longs.
Aujourd'hui, le choix entre les différents systèmes de ventilation est principalement guidé par des considérations de sécurité incendie, bien que les aspects environnementaux gagnent en importance lors du processus de prise de décision. Dans les sections V.7 "Recommandations sur la ventilation longitudinale" et V.8 "Recommandations sur la ventilation transversale et semi-transversale" du rapport AIPCR 1999 05.05 "Maitrise des incendies et des fumées ", les critères de conception pertinents et la description des principales limitations peuvent être trouvés.
Le rapport AIPCR 2007 05.16 "Systèmes et équipements pour le contrôle des incendies et des fumées dans les tunnels routiers" a analysé d'autres aspects liés à ce type de systèmes. Ainsi, la section "4.4 Ventilation longitudinale" comprend des critères et des lignes directrices pour la conception et les essais de ce type de système, y compris des considérations concernant les niveaux sonores à atteindre dans l'environnement du tunnel ("4.4.2 Impact sonore des accélérateurs dans un tunnel").
En outre, la conception des systèmes de ventilation doit couvrir d'autres aspects du projet, notamment la disponibilité, la durabilité, la facilité d'entretien ou la fiabilité. Le rapport 2012 R14 de l'AIPCR intitulé "Considérations sur le cycle de vie des équipements électriques des tunnels routiers" contient des conseils et des considérations sur le coût du cycle de vie des systèmes de ventilation.
2. Capacité de ventilation pour un fonctionnement normal
La section Ventilation pendant le fonctionnement normal de la page Principes de ventilation présente quelques informations générales présentant un intérêt en relation avec le fonctionnement normal dans les tunnels routiers.
La conception d'un système de ventilation de tunnel routier doit tenir compte du besoin en air frais pour maintenir la qualité de l'air dans le tunnel en situation d’exploitation normale et congestionnée et de la nécessité de contrôler la fumée et les gaz chauds en cas d'incendie. La capacité de la ventilation à gérer une situation d'incendie détermine souvent le dimensionnement de la ventilation dans les tunnels routiers et non urbains. Néanmoins, le besoin en air frais pour la dilution en situation d'exploitation normale et congestionnée, ou des contraintes environnementales particulières, peuvent être pré-dominants dans les tunnels à fort trafic et à trafic congestionné fréquent.
La capacité de ventilation en fonctionnement normal est définie par le besoin en air nécessaire pour diluer les émissions des véhicules afin de maintenir les valeurs admissibles de qualité de l'air dans le tunnel.
La demande d'air frais (débit d'air) est déterminée par l'augmentation autorisée des concentrations en polluants dans le flux d'air. L'air entre dans l'environnement du tunnel avec des concentrations ambiantes de polluants. Lorsque cet air se déplace dans l'environnement du tunnel, les émissions d'échappement augmentent les concentrations de polluants. L'air vicié doit alors être dilué dans l'environnement du tunnel avant d'atteindre les limites de polluants admissibles. Les concentrations d'émissions dans le tunnel sont le produit des taux d'émission et de l'inverse du flux d'air.
La quantité d'air frais requise pour une situation de trafic donnée dans le tunnel dépend du nombre de voitures dans le tunnel, de l'émission moyenne par voiture dans ce trafic et de la concentration admissible pour cette émission particulière.
Plusieurs rapports de l'AIPCR traitant du thème de la conception et du dimensionnement de la ventilation des tunnels pour un fonctionnement normal ont été publiés au cours des dernières décennies. Le rapport AIPCR 1996 05.02 "Tunnels routiers : Emissions, Environnement, Ventilation" a défini une méthode pour le calcul de la demande d'air frais et pour fournir des taux d'émission pour la conception de la ventilation des tunnels. En outre, certaines informations générales et spécifiques qui peuvent être utiles lors de la conception d'un système de ventilation longitudinal ou semi-transversal ont été fournies.
Toutefois, en raison du renouvellement continu du parc automobile, du renforcement constant des lois sur les émissions et de l'introduction de systèmes de propulsion alternatifs (véhicules hybrides, voitures électriques, etc.), les données sur les émissions nominales ont dû être constamment mises à jour. En conséquence, de nouvelles versions du rapport de 1996 ont été publiées en 2004, 2012 et la dernière en 2019 (voir le rapport AIPCR 2019 R02 "Émissions des véhicules et besoins en air frais pour la ventilation" ), qui fournissent de nouvelles méthodes pour le calcul du besoin en air frais et des taux d'émission sur une base internationale.
Le taux d'émission est fonction de plusieurs facteurs, notamment
• le nombre et le type de véhicules (VL, VUL, PL),
• la norme d'émission sous laquelle le véhicule a été immatriculé (par exemple Euro 4),
• la vitesse des véhicules, qui tient compte des embouteillages ou de la fluidité du trafic,
• la pente de la route,
• d'autres paramètres influençant la puissance nécessaire pour propulser les véhicules (par exemple, le poids).
Une description détaillée de la méthode de calcul du taux de production d'émissions (section 5) et la dernière version de la base de données se trouvent dans le rapport sur les émissions de 2019. Pour des raisons pratiques, une feuille Excel en format électronique contenant les données sur les émissions peut être téléchargée à partir de la bibliothèque virtuelle de l'AIPCR.
3. Capacité de ventilation pour les scénarios d'incendie
La section Scénarios d'incendie de la page Principes de ventilation présente quelques informations générales présentant un intérêt en relation avec les scénarios d'urgence dans les tunnels routiers.
La capacité de ventilation requise par le fonctionnement normal peut ne pas être suffisante pour répondre aux exigences du désenfumage. En outre, le débit d'air nécessaire pour obtenir un contrôle suffisant de la fumée dépend de la puissance de l’incendie.
Dans le but de définir la capacité de ventilation, l’incendie de dimensionnement (défini comme une puissance thermique en MW, en fonction du temps) fournit les caractéristiques de l’incendie qui servent à établir le dimensionnement des équipements dans les tunnels et les scénarios à prendre en compte lors de l'élaboration des plans d'intervention d'urgence.
Fig. 1 : Courbe HRR idéalisée d'un incendie de conception (INCLUDE FIGURE)
Le choix d'un incendie de dimensionnement dépend du type de trafic autorisé dans le tunnel. Suite à la valeur de pointe de 30 MW recommandée dans le rapport AIPCR 1999 05.05 "Maitrise des incendies et des fumées", le rapport AIPCR 2007 05.16 "Systèmes et équipements pour le contrôle des incendies et des fumées" a rappelé les puissances maximales précédemment établies pour différents types de véhicules et a également abordé la dynamique de l’incendie dans le contexte des issues de secours.
Dernièrement, le rapport 2017 R01 de l'AIPCR "Caractéristiques des incendies de dimensionnement en tunnels routiers" a donné des indications sur le choix d'un incendie de dimensionnement du point de vue de la sécurité des personnes. Le rapport fournit des informations sur les essais et les événements qui ont remis en question le sujet et résume également les critères pour l’incendie de référence qui sont actuellement adoptés dans différents pays.
En outre, le rapport présente les différentes approches actuellement adoptées dans la plupart des pays pour le choix des incendies de référence dans les tunnels routiers.
La conception prescriptive implique l'application d'un incendie de dimensionnement donné par un code ou des normes qui peuvent varier en fonction du type de trafic, de la densité et de la longueur et de l'emplacement du tunnel, et le concepteur ou l'autorité choisirait la valeur appropriée pour un cas donné. La section 2.1 "Résumé des pratiques adoptées dans différents pays" du rapport AIPCR 2017 R01 " Caractéristiques des incendies de dimensionnement en tunnels routiers " résume les hypothèses d’incendie de dimensionnement utilisées dans différents pays.
Dans une approche basée sur les performances, un processus d'évaluation de la conception établira des niveaux de risque acceptables. Le point de départ peut être les valeurs prescriptives adoptées, modifiées en fonction des mesures d'atténuation et des niveaux de risque acceptables.
Entre ces deux approches, il existe des options intermédiaires qui permettent un certain degré de conception basée sur la performance sur la base d'orientations prescriptives.
L'influence des systèmes fixes de lutte contre l'incendie dans la définition et le choix d'un incendie de conception est examinée dans le rapport AIPCR 2016 R03 Systèmes fixes de lutte contre l'incendie dans les tunnels routiers : Pratiques actuelles et recommandations.
En conclusion, il n'est pas possible de spécifier un incendie de dimensionnement universel précis ; en effet, le faire serait incompatible avec la variabilité et la probabilité connues des différentes puissances d'incendie dans les tunnels. Cependant, une fois qu'elle est définie pour chaque cas spécifique, la capacité de ventilation pour les scénarios d'incendie peut être évaluée en conséquence, avec des considérations différentes selon le type de système de ventilation.
Ventilation longitudinale
Les systèmes de ventilation longitudinale induisent un flux longitudinal le long de l'axe du tunnel, ce qui permet un système de gestion des fumées efficace tant que le tunnel n'est occupé que d'un seul côté de l'incendie, en supposant donc que la circulation en aval puisse sortir du tunnel. La fumée est soufflée vers le côté inoccupé, de sorte que l’évacuation puisse se faire à contresens du courant d’air.
Ceci est obtenu lorsque la ventilation longitudinale est conduite à une vitesse au moins égale à la vitesse critique. Une vitesse trop faible entraînerait la propagation de la fumée en amont de l'incendie (phénomène de back-layering).
Figure : Exemple de la vitesse critique en fonction de la puissance thermique et de la hauteur du tunnel (INCLUDE FIGURE)
Ventilation transversale
Les récents développements en matière d'extraction semi-transversale de la fumée, visent à limiter la propagation de la fumée des deux côtés de l'incendie. Cela permet l’évacuation des deux côtés de l’incendie. Cette méthode est essentielle en situation d’évacuation au droit d’un incendie dans un tunnel à circulation bidirectionnelle ou dans un embouteillage. Idéalement, le système d'extraction devrait faire circuler l'air dans l'espace de circulation, de part et d’autre de l'incendie, comme le montre la figure. Cela permet de confiner la zone de fumée et d'augmenter l'efficacité de l'extraction.
Figure : Principe de confinement
Certains systèmes utilisent des trappes télécommandées qui permettent l'extraction ponctuelle de la fumée à proximité du feu. Les coûts de construction d'un système d'extraction sont plus élevés que pour les systèmes longitudinaux et, comme la taille des gaines requises augmente avec la puissance thermique, un incendie de dimensionnement plus important a un impact sur les coûts d'investissement.
Des informations supplémentaires sur les implications de l’incendie de dimensionnement pour le désenfumage sont disponibles dans le chapitre 3 du rapport AIPCR 2017 R01 " Caractéristiques des incendies de dimensionnement en tunnels routiers ".
4. Dimensionnement de la ventilation des tunnels routiers
Une fois que le type de système de ventilation a été choisi et que la capacité de ventilation (en termes de débit d'air requis) est déterminée, le dimensionnement de la ventilation du tunnel doit permettre de définir précisément les équipements pour fournir la capacité de ventilation requise, tant pour l'exploitation normale que pour les scénarios d'incendie.
En général, le dimensionnement de la ventilation pour la ventilation longitudinale consiste à calculer la poussée requise pour les accélérateurs ou les injecteurs Saccardo, tandis que pour la ventilation transversale, il faut estimer la dimension des gaines d'extraction et/ou d'insufflation d’air ainsi que le débit d'air, la pression et la puissance électrique des ventilateurs axiaux ou centrifuges associés.
Des informations plus détaillées sur les caractéristiques des équipements de ventilation sont disponibles à la page Système de ventilation des tunnels, incluse dans la page générale sur les équipements et systèmes .
Les informations générales et spécifiques suivantes peuvent être utiles lors du dimensionnement d'un système de ventilation longitudinal ou semi-transversal.
Ventilation longitudinale
À l'aide d'un jet d'air placé dans la colonne d'air du tunnel, la résistance au flux d'air peut être surmontée en convertissant la quantité de mouvement du jet en pression statique. Les jets d'air peuvent être placés à l'entrée du tunnel (Saccardo), soufflant de l'air extérieur dans le tunnel ou comme des ventilateurs le long du tunnel, chacun accélérant une partie du flux d'air du tunnel.
Les formules de base ont été données dans la section IV.2 "Ventilation longitudinale" du rapport AIPCR 1996 05.02 "Tunnels routiers" : Emissions, Environnement, Ventilation" pour le dimensionnement des systèmes d’accélérateurs (poussée et nombre) utilisés dans la ventilation longitudinale pour le fonctionnement normal, en tenant compte de nombreux facteurs tels que l'effet de pistonnement des véhicules, la contre-pression atmosphérique, la résistance des parois, etc. Les considérations relatives à la conception des accélérateurs incluaient l'influence du feu sur le système de ventilation, les effets météorologiques aux têtes des tunnels (principalement le vent), l’implantation optimale des ventilateurs, l'efficacité des ventilateurs et les niveaux sonores créés par le système de ventilateurs.
Le rapport AIPCR 2007 05.16 "Systèmes et équipements pour le contrôle du feu et de la fumée" comprenait des considérations supplémentaires pour évaluer l'influence du feu sur un système d’accélérateurs, fournissant des recommandations supplémentaires pour la distribution des souffleries le long du tunnel. L'exemple de calcul présenté à la section 12.3.3 est particulièrement intéressant pour le dimensionnement des systèmes de ventilation longitudinale. "Procédure de calcul des accélérateurs" , qui fournit des informations détaillées sur la procédure de dimensionnement des systèmes de ventilation longitudinale.
Ventilation transversale
Pour dimensionner un système de ventilation transversale pour les scénarios d'incendie, deux aspects doivent être pris en compte :
• le débit de fumée
• les exigences en matière de contrôle du flux d'air longitudinal.
Les formules de base sont données dans la section IV. 3 "Ventilation semi-transversale" du rapport AIPCR 1996 05.02 "Tunnels routiers : Emissions, Environnement, Ventilation" pour estimer la perte de pression totale le long du conduit de distribution et des postes de ventilation en fonctionnement normal.
Le rapport AIPCR 1999 05.05 "Maîtrise des incendies et des fumées en tunnel routier" , fournit un tableau (voir tableau 2.4.3) et la relation pertinente entre le dégagement de chaleur et les débits de fumée. En outre, dans la section V.8 "Recommandations sur la ventilation transversale et semi-transversale", des critères sont fournis pour le dimensionnement des systèmes de ventilation de ce type, y compris la capacité d'extraction, les différences entre les systèmes d'extraction distribués ou concentrés et l'influence de l'apport d'air frais sur le comportement des fumées.
Le rapport AIPCR 2007 05.16 "Systèmes et équipements pour la lutte contre l'incendie et la fumée " comprenait des considérations supplémentaires pour le choix de l'équipement de ventilation (voir section 12.4 "Trappes d’extraction des fumées").
5. Autres questions. Tunnels souterrains et urbains complexes
Par rapport aux tunnels conventionnels, des critères de conception spécifiques qui pourraient avoir un impact significatif sur la conception des systèmes de ventilation doivent être pris en compte dans le cas de tunnels urbains et de réseaux complexes.
La conception de systèmes de ventilation de tunnels urbains et complexes dépend fortement, entre autres, des facteurs suivants :
• Variations de la section transversale du tunnel
• Échanges avec d'autres tunnels, y compris avec d'autres moyens de transport
• Faible hauteur sous plafond
• Absence d'espace libre en surface dans les zones urbaines
• Impact sur l'environnement
• Volume de trafic élevé
On trouvera de plus amples informations à ce sujet dans le chapitre 6 du rapport 2016 R19 de l'AIPCR "Tunnels routiers" : Réseaux routiers souterrains complexes" et dans le rapport AIPCR 2008 R15 "Tunnels routiers urbains - Recommandations aux gestionnaires et aux exploitants pour la conception, la gestion, l'exploitation et la maintenance ".
Un système de contrôle de la ventilation bien conçu a deux objectifs principaux :
• en exploitation normale, pour fournir de l'air frais à un taux qui soit compatible à la fois avec le confort des usagers du tunnel et avec des conditions d’exploitation économiques, c'est-à-dire au taux minimum pour un niveau acceptable de qualité de l'air.
• dans des circonstances exceptionnelles ou des cas d'urgence (pannes d'équipement, accidents ou incendie dans le tunnel), le système de ventilation doit être capable de répondre rapidement et de manière fiable à chaque demande de ventilation spécifique.
Il est donc important de garder à l'esprit que les objectifs du système de ventilation et du système de contrôle associé sont différents selon la situation du tunnel.
Fonctionnement normal
Dans une situation d'exploitation normale, les niveaux de polluants dans le tunnel peuvent augmenter (en fonction des conditions de circulation et de la ventilation naturelle du tunnel) jusqu'à ce qu'il devienne nécessaire d'activer la ventilation mécanique, auquel cas celle-ci peut être effectuée soit automatiquement, soit manuellement.
Afin d'obtenir des informations sur les niveaux de polluants, des capteurs de monoxyde de carbone et de visibilité sont généralement disponibles dans le tunnel, bien que l'installation d'autres types de capteurs tels que les oxydes d'azote soit de plus en plus courante.
À l'origine, les mesures des polluants dans le tunnel étaient utilisées pour effectuer manuellement les actions sur la ventilation. Dans certains tunnels à faible niveau de surveillance, ces actions sont mises en œuvre dans le système de surveillance et de contrôle du tunnel qui les exécute automatiquement grâce à une série d'algorithmes ou de séquences prédéfinies.
Cependant, de nos jours, la plupart des tunnels sont équipés de systèmes de contrôle de la ventilation automatique dont l'objectif est non seulement de garantir les niveaux de qualité de l'air requis, mais aussi d'y parvenir efficacement en minimisant la consommation d'énergie et les besoins d'entretien des équipements (voir la section 4.3 "Actions visant à réduire les coûts d'exploitation des tunnels" du rapport AIPCR 2017 R02 "Exploitation des tunnels routiers : Premiers pas vers une approche durable").
En ce qui concerne la ventilation de routine, un débit d'air optimal est un débit qui satisfait à deux exigences contradictoires : le débit de ventilation doit être suffisant pour diluer les polluants générés par les véhicules, tandis que les quantités de débit d'air doivent être aussi faibles que possible afin de réduire la consommation d'énergie des ventilateurs et donc les coûts d'exploitation.
L'optimisation du contrôle de la ventilation pour des considérations de qualité de l'air en fonctionnement normal est cruciale pour réduire la consommation d'énergie. C'est une question importante car cette consommation représente une part significative du coût d'exploitation d'un tunnel.
L'ajustement constant du débit d'air pour répondre aux besoins est un problème difficile, surtout dans le cas de tunnels longs et complexes où le contrôle des flux d'air de ventilation peut être difficile à maintenir.
Le chapitre IV "Contrôle de la ventilation" du rapport AIPCR 2000 05.09 "Pollution par le dioxyde d'azote dans les tunnels routiers" décrit certains des critères habituellement pris en compte et les critères les plus courants.
Ventilation d'urgence
La ventilation d'urgence, en revanche, nécessite des interventions rapides et bien ciblées, des temps de réponse courts et une séquence bien définie de toutes les activations. Les objectifs de la ventilation d'urgence sont donc très différents de ceux de la ventilation normale, et les considérations économiques ne sont plus la principale préoccupation.
Dans une situation d'incendie, les actions sur la ventilation sont normalement associées à des systèmes de détection automatique ou à la supervision du centre de contrôle, qui permettent le déclenchement des séquences d'action pour la ventilation prédéfinie. Ainsi, les systèmes de contrôle de la ventilation sont un outil de plus dans l'ensemble des outils disponibles pour atténuer les conséquences d'une situation d'incendie.
C'est pourquoi le contrôle de la ventilation doit être considéré avec une approche globale qui tient compte du lien étroit entre les procédures d'action des services d'urgence, les actions de l'opérateur du centre de contrôle et les relevés dans le tunnel en termes de comportement des fumées. Des commentaires généraux sur l'importance de la prise en compte de la ventilation dans la définition des plans d'intervention en cas d'incendie sont disponibles dans la section VIII.4.1 "Planification de l'intervention en cas d'incendie" du rapport AIPCR 1999 05.05 "Maitrise des incendies et des fumées".
La conception de scénarios de contrôle de la ventilation appropriés pour chaque situation d'incendie possible est une partie très importante du processus : voir le rapport technique AIPCR 2011 R02 "Tunnels routiers" : Stratégies opérationnelles pour la ventilation d'urgence" . Ces scénarios peuvent être simples, notamment lorsque la stratégie purement longitudinale est appliquée, ou impliquer un grand nombre de dispositifs de mesure et de ventilation dans des tunnels complexes à ventilation transversale ou dans des tunnels à extraction ponctuelle massive pour lesquels le contrôle du flux d'air longitudinal peut être nécessaire.
Il existe de nombreuses façons et stratégies d'aborder la conception d'un système de contrôle de la ventilation en cas d'incendie, qui dépendent de multiples facteurs tels que le degré de supervision, les moyens de détection, les stratégies de ventilation et le type de système.
Premièrement, sa conception doit tenir compte de l'évolution prévue de l'incident, des différentes étapes qui se produisent tout au long de la situation d'urgence et de l'influence de la ventilation sur le comportement des fumées. Bien que dans certains cas, les actions sur les équipements de ventilation soient simples et ne nécessitent pas de systèmes de contrôle complexes, il est souvent nécessaire de prendre en compte des critères sophistiqués.
Aujourd'hui, le développement et la mise en œuvre de systèmes de contrôle de la ventilation en cas d'incendie représentent une partie importante de la conception de la ventilation, dans laquelle la définition des algorithmes de contrôle nécessaires est particulièrement importante et il est crucial de pouvoir garantir la qualité et la fiabilité des mesures sur le terrain (capteurs de vitesse et de détection de fumée).
Le chapitre "Réaction des systèmes de commande de la ventilation en cas d’incendie" du rapport technique AIPCR 2011 R02 "Tunnels routiers : Stratégies d’exploitation de la ventilation en situation d’urgence" fournit des informations détaillées sur les défis et les besoins des systèmes de contrôle pour la gestion de la ventilation et les expériences actuelles dans ce domaine.