Manuel des tunnels routiers
Manuel des tunnels routiers
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 ".
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