THÔNG GIÓ CÁC HẦM DÀI CỦA CÁC ĐƯỜNG ÔTÔ (ventilation of long tunnels of autoroads) Đỗ Thụy Đằng ĐH Mỏ Địa chất Hà Nội Email: dothuydang@gmail.com; Tel: 091 276 3260 1. Mở đầu: Việc đưa vào sử dụng hầm đường ô tô dưới đèo Hải Vân nằm giữa Thừa Thiên Huế với Đà Nẵng đã đánh dấu bước tiến bộ vượt bậc của ngành xây dựng ngầm nước ta. Chúng ta đã tiếp cận được công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực thiết kế các hầm giao thông xuyên núi đá và đã làm chủ được phương pháp hiện đại trong lĩnh vực xây dựng các hầm giao thông xuyên núi đá. Sử dụng hầm đường ô tô này, chúng ta thật ngỡ ngàng không chỉ vì hầm là một trong số 30 hầm đường ô tô dài nhất thế giới mà còn vì hầm ô tô này làm việc trong mạng công trình ngầm liên hoàn, có trang thiết bị nội thất và ngoại vi tiên tiến: - Đường hầm chính là đường hầm giao thông ô tô xuyên núi trong điều kiện thông thường, có chiều dài 6280m, có chiều rộng 11.9m, chiều cao 7.5m, diện tích thông thuỷ 73.26m 2 , tĩnh không thông xe 4.45m. Lòng đường có hai làn xe, bề rộng mỗi làn 3.75m, được phân giới bởi hàng cọc tiêu cao su. Dải an toàn mỗi bên phần xe chạy rộng 1.25m. Phía tây lòng đường có dải bờ đi bộ dành cho người công tác trong hầm với độ chênh cao 1.0m và chiều rộng 1.0m. Dọc đường hầm có 18 điểm mở rộng để đỗ xe khẩn cấp và dọc vòm hầm có bố trí 32 quạt hướng trục, công suất 50kw, đường kính 1.5m, tốc độ gió tối đa 30m/s, có thể tự động thay đổi tốc độ và chiều gió trong từng đoạn hầm cần thiết, thậm chí khi cần kiềm chế đám cháy trong đoạn hầm nào đó, có thể khống chế tốc độ gió trong đoạn hầm đó chỉ còn 0-:-0.5m/s. - Đường hầm thoát hiểm dài 6280m, rộng 4.7m, cao 3.8m, diện tích thông thuỷ 15.47m2. Đường hầm thoát hiểm nằm song song về phía đông đường hầm chính và cách đường hầm chính 30m. - Nối thông đường hầm chính và đường hầm thoát hiểm là 15 đoạn hầm ngang cách nhau 400m. Trong đó có 11 đoạn hầm ngang cho người đi bộ, với tổng chiều dài là 226.15m, chiều rộng 1,4m, chiều cao 3,2m, diện tích thông thuỷ 8.12m 2 . Cửa vào mỗi đoạn hầm này rộng 2.25m, cao 2.0m. Còn lại 4 đoạn hầm ngang cho xe cứu hộ và người đi bộ, với tổng chiều dài là 80.6m, chiều rộng 4.7m, chiều cao 3.8m, diện tích thông thuỷ là 15.47m 2 . Cửa vào mỗi đoạn hầm này rộng 4.7m, cao 3.0m. - Đường hầm nghiêng thông gió dài 1810m, rộng 8.2m, cao 5.3m, diện tích thông thuỷ 36.2m2, nối thông đường hầm chính với mặt thoáng sườn núi phía trên. - 3 đoạn hầm vòng lọc bụi tĩnh điện, làm sạch không khí cho đường hầm chính, với tổng chiều dài là 495m, rộng 10.2m, cao 6.7m, diện tích thông thuỷ 57.69m 2 . Tuy nhiên khi tìm hiểu sâu về sơ đồ hệ thống thông gió đường hầm chính giao thông ô tô dưới đèo Hải vân, chúng ta thấy rõ ràng rằng: so với sơ đồ hệ thống thông gió của các đường hầm giao thông đã có trong nước, sơ đồ thông gió ở đây phức tạp hơn, với nhiều đổi mới ưu việt, đặc biệt đã đưa vào sử dụng cả những công trình phục vụ (đường hầm nghiêng thông gió, các đoạn hầm vòng lọc bụi tĩnh điện) và những trang thiết bị thông gió đặc chủng (thiết bị lọc bụi tĩnh điện, các quạt treo ) tiên tiến, cùng với các trang thiết bị và dụng cụ đo lường, giám sát chất lượng gió, báo sự cố và khắc phục sự cố liên quan đến chất lượng gió thuộc thế hệ hiện đại, nhằm vận hành an toàn bền vững một mạng gió phức tạp, có thể điều tiết để phù hợp cả khi bình thường cũng như khi bất thường. Nhưng so với yêu cầu nêu trong điều 6.8 của Tiêu chuẩn thiết kế hầm đường sắt và hầm đường ô tô TCVN 4527 : 1988- Nhóm H, thì xem ra sơ đồ hệ thống thông gió ở đây vẫn có phần còn chưa được thoả đáng. Dưới đây thông qua đặc tính chung của các sơ đồ hệ thống thông gió các hầm đường ô tô có độ dài lớn, chúng ta sẽ tìm ra những điều cần làm không chỉ cho hầm đường ô tô dưới đèo Hải vân mà còn chung cho cả các hầm dài của các đường ô tô khác sẽ xây dựng ở nước ta. 2- Các phương pháp thông gió hầm đường ô tô: Xuất phát từ nhiệm vụ thông gió hầm đường ô tô, trong thực tế không gian hầm đường ô tô có thể được sử dụng theo 2 hình thức: - Hình thức không có luồng máng dẫn gió độc lập (hình thức không gian chung - hình thức này đang áp dụng ở tất cả các hầm giao thông ở nước ta: Mặt cắt ngang bên trong hầm không có vách ngăn dọc cách ly gió để hình thành 1 hoặc 1 số luồng máng chỉ có nhiệm vụ chính là dẫn gió (không cho ô tô thực hiện nhiệm vụ giao thông bình thường). - Hình thức có luồng máng dẫn gió độc lập ( hình thức không gian chia luồng để có 1 hoặc 1 số luồng máng dẫn gió độc lập với luồng hầm ô tô chạy - hình thức này chưa áp dụng ở tất cả các hầm đường ô tô của nước ta) : Mặt cắt ngang bên trong hầm có vách ngăn dọc cách ly gió để phân biệt 1 hoặc 1 số luồng máng chỉ có nhiệm vụ chính là dẫn gió (luồng máng dẫn gió độc lập – không cho ô tô thực hiện nhiệm vụ giao thông bình thường) với 1 hoặc 1 số luồng hầm có nhiệm vụ chính là cho ô tô thực hiện giao thông bình thường (gọi tắt là luồng hầm ô tô chạy). Về mặt thông gió, dù là sử dụng không gian hầm theo cách nào thì luồng hầm có nhiệm vụ cho ô tô thực hiện giao thông bình thường (luồng hầm ô tô chạy) vẫn là không gian thông gió chính, khó khăn phức tạp nhất. Cho nên, ở đây chúng ta chỉ chú trọng xem xét các phương pháp thông gió cho các luồng ô tô chạy và coi đó là các phương pháp thông gió các hầm đường ô tô. Dựa vào tương quan giữa các thông số về phương, chiều dài và chiều của dòng không khí (gió) chuyển động trong luồng ô tô chạy so với tổng độ dài của luồng ô tô chạy đó, có thể phân chia các phương pháp thông gió các đường hầm ô tô (trong điều kiện hoạt động bình thường) thành các hệ thống, nhóm và phân nhóm sau đây: 2.1 Hệ thống 1 - Thông gió dọc Phương pháp thông gió tạo ra phương xác định hạ áp chủ đạo của không khí trong luồng hầm ô tô chạy, để cho dòng không khí chủ đạo (không kể dòng xoáy ở biên luồng hầm, xung quanh các trang thiết bị và các phương tiện giao thông có mặt trong luồng hầm ) trong luồng hầm này hầu như chỉ chuyển động dọc theo phương của luồng hầm này. - Nhóm 1.1: Thông gió dọc đơn giản (hình 1 và hình 2) Dọc theo hầu hết chiều dài của luồng hầm ôtô chạy, dòng không khí chỉ chuyển động một chiều, không có thay đổi đột biến về động năng và thành phần bởi các biện pháp thông gió phụ trợ ( cửa gió, quạt, máy điều hoà không khí, máy lọc bụi ) Trên thực tế, phương pháp thông gió dọc đơn giản chỉ nên áp dụng để thông gió các đường hầm ôtô có độ dài L1000m. Trong đó , các đường hầm ôtô có độ dài L400m có thể thông gió tự nhiên. - Nhóm 1.2 : Thông gió dọc có đổi sức (hình 3) Toàn bộ chiều dài luồng hầm ôtô chạy được chia làm hai hay nhiều đoạn, mỗi đoạn chừng 100-300m. Tại những vị trí chuyển tiếp các đoạn với nhau, nhờ hoạt động của thiết bị thông gió hỗ trợ để thay đổi hạ áp ( thường là quạt hướng trục treo trên trần luồng hầm ôtô chạy), dòng không khí trong luồng hầm ôtô chạy tuy không có được sự thay đổi về thành phần đáng kể nhưng đã có được sự đột biến về động năng ( bổ sung hoặc tiêu thụ bớt động năng ) theo yêu cầu thông gió và phòng chống cháy. Trên thực tế, các hầm đường ôtô có độ dài L550m có thể phối hợp thông gió dọc tự nhiên với thông gió dọc cưỡng bức nhờ các quạt gió trung gian. Còn các hầm đường ôtô có độ dài L1200m có thể phối hợp thông gió dọc cưỡng bức nhờ các quạt của các trạm (quạt) cửa hầm với thông gió dọc cưỡng bức nhờ các quạt hướng trục trung gian treo trên nóc hầm. Cần chú ý rằng, khi dùng các quạt gió hướng trục treo ở các khoảng trung gian trên nóc hầm để thay đổi sức gió ( trong đó có cả trường hợp bổ sung động năng cho dòng không khí đã bị yếu đi bởi sức cản của vách luồng hầm ôtô chạy, cùng với các trang thiết bị và phương tiện giao thông có mặt trong đó, cũng như trường hợp bổ sung sức cản đối với dòng không khí hoạt động ở khoảng trung gian này của đường hầm đó), một mặt sẽ góp phần thay đổi động năng có lợi cho dòng không khí trong luồng hầm đó, nhưng mặt khác lại làm cho khối không khí nóng và bẩn phía nóc hầm bị quẩn xuống dưới, vừa gây bất lợi cho sự hô hấp của những người đang trong vùng ảnh hưởng của khối không khí quẩn này, vừa tăng khả năng cháy nổ bụi ở đây lên cao ( đặc biệt là khi luồng hầm ôtô này cho phép hoạt động đồng thời các làn xe ôtô chạy ngược chiều nhau). Cho nên, cần tránh sử dụng các quạt gió trung gian vào mục đích tăng sức cho dòng không khí thông gió dọc khi luồng hầm dài cho phép hoạt động các làn xe ôtô chạy ngược chiều nhau. - Nhóm 1.3 : Thông gió dọc từng đoạn (hình 4 -:- hình 7) Toàn bộ chiều dài luồng hầm ôtô chạy được chia làm hai hay nhiều đoạn, với mỗi đoạn chừng 200-400m. Tại các vị trí chuyển tiếp các đoạn với nhau nhờ hoạt động của dòng không khí từ công trình hoặc thiết bị thông gió hỗ trợ ( cửa cấp gió, cửa hút gió, máy lọc gió, quạt hỗ trợ ) làm cho dòng không khí ở các đoạn liên tiếp với nhau trong luồng hầm ôtô chạy có sự khác nhau : hoặc là chỉ về hạ áp, lưu lượng và chiều gió; hoặc là cả về thành phần và chất lượng gió. + Phân nhóm 1.3.1 : Thông gió dọc từng đoạn, chiều gió không đổi. + Phân nhóm 1.3.2 : Thông gió dọc từng đoạn, chiều gió đối nhau. + Phân nhóm 1.3.3 : Thông gió dọc từng đoạn, chiều gió hỗn hợp các đoạn không đổi với các đoạn đối nhau. Mỗi đoạn luồng hầm ôtô chạy nằm giữa hai cửa gió, hai máy lọc gió cũng như giữa các cửa gió với máy lọc gió có thể còn được phân chia thành hai hay nhiều phân đoạn bởi sự có mặt của thiết bị thông gió hỗ trợ, để thay đổi hạ áp tạo ra sự đột biến về động năng của dòng không khí theo yêu cầu thông gió và phòng chống cháy. Trong điều kiện thông gió bình thường, chất lượng gió của mỗi đoạn luồng hầm ôtô chạy được thông gió dọc từng đoạn (nhóm 1.3), gần như chất lượng gió của một luồng hầm ôtô chạy được thông gió đơn giản ( nhóm 1.1 ) có độ dài tương đương. Nhưng khi gặp sự cố thông gió, ví dụ xe cháy ở gần vị trí chuyển tiếp các đoạn với nhau thì tác hại của luồng hầm ôtô dài chia đoạn lại lớn hơn rất nhiều so với tác hại của luồng hầm ôtô chỉ có một đoạn. Cho nên phương pháp thông gió dọc từng đoạn không có quạt trung gian đổi sức gió chỉ nên áp dụng cho những đường hầm ôtô có độ dài L1500m. Còn phương pháp thông gió dọc từng đoạn có quạt trung gian đổi sức gió cũng chỉ nên áp dụng cho những đường hầm ôtô có độ dài L2000m. Riêng trường hợp các luồng hầm dài cho phép hoạt động đồng thời các làn xe ôtô chạy ngược chiều nhau, nói chung cần tránh sử dụng các quạt gió trung gian ( treo trên nóc hầm ) vào mục đích tăng sức gió. Tiếc rằng, hầm đường ôtô dưới đèo Hải Vân có độ dài 6250m và cho ôtô chạy đồng thời theo hai làn ngược chiều nhau, lại đang được thông gió bằng phương pháp thông gió dọc từng đoạn có đổi sức nhờ 32 quạt hướng trục trung gian treo dọc theo nóc hầm, mỗi quạt có công suất 50KW, đường kính 1.5m, tốc độ gió thổi 30m/s. Chính sự phối hợp giữa đặc tính của phương pháp thông gió đã chọn với những bất cập của chế độ khai thác hầm này đang là những vấn đề đáng báo động, liên quan đến môi trường trong hầm cùng với khả năng khai thác các thiết bị thông gió cho hầm nói riêng và khả năng khai thác toàn hầm nói chung (hình 7). 2.2 Hệ thống 2 - Thông gió ngang ( hình 8) Phương pháp thông gió tạo cho dòng không khí chủ đạo chuyển động theo phương hầu như cắt ngang phương của luồng hầm ô tô chạy. Dọc theo luồng hầm ôtô chạy, đồng thời với việc cấp gió sạch vào liên tiếp theo phương vuông góc với phương của luồng hầm, thông qua các cửa (miệng ống) cấp gió sạch ở phía dưới (cao hơn mặt đường khoảng 1.5m) là việc rút gió bẩn ra liên tiếp cũng theo phương vuông góc với phương của luồng hầm, nhưng thông qua các cửa (miệng ống) thu gió bẩn ở phía trên ( thường bố trí trên trần luồng hầm ôtô chạy, đặc biệt có thể bố trí ở mức tường cao hơn nóc ôtô khoảng 1.0m). Theo mỗi luồng ôtô chạy, mỗi loại cửa gió (nối với một loại luồng máng dẫn gió) được bố trí thành một hoặc một dãy riêng. Các cửa gió liên tiếp trong một dãy thường bố trí cách nhau chừng 3-10m. Các cửa gió đồng loại của các dãy khác nhau nên bố trí so le nhau. Thêm vào đó, với những hầm dài của đường ôtô có lưu lượng xe thông qua lớn, để khí cháy nổ và khói độc hại trong luồng máng gió bẩn chỉ có hàm lượng dưới ngưỡng an toàn, chiều dài luồng hầm ôtô chạy ở đây cũng có thể được chia thành hai hay nhiều đoạn, với mỗi đoạn được phục vụ bởi một hệ thống luồng máng dẫn gió riêng. Rõ ràng về mặt thông gió và chống cháy nổ trong hầm đường ôtô ( nhất là khi ôtô còn chạy bằng động cơ đốt trong) thì phương pháp thông gió ngang luôn là phương pháp tích cực nhất. Chất lượng gió rất tốt và gần như đều nhau theo chiều dài mỗi luồng hầm ôtô chạy, không phụ thuộc chiều xe chạy cũng như số làn xe chạy trong mỗi chiều. Đặc biệt, khi bùng phát cháy nổ ở một địa điểm nào đó trong luồng hầm ôtô chạy này, nhờ có các hệ thống giám sát, báo động và điều khiển tự động, kết hợp với hệ thống các cửa thoát hiểm hợp lý. Phương pháp thông gió ngang này cho phép hạn chế được thời gian sự cố, thời gian khắc phục sự cố và mức độ thiệt hại do đám cháy nổ đó gây ra. Cần nhấn mạnh rằng khi đó về mặt thông gió không làm ảnh hưởng đáng kể đến người, trang thiết bị, phương tiện, dụng cụ và kết cấu hầm nằm lân cận đám cháy nổ. Tuy nhiên, về mặt thiết kế và kinh tế tổ chức, phương pháp thông gió này lại gây ra những phức tạp đáng kể, như vốn đầu tư cao hơn , diện tích mặt cắt ngang các luồng máng dẫn gió chiếm khoảng 30-50% diện tích mặt cắt ngang các luồng hầm ôtô chạy. Cho nên, phương pháp thông gió này không nên áp dụng khi đường hầm ôtô ngắn ( đặc biệt khi có thêm điều kiện lưu lượng xe ôtô qua hầm không cao). Vấn đề này đã được đề cập đến trong tiêu chuẩn thiết kế hầm đường sắt và hầm đường ôtô TCVN-4527-1988. Tiếc rằng phương pháp thông gió này lại chưa được áp dụng ở hầm đường bộ dưới đèo Hải Vân hiện nay – một đường hầm ôtô vừa quá dài ( trong số 30 hầm đường ôtô dài nhất thế giới ), vừa cho ôtô chạy hai chiều, với lưu lượng lớn, trong cùng một luồng hầm ôtô chạy, đặc biệt là cho cả những xe có động cơ chất lượng quá kém chạy qua. Sự quá tải về thông gió ở hầm đường ôtô dưới đèo Hải Vân đã được các phương tiện thông tin đại chúng nước ta thông báo và đặt yêu cầu tìm nguyên nhân cùng với giải pháp khắc phục ( bản tin thời sự hồi 19h ngày 30/8/2005 của Đài truyền hình Việt Nam). Rõ ràng nguyên nhân cùng với giải pháp khắc phục hiện tượng này đã được xác định ngay trong TCVN-4527-1988. Chính sự coi thường tiêu chuẩn này đã gây ra sự cố và chắc chắn sẽ gây ra lãng phí không nhỏ, đặc biệt có thể sẽ dẫn đến những tai hoạ khôn lường. 2.3 Hệ thống 3 - Thông gió nửa ngang ( hình 9) Thông gió nửa ngang là phương pháp phối hợp thông gió dọc với thông gió ngang. Về nguyên lý, sự phối hợp này có thể bao gồm hai hình thức : - Gió sạch chạy dọc trong luồng hầm ôtô chạy giống phương pháp thông gió dọc rồi hút gió bẩn qua các cửa gió để tập trung về các luồng máng dẫn gió bẩn độc lập giống phương pháp thông gió ngang ( tương tự như thông gió gian bếp nấu nướng trong căn hộ khép kín dạng ống dài : nhờ gió chạy dọc căn hộ đến gian bếp rồi xả mùi và khói bếp ra ngoài nhờ máy hút mùi và khói bếp). - Gió sạch qua các cửa gió nối với các luồng máng dẫn gió sạch độc lập giống phương pháp thông gió ngang, còn gió bẩn chạy dọc luồng hầm ôtô chạy giống phương pháp thông gió dọc. Trong thực tế thông gió hầm đường ôtô, hình thức phối hợp thứ hai này thường gặp nhiều hơn hình thức phối hợp thứ nhất. Đặc biệt là khi trong luồng hầm ôtô chạy một chiều. Phương pháp thông gió dọc xuất hiện trước tiên và đến nay vẫn được chú ý áp dụng trong phạm vi rộng rãi. Cho nên, để nhấn mạnh yếu tố thông gió ngang trong phương pháp thông gió phối hợp thông gió dọc và thông gió ngang, tốt nhất là dùng thuật ngữ thông gió nửa ngang. Phương pháp thông gió nửa ngang tuy đã khắc phục được phần nào các nhược điểm của các phương pháp thông gió thành phần đã nói, nhưng vãn chưa đảm bảo hiệu quả thông gió và an toàn cao, đặc biệt khi luồng hầm ôtô chạy đã dài, lại 2 chiều với lưu lượng lớn. Cho nên phương pháp thông gió nửa ngang thường chỉ nên áp dụng để thông gió các luồng hầm ô tô chạy có chiều dài L1500m.ư 3. Kết luận Thông gió các hầm dài của các đường ôtô là khó khăn phức tạp, nhất là khi luồng hầm ôtô chạy có chiều dài L>1500m với lưu lượng ôtô lớn đồng thời theo cả hai chiều. Trong những trường hợp này, dù đã có những biện pháp thông gió hỗ trợ như chia đoạn thông gió, điều hoà không khí trung gian nhưng vẫn phải áp dụng phương pháp thông gió ngang. Việc thông gió hầm đường ôtô dưới đèo Hải Vân hiện nay là không tuân thủ Tiêu chuẩn thiết kế hầm đường sắt và hầm đường ôtô TCVN – 4527-1988, cần rút kinh nghiệm để khắc phục và không để xảy ra ở các hầm dài của các đường ôtô khác. Những tài liệu tham khảo 1. TCVN-4527-1988 , Nxb. Xây dựng – Hà Nội – 2003. 2. В. П. Волков и др. - ТОННЕЛИ И МЕТРОПОЛИТЕИЫ – Изд. ”Транспорт” - Москва – 1964 2. Nguyễn Thế Phùng và Nguyễn Quốc Hùng – 1998 – Thiết kế công trình hầm giao thông – Nxb. Giao thông vận tải – Hà Nội. 3. Dự án hầm đường bộ qua đèo Hải Vân _ PMU – 85-1998-2005. 4. Ban quản lý dự án hầm Hải Vân – Quy định và hướng dẫn cần thiết khi qua hầm Hải Vân _ Báo Bạn đường – Cơ quan của uỷ ban an toàn giao thông Quốc Gia–Thứ hai 16/05/2005. 5. Trương Quang Ngọc – 09/2004 – Bàn về bổ sung an toàn giao thông và vệ sinh môi trường cho xe cộ đi qua hầm Hải Vân – T/c Người Xây dựng- Hà nội. * Ban thư ký Hội cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình Việt Nam (VSSMGE) xin cảm ơn Nhà giáo Đỗ Thụy Đằng đã cho phép phổ biến tài liệu này. * The Secretariat of The Vietnam Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (VSSMGE) would like to thank the author Prof. Do Thuy Dang very much for his kindly allowing to disseminate this paper among the Society members. . của các đường ô tô khác sẽ xây dựng ở nước ta. 2- Các phương pháp thông gió hầm đường ô tô: Xuất phát từ nhiệm vụ thông gió hầm đường ô tô, trong thực tế không gian hầm đường ô tô có thể. Cho nên phương pháp thông gió nửa ngang thường chỉ nên áp dụng để thông gió các luồng hầm ô tô chạy có chiều dài L1500m.ư 3. Kết luận Thông gió các hầm dài của các đường tô là khó khăn phức. các hầm đường tô có độ dài L550m có thể phối hợp thông gió dọc tự nhiên với thông gió dọc cưỡng bức nhờ các quạt gió trung gian. Còn các hầm đường tô có độ dài L1200m có thể phối hợp thông