1 - LE TUNNEL DE MONACO

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1 Résumé : Le tunnel de Monaco est situé sur le réseau d'autoroute ESCOTA, il forme un des principaux accès à la ville de Monaco depuis l'autoroute A8 Nice - Vintimille. Cet ouvrage, construit à la fin des années 80 et ouvert au trafic en 1992, ne répondait plus à la règlementation française actuellement en vigueur sur la sécurité des tunnels routiers. ESCOTA a donc lancé un ambitieux programme de travaux de modernisation des infrastructures de sécurité de ce tunnel, ces travaux s'achèvent en première partie d'année Après avoir décrit le programme de modernisation dans ses grandes lignes, cet article se focalise sur la modernisation du système de ventilation de cet ouvrage et, en particulier, sur un système innovant de contrôle de la vitesse d'air longitudinale en cas d'incendie (contrôle requis par la réglementation française). Ce système, consiste en l'utilisation simultanée d'accélérateurs et de "ré-injecteurs" créant une poussée contrôlée dans l'ouvrage de manière à limiter le courant d'air longitudinal à de faibles valeurs, favorisant ainsi le maintien de la stratification des fumées et créant des conditions favorables à l'auto sauvetage des usagers. Abstract: Modernisation of the ventilation system in the Monaco tunnel (A500) Innovative solutions The Monaco tunnel, on the ESCOTA highway network, is one of the main road access to the city of Monaco from the A8 highway Nice - Vintimille. This infrastructure, built in the late 80s and opened to traffic in 1992 did not meet any more the current French regulations concerning safety of road tunnels. ESCOTA therefore decided to launch an improvement program aiming at upgrading all safety equipment / infrastructure of this tunnel. The modernisation works will end beginning of After having described in outlines the refurbishment program, this paper will focus on the modernisation of the ventilation system and, in particular, on an innovative system for the control of the longitudinal air velocity in case of fire (control required by the French regulations). This system consists in the simultaneous use of jet fans and "bypass injectors" to create a controlled thrust in the tunnel so that to keep the longitudinal air velocity at limited amplitude. This creates favourable conditions for the development of smoke stratification and is therefore favourable for the users' self rescue. Modernisation de la ventilation du tunnel de Monaco sur l'a500. Solutions innovantes 1 - LE TUNNEL DE MONACO Le tunnel de Monaco fait partie du réseau autoroutier d'escota (société des autoroutes Estérel, Côte d'azur, Provence et Alpes). Situé sur la bretelle A500, cet ouvrage constitue l'un des plus important accès à la principauté de Monaco. Ses principales caractéristiques sont: Tunnel monotube bidirectionnel à forte pente (5.5 %), une voie descendante, deux voies montantes. Longueur de 1600 m, importante section transversale (76 m 2 ). Ouvert aux voitures de tourisme et aux poids-lourds mais interdit aux transports de matières dangereuses. Système de ventilation semi-transversal (amenée d'air frais extraction de Figure 1 - Tête Nord et coupe du tunnel de Monaco. Xavier Guigas, Alan Weatherill, Fabien Kritter BG Ingénieurs Conseils sa fumées) depuis une centrale de ventilation située en tête Nord du tunnel (tête haute). Bien que plutôt récent (tunnel ouvert en 1992), cet ouvrage ne satisfaisait plus entièrement à la règlementation sur la sécurité des tunnels routiers actuellement en vigueur en France (IT ). C'est pourquoi ESCOTA décida de lancer un programme d'amélioration des infrastructures et équipements liés à la sécurité de ce tunnel, programme d'amélioration s'inscrivant dans un schéma plus général de modernisation des autoroutes A8 et A500. La Maîtrise d'œuvre Générale de la modernisation du tunnel de Monaco a été confiée par ESCOTA à BG Ingénieurs Conseils SA. Les travaux de ventilation ont été réalisés par la société SEITHA. 203

2 2 - LE PROGRAMME D'AMÉLIORATION Les écarts entre l'état du tunnel (avant modernisation) et les exigences de l'it ont été identifiés durant une phase d'études préliminaires, études qui ont conduit à l'établissement du programme d'amélioration suivant (points principaux): Transformation d'une des gaines d'amenée d'air frais en galerie d'évacuation. Excavation de trois abris en tunnel (interdistance de 400 m). Creusement de galeries de connection gaine / abris. Protection thermique (HCM / 2 heures) de la dalle de ventilation. Modernisation des équipements électromécaniques (distribution d'énergie, GTC, signalisation, réseau d'eau, ). Modernisation complète des systèmes de ventilation. Ce dernier point inclut les modifications suivantes: Installation d'un système de contrôle du courant d'air longitudinal dans l'ouvrage en cas d'incendie. Remplacement de trappes de désenfumage (désenfumage sur canton de 600 m par trappes télécomandées). Installation d'un système indépendant pour la ventilation de la galerie d'évacuation. Il est important de noter que, hormis quelques semaines de fermeture nocturne (en particulier pour travaux de minage des abris), le tunnel a été maintenu sous circulation pendant toute la durée des travaux (environ une année) ce qui a représenté un défi organisationnel de tout premier ordre. 3 - LA PROBLEMATIQUE DU CONTROLE DE LA VITESSE D'AIR LONGITUDINALE EN CAS D'INCENDIE Du point de vue ventilation incendie, une des caractéristiques importante du tunnel de Monaco est sa très forte pente longitudinale 5.5% en moyenne correspondant à une différence d'altitude d'environ 90 m entre portails. Cette forte pente induit de forts effets cheminée: Vers le portail haut ou vers le portail bas du tunnel (la direction dépend de la différence de température d'air entre l'intérieur et l'extérieur de l'ouvrage) en exploitation normale. Vers le portail haut en cas d'incendie. Il est intéressant de noter que l'isolation thermique de la dalle de ventilation, bien qu'essentielle à la protection de la galerie d'évacuation, diminue le transfert de chaleur fumée / béton et participe donc de manière non négligeable à l'augmentation de l'effet cheminée en cas d'incendie. De plus, des différences de pression météo entre portails supérieures à 50 Pa (induisant des vitesses d'air longitudinales de l'ordre de 4 m/s) peuvent survenir pendant 5% du temps. Ces deux effets (cheminée et différence de pression entre portail) peuvent se conjuguer pour créer, en cas d'incendie, des vitesses d'air longitudinales importantes, vitesses très défavorables au cantonnement des fumées et au maintien de leur stratification. La figure 2 montre un exemple (simulation numérique) de situations de ventilation du tunnel sans et avec système de contrôle de la vitesse d'air longitudinale. Les principales hypothèses prises en compte sont: Différence de pression atmosphérique entre portail: 50 Pa (P Sud > P Nord). Incendie localisé à 500m de la tête Sud, 30 MW avec un temps de montée en puissance de 10 minutes (incendie de poids-lourd selon). Ventilation incendie activée aussitot le feu détecté (hypothèse: 2.5 minutes après allumage du foyer), extraction de 110 m 3 /s sur une longueur de 600 m centrée sur le foyer. On observe que, sans contrôle de la vitesse longitudinale (figure gauche), l'effet cheminée conjugué à la différence de pression entre portail tendent à accroitre rapidement la vitesse longitudinale au droit du foyer (jusqu'à 4 m/s dans le cas simulé). Il en résulte une situation critique pour laquelle toute la portion de tunnel située entre le foyer et la tête Nord est complètement remplie de fumée déstratifiées dans un délai de 5 à 6 minutes après allumage. Cette situation est évidemment très défavorable à l'auto sauvetage des usagers. Figure 2 - Simulations de la vitesse longitudinale dans le tunnel de Monaco en situation incendie. 204

3 Quand la vitesse longitudinale est contrôlée (figure droite) par la création d'une poussée équilibrant parfaitement les effets adverses (différence de pression entre tête, effet cheminée), l'extension des fumées dans le tunnel est limitée à la zone d'extraction des fumées (300 m de part et d'autres du foyer). La faible vitesse longitudinale au droit du foyer est favorable au maintien des fumées en couche au dessous du conduit d'extraction. Cette situation est favorable à l'auto évacuation des usagers. 4 - LE SYSTÈME DE CONTRÔLE DE LA VITESSE LONGITUDINALE EN CAS D'INCENDIE Les calculs de dimensionnement du système de ventilation (contrôle du courant d'air longitudinal) ont conduit aux valeurs suivantes (avec provisions pour redondance des équipements): Poussée maximum vers le Sud (sens descendant): N. Poussée maximum vers le Nord (sens montant): N. Obtenir ces poussées dans un tunnel relativement court (1590 m) et n'offrant que peu d'espace disponible sous la dalle de ventilation représentait un challenge technique. Une solution innovante a été trouvée par une inspection et mesure géométrique méticuleuse de l'ouvrage. Cette solution tire en effet avantage de la géométrie particulière de la tête Nord du tunnel où le large volume disponible permet l'installation de six accélérateurs réversibles de forte puissance (55 kw). Ces accélérateurs ont la particularité d'être alimentés au travers de convertisseurs de fréquences ce qui permet d'adapter finement leur vitesse de rotation (et donc leur poussée) aux conditions rencontrées lors de l'incendie. Ces accélérateurs sont en outre équipés d'aubes déflectrices qui permettent d'orienter leurs jets d'air vers le bas de manière à s'adapter à la géométrie du lieu. Le système de contrôle de la vitesse longitudinale est complété par quatre "ré-injecteurs" qui ont été installés, par groupe de deux, à proximité du portail Sud du tunnel (80 m et 160 m du portail). Ces machines (90 kw) sont elles aussi réversibles et alimentées par variateurs de fréquences (poussées modulables). Les ré-injecteurs Figure 4 - Etude d'implantation 3-D et ré-injecteurs. sont implantés au dessus de la dalle de ventilation aux extrémités des gaines de pulsion d'air frais et d'extraction des fumées. Ils créent leurs poussées en aspirant l'air depuis l'espace trafic du tunnel et en le ré-injectant dans l'espace trafic à haute vitesse (maximum 35 m/s) sous un angle limité. Les ré-injecteurs sont aisément accessibles (hors de l'espace trafic cf. figure 4) depuis la galerie d'évacuation ce qui facilite les travaux de contrôle et de maintenance de routine (pas de fermeture du tunnel). Les travaux de maintenance lourde nécessitant la dépose des ventilateurs sont facilités par une calibration des dimensions des éléments formant les ré-injecteurs, éléments qui peuvent être déposés via des monorails de manutention dédiés. Figure 3 - Groupe de six accélérateurs en tête Sud (étude d'implantation 3-D) et travaux d'installation. 205

4 Figure 5 - Vue des éléments d'un ré-injecteur, tests usine (montage renversé). La figure 5, illustre le design des ré-injecteurs, design spécialement développé par BG pour le tunnel de Monaco. Leur géométrie est similaire à celle d'un accélérateur réversible, mis à part les buses d'aspiration/injection conçues pour créer un jet rectangulaire à haute vitesse tout en limitant les pertes en aspiration. L'angle d'injection choisi est de l'ordre de 20 (mesuré à partir de la dalle de ventilation), cet angle est un compromis entre: Le rendement d'injection: la transformation de la quantité de mouvement en pression motrice décroit quand l'angle d'injection augmente. Un possible effet Cuanda (recollement du jet sur la dalle de ventilation) qui peut survenir à basse vitesse d'injection est pour des angles d'injection faibles. Les contraintes géométriques: une réduction de l'angle d'injection accroit considérablement la longueur totale du réinjecteur (du fait de la connection avec l'espace trafic du tunnel) augmentant ainsi les pertes par frottement et diminuant par conséquent le rendement global de la machine (ratio poussée / puissance). La pression motrice induite par les ré-injecteurs a été analysée par simulations CFD (cf. figure 6). L'analyse à porté sur les principaux paramètres que sont le débit, la vitesse et l'angle d'injection. Les pressions motrices calculées par CFD ont validé le choix de ces valeurs. L'algorithme de contrôle de la vitesse longitudinale en cas d'incendie est similaire à celui développé pour le tunnel du Mont Blanc. Il est basé sur une boucle de contre réaction (feedback loop) qui fonctionne de la manière suivante : la vitesse d'air longitudinale est mesurée dans l'ouvrage, une estimation de la vitesse au droit de l'incendie est tirée de ces mesures, cette estimation est comparé à la valeur voulue au droit de l'incendie (VL=0 m/s), il en résulte une différence de vitesse, un régulateur numérique calcule la variation de vitesse de rotation des accélérateurs et ré-injecteurs sur la base de cette différence de vitesse d'air longitudinale, cette variation de vitesse est envoyée aux variateurs de fréquence des différents ventilateurs, la variation de poussée induit une variation de la vitesse longitudinale dans le tunnel. Ce processus, illustré par la figure 7, est continu pendant toute la durée d'activation de la ventilation incendie. Il est évident que des mesures précises, robustes et redondantes de la vitesse d'air longitudinale sont un élément clef nécessaire à l'application de cet algorithme. Ce système de mesure est basé sur: Figure 6 - Exemple de simulation CFD du champ de vitesse autour d'un ré-injecteur (analyse de l'angle d'injection). 206

5 Figure 7 - Schéma bloc de l'algorithme de contrôle de la vitesse d'air longitudinale dans le tunnel de Monaco. Huit sections de mesures anémométriques distribuées dans le tunnel, chaque section est équipée de deux têtes de mesure ultrasonique (soit un total de 16 anémomètres). Routine d'exclusion des valeurs remontées par les anémomètres situées dans la zone d'extraction des fumées. Routine d'exclusion des valeurs aberrantes basée sur un test statistique. 5 - LA MODERNISATION DU SYSTÈME D'EXTRACTION DES FUMÉES Les fumées sont extraites du tunnel, via des trappes de désenfumage motorisées distantes de 55 m, par un conduit continu (en plafond) connecté à deux ventilateurs d'extraction installés dans la centrale de ventilation en tête Nord du tunnel. Ces ventilateurs, en bon état, sont conservés. Les trappes de désenfumage sont remplacées afin d'obtenir une résistance à la chaleur conforme à la règlementation. L'originalité consiste en l'installation de plaques déflectrices planes (2 m x 2 m) fixées parallèlement à la dalle de ventilation en dessous de chaque trappe de désenfumage. Ces tôles permettent: D'éviter le poinçonnement de la couche de fumée (aspiration de la couche d'air frais se trouvant en dessous de la couche de fumées). D'augmenter le rayon d'influence de la trappe de désenfumage en aspirant les fumées tangentiellement à la dalle de ventilation (et non plus perpendiculairement à celle-ci). Les plaques déflectrices augmentent par conséquent l'efficacité du désenfumage sans augmenter les dimensions des trappes de désenfumage, augmentation de taille qui aurait nécessité de longs et couteux travaux de découpage de la dalle. La figure 8 montre un exemple de simulation CFD de l'extraction des fumées au travers d'une trappe sans et avec plaques déflectrices (on note que le tunnel peut présenter un dévers important 3% dans ce cas). Les simulations indiquent une augmentation de l'efficacité d'extraction allant jusqu'à 30%, particulièrement dans le cas où l'épaisseur de la couche de fumées est limitée. 6 - CONCLUSIONS Cet article a présenté un système innovant de maîtrise du courant d'air longitudinal installé dans le tunnel de Monaco (réseau ESCOTA). L'installation de ce système s'inscrit dans le cadre d'un programme global de modernisation de cet ouvrage, programme pour lequel BG Ingénieurs Conseils SA assure la Maîtrise d'oeuvre Générale. Du fait de la conjonction d'un fort effet cheminée (tunnel à forte pente 5.5%) et de conditions météorologiques pouvant être fortement défavorables (différence de pression entre portail pouvant atteindre 50 Pa) cet ouvrage peut être le siège, en cas d'incendie, de fortes vitesses d'air longitudinales. Ces fortes vitesses sont évi- Figure 8 - Trappe de désenfumage (1m2) avec et sans plaques déflectrices (notez la protection thermique de la sous face de dalle). 207

6 demment préjudiciables à la sécurité des usagers en cas de sinistre car elles empêchent la stratification des fumées et participent à leur propagation rapide dans l'ouvrage, créant ainsi des conditions peu favorables à l'auto-sauvetage. Par conséquent et selon la réglementation en vigueur pour ce type d'ouvrage, un système de contrôle de la vitesse d'air longitudinale en cas d'incendie a été mis en place. Ce système met en œuvre les solutions originales suivantes : Installation d'un groupe de 6 accélérateurs en tête Nord et de quatre ré-injecteurs à proximité de la tête Sud du tunnel. Alimentation de ces machines par variateurs de fréquence (poussée variable). Système de contrôle basé sur la mesure de la vitesse d'air en tunnel et boucle de contre réaction. Le principe du ré-injecteur, mis au point par BG, permet l'obtention de fortes poussées réversibles dans des tunnels où la hauteur sous voûte ne permet pas l'installation d'accélérateurs de grands diamètres. Il constitue une solution alternative aux accélérateurs dans les ouvrages dotés de conduits de ventilation sous voûte. Les points principaux de conception des ré-injecteurs sont : La vitesse d'injection (35 m/s): comme les ré-injecteurs sont réversibles la valeur de vitesse d'éjection est un compromise entre la création d'une quantité de mouvement importante et les pertes de charges à la buse d'aspiration. L'angle d'injection (20 par rapport à l'axe du tunnel) : qui constitue aussi un compromis entre : La création de quantité de mouvement longitudinal. Les effets de recollement du jet au plafond du tunnel à faible vitesse d'injection (effet Cuanda). Les contraintes géométriques: la réduction de l'angle d'injection accroit la longueur du ré-injecteur et donc augmente ses pertes internes (diminution du ratio poussée / puissance installée). Les contraintes de maintenance : Les machines sont installées hors de l'espace trafic du tunnel, dans des locaux facilement accessible pour les opérations de maintenance / contrôle courantes qui ne nécessitent donc pas de fermeture de tunnel. Les travaux de maintenance lourde (remplacement d'une machine par exemple) sont facilités par la calibration des divers éléments des ré-injecteurs (encombrement, masse). Le système d'extraction des fumées a lui aussi été modifié. Les trappes de désenfumage ont été remplacées, les orifices de désenfumage ont été équipés de plaques déflectrices qui augmentent l'efficacité de l'extraction de fumées (pas de poinçonnement, augmentation du rayon d'influence de la trappe) sans avoir à procéder à de longs et couteux travaux d'agrandissement (sciage de la dalle de ventilation). 208