5 Fragen: Tunneltechnik

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Worin unterscheiden sich Straßentunnel von oberirdischen Verkehrswegen, welche Gemeinsamkeiten gibt es? Was macht die Belüftung von Tunnelanlagen so komplex, und warum ist sie überhaupt von Bedeutung? Und warum werden Tunnelausstattung und –betrieb auch für die Mobilität der Zukunft eine entscheidende Rolle spielen? Diese und weitere Fragen beantwortet Nils Lichtenberg, Leiter des Fachbereichs Tunneltechnik am ISAC.

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Welche Aspekte sind mit Blick auf die Sicherheit in Straßentunneln besonders wichtig und worin unterscheiden sich die Anforderungen von denen an oberirdische Verkehrsanlagen?

Ich fange mal von Hinten an, die Frage zu beantworten. Straßentunnel unterscheiden sich hauptsächlich von offenen Straßen dadurch, dass sie fast hermetisch von der Umwelt abgeschlossen sind und das hat Vorteile und Nachteile. Ein Vorteil ist zum Beispiel, dass es in einem Tunnel nicht regnet oder schneit, dadurch herrschen in einem Tunnel sehr konstante Bedingungen, die dazu führen, dass statistisch auch weniger Unfälle passieren als auf offener Straße. Aber wenn etwas passiert, dann wird die Tatsache, dass es nur eine Einfahrt und eine Ausfahrt gibt zum Problem.

Zum Beispiel bei einem Brand kann der Rauch nicht einfach nach oben steigen und breitet sich in der Tunnelröhre aus. Dieser Rauch ist immer giftig, weil er immer CO₂ enthält plus einen Cocktail an Verbrennungsnebenprodukten. Damit kommen wir zum ersten Aspekt: Brände müssen schnell erkannt werden (Kotrollraum mit Operatoren und Kameras im Tunnel), um die Brandbekämpfung schnell einzuleiten und Personen müssen so schnell wie möglich selbstständig von der Gefahr flüchten können (kurze Wege zu den Notausgängen und Notgehwege).

Meist entstehen die Brände durch Auffahrunfälle und das bringt mich zu meinem zweiten Aspekt: Die Verkehrsteilnehmenden sollten sowohl gleichmäßig und langsam fahren als auch immer gute Sicht haben. Daher ist die Beleuchtung wichtig, damit sich das Auge bei Tag sich langsam an den dunkleren Tunnel gewöhnen kann und bei Nacht nicht geblendet wird.

Die Luftqualität würde ich noch als dritten wichtigen Aspekt sehen, da ohne weiteres von außen keine frische Luft in den Tunnel eindringt, konzentrieren sich die Abgase der Fahrzeuge kontinuierlich und überschreiten nach relativ kurzer Zeit viele Grenzwerte, die die Gesundheit des Menschen gefährdenden können.

Warum ist die Lüftung von Tunnelanlagen so aufwendig?

Die Lüftung ist aufwendig, weil sie von vielen Faktoren abhängt: Anzahl der Fahrzeuge, Anteil der LKWs, Steigung des Tunnels, dessen Länge und Breite. Wind auf die Portale und auch die Thermik spielt eine Rolle, also der Temperaturunterschied zwischen Tunnelinneren und dem Wetter draußen.

Die Lüftungsanlagen laufen nicht im Dauerbetrieb, sondern werden bei stockendem oder stehendem Verkehr zur Schadstoffreduktion eingeschaltet, wenn festgesetzte Grenzwerte überschritten werden. Eine Schwierigkeit liegt in dem hohen Messaufwand, der betrieben werden muss, um die Grenzwerte zu überwachen. Außerdem kann in einem engen Tunnel keine unendlich große Lüftungsanlage eingebaut werden, daher braucht es besonders leistungsfähige Ventilatoren, die frische Luft in den Tunnel leiten und die Belastete ableiten. Die Positionierung der Ventilatoren im Tunnel ist auch von entscheidender Bedeutung, und grade auf diesem Gebiet herrscht noch großes Potential für die Forschung.

Welche Vorteile haben Simulationen in der Tunneltechnik gegenüber der Forschung mittels Modelltunneln?

Simulationen haben den Vorteil, dass die Geometrie und die Randbedingungen relativ schnell geändert werden können. Und es können vor alledem die realen Maßstäbe dargestellt werden. Skalierte Modelle im Wasser oder in Luft können meisten nie alle Bereiche der Strömungsmechanik gleichzeitig korrekt wiedergeben. Sie können vielleicht bei einem Aufbau den Auftrieb von warmer Luft korrekt vorhersagen, aber auf der anderen Seite sind zum Beispiel die Umströmungen von Fahrzeugen nicht ganz exakt und anders herum. Das hängt mit der Ähnlichkeitstheorie und vielen dimensionslosen Kennzahlen zusammen, die eingehalten werden müssen, um mit einem Modell einen Prototyp vorherzusagen, das zu erklären würde an dieser Stelle jedoch weit führen.

Simulationen haben dieses Problem nicht. Wenn Sie korrekt aufgesetzt und hinreichend validiert sind, können sie wunderbare Vorhersagen treffen und dabei zugleich die Strömung visualisieren, was dem menschlichen Auge normalerweise verborgen bleibt, weil Luft durchsichtig ist und die Geschwindigkeit der Luft damit vom Menschen nicht erkannt wird.

Allerdings handelt es sich bei Simulationen der Tunnelluft um sehr aufwendige Rechenprozesse, sie benötigen viel Arbeitsspeicher und es dauert einige Zeit, bis ein Ergebnis vorliegt, weil große Geometrien dargestellt werden. In der Regel werden Simulation und experimentelle Modell gleichzeitig angewendet. Hier werden Modelle genutzt um die Simulationsergebnisse zu validieren und zu verifizieren.

In welchen Bereichen gibt es Schnittmengen mit den anderen Fachbereichen Bautechnik und Verkehrstechnik?

Ein Straßentunnel ist lediglich die Weiterführung einer Straße unter anderen Umständen. Daher ist die Fahrbahn aus demselben Material wie vorher und nachher. Und auch die Verkehrsteilnehmenden haben sich nicht geändert, nur weil Sie in einen Tunnelgefahren sind: Es müssen immer noch Abstände eingehalten, Unfälle vermieden und generell Verkehrssicherheit gewährt werden.

Dabei spielen bei der Verkehrssteuerung dieselben Aspekte der Verkehrstechnik eine Rolle wie auch auf offener Straße, zum Beispiel Videodetektion oder Geschwindigkeitsbegrenzungen zum Reduzieren von Staus, Unfällen und Abgasen.

Was macht das Forschungsfeld der Tunneltechnik besonders interessant?

Ungeachtet der Trendwende hin zur Elektromobilität bleibt die Thematik der Tunnelbelüftung auch zukünftig von Bedeutung: ein Ende der Verbrenner bedeutet nicht automatisch ein vollkommen schadstofffreies Fahren, denn der Abrieb von Reifen und Bremsscheiben vermischen sich nach wie vor mit der Tunnelluft. Besonders zum Strömungsverhalten in Tunneln fehlt es derzeit noch an Forschung, ein Grund für mich, die Strömungsmechanik in Tunneltechnik weiter zu erforschen. Es gibt beispielsweise meines Wissens noch keinen Wassermodelltunnel in Deutschland, obwohl dieser für die Forschung von großem Wert ist.

Alles in allem sehe ich noch Potential zur Verbesserung der Tunnellüftung, auch aus wirtschaftlichen Gründen, denn eine weniger häufige Notwendigkeit der Belüftung spart auch Geld. Neue Ventilatoren können entwickelt oder bestehende Belüftungen können aufgerüstet werden, der Tunnelbau kann optimiert werden, beispielsweise um auch die Strömungen der Fahrzeuge für die Lüftung zu nutzen.

Meine Forschungsschwerpunkte werde ich in den nächsten Jahren daher auf Fragen der Tunnellüftung legen. Neben dem Aufbau eines Wassermodelltunnels am ISAC wird auch ein numerischer Blick auf Lüftungssysteme im Betrieb von Interesse sein. Lüftungen für den Brandfall wurden bereits häufig untersucht, Brände sind zwar selten, aber gravierend. Untersuchungen zu Lüftungen im Normalbetrieb gibt es bislang jedoch zu wenige, diese Lücke gilt es zu schließen.