Bezpieczeństwo pożarowe w tunelach.pdf

tunele

Bezpieczeństwo pożarowe

1. Wstęp

Każdego dnia miliony ludzi na całym świecie podróżuje tu-

nelami. Przed pożarem w tunelu pod Mont Blanc w 1999 roku

wiele osób zakładało, iż nowoczesne środki bezpieczeństwa

ochronią ich nie tylko podczas pożaru, ale zapobiegną rów-

nież jego wybuchowi. Śmierć 39 osób w tunelu pod Mont

Blanc uświadomiła wszystkim, do jak groźnych konsekwen-

cji może doprowadzić pożar w tunelu, a opinia publiczna,

szczególnie ta w Europie, zaczęła wątpić w bezpieczeństwo

w tunelach.

Dwa miesiące po tragicznych wydarzeniach, jakie miały

miejsce we francusko-włoskim tunelu, problem bezpieczeń-

stwa powrócił na nowo. W wyniku pożaru powstałego na

skutek kolizji pojazdów w tunelu Tauern w Austrii śmierć

poniosło 12 osób. Rok później powszechnie panujące prze-

konanie o większym bezpieczeństwie w tunelach kolejowych

zostało podane w wątpliwość przez wypadek w austriackich

Alpach. 11 listopada 2000 roku kolejka przewożąca turystów

do ośrodka narciarskiego stanęła w płomieniach zaraz po

wjeździe do tunelu. Okazało się, iż ogień wybuchł w tylnej

kabinie maszynisty już na stacji, po czym zaczął się gwał-

townie rozprzestrzeniać. Pociąg zatrzymał się na sześćset-

nym metrze ponadtrzykilometrowego tunelu Kaprun. Duże

nachylenie trasy (43%) przeobraziło tunel w swoisty komin,

tym samym uniemożliwiając sprawną ewakuację uwięzio-

nych ludzi.

Pomimo przeprowadzonych ekspertyz oraz ciągłych wysiłków

zmierzających do podniesienia poziomu bezpieczeństwa w tu-

nelach nie udało uniknąć się kolejnego tragicznego w skutkach

pożaru, do którego doszło w październiku 2001 roku w tunelu

Świętego Gottharda.

2. Testy pożarowe w tunelach

Nieoczekiwanie duża liczba pożarów w tunelach w ciągu

ostatniej dekady nie wpłynęła jednak na wzrost zainteresowa-

nia doświadczalnymi badaniami pożarowymi, co wynika nie

tylko z braku odpowiednich środków finansowych, ale również

z przekonania, iż dotychczasowe testy pozwoliły w wystarczają-

cy sposób poznać i zrozumieć zachowania ognia i dymu w tune-

lach. Tymczasem zabezpieczenia przeciwpożarowe wielu tuneli,

które powstały kilkadziesiąt lat temu, mogą nie spełniać współ-

cześnie wymaganych standardów.

W 1965 roku w Offenegg w Szwajcarii w opuszczonym tunelu

kolejowym odbyła się pierwsza seria testów pożarowych. Dwa-

naście eksperymentów pożarów przeprowadzonych w specjal-

nie przygotowanych misach z rozlanym paliwem, miało pomóc

określić wpływ różnych systemów wentylacji (naturalnej, półpo-

przecznej i podłużnej) na rozwój pożaru i ruch dymu. Podczas

testów przeprowadzono również badania przeciwpożarowej in-

stalacji zraszaczowej. Testy te były pierwszymi właściwymi bada-

niami, których wyniki dostarczyły rzetelnych informacji o postaci

i przebiegu pożaru w tunelu.

Na przestrzeni kolejnych trzydziestu lat przeprowadzono kil-

ka testów pożarowych w tunelach. Warto tutaj zwrócić uwagę

na dwie szczególne serie badań pożarów, jakie miały miejsce

w pierwszej połowie lat dziewięćdziesiątych: europejski projekt

o nazwie Eureka 499 „Firetun” oraz amerykański Memorial Tun-

nel Fire Ventilation Test Program.

2.1. Projekt Eureka 499 „Firetun”

Międzynarodowy projekt Eureka 499 „Firetun” został przepro-

wadzony w latach 1990–1992. Jego celem było dokładne zba-

24 Geoinżynieria i Tunelowanie 01/2005 (04)

tunele

w tunelach

tunele

Rok

Tunel, Kraj

Typ tunelu Długość (m)

Czas trwania

pożaru

Oﬁary

śmiertelne

Konsekwencje materialne

1994

Great Belt, Dania

Kolejowy

8,000

7 godz.

Brak

Uszkodzeniu uległo 16 pierścieni

tubingowych (o długości

1,65 m każdy)

1996

Channel, Wielka

Brytania-Francja

Kolejowy

50,500

9 godz.

Brak

Zniszczenia konstrukcji tunelu na

długości 500 metrów, uszkodzenia

taboru kolejowego

1999

Mont Blanc,

Francja-Włochy

Drogowy

11,600

50 godz.

Zniszczona konstrukcja tunelu na

długości 900 metrów, spaleniu

uległo 10 samochodów osobowych

i 23 ciężarówki, wyłączenie tunelu z

eksploatacji na 21 miesięcy

1999

Tauern, Austria

Drogowy

6,400

17 godz.

Zniszczenia 16 ciężarówek i 24

samochodów, odpryski betonowej

konstrukcji na głębokość 10-15 cm

2000

Kaprun, Austria

Kolejowy

3,300

1-2 godz

159

Pożar w tunelu górskim o nachyleniu

43 stopni

2001

Gotthard, Szwajcaria

Drogowy

17,000

24 godz

Uszkodzenia 200 metrów okładziny

stropu tunelu

Tab. 1. Najgroźniejsze wypadki w europejskich tunelach drogowych i kolejowych na przestrzeni ostatnich 10 lat

danie zachowania ognia i dymu w tunelach, co umożliwiłoby

późniejszą ocenę działania służb ratowniczych. Badania koordy-

nowane przez specjalistów z Austrii, Finlandii, Francji, Niemiec,

Norwegii, Wielkiej Brytanii, Włoch, Szwajcarii i Szwecji, składały

się z 21 testów pożarowych, z których większość odbyła się

w opuszczonym tunelu Hammerfest na północy Norwegii, prze-

znaczonym do jednego kierunku ruchu. Źródłem eksperymen-

talnych pożarów były samochody osobowe, ciężarowe, tabory

kolejowe oraz skład metra.

Na podstawie przeprowadzonych testów pożarowych usta-

lono, iż maksymalna temperatura pod stropem tunelu w zależ-

ności od rodzaju palącego się pojazdu oscylowała pomiędzy

200 a 1100°C. Podczas pożaru pociągu oraz autobusu o mocy

15–20 MW wahała się w 40 minucie pomiaru pomiędzy 800–

–900°C (w jednym przypadku przekroczyła 1000°C). W przy-

padku samochodów temperaturę mierzono na powierzchni

dachu oraz drzwi. W 70–100 minucie od rozpoczęcia testu

wynosiła ona odpowiednio 400–600°C dla pojazdów o karo-

serii stalowej, 900°C dla karoserii aluminiowej. Odnotowano

również, iż moc pożaru gwałtownie wzrastała w pierwszych

10–15 minutach od jego wybuchu i wynosiła średnio 6–128

MW. Największą wartość cechują samochody ciężarowe – od

13 do 200 MW (w zależności od ilości i rodzaju przewożone-

go ładunku). Maksymalna moc pożaru osiągana jest w tym

przypadku po 10–20 minutach. Dla samochodów osobowych

ustala się po 5–80 minutach i wynosi 13–43 MW. W przypad-

ku taboru kolejowego parametry te wynosiły 13–43 MW. Dla

przykładu moc pożaru pasażerskiego pociągu pospiesznego

po 25 minutach osiągnęła maksymalną wartość 25 MW, po

30 minutach zmniejszyła się do 6 MW (utrzymywała się na

tym poziomie przez 50 minut), następnie wzrosła do 12 MW,

by po 130 minutach od wybuchu pożaru zmaleć ponownie

do 5 MW.

Należy pamiętać, iż wyznaczenie najwyższej wartości ciepła

spalania całego pociągu nie polega na zsumowaniu wartości dla

poszczególnych wagonów. Najwyższa moc pożaru pierwszej

płonącej jednostki niekoniecznie ustali się w tym samym czasie,

co pozostałe, co wynika między innymi z różnic w rodzaju kon-

strukcji wagonów (stalowe, aluminiowe,

pożarowych wynosił od 60 minut w przypadku, gdy badano

tylko połowę wagonu wykonanego ze stali zgodnie z najnowszą

technologią, do blisko 180 minut w przypadku pociągów po-

śpiesznych oraz pociągów typu F11.

2.2. Projekt Memorial Tunnel Ventilation Fire

Test Program

Amerykański projekt Memorial Tunnel Ventilation Fire Test

Program (MTFVTP) sfinansowany został przez Federalny Za-

rząd Autostrad Stanów Zjednoczonych przy współpracy z wła-

dzami stanu Massachusetts. Kosztował około 40 milionów

dolarów i był częścią projektu budowy tunelu Boston Central

Artery. Badania składały się z serii 98 testów pożarowych, któ-

re przeprowadzono w opuszczonym tunelu samochodowym

w Virginii w latach 1993–1995. Dotyczyły one wpływu różnych

rodzajów wentylacji (naturalnej, półpoprzecznej, poprzecznej,

podłużnej) na oddymianie tuneli przy pożarach o zmiennej

mocy 10, 20, 50 i 100 MW. Źródło pożaru stanowiły zbiorniki

wypełnione paliwem.

Na podstawie przeprowadzonych badań ustalono, iż wenty-

latory o dużej mocy wykorzystywane przy wentylacji podłużnej

działają efektywnie, gdy moc pożaru nie przekracza 100 MW,

dlatego też ich montaż wymaga dokonania wcześniejszych ana-

liz konstrukcji i zabezpieczeń przeciwpożarowych tunelu.

), ich oszklenia, wy-

posażenia wnętrza. Całkowity czas trwania pojedynczych testów

etc.

Geoinżynieria i Tunelowanie 01/2005 (04)

tunele

Rodzaj pojazdu,

seria testu,

u – prędkość przepływu powietrza [m/s]

Wielkość

ładunku ciepła

[GJ]

Maksymalna

moc pożaru

[MW]

Czas upływający

do osiągnięcia

maksymalnej mocy

pożaru [min]

Maksymalna

temperatura (

Samochody wyprodukowane w latach 70.

1,5; 1,8; 2

12; 10; 14

Renault Espace (1988),

Eureka 499, u = 0,4 m/s

480

Opel Kadett (1990), Second Benelux test, u = 0-6 m/s

4,8; 4,7

11; 38

210; 110

Pojedyńcze samochody wyprodukowane w latach

80. i 90. marki Peugeot, Renault, Citroen, Ford, Opel,

Fiat, VW

2,1; 3,1; 4,1; 6,7 3,5; 2,1; 4,1; 8,3 10; 29; 26; 25

25–35-letni 12-–metrowy autobus szkolny Volvo,

Eureka 499, u = 0,3 m/s

Przyczepa Daf 310Ati z ładunkiem 2 ton mebli,

Eureka 499, u = 3-6 m/s

128

970

Przyczepa z ładunkiem 36 palet drewnianych, Second

Benelux test, u = 0, 4-6 m/s

13; 19; 16

16; 8

Ciężarówka, Eureka 499,

u = 0,7 m/s

400 (10 metrów od

źródła pożaru)

Niemiecki wagon pociągu ekspresowego, Eureka 499,

u = 0,5 m/s

830

Niemiecki wagon pociągu pośpiesznego, Eureka 499,

u = 0,5 m/s

720

Niemiecki wagon metra, Eureka 499, u = 0,5 m/s

680 - 1050

Tab. 2. Wyniki testów pożarowych

Badania pozwoliły również wykazać, iż sys-

temy wentylacji poprzecznej stosowanej samo-

dzielnie z zachowaniem równowagi pomiędzy

dostarczanym czystym a odprowadzanym zanie-

czyszczonym powietrzem wykazują ograniczone

możliwości – są skuteczne, gdy moc pożaru jest

nie większa niż 20 MW. Podobne właściwości

cechują systemy wentylacji półpoprzecznej, któ-

re dostarczają tylko świeże powietrze. Skutecz-

ne w oddymianiu odcinków tunelu okazały się

wentylatory ssące systemu podłużnego, które

mogą usuwać duże ilości dymu, zapobiegając

tym samym jego przemieszczaniu. Wentylatory

te polecane są przy konstrukcji tunelów o ruchu

dwukierunkowym. Maksymalna temperatura

wewnątrz wentylatora ssącego przy założeniu,

iż znajduje się on w odległości 210 metrów od

źródło ognia, a moc pożaru wynosi 100 MW, nie

może przekraczać 163°C.

Dodatkowo badania dowiodły, iż czas, który upływa od roz-

poczęcia pierwszej fazy pożaru do załączenia systemu wentyla-

cyjnego, powinien być zminimalizowany do dwóch minut, bo-

wiem po tym czasie dym unoszący się z pożaru rozprzestrzenia

się na odległość 480–570 metrów. Wzrost temperatury oraz ilości

dymu najczęściej spowodowany jest naturalnym, niewymuszo-

nym przepływem powietrza, który – jak wykazano zależy – od

rozmiaru powstałego pożaru i wymiarów tunelu.

Warto zauważyć, iż przeprowadzone badania uwzględniały

wystąpienie pożaru jedynie w osi tunelu. Tymczasem według

statystyk największa ilość pożarów ma miejsce w pobliżu jed-

nej z jego ścian. Ponadto źródło testowego pożaru stanowiły

zbiorniki wypełnione paliwem, a nie rzeczywiste pojazdy, co

w znaczący sposób odbiega od rzeczywistych warunków. Tu-

nele wykorzystywane do badań pozbawione były zabezpieczeń

przeciwpożarowych. Pominięto także możliwość wystąpienia

innych obiektów oraz wpływ czynnika ludzkiego.

Moc pożaru [MW]

Ilość

wydzielanego

dymu przy

temp. 300 ° C [m 3 /s]

Typ samochodu

PIARC 1) Regulacje

francuskie

NFPA 2)

1 mały samochód osobowy 2,5

2,5

1 duży samochód osobowy 5

20-40

2-3 samochody osobowe

40-60

van

autobus

60-90

TIR

20-30

cysterna z paliwem

100

200

100

140-300

Tab. 3. Moc pożarów [MW] oraz ilość wydzielanego dymu dla pożarów różnych typów samocho-

dów; 1) PIARC / AIPCR – Międzynarodowe Stowarzyszenie Kongresów Drogowych; 2) NFPA – Natio-

nal Fire Protection Association – Narodowe Stowarzyszenie Ochrony Przeciwpożarowej

3. Komputerowe symulacje pożarów w tunelach

W związku ze znaczącym postępem w dziedzinie informatyki

możliwe stało się stworzenie komputerowych symulacji pożarów

w tunelach. Wciąż jednak konieczne wydaje się weryfikowanie

otrzymanych wyników poprzez wykonywanie testów pożaro-

wych w skali rzeczywistej. Całkowite wyeliminowanie kosz-

townych testów pożarowych będzie możliwe jedynie w sytuacji

opracowania programu, który uwzględniałby wszystkie czynni-

ki mające wpływ na rozwój i przebieg pożaru (uwzględniałby

wszystkie możliwe scenariusze wypadków).

3.1. Metody obliczeń doświadczalnych

Obliczenie przybliżonych prędkości przepływu powietrza

wzdłuż tunelu oraz jego wpływu na rozwój pożaru możliwe

jest dzięki zastosowaniu rozbudowanych systemów równań

algebraicznych. Celem przeprowadzanych kalkulacji jest zapo-

bieganie powstawaniu zjawiska „backlayeringu” – niedopusz-

26 Geoinżynieria i Tunelowanie 01/2005 (04)

tunele

tunele

czenie do przepływu pod prąd dymu i substancji toksycznych

wydzielających się podczas spalania określonego ładunku

umieszczonego w tunelu. Znaczący wpływ na ograniczenie co-

fania się produktów spalania w przypadku tunelu ma stopień

pochylenia jego niwelety.

Model ten oparty na doświadczeniach wyniesionych z rze-

czywistych pożarów dostarcza jednak ograniczonych wyjaśnień

dotyczących zjawiska pożaru. Nie określa bowiem warunków

panujących w pobliżu jego źródła czy też oddziaływań, jakie

zachodzą między wentylatorami, płomieniami ognia i natural-

nym przepływem powietrza przez tunel. Należy pamiętać, iż

w warunkach rzeczywistych pojazdy oraz inne obiekty znajdu-

jące się w świetle tunelu w znacznym stopniu redukują szyb-

kość przepływu powietrza.

3.2. Modele sieciowe i strefowe

Model sieciowy stanowi rozszerzoną wersję metody obliczeń

algebraicznych. Tunel bądź sieć tuneli i ich korytarzy dzielona

jest na jednowymiarowe obwody wentylacji dróg. Symulacja

ma na celu prześledzenie ruchu powietrza i dymu w całej sieci

tunelu w zależności od czasu trwania pożaru. Zaletą tego ro-

dzaju modelu jest możliwość określenia rozkładu badanych pa-

rametrów w stosunkowo krótkim czasie, ogromnym minusem

– pominięcie szczegółów odnoszących się do źródła pożaru

oraz brak możliwości uzyskania rozkładu dymu w przestrzeni

trójwymiarowej.

3.3 Modele CFD

Symulacje oparte głównie na metodzie CFD (Computational

Fluid Dynamics), polegającej na rozwiązywaniu równań ruchu

płynów za pomocą metod numerycznych, stały się ważnym

elementem dostarczającym wiedzę o przebiegu pożaru w tune-

lach. Pozwalają określić fizyczne i chemiczne parametry pożaru,

między innymi koncentrację produktów spalania, momenty oraz

równania mas dymu.

4. Podsumowanie

W obliczu wypadków w tunelach pod Mont Blanc, Tauern

i tunelu Świętego Gottharda wiele państw wprowadziło zmia-

ny i modernizacje pozwalające zwiększyć poziom zabezpieczeń

przeciwpożarowych, by – co za tym idzie – zapewnić podróżu-

jącym wyższe standardy bezpieczeństwa. Kraje takie jak Austria,

Francja, Niemcy, Szwajcaria rozpoczęły dokładne analizy bezpie-

czeństwa w tunelach, uwzględniając: brak odpowiedniego nad-

zoru i kontroli, natężenie ruchu drogowego (zwłaszcza samo-

chodów ciężarowych przewożących substancje niebezpieczne),

zachowanie użytkowników dróg, systemy wentylacji i koncen-

trację spalin, położenie oraz rozmieszczenie wlotów i wylotów

tunelu. Kolejnym krokiem w stronę rozwiązania problemu wy-

padków w tunelach było opracowanie przez kraje członkowskie

Unii Europejskiej Dyrektywy określającej podstawowe założenia

bezpieczeństwa. Przedstawiony w nich szereg zaleceń dotyczą-

cych budowy nowych, jak i modernizacji istniejących już tuneli

ma na celu zapewnienie maksymalnego poziomu bezpieczeń-

stwa. Należy zauważyć, iż Dyrektywa 2004/54/EC z kwietnia

2004 roku zobowiązuje kraje członkowskie, w tym również Pol-

skę, do wprowadzenia jej w życie z dniem 30 kwietnia 2006

roku. Dyrektywa ta dotyczy tuneli o długości ponad 500 metrów

występujących na drogach europejskich.

[2] H.j N.: Hazards in tunnels. Structural integrity, 1st International

Symposium - Safe & Reliable Tunnels, Praga 2004

[3] Kumar S.: Recent achievements in modelling the transport of

smoke and toxic gases in tunnel ﬁres

[4] Ingason H.: Recent achievements regarding measuring of time-

-heat and time-temperature development in tunnels, 1st Interna-

tional Symposium - Safe & Reliable Tunnels, Praga 2004

[5] Carvel R.: The history and future of ﬁre tests, Tunnels and Tunnel-

ling International, November 1, 2002

LITERATURA

[1] Both K.: Present-day design ﬁre scenarios and comparison with

test results and real ﬁres: structures and equipment, 1st Interna-

tional Symposium - Safe & Reliable Tunnels, Praga 2004

autorzy Agnieszka Fabryczewska

Geoinżynieria i Tunelowanie 01/2005 (04)

Krystian Chojnacki

Szkoła Główna Służby Pożarniczej

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: