Zabezpieczenie tuneli mg∏ą wodną

TECHNICZNE ÂRODKI OCHRONY PRZECIWPO˚AROWEJ
Zabezpieczenie tuneli mg∏à wodnà
Proces budowy tuneli komunikacyjnych – zarówno samochodowych, jak i kolejowych – napotyka w Polsce bariery wynikajàce z braku stosownych uregulowaƒ prawnych, a przede wszystkim in˝ynierskich. Dobitnym tego przyk∏adem
by∏y trudnoÊci zwiàzane z budowà i oddaniem do u˝ytkowania tuneli w Warszawie i w Krakowie. Z tymi samymi problemami stykali si´ jednak projektanci i budujàcy tunele w krajach Europy Zachodniej.
Jako ˝e europejska gospodarka w znacznej
mierze opiera si´ na transporcie drogowym
i kolejowym, ka˝dorazowe zak∏ócenie jego warunków mo˝e pociàgnàç za sobà bardzo powa˝ne nast´pstwa w harmonijnym przep∏ywie
towarów i us∏ug na obszarze ca∏ej Unii. Zapewnienie bezpieczeƒstwa w tej sferze gospodarki
wià˝e si´ ÊciÊle z zapewnieniem bezpieczeƒstwa w tunelach. Sà to kluczowe zagadnienia,
zwa˝ywszy na fakt, ˝e wi´kszoÊç z nich by∏a
projektowana dwie, trzy dekady temu, kiedy
wielkoÊç i charakter (∏atwopalnoÊç) przewo˝onego towaru by∏a zupe∏nie inna. Konsekwencjà
zmian zwiàzanych z rozwojem gospodarki jest
spadek poziomu bezpieczeƒstwa w tunelach,
szczególnie w razie zaistnienia zdarzeƒ niebezpiecznych, np. po˝aru. Zmianie tej sytuacji s∏u˝à dzia∏ania podejmowane w pakiecie roboczym 2 w ramach programu badawczego Komisji Europejskiej SOLIT i UPTUN. Umo˝liwi∏y
one zredagowanie „Wskazówek in˝ynieryjnych
dla systemów gaÊniczych na bazie wody wykorzystywanych w tunelach i obiektach podziemnych”, majàcych ograniczyç do minimum ryzyko wybuchu po˝arów w tunelach [8].
Termin „tunel” obejmuje tu tunele drogowe,
kolejowe, tunele metra i tunele o podobnym
kszta∏cie i zagro˝eniu. OdpowiedzialnoÊç
za ocen´, czy wskazówki in˝ynieryjne mo˝na zastosowaç w konkretnym przypadku, spo-
czywa wy∏àcznie na podejmujàcym decyzje
zwiàzane z danà inwestycjà, czyli inwestorze.
W programie UPTUN (www.uptunnet) wzi´∏o udzia∏ 41 specjalistów z tej bran˝y z 17 krajów Unii. Niestety, w zespole tym zabrak∏o Polaków. W latach 2002-2006 kosztem kilkunastu milionów euro wykonano wiele prac, ∏àcznie z budowà tunelu d∏ugoÊci ok. 700 m
na powierzchni ziemi, w którym przeprowadzone zosta∏y rzeczywiste testy urzàdzeƒ gaÊniczych i wentylacyjnych. Pozwoli∏o to zredagowaç „Wskazówki in˝ynieryjne…” i informacje na temat projektowania, instalacji oraz
konserwacji systemów gaÊniczych na bazie
wody (WFS) wykorzystywanych do zabezpieczenia tuneli. Termin „sta∏e systemy gaÊnicze
na bazie wody” opisuje systemy zalewowe:
tryskaczowe, ze sprejem wodnym, na mg∏´
wodnà.
Jako ˝e problematyka ta nie jest dziÊ regulowana przez prawo, nale˝y traktowaç te materia∏y jako zalecenia przy realizacji inwestycji
zwiàzanych z budowà tuneli. W ramach testów
przeprowadzono gaszenie po˝arów klasy A
o stopniu uwalniania ciep∏a a˝ do 200 MW.
DoÊwiadczenia te wykaza∏y, ˝e najwy˝szà skutecznoÊcià gaÊniczà charakteryzujà si´ systemy oparte na technologii mg∏y wodnej. Dajà
one m.in. mo˝liwoÊç redukcji temperatury
z 1200°C do 50°C w ciàgu dwóch minut.
Józef SEWERYN
Systemy gaÊnicze na bazie wody
(WFS)
Systemy, w których Êrodkiem gaÊniczym jest
woda, wykorzystujà jà w formie kropelek.
W zale˝noÊci od typu systemu, Êredni rozmiar
kropel waha si´ od bardzo ma∏ych – w tzw.
wysokociÊnieniowych systemach gaÊniczych
na mg∏´ wodnà do stosunkowo du˝ych – w systemach zalewowych lub tryskaczowych.
G∏ówne efekty gaÊnicze osiàgane przez wykorzystanie wody [1], w zale˝noÊci od rozmiaru kropelek, to:
• d∏awienie po˝aru
Podczas parowania wody jej obj´toÊç wzrasta 1640 razy, co prowadzi do redukcji zawartoÊci tlenu w powietrzu przy êródle po˝aru. Po˝ar jest d∏awiony, a przynajmniej t∏umiony
na skutek braku iloÊci tlenu wystarczajàcej
do podtrzymania procesu spalania.
Uwaga: do redukcji zawartoÊci tlenu w powietrzu
na skutek tworzenia si´ pary dochodzi jedynie w miejscach, w których wyst´puje bardzo wysoka temperatura. Dlatego redukcja zawartoÊci tlenu w powietrzu b´dzie wyst´powaç w pobli˝u po˝aru, a nie na drogach
ewakuacyjnych.
• efekt separacji
Kropelki wody trafiajà pomi´dzy p∏omieƒ i powierzchni´ paliwa. Redukujà one ciep∏o promieniowania, jakie otrzymuje powierzchnia paliwa, skutecznie odbijajàc promieniowanie.
Skutkuje to zmniejszeniem szybkoÊci spalania
i redukcjà ciep∏a promieniowania w innych
miejscach tunelu, zmniejszajàc ryzyko rozprzestrzeniania si´ ognia. Efekt odbijania promieniowania zale˝y od wystarczajàcej liczby ma∏ych kropelek – skutecznoÊç roÊnie wraz ze
zmniejszaniem si´ ich rozmiarów.
Rys. 1. Zdj´cie przyk∏adowego tunelu oraz jego przekrój
30
OCHRONA PRZECIWPO˚AROWA / grudzieƒ 2010
TECHNICZNE ÂRODKI OCHRONY PRZECIWPO˚AROWEJ
• efekt tarczy
Kropelki wody redukujà ciep∏o promieniowania
docierajàce do obiektów znajdujàcych si´
w pobli˝u po˝aru w tunelu. Ten efekt tarczy pomaga zapobiegaç rozprzestrzenianiu si´ ognia
i chroniç ludzi ewakuujàcych si´ z tunelu oraz
s∏u˝by bezpieczeƒstwa próbujàce do niego dotrzeç.
• ch∏odzenie
Na skutek rozbicia wody na kropelki tworzy si´
powierzchnia reakcji, przez którà absorbowane
jest ciep∏o z po˝aru. Na ogrzanie 1 litra wody
z 20°C do 100°C potrzeba 335 kJ energii,
a dodatkowych 2257 kJ do przetworzenia wody w par´. Tak wi´c woda jest Êrodkiem gaÊniczym o najwy˝szej znanej zdolnoÊci absorpcji
ciep∏a.
Im wi´ksza powierzchnia reakcji (która zale˝y od widma rozpylenia kropel), tym wi´kszy
potencjalny efekt ch∏odzenia. Ten efekt ch∏odzenia odnosi si´ jednak do powietrza i gazów
dooko∏a po˝aru, a nie do samego po˝aru. Dla
tego ostatniego decydujàcym czynnikiem jest
powierzchnia po˝aru. Dlatego bardziej wydajne
ch∏odzenie Êrodowiska w tunelu wyst´puje, jeÊli kropelki znajdujà si´ w powietrzu. Co za tym
idzie, skuteczniej b´dà tam ch∏odziç ma∏e kropelki, które spadajà wolniej ni˝ wi´ksze krople.
Nale˝y pami´taç, ˝e sta∏e systemy gaÊnicze
na bazie wody nie sà przeznaczone do gaszenia po˝arów, ale do ich t∏umienia lub kontrolowania. Dlatego, nawet po aktywacji systemu,
u˝ytkownicy tunelu i s∏u˝by ratownicze powinny spodziewaç si´ po˝aru w tunelu podczas
ewakuacji lub akcji ratunkowej.
gumentem przeciw by∏o to, ˝e powsta∏a para
mo˝e zagroziç ludziom podczas ewakuacji.
Dzisiaj uwa˝a si´, ˝e system gaÊniczy na bazie
wody mo˝e znacznie zredukowaç temperatur´
w tunelu, nawet w pobli˝u po˝aru. Bioràc
pod uwag´ fakt, ˝e przy nieograniczanym po˝arze temperatury w tunelu, nawet z dala
od êród∏a ognia, mogà w stosunkowo krótkim
czasie przekroczyç 1000°C, efekt ch∏odzenia
takiego systemu mo˝e okazaç si´ bezcenny.
U˝ycie systemu gaÊniczego na bazie wody
w tunelu ze wzgl´du na temperatur´ jest wtedy uzasadnione. W ostatnich testach po˝arowych przeprowadzonych w ramach projektu
UPTUN para powstawa∏a wy∏àcznie w pobli˝u
po˝aru. Efekt ch∏odzenia zapewniony przez
system gaÊniczy na bazie wody nie pozwala∏
na wytwarzanie si´ pary w oddalonych od niego miejscach. KorzyÊci p∏ynàce z efektu ch∏odzenia wyst´pujàcego w takim systemie sà
wi´ksze ni˝ zagro˝enia zwiàzane z tworzeniem
si´ pary w sàsiedztwie po˝aru.
Z tych powodów u˝ycie systemu gaÊniczego
na bazie wody cenione jest jako rozwiàzanie
pierwszego wyboru, umo˝liwiajàce ewakuacj´
u˝ytkowników tunelu, ale równie˝ pozwalajàce
na wejÊcie do niego s∏u˝b ratowniczych.
Dalsze wàtpliwoÊci wynika∏y z obawy, ˝e
efekt ch∏odzenia zdestabilizuje lub zniszczy wytworzonà warstw´ dymu, sprawiajàc, ˝e dym
b´dzie si´ tworzy∏ w górnej cz´Êci tunelu (pozostawiajàc czystà przestrzeƒ poni˝ej) i szybciej rozprzestrzenia∏ si´ na obszary przewidziane na ewakuacj´ i dla s∏u˝b ratowniczych.
Wspomniane projekty badawcze wykaza∏y jed-
Rys. 2. Efekt ch∏odzenia podczas testów po˝arowych UPTUN. Krzywe obrazujà temperatur´ w ró˝nych lokalizacjach podczas pe∏nego testu po˝arowego (êród∏o: raport UPTUN)
Systemy WFS w tunelach:
za i przeciw [2]
W przesz∏oÊci cz´sto mówiono, ˝e systemy gaÊnicze wykorzystujàce wod´ mogà byç niebezpieczne dla u˝ytkowników tunelu. G∏ównym argrudzieƒ 2010 / OCHRONA PRZECIWPO˚AROWA
nak, ˝e nawet w tunelach bez systemów gaÊniczych na bazie wody na skutek ekstremalnych
efektów termicznych oraz wentylacji tunelu
dym jest rozwarstwiony tylko na okreÊlonym
dystansie i przez ograniczony czas. Co wi´cej,
system gaÊniczy na bazie wody ogranicza rozmiar po˝aru i znacznie ogranicza produkcj´ dymu. Dodatkowo kropelki wody do pewnego
stopnia wià˝à si´ z czàstkami dymu, przez co
zmniejszajà jego negatywny wp∏yw na widocznoÊç i redukujà jego toksycznoÊç.
Dodatkowo udowodniono, ˝e powstajàca para wodna przy zetkni´ciu si´ kropel wody z palàcà si´ powierzchnià nie jest niebezpieczna dla
ludzi, a wr´cz u∏atwia skutecznà ewakuacj´ –
zagro˝onym i ratownikom. Nie do przecenienia
jest równie˝ fakt wiàzania przez czàsteczki mg∏y
wodnej czàsteczek dymu i tym samym wspomaganie odpowiedniej wentylacji po˝arowej.
Stosowanie sta∏ych urzàdzeƒ gaÊniczych (FFFS)
sta∏o si´ w ostatnich latach ogólnie przyj´tà metodà zwi´kszania bezpieczeƒstwa tuneli. Ostatnie analizy kosztów wykaza∏y, ˝e instalacja sta∏ych urzàdzeƒ gaÊniczych FFFS mo˝e owocowaç zwrotem inwestycji w cyklu u˝ytkowania.
Co wi´cej, nowe technologie sta∏ych urzàdzeƒ
gaÊniczych umo˝liwiajà osiàgni´cie takiego samego lub wi´kszego poziomu bezpieczeƒstwa
przy mniejszych kosztach inwestycji.
Ochrona konstrukcji tunelu
Opisane powy˝ej efekty mogà znacznie zredukowaç temperatur´ i przenikanie ciep∏a, majàce negatywny wp∏yw na konstrukcj´ tunelu
i znajdujàce si´ w nim instalacje. Dlatego mo˝liwe jest zredukowanie wymagaƒ dotyczàcych
betonowej os∏ony i ognioodpornoÊci sprz´tu
mechanicznego i elektrycznego w tunelach
chronionych przez systemy gaÊnicze na bazie
wody. Przed obni˝eniem tych wymagaƒ nale˝y
jednak szczegó∏owo rozwa˝yç ró˝norodne
aspekty takiej decyzji i jej skutki.
Instalacje mg∏y wodnej zabezpieczajà ju˝ kilka wa˝nych tuneli w Europie, a wiele instalacji
jest w∏aÊnie na etapie realizacji. Niedawno rozpoczà∏ si´ monta˝ systemów gaÊniczych
na mg∏´ wodnà w s∏ynnym tunelu kolejowym
∏àczàcym Francj´ z Anglià (Eurotunelu). Koszty
inwestycji i takie jej aspekty, jak dost´pnoÊç
sta∏ych urzàdzeƒ gaÊniczych oraz ich ∏atwa
i ekonomiczna konserwacja, sà dla tego presti˝owego projektu szczególnie wa˝ne. Sta∏e
urzàdzenia gaÊnicze na mg∏´ wodnà to tylko
cz´Êç systemów zabezpieczajàcych Eurotunel.
Zakres wyposa˝enia obejmuje tak˝e specjalnie
zaprojektowane systemy detekcji, systemy kontroli SCADA (z ang. Supervisory and Data Control Acquisition) oraz systemy nadzoru.
WFS: obszar zastosowania
Przywo∏ane na poczàtku artyku∏u „Wskazówki
in˝ynieryjne dla systemów gaÊniczych na bazie
wody wykorzystywanych w tunelach i obiektach podziemnych” odnoszà si´ wy∏àcznie
do systemów instalowanych w tunelach.
Zaleca si´ tak˝e rozszerzenie zastosowania
sta∏ego systemu gaÊniczego na mg∏´ na inne ¯
31
TECHNICZNE ÂRODKI OCHRONY PRZECIWPO˚AROWEJ
¯
Próby po˝arowe w wybudowanym tunelu testowym (program SOLIT)
obszary powiàzane z infrastrukturà tunelu.
Sprz´t u˝ywany do ochrony tunelu, np. pompy,
zbiorniki wody itd., mo˝e s∏u˝yç równie˝
do ochrony: generatorów, stacji hydraulicznych, komponentów konstrukcji (konstrukcji
podpierajàcych ze stali), szklanych Êcian dzia∏owych (stacje metra), kurtyn wodnych
do przejÊç poziemnych i przejazdów, pomieszczeƒ komputerowych (obiektów EDP), systemów telekomunikacyjnych, pomieszczeƒ rozdzielczych, tuneli kablowych, przewodów z kablami czy wind.
Co wi´cej, sta∏e systemy gaÊnicze na bazie
wody dla tuneli i obszarów zagro˝onych zwiàzanych z tunelami mogà byç uzupe∏nione urzàdzeniami do r´cznej akcji gaÊniczej z odpowiednimi, montowanymi do Êciany w´˝ami gaÊniczymi przechowywanymi w szafach gaÊniczych.
systemy wykorzystujàce dysze aktywowane
szklanà ampu∏kà lub kombinacj´ takich dysz
z dyszami otwartymi nie sà uwa˝ane za efektywne. Co wi´cej, nale˝y si´ spodziewaç, ˝e
z powodu ci´˝kich warunków i prawdopodobieƒstwa wystàpienia uszkodzeƒ mechanicznych, np. przez anteny, nie uda si´ zapewniç
integralnoÊci szklanych ampu∏ek. Zwa˝ywszy
na d∏ugi okres u˝ytkowania systemu, nie mo˝e
byç wi´c mowy o gwarancji bezpiecznej aktywacji.
(Nie zaleca si´ równie˝ wykorzystywania
w tunelach tzw. systemów pianowych o wysokiej ekspansji, poniewa˝ mogà one blokowaç
drogi ewakuacyjne itd. To ograniczenie odnosi
si´ jednak˝e do systemów wykorzystujàcych
pian´ jako jedyny Êrodek gaÊniczy. Stosowane
mogà byç substancje pomocnicze tworzàce
ma∏e iloÊci piany, jeÊli zostanà przetestowane
w pe∏nym teÊcie po˝arowym, np. AFFF) [7].
Wy∏àczenia/ostrze˝enia
Nie zaleca si´ u˝ywania systemów aktywowanych przez szklanà ampu∏k´, w których tryskacze, zraszacze lub inne komponenty sà aktywowane lub sterowane indywidualnie przez element wra˝liwy na temperatur´. Zwa˝ywszy
na ryzyko wybuchu po˝aru w tunelu, jego
gwa∏towny rozwój oraz prawdopodobieƒstwo
pojawienia si´ goràcego dymu wy˝ej wymienione systemy nie mogà byç tam stosowane. Testy po˝arowe wykaza∏y, ˝e systemy z indywidualnà aktywacjà nie zapewniajà w tunelach nakazanego przez prawo stopnia ochrony [3,4,5]
Aby zapewniç szybkie i efektywne t∏umienie
po˝aru, grupa dysz tworzàca stref´ musi byç
aktywowana jednoczeÊnie w obszarze i w kierunku rozprzestrzeniania si´ po˝aru oraz
w kierunku przeciwnym [6]. Co za tym idzie,
32
Ogólny uk∏ad systemu gaÊniczego
na bazie wody
Sta∏e systemy gaÊnicze opisane we „Wskazówkach in˝ynieryjnych…” sà zaprojektowane jako
systemy ochrony obszaru. Dysze sà zazwyczaj
instalowane pod sufitem lub w górnej cz´Êci
Êciany i skierowane w dó∏ lub na centralny
punkt tunelu.
Po aktywacji systemu Êrodek gaÊniczy jest
rozpylany na chroniony obszar poprzez dysze.
Ca∏y tunel lub chroniony obszar pokryty dyszami jest podzielony na strefy. D∏ugoÊç strefy
okreÊla si´ na podstawie analizy ryzyka oraz
kryteriów dotyczàcych rozplanowania systemu.
Pod ˝adnym pozorem jednak strefy nie mogà
byç krótsze ni˝ 30 m, a ka˝da powinna obejmowaç tunel „od Êciany do Êciany”. Wszystkie
strefy po∏àczone sà przez zawory strefowe
i g∏ównà lini´ zasilajàcà w wod´ z systemem
pomp.
W razie aktywacji systemu (automatycznej
lub r´cznej) przynajmniej jeden zawór strefowy
zostanie otwarty i przynajmniej jedna pompa
uruchomiona przez sygna∏ z zewn´trznego systemu sterujàcego.
Zbiornik wody powinien byç odpowiednio
du˝y, by dostarczyç wod´ o minimalnym ciÊnieniu do co najmniej dwóch stref jednoczeÊnie.
Zbiornik wody powinien równie˝ zapewniç
wymagane nat´˝enie przep∏ywu przez minimum 30 min dla tuneli krótszych ni˝ 500 m,
przez 60 min dla tuneli d∏u˝szych ni˝ 500 m
lub przez czas dwa razy d∏u˝szy ni˝ czas potrzebny na dotarcie do po˝aru s∏u˝b ratunkowych (bioràc pod uwag´ najgorsze mo˝liwe
warunki, np. du˝e zag´szczenie ruchu). Minimalny wymagany czas dzia∏ania mo˝e byç jednak wyd∏u˝ony, jeÊli b´dzie tego wymaga∏ organ decyzyjny.
Nale˝y rozwa˝yç ponowne nape∏nianie
zbiorników wody przez cysterny.
System mo˝e byç wy∏àczony wy∏àcznie przez
wykwalifikowany personel, czyli brygad´ stra˝ackà lub pracowników tunelu przeszkolonych
w tym zakresie.
9
Mgr in˝. Józef Seweryn
jest cz∏onkiem Oddzia∏u Ma∏opolskiego SITP
Literatura:
[1] Water Mist Fire Extinguishing Systems, ITP.
[2] H. Schungel, „Water Based Fire Fighting Systems
– Pros and Cons”, Eurosecurity, wyd. 11/5.
[3] M. Arvidson, „Fixed Fire Suppression System Concepts for Highway Tunnels”, International Conference on Tunel Fires and Escape from Tunnels, 129136, Lyon, France, 5-7 May, 1999 lub Starke, Kratzmeir, „Forschungsbericht SOLIT” przygotowany dla
BMWi, Kolonia 2007.
[4] UPTUN WP2 D241 i UPTUN WP6 D62: w teÊcie
po˝arowym Virgolo 2 wykazano, ˝e z powodu warunków wentylacji wysokie temperatury przy suficie zlokalizowane sà przynajmniej 20 m w dó∏ strumienia
od po˝aru. Dlatego szklane ampu∏ki w gór´ strumienia od po˝aru nie b´dà aktywowane w zadowalajàcy
sposób. Test po˝arowy Virgolo wykaza∏, ˝e w warunkach prawie nieruchomego powietrza wysokie temperatury docierajà nawet na odleg∏oÊç wi´kszà
ni˝ 100 m w ciàgu minuty. Prowadzi∏oby to do niekontrolowanej aktywacji dysz.
[5] Dr. P. Stahl., „Fire Alarm Systems Concepts for Tunnels”, TUNNEL, Official Journal of the STUVA,
wyd. 4, 2007.
[6] J. Boke, „Löschanlagenkonzept fur Strassentunnel”,
Vds Fachtagung Brandschutz w Verkehrsanlagen,
Kolonia 2000.
[7] Dr. H. Starke, S. Kratzmeir, „Forschungbericht SOLIT” przygotowany dla Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie, Kolonia 2007 (raport poufny).
[8] Max Lakkonen – http://www.fogtec-international.com/en_water_mist/multimedia/ downloads/
standards/UPTUN-Guideline-WFS-rev-08_30.
08.07.pdf – plik do pobrania.
OCHRONA PRZECIWPO˚AROWA / grudzieƒ 2010