Brannsikkerhet i tunneler
Generelt må det fastslås at risikoen for brann i tunneler er økende. Årsakene til dette er:
1. Den økende trafikken, spesielt på veier.
2. Den økende hastigheten på jernbaner.
3. Det økende antall tunneler og stadig lengre tunneler.
4. Økende vandalisme og fare for terrorisme.
En slik utvikling må tas i betraktning når man skal lage et sikkert konsept for tunnel- trafikk.
Selv om vi diskuterer bare vanlige tunnel- branner, er dette en kompleks sak.
Brannen kommer fra den brennende bilen og dens last. Tester og reelle branner i tunneler viser at temperaturen kan nå verdier fra 1200 til 1350 grader C.
Tar vi i betraktning at den innvendige kledning i en tunnel er laget av meget brennbar isolasjon, laget av polyethylene eller polyurethane skum, har vi virkelig et potensielt problem.
Historikk
For å kunne skaffe til veie grunnleggende kriterier for hvordan en konstruksjon skal bli testet, har ”standard” brann-tester blitt utviklet. De første ble laget i slutten av 1800 tallet for å være rimelig representable for en fritt brennende brann. Opprinnelig var brenselet tre, papir, ull, bomull, samlet referert til som cellulose- materialer.
Teststandardene har blitt videreutviklet og er i dag inkorporert i ulike nasjonale standarder over hele verden. Disse standardene krever at elementer av en konstruksjon kan motstå en brann som følger et fastsatt tid/temperatur forhold. Denne brann-kurven er referert til som Standard eller Cellulose brann og er karakterisert ved en relativt sakte temperaturøkning til ca. 945 grader C etter 60 minutter.
Hydrocarbon- kurven
Tidlig på 1970-tallet foretok amerikanske forskere arbeid med å utforske de typer branner man erfarer når hydrocarbon-brensel brenner. De utviklet et tid/temperatur forhold representert ved en fritt brennende hydrocarbon pool brann. En standard hydrocarbon brann er karakterisert ved en rask økning i temperaturen ( 0 C – 900 C innen fire minutter) og en betydelig høyere samlet temperatur enn en
Cellulose brann
Denne hydrocarbonbrann – kurven ble raskt adoptert av det norske off –shore miljøet, og benyttes i dag til tid / temperatur målinger i off-shore sammenheng.
Alle tester med brann i biler eller jernbane har vist en rask utvikling de første 15 minuttene. Sett med hensyn til tidsmessig utvikling og varme-utstråling, passer hydrocarbon- kurven til tunneler i realiteten mye bedre enn et Standard og/eller Cellulose tid/temperatur forhold.
Vanlige cellulose tid/temperatur kurver er ikke engang i nærheten av den raske temperatur økningen som realiseres ved virkelige bensin- branner eller branner i skum-isolering i tunnel.
RWS-curve og RABT-curve
Det hollandske transportministeriet diskuterte allerede for 15 år siden transport av farlig-gods gjennom tunneler. Det mest ekstreme scenariet var en ulykke med en full lastet tankbil med meget brennbar væske, som bensin. Tester ble utført og en temperatur på 1350 grader C ble målt.
På samme tid utviklet også Tyskland en hydrocarbon brann- kurve, spesielt for bruk i tunneler. Både den Nederlandske (RWS – kurve) og Tyske (RABT – kurve) har en hurtig stigning av temperatur opp til 1140 grader C innen 5 minutter, 1200 grader C innen 10 minutter, hvorpå RWS-kurven øker til 1350 grader C etter 60 minutter, før en gradvis reduksjon til 1200 grader C etter 2 timer.
Dette er en betydelig økning av temperatur, også sett i forhold til den amerikansk-norske hydrocarbon brann –kurven som i dag benyttes off-shore. Den tyske og nederlandske forskning på området brannbeskyttelse av tunneler er meget anerkjent internasjonalt, og benyttes i dag av konsulenter, brannvernsmyndigheter og forskere over hele verden.
Betong i tunnel trenger brannbeskyttelse
For å bevise at et brann-beskyttende materiale vil motstå effektene av en hydrocarbon- brann måtte tester utføres.
I Nederland satte transportministeriet en grense for max. tillatt betong- overflate temperatur på 380 grader C i tunneler, basert på den såkalte RWS-kurven. RWS-kurven er godkjent som en tid/temperatur regel som er brukt til å bedømme de termiske og mekaniske egenskapene til isolasjonsmaterialer (brannisolering av betong) i tunneler. RWS-kurven er karakteristisk ved at temperaturen øker veldig raskt i starten og oppnår en temperatur på max 1350 grader C innen 60 minutter.
Denne kurven er også brukt for det sprøytede blandingsmaterialet som er brukt for å beskytte betongen i Øresund-tunnelen mellom Danmark og Sverige.
I Sveits er grensen for max temperatur satt enda lavere, her må overflate-temperaturen på betong i tunneler ikke overstige 250 grader C.
Betong inneholder alltid en del vann. Dersom betong varmes sakte opp, kan den tåle en del.
Dette er fordi vannet i betongen fordamper i takt med oppvarmingen. Man får likevel en svekkelse av konstruksjonen fra ca. 380 grader C. Dersom man får en hurtig oppvarming av betongen, vil vannet som er inne i betongen ekspandere så fort at det presser stykker av betongoverflaten. Ved en hydrocarbon-brann, bil-branner i tunnel og brann i PE-skum kan temperaturen komme opp i over 1200 grader C i løpet av to -tre minutter.
10 cm tykk betong, utsatt for en Standard hydrocarbon-brann (1100 grader C) vil være ødelagt i løpet av 20 minutter.
Det norske Vegdirektorat beskriver f. eks. at senketunneler av betong må ha termisk brannsikring, samtidig som man hevder at betong gir god brannbeskyttelse av brennbart skum. Vegdirektoratet hevder at man må ivareta konstruksjons-styrken i tunnelen da en betong senketunnel vil være under trykkbelastning utenifra, og ved brann kan kollapse helt.
Ved brannene i Øresund-tunnelen (Danmark) og kanaltunnelen (England) var over 25 cm betong ødelagt. Kostnaden ved reparasjon var ca. 400 mill. kroner i Danmark og 2,1 milliard kroner i England.)
Dette har imidlertid ikke noe med brannsikring av PE-skum å gjøre, og heller ikke med personsikkerhet. En betongkonstruksjon under belastning (trykkbelastning utenfra) vil tåle mer enn f.eks. betongen som er sprøytet på PE-skum, og som er uten trykkbelastning.
Dette sier likevel ikke at en bærende konstruksjon tåler høyere temperatur, men at bære-evnen / den mekaniske styrken ikke svekkes i prosent like hurtig som en ikke- bærende konstruksjon av samme densitet (egenvekt).
Vegverket i Sverige har i sin tunnel-normal beskrevet problemene i all enkelhet ved at; » För betong-konstruktion beaktas att avspjälkning av betong kan starta vid en yttemperatur av 150 – 200 grader C. Uppvärmningshastighet samt betongens hållfasthetsklass och täthet har även stor betydelse.»
Skumisolering av tunneler
På grunn av frost, har en mengde tunneler i Norge blitt isolert med polyethylene-skum (PE) og til og med polyurethane. Statens Vegvesen har helt fra begynnelsen vært klar over det faktum at PE-skum er meget brennbart. Likevel har denne metoden, på grunn av prisen, blitt brukt i en mye større utstrekning enn opprinnelig planlagt. Dette har ledet til et økende fokus på isolasjonsmaterialet.
Statens Vegvesen utførte i mai 1987 en rekke branntester med polyethylene og polyurethane kledninger for å dokumentere forløpet ved en brann i en tunnel. Testene viste at en fullt utviklet bilbrann vil antenne PE-skum isolasjonen etter få sekunder og en seksjon på 250 m2 vil brenne ut innen 2 minutter.
Konklusjonene etter testene gjorde det klart at polyethylene- (PE) og polyurethane (PUR)- skum er uakseptabelt å bruke i tunneler uten at det har en tilfredsstillende beskyttelse. Materialene utgjorde en varme- frigjøring, avhengig av testet materiale, på mellom 900 MJ og 3600 MJ pr. løpende meter i den 32 m2 store testtunnelen som ble benyttet. Denne varmefrigjøringen kan sammenlignes med mellom 30 og 110 liter bensin pr. løpende meter i den aktuelle tunnelen. Ved større tunneler vil energien øke proporsjonalt med lengden av tunnelbuen. En m2 PE-skum avgir ca 0,3 MW energi ved brann.
En vanlig to- felt tunnel vil ha 20 m2 isolasjon pr løpemeter tunnel, og kan ha 20 000 m2 pr km dersom hele tunnelen har innerkledning av PE-skum. En tankbil i brann beregnes av flere instanser, inkludert det norske Vegdirektorat, til 100 MW ved brann. Dette utgjør en teoretisk brannbelastning pr km tunnel kledd med PE-skum på 60 tankbiler med bensin.
Termisk stråling / branngass eksplosjon
Ved termisk stråling vil PE-skum avgi mer gasser enn ved åpen flamme. Termisk stråling vil si at flammene fra en eventuell brannkilde ikke treffer PE-skummet direkte, men at varmen likevel trenger gjennom beskyttelsesbelegget som er utenpå skum-isolasjonen. Termisk stråling beskrives i vegvesenets internrapporter 1270, fra 1986.
Dersom varmegjennomgangen er for høy, vil skummet og gassene ekspandere bak det betong eller lettbetongdekket som i noen tilfeller er utenpå PE-skummet, hvoretter man vil få en eksplosjon av skum og branngasser straks den mekaniske tålegrensen (trykkstyrken) av beskyttelsesbelegget er oppnådd, og dette slår sprekker.
Ettersom all sprøytet brannsikring i en tunnel vil ha sterke og svake soner, kan en slik eksplosjon komme 20 – 30, og sannsynligvis også 100 meter unna selve brannstedet dersom man der har et tynnere betong / lettbetong belegg som dermed tåler mindre trykk.
I praksis kan man tenke seg at en ulykke med påfølgende brann skjer i en tunnel. Selve brannen kan av både redningspersonell og det lokale brannvesen se forholdsvis ufarlig ut. (en vanlig bilbrann er stort sett ufarlig, utenom i umiddelbar nærhet av kjøretøyet)
Likevel kan det på grunn av stråling, skje en ekspansjon av skum og branngasser bak den tilsynelatende brannsikre betongoverflaten, og eksplosjon kan oppstå i stor avstand fra arnestedet. En slik branngasseksplosjon kan ta alt liv som er i umiddelbar nærhet bare på grunn av trykk og temperaturøkning i løpet av sekunder.
Brannbelastning
Under noen forutsetninger kan brannbelastningen av en fullastet lastebil sammenlignes med brannbelastningen i en tankbil. En lastebil kan inkludere en brannmengde på 100.000 MJ og en energi på langt over 200 MW. I Eureka 499 Firetun-prosjektet, et forskningssamarbeid mellom 9 nasjoner som ble gjennomført i Repparfjord-tunnelen ved Hammerfest mellom 1990 og 1992, ble en vanlig lastebil i full stand, full tank (med diesel) og lastet med 2 tonn moderne møbler, plassert i test-tunnelen. Den totale brannmengden var 87.400 MJ.
Det faktum at en lastebil lastet med møbler kan forårsake ødeleggelser på betongkledningen i tunneler i helt opptil 30 cm tykkelse, bør gi oss en vekker med hensyn til PE- og PUR-skummet som brukes som innerkledning i mange norske tunneler.
I fullskala branntester av PE- og PUR-skum, utført av SINTEF NBL for Statens vegvesen i 1987, kalkulerte man energifrigjøringen i disse testene til å være ca. 200 MW, og i det verst tenkelige scenariet med brann i tunnel med PE skumisolasjon, har SINTEF beregnet effekter helt opptil 400 MW eller mer.
Sammenlignet med tester med brann i lastebiler med en energifrigjøring på 100 MW og brannen i kanaltunnelen mellom England og Frankrike i november 1996 hvor det var en energifrigjøring på 150 MW med topper opp til 350 MW, kan vi forvente en mye verre situasjon i noen av de norske isolerte tunnelene, hvor det kan være mer enn 100.000 m2 med 5- 10 cm tykt brennbart PE-skum.
Det er et faktum, basert på internasjonal forskning på området, at branner i tyngre kjøretøy forekommer dobbelt så hyppig som branner i personbiler, beregnet etter antall kjørte km.
I perioden 1990- 1996 ble 41 bilbranner i tunnel rapportert til Statens Vegvesen. 20 prosent av disse var forårsaket av kollisjoner og i hvert fall i 6 av brannene tok PE-skummet fyr. I to tilfeller ble henholdsvis 300 m2 og 200 m2 utbrent før brannen stoppet og i en tunnel (Hovden-tunnelen) ble hele den innvendige kledningen i tunnelen, ca. 110 løpemeter (2200 m2 PE-skum) utbrent.
I brannen i Hovden-tunnelen i 1993 kjørte en bil inn i tunnelen bare sekunder etter ulykken og føreren hjalp en av de skadede ut av den kolliderte bilen og over til sin egen bil. I mellomtiden tok PE-skummet fyr. Bilføreren fortalte senere til pressen at han hadde problemer med å rygge bilen raskt nok for å unngå brannen. Dette samsvarer med fakta fra testene i 1987 som konkluderer med at hastigheten på røyk og branngasser var 12 meter/sek. Statens Vegvesen beskriver i 1993 en brann i PE-skum med høyere temperatur enn en hydrocarbon-brann og at brannfronten vil komme opp i en hastighet på 20- 30 meter/sek. (70- 110 km/t).
Brannbeskyttelse
Mens de fleste land i verden diskuterer hvordan man skal brann beskytte betong i tunneler, bruker vi i Norge 2- 6 cm betong, eller 5 – 20 millimeter lettbetong for å beskytte meget brennbar skumisolasjon. Mange av våre tunneler har opp til 10 ganger mer trafikk enn for eksempel Mont Blanc-tunnelen mellom Frankrike og Italia hvor 42 mennesker omkom ved brann tidligere i år.
Brannbeskyttelse av PE-skum i tunnel er etter min mening nærmest umulig å gjøre etter internasjonale krav. Man bør likevel sørge for en mekanisk beskyttende overdekning med betong, hvorpå man eventuelt brannbeskytter betongen i den temperatur/tid kurve man finner hensiktsmessig basert på rømningstid. Alternativet er å fjerne skumisoleringen.
Noen rådgivere som arbeider med tunneler i Norge har åpenbart en annen mening og har ingen motforestillinger mot å beskrive både ubeskyttet PE-skum og skum-isolasjon ”beskyttet” med en polystyrene- betong i en til to cm tykkelse.
Denne polystyrene- betongen falt faktisk ned etter 9 minutter i en test utført av Statens Vegvesen selv i 1994. (Produktet er benyttet i de fleste norske tunneler som ble ”sikret” i årene 1994 – 1997, og ble forbudt benyttet som sikring av PE-skum i tunneler i 1999.)
For å fullt ut forstå risikoen med å bruke ubeskyttet eller utilstrekkelig beskyttelse av PE- og PUR-skum i tunneler, må vi se på det faktum at skummet er meget brennbart og kan komme opp i temperaturer på mer enn 1200 grader C innen 120 sekunder.
Branngassene fra isoleringen inkluderer HCN, HCl (saltsyre) og halogen-gasser som klor og brom-forbindelser i tillegg til andre branngasser. Enkelte av gassene er tyngre enn luft.
En brann i 50 løpemeter med tunnel (ca. 1000 m2 PE-skum) kan bevege seg i en hastighet på 110 km/t. gjennom tunnelen uansett hvor brannen startet og uansett hvor lang tunnelen er.
Røyk og branngasser dreper
I Baku, Azerbaijan i 1995 omkom 289 personer i en tunnelbrann. Ulykken skjedde kun 200 meter fra nærmeste stasjon i en undergrunnsbane. Brannen her startet i det elektriske anlegget i vogn nr 4, og spredte seg til vogn 5 i et 5 vogns tog. Begge disse vognene brant nesten helt opp og 25 personer døde av brannen i disse to vognene. I de 3 fremste vognene forårsaket røyk og panikk større skade, og ca 220 personer omkom i de tre vognene som ikke var i brann. Ca 40 omkom av røykgasser på sin vei ut av tunnelen.
I brannen i Mont Blanc-tunnelen tidligere i år døde 42 mennesker og man prøver ennå å finne ut hvorfor denne katastrofen ble så stor.
Ingen av disse tunnelene kan sammenlignes med norske PE-skum tunneler, ettersom avgassene fra brannene kom fra kjøretøyer og ikke fra tunnelkledning.
Flesteparten som omkommer i branner, dør på grunn av røyk og branngasser
Røyken fra brennende PE- skum eller polyurethane- kledninger i våre tunneler er mange ganger farligere enn vanlig røyk fra en brennende bil, og avgassene fra såkalt ”tungt antennelig” PE-skum kan være dødelig i lang avstand fra selve tunnelen.
Vi vil før eller senere få en større brann i en norsk skum- isolert tunnel og jeg er redd for at både brannen i Mont Blanc-tunnelen og til og med brannen i Baku kan bli små branner sammenlignet med hva som kan komme.
Jeg vil avslutte med disse ordene: ”Alle tunneler vil få en stor brann i sin levetid”.
Og i frost-isolerte tunneler med brennbar PE-skum-isolasjon trenger vi ikke en lastebil eller en bensinbil for å få nok brensel. Vi har mer enn nok brennbart materiale på innsiden av tunnelen til å fylle opp mer enn 50 trailere.
Publisert: 07-12-1999
COMMENTS