| □何岫璁／中華民國消防設備師(士)協會 理事長 |
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前言 2010.04.25台灣北二高走山意外，讓基隆台北交通大打結，更對基隆港貨櫃運輸造成不便，甚至有貨櫃業者怕貨物經由中山高，塞在路程運輸不及而造成損失…，因此增加的運輸成本 只能由業者自行吸收…。2010.03.20冰島南部艾雅法拉(Eyjafjallajokull)冰川附近的火山宣告復活，約500位當地居民強制撤離…。產業組織估計，這次的火山灰事件恐將使航空業損失10億美元（約合新台幣313億元）營收…。台灣已耗費鉅、人力、物力與時間打造了許多公路隧道，不僅為民眾帶來許多的便利性及商機，更有助於縮短城鄉差距，平衡區域發展。無論是公路隧道、鐵路隧道、海底隧道皆已成為社會經濟上不可或缺的便道。近十餘年來，政府機關與專家學者積極投入有關公路隧道火災安全的相關研究。主題多偏向消防安全設備規範、火災安全管理、隧道排煙效能等方面。然而，有二項重要議題始終疏於探討，一者是隧道火災發生時，如何確保排煙系統的耐久性及可靠性？另者為如何確保隧道結構不會因火場高溫而損壞甚至坍塌？本文旨於探討後者，這是一項嚴肅且重要的課題，一旦最糟的情況發生，影響的是整體國土規劃的方向以及城鄉發展的重大衝擊。以下將藉隧道火災的情境說明，說明公路隧道結構應如何進行防火設計及保護，以確保隧道結構的安全性。一、甚麼是長隧道 日本將長度3公里以上之隧道定義為「長隧道」，歐洲的定義標準則為4公里。目前全世界最長的公路隧道應屬挪威的萊爾 (Laerdal)隧道，隧道長度達24.5公里。台灣超過1公里長度的隧道包括新店隧道(1,185m) 、月光山隧道(1,670m)、福德隧道(1,762m)、木柵隧道(1,848m) 、鳳鼻隧道(2,250m)、石碇隧道(2,720m)、彭山隧道(3,806m) 、八卦山隧道(4,900)、雪山隧道(12,900m)。依日本的定義，台灣的長隧道包括彭山隧道、八卦山隧道和雪山隧道；就美國NFPA 502 - Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways規範之隧道等級分類(參閱表1)，是依隧道的長度來區分，目前台灣D級以上的隧道共達有9條之多。 二、隧道絕不能停用 隧道火災規模大小可用熱釋放率 (Heat Release Rate，HRR)進行度量。一輛小客車燃燒的火災規模約為2~5MW，一輛卡車燃燒的規模則約為30MW，一輛牽引載貨拖車燃燒的規模則約為100MW，運送碳氫化合物液體的一輛油罐車(著火持續約2到3小時) 約為100MW到200MW。台灣八卦山隧道的設計考量，即是採用50MW的火災規模進行設計，也就是八卦山隧道的設計只能容許普通卡車以下等級之車輛通行。表一是常見的公路隧道火災事件表，這些資料代表的意義是，縱使我們盡力進行安全管理與消防設施的強化，但仍難以保證隧道不會發生火災，一旦火災產生超過1,000℃以上的濃煙及高溫…，或是隧道結構受到嚴重損壞…，甚至無法再修復使用…該怎麼辦？  三、混凝土無法確保防火性 過去，我們認為混凝土具有防火性，因此混凝土建造之結構不需要另施予防火措施。遺憾的是，很多教訓告訴我們這種經驗並不完全正確，我們必須考慮混凝土結構在火災條件下的性能和反應。白朗峰隧道火災中，就發生非常嚴重的混凝土爆裂現象。2001年發生的聖哥達隧道火災，隧道中長達100m的結構全部坍塌，直接阻止消防隊員進入。這二個案例都是鑽山隧道，火災後仍有機會花費巨資進行修復，但若是水下的沉管式隧道，結構破壞將導致嚴重的滲漏和灌水，造成幾乎不可挽回的損失。針對雙孔單向的公路隧道，一旦隧道損壞後可以由另一向做單孔雙向通車，但此舉又增加了車禍事故與發生火災的危險程度，發害發生時更添逃生和救災之變數，災後的隧道評估後是否能修復，才是最重要的課題。四、隧道的火災時間/溫度曲線 近年來，國際上進行大量的研究來確定可能發生在隧道及地下建築物的火災類型。這些研究在多半在實際廢棄的隧道中或實驗室的條件下進行。透過研究結果，發展出圖一的火災時間/溫度曲線。隧道火災與一般建築物火災有很大的差別，隧道火災的空氣溫度非常高，而且持續時間比一般建築物更長。隧道本身像一個對流的容器，不斷吸入空氣來助燃。英吉利海峽隧道火災時，隧道裏面的空氣溫度高達1,000℃以上，將混凝土加熱到接近1,300℃。而且在大多數火災案例中，導致著火的車輛並非都有載送危險物品。   五、結構材料的臨界溫度 在實驗室中，將混凝土橫截面根據標準火災曲線升溫，其結果圖3所示。當溫度逐漸上升時，混凝土和鋼材的強度不斷在下降，當溫度到達600℃以上時，所以材料的強度皆已經不到原有強度的50%；當溫度到達800℃以上時，無論是混凝土或是鋼材幾乎皆失去其結構支撐的效果。當材料所載入的熱量導致溫度上升至某溫度時即失去其應有的結構強度，此溫度值我們將其稱為「臨界溫度」。荷蘭標準NEN6071的10.1.2.1條款中提供了一種簡單的方法用以推算材料的臨界溫度值。 六、混凝土的爆裂現象 當完全乾燥的混凝土暴露於高溫環境時，混凝土中凝聚各種材料的水分子化學鍵便會斷裂，而破壞了各分子間的連接，混凝土會因為失去結合力而變得像洋蔥剝皮一樣一片片剝落，這種現象稱作爆裂。當隧道內部發生火災時，高溫乾燥的混凝土會從隧道牆上一片片剝落下來，最終會一層一層地穿透整個隧道的拱形混凝土結構，深度甚至可以達到4cm到50cm。混凝土爆裂後，將使結構鋼筋直接暴露在火災中，減少了承載結構的橫截面積，對於避難及救災人員的安全更是一大威脅。當混凝土內部因高溫水蒸氣的導致表層承受壓力時，混凝土結構的就更容易產生爆裂現象。根據荷蘭的全尺寸隧道火災模型實驗顯示，混凝土層較薄、負載較大(預力混凝土)、加熱愈快或含水率越高，產生爆裂的機率就愈大。當混凝土含水率超過3%的隧道結構，大約遇火30min以內便會100%產生爆裂現象 (建造完工10年的隧道其混凝土的平均含水率大約為6~7%)。七、隧道結構防火之設計考量 在進行隧道結構防火的設計之前，必須對設計標的及其環境有正確的了解，通常考慮的問題包括：●隧道的最大車流量及車流種類為何？ ●隧道可能的最大火災規模為何？ ●適用何種類型的時間/溫度曲線？ ●內襯材料的最高受火溫度？ ●隧道防火結構之耐火時間？ ●混凝土的類型、密度為何？ ●混凝土的濕度是為何？ ●攪拌混凝土所用添加混合物為何？ 傳統認知上，聚丙烯纖維(PPF)可用來做為混凝土結構防火使用，但根據混凝土受火性能研究，即使聚丙烯纖維均勻地與混凝土混合，仍難以減低內部的水蒸氣壓力，無法避免發生爆裂現象。值得一提的是，多數聚丙烯纖維的火災實驗都是針對纖維質ISO火災曲線(標準曲線)，而不是隧道火災曲線。此外，填加聚丙烯纖維的混凝土非常堅硬不易施工，不僅難以進行施工過程的品管及查驗，較厚的混凝土層也降低了隧道可利用的高程空間。具體來說，在隧道結構防火工法的選擇上，除了可達到前述的設計要求外，尚應考量以下要點： ●可依據臨界溫度要求針對混凝土和鋼筋進行隔熱保護 ●在鋼筋達到臨界溫度前，混凝土應保持足夠之握裹力 ●火災發生後不需要更換混凝土 ●對混凝土結構的耐久性不得有負面影響 ●降低混凝土結構溫升作用以防止火災爆裂現象的發生 ●便於隧道結構體之施工操作 ●防火保護系統的建置不致影響隧道淨空間 ●易進行工程品質管理及查驗工作 ●不因車輛行駛的吸力和風力而降低效能 ●不因車輛燃油廢氣或滲水而降低效能 目前，世界先進國家幾乎皆已經採用防火板材作為隧道結構防火工法及排煙管道的建造，例如：日本東京-Rinkaidoro隧道、法國/義大利-Frejus隧道、英國倫敦-Leicester廣場、荷蘭鹿特丹-Caland隧道、德國漢堡-埃爾泊隧道、中國上海-外環線隧道、中國香港-機場隧道、澳大利亞-INB3隧道、比利時布魯塞爾-Belliard隧道…等。在上述隧道中，工程單位於隧道頂層及拱腹向下1m的牆面施加防火保護。 八、結構防火板材的施作方式 結構防火板材的施作方式可分為「模板澆注式」和「後敷安裝式」兩種。模板澆注式係直接採用防火板材做為組裝模板，在隧道完工後可直接形成一個平整光滑的隧道內壁。鋪設時應特別注意，不可有砂石進入到板材之間的縫隙間，否則澆注的混凝土漿可能會從縫隙中流出。對於較為細小的縫隙，可用專用塑膠膠布擋住接縫的縫隙。此外，防火板材可能不像傳統澆注模板那樣堅硬耐用，因此鋪設時應避免踩壓，澆注時也要避免過大的力量衝擊板材以免損壞。對於已經完工使用的隧道來說，採用後敷安裝式來安裝結構防火板材顯得較為可行。可視防火隔熱的要求等級決定安裝板材的厚度，或是安裝二層以上的防火板材。圓型隧道的彎曲面可採用弧形的防火板材進行安裝。使用螺栓安裝防火板時應採用規定的墊片或附有墊片的螺栓，以防止螺栓陷入板材當中；墊片的材質應該與螺栓的材質相同，以防止產生電位侵蝕的現象；在對混凝土鑽孔時，應避免碰到鋼筋。 結語 近年來，國際上針對隧道防火安全的相關議題包括：隧道結構的耐火性能、機電設備的防火保護、送風和排煙系統的防火保護、電纜系統的防火保護、安全避難所的建置、送風和排煙系統的性能設計、火災預警及監測系統、滅火和冷卻撒水系統、隧道安全設施準則、隧道安全管理規範、隧道安全分級規範…等。誠如前言，台灣耗費鉅、人力、物力與時間打造了許多公路隧道，如何防止隧道可能因火災而導致長期中斷使用的風險是一項十分重要的課題。嚴格說起來，它不僅是安全議題、經濟議題更是國際議題。觀先進國家正重新檢討隧道結構防火工作的同時，台灣卻有必要好好檢視現存隧道之防火設計是否符合國際標準之要求。未來，台灣更應盡速制定合適的隧道防火工程規範，才能使產業及城鄉的發展能夠繁榮且穩定。附註：本文圖表引用自Tunnel Fire Protection For Tunnel Structures & Service - Promat International Groups Worldwide, 2008. |
