公路隧道消防工程設置規範及制度之探討(上)

□何岫璁／中華民國消防設備師士協會 理事長

一、前言

        2012年5月7日雪山隧道發生的火災事件，引起國內外政府機關、研究單位和社會人士的關注。近二十年來，國際上隧道發生火災意外的案例並不罕見(參閱表1)，這些火災事故不僅造成重大傷亡，甚至破壞了隧道結構，並且對經濟和環境造成了巨大的影響。隧道內事故是一種偶發事件，該如何針對隧道的各項條件決定隧道的設置內容，是一件非常重要的議題。

        全世界有許多國家制定了隧道消防和生命安全的標準或規範(參閱表2)，交通部於2010年12月修訂頒布「公路隧道消防安全設備設置規範」，可做為台灣公路隧道消防安全設備設置的遵循依據。此規範著重於消防安全設備設置建議，有關隧道結構、排水、監控、電信工程以及緊急應變、定期演練、救災資源調度等部分，尚待相關主管機關訂定之。

        交通部頒布的「公路隧道消防安全設備設置規範」參考世界各國標準並考量國情和環境特性所訂，其中特別參考國情相近的日本，以及全世界在消防工程標準最為完備的美國國家防火規範(National Fire Protection Code)有關公路隧道。在美國國家防火協會(National Fire Protection Association, NFPA)NFPA 502 Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways 詳盡說明公路隧道消防工程設置規範，並提出與隧道消防工程相關的編號，以供遵循與參考。

二、隧道消防工程設計的決策模式

        火災產生的產物可能造成氧氣濃度的下降、能見度下降及對人體有害之因子。因此，評估隧道內火災的設計影響因子是很重要的，此涉及緊急用設施的設置種類及隧道安全策略的擬定，參考NFPA502之內容，有關設計的評估因子如下：
         (一)隧道壽命的保護
        (二)車種、車速及使用之規劃與限制
        (三)小意外到大事故的火災緊急情況
        (四)單點或多點發生火災緊急情況
        (五)緊急應變設施遠端發生的火災緊急情況
        (六)結構物在高溫暴露的危害
        (七)緊急情況下的交通堵塞和控制
        (八)消防安全設備，如：火警自動警報設備、管路系統、自動撒水設備、排煙設備
        (九)設施組成部分的保護
        (十)疏散與逃生要求
        (十一)緊急應變時間
        (十二)單獨的緊急車輛通行點
        (十三)相關機構部門的緊急通訊
        (十四)車輛和運輸財產的保護
        (十五)設施的位置，如：城區或郊區
        (十六)隧道的外形尺寸
        (十七)隧道的使用規畫，包括：是否允許運送放射性物質?是否允許運送公共危險物品?是否允許運送可燃性高壓氣體? 三十年後車輛高峰期的交通預估量。
        諸多的國際規範當中，無論硬體、軟體還是主動、被動等消防防災議題，皆有詳盡完整的內容。以2011年版的NFPA502公路隧道、橋樑及高速公路設置規範(Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways)為例，其中詳盡規範滅火設備、警報設備、避難逃生設備、消防搶救設備、排煙設備及結構防火等內容。部分國家針對隧道長度、使用量和其他條件，將隧道進行分級並提出各分級所對應設置的消防安全設備。然而，當面對眾多的安全規範時，難以立即建置完成時該如何決定建置的優先順位?該如何取捨每項皆十分重要的安全規範?此時除可參考規範內容、歷史文獻外，亦可透過風險分析矩陣、成本效益分析(考量「成本」和「後果」)等作為協助決策的工具。
        「危害」係指有可能造成損害的事物，而「風險」則是類似於危害構成的潛在危害，是一個包含「機率和後果」兩個變數的函數─風險={危害發生機率} x {後果}。風險取決於危害的可能性、潛在的嚴重性、遭受危害的人數以及危害的後果。實務上，我們可使用許多不同的風險評估方法，以獲得降低危害機率和解決方案。但是，面對隧道火災風險的具體危害，需要用甚麼樣的工具?要做到多「精確」才行呢?

        以隧道火災為例，即使利用火災模擬分析軟體(Fire Dynamic Simulator))甚至進行全尺寸火災測試(full-scale fire tests)，若沒有合理假設和推測的前提條件，分析出的結果可能只錯誤的不斷複製而已。原則上，所有公路隧道可能發生的意外不外乎：車輛事故、有害物質洩露、蓄意破壞、犯罪行為、重大天災…等，這些危害是共通的，但是 {危害發生機率} x {後果} 卻是不盡相同。我們需要一些機制來評估一個隧道的風險，以便選擇並檢驗安全設備的設置情形。
        首先，應針對隧道火災風險進行定性危害分析，此分析是指對已識別風險的影響和可能性大小的評估過程，按隧道火災風險的輕重緩急進行排序，可確定對具體風險採取措施的重要性，並指導應對行動的一種模式。風險級別評定矩陣可引用一些關鍵字(例如：高、中、低)，不需要特別指定頻率或機率。如同圖2，將機率與影響的標度結合，建立一個風險級別評定(極低、低、中、高、甚高)矩陣。因隧道為密閉交通空間，雖然隧道內車輛火災事故發生的頻率不高，但因為車輛本體為可燃物，一旦發生時發展成為重大事故的可能性相當高，隧道內之結構要有防火之能力，隧道內設備要能有效抑制、控制火勢，並且將火災產生之熱、毒氣及其他煙的產物移除，也就是必須有一套謹慎的風險對策。
        定量分析就是將風險值量化，可將前20%的風險的衝擊後果加以量化。藉由{危害發生機率} x {後果}的分析結果，進行風險對策─設計標準、規範、最佳方案，符合以下三個目標：(1)維護人員的生命安全；(2)減輕結構損壞和防止漸進結構倒塌；(3)減少對區域經濟的影響。
        此外，評估對象隧道的資料，可由歐洲相關研究文獻得出(如表4)，每32年內可能發生了一場100MW的火災，國際規範通常要求通風排煙設備的設計使用壽命約為25年，評估有78%的機率會在系統使用壽命期間發生火災，因此隧道通風排煙設備應能承受100MW火災產生危害。使用同樣的分析方法，假設隧道結構的使用壽命為100年，而一場100MW火災的發生概率約32年1次，那100年內幾乎無法避免面對100MW的火災衝擊。

        美國目前公路隧道緊急用設施的設置標準是遵循NFPA 502標準，將隧道如圖3分為X、A、B、C、D五個等級，表5則為隧道分級與規範之適用性。
        公路隧道主要的緊急用設施包括：警報設備、滅火設備、避難逃生設備、消防搶救設備、監視系統、交通管制設備、保全設備等，再依照隧道分級設置其緊急用設施。可對照表六的隧道等級選用及設置對應之緊急用設施。

三、公路隧道分級與消防安全設備




        日本對隧道的分級主要以隧道每日平均車流量及隧道長度推導出隧道年事故率P定為隧道等級之區別，如圖4所示，隧道自最危險到比較不危險分依次分為AA級、A級、B級、C級與D級五個等級，可由表7看出不同隧道等級所代表的事故率區別。

        台灣則考量隧道長度、交通流量、通車的種類、事故發生率、緊急出口的距離、行車方向、排煙系統的種類等七項因素，分為甲、乙、丙、丁、戊五個等級，再由隧道等級挑選並設置其消防安全設備。
甲級隧道：隧道長度3,000 公尺以上者。
乙級隧道：隧道長度1,000 公尺以上，未達3,000 公尺者。
丙級隧道：隧道長度500 公尺以上，未達1,000 公尺者。
丁級隧道：隧道長度300 公尺以上，未達500 公尺者。
當隧道日交通量超過4,000 輛時，隧道等級往上提升，超過40,000 輛時，提升為甲、乙、丙三個等級。


四、隧道結構的防火保護

        2011年版的NFPA502 7.3章節特別要求，除非取得主管機關(AHJ)的同意，否則隧道應針對結構施予防火保護，以達到以下三個目標：(1)維護人員的生命安全；(2)減輕結構損壞和防止漸進結構倒塌；(3)減少對區域經濟的影響。
        熱釋放率(Heat Release Rate，HRR)係指隧道車輛火災燃燒時單位時間所釋放的熱量，隧道火災受熱釋放率之影響甚大，也是高溫與火勢蔓延最重要的因素。依據 PIARC(世界道路協會) 2007年版及美國NFPA502 2011年版等資料，相關車輛所產生的熱釋放率整理如表9所示。

        歐洲隧道防火計劃UPTUN(Cost-effective, Sustainable and Innovative Upgrading Methods for Fire Safety in Existing Tunnels)於2003年9月挪威Runehamar隧道所作半拖車全尺寸火災試驗，結果發現隧道中普通可燃物火災最高溫度高達1,365℃，裝載填充泡棉與塑膠的可燃物火災發展速度最快，不到5分鐘可達1,281℃，裝載木製貨盤的可燃物火災溫昇最慢，但也約12分鐘即可到達1,200℃高溫。四種類型的貨物，全部著火燃燒的時間是在點火後8~10分鐘，自點火後8~18分鐘達到71~203MW熱釋放率尖峰值，且隧道火災溫度及熱釋率皆遠大於一般建築物的火災。《未完待續》

        備註：纖維質ISO火災曲線(標準曲線)：一般建築物適用； 碳氫化合物火災升溫曲線：特殊建築與工業建築適用；  RABT曲線：德國國家實驗室研發適用於隧道；  RWS(Rijkswaterstaat)曲線：荷蘭國家實驗室研發適用於隧道。