Model evakuace osob ze železničního tunelu

• Foto

NEJVÝZNAMNĚJŠÍ INCIDENTY V ŽELEZNIČNÍCH TUNELECH OD ROKU 2000

V roce 2008 došlo k nehodě v Eurotunelu dlouhém 51 km pod kanálem La Manche, během které se vznítilo jedno z vozidel přepravovaných z Velké Británie do Francie. Požár byl detekován několik minut po vjezdu vlaku do tunelu, k samotnému zastavení vlaku došlo až hluboko ve francouzské části tunelu, přibližně 12 kilometrů od výjezdu z tunelu. Požár se rozšířil velmi rychle a s vysokou intenzitou, celkem bylo zasaženo více než 600 m tunelové konstrukce a instalovaného vybavení. Posádku vlaku se v tomto případě podařilo evakuovat.

V roce 2003 došlo k požáru ve Španělsku uvnitř tunelu Guadarramak dlouhého 30 km, který v té době procházel rekonstrukcí. Přestože se většině pracovníků podařilo tunel včas opustit, skupinu 34 dělníků kouř uvěznil uvnitř vzduchové kapsy přibližně 3 km od tunelového portálu. Osvobodit se je podařilo po více než 5 hodinách, naštěstí beze ztrát na životech.

Ve stejném roce došlo k incidentu v tunelu Mornay dlouhém 2,6 km ve Francii. Osobní vlak s automatickou obsluhou, tedy bez řidiče, po detekci požáru automaticky zastavil 300 m od tunelového portálu. Všech 17 pasažérů se dokázalo evakuovat samostatně bez asistence záchranných složek tunelem z roku 1877, který v té ještě nebyl opatřen osvětlením ani ventilací.

Nejtragičtější incident v novém tisíciletí se odehrál rovněž v roce 2003 na opačné straně planety, v korejském Daegu. V zastávce metra zaútočil žhář a zapálil malým množstvím benzínu stojící vůz, následný požár pak rychle zachvátil všech šest vozů metra. Krátce poté ve stanici zastavil další vlak plný cestujících, nicméně neotevřel dveře cestujícím a požár na něj vzápětí přeskočil. Tragický řetězec událostí vedl ke smrti 189 osob a více než stovce zraněných.

Nejznámějším incidentem posledních šestnácti let je pak nejspíše požár v 3,6 km dlouhém rakouském tunelu, který spojuje město Kaprun a lyžařské středisko Kitzsteinhorn. V roce 2000 došlo krátce po výjezdu ze stanice v Kaprunu k požáru zadní části vlaku, který automaticky zastavil. Dvanácti pasažérům se podařilo rozbít okna a opustit vlak směrem dolů proti proudění vzduchu do tubusu tunelu, dalších 150 cestujících zahynulo ve vlaku nebo během snahy vystoupat tunelem směrem vzhůru. Hustý dým připravil o život rovněž dvě osoby v protisměrně jedoucím vlaku a tři osoby v horní příjezdové hale.

BEZPEČNOSTNÍCH RIZIKA ŽELEZNIČNÍCH TUNELŮ

Výše popsaný výběr událostí přehledně ilustruje různorodost bezpečnostních rizik spojených s tunely obecně, zejména pak s těmi železničními. Ve srovnání s pozemními stavbami se jedná zejména o tyto problémy:

• Požár v tunelu bývá dynamičtější a uvolňuje podstatně větší množství energie.
• Aerodynamika požáru v tunelu bývá výrazně komplikovanější, v kombinaci se stísněným prostorem je větší riziko náhlého výskytu nebezpečných koncentrací zplodin hoření a vysokých teplot v relativně vzdálených částech tunelu.
• V případě železničních tunelů bývá často omezená dostupnost únikových východů, případně zde bývají větší rozestupy.
• Prostředí železničních tunelů je pro evakuované osoby v porovnání se silničními tunely prakticky neznámé – během evakuace se v něm pravděpodobně budou hůře orientovat, lze rovněž počítat s podstatně horším osvětlením či chybějící nouzovou navigací.
• Ve srovnání se silničními tunely bývá počet zasažených osob v případě požáru v železničním tunelu řádově vyšší vlivem značných přepravních kapacit vlakových souprav.

V České republice, kde byla většina železničních tunelů postavena ještě v předválečném období, je otázka zvýšení jejich bezpečnosti v případě rekonstrukce aktuální. Jedním z efektivních nástrojů bezpečnostního posouzení parametrů libovolného tunelu je model evakuace osob z vlakové soupravy.

APLIKACE NUMERICKÝCH MODELŮ EVAKUACE

Numerické modely evakuace osob jsou rychle se rozvíjející alternativou k běžným výpočetním postupům aplikovaným v požárním inženýrství. Zatímco v případě běžného výpočtu pracujeme především s rychlostí pohybu osob v tunelu, s jednotkovou kapacitou únikového pruhu a jejich počtem (čímž zohledňujeme šířku koridoru, kterým osoby z tunelu unikají), v případě využití numerického modelu je možné konkrétně postihnout téměř veškerá specifika studovaného prostoru, např. viditelnost navigace vlivem zakouření, nutnost asistence pro osoby s omezením pohybu či orientace apod.

Většina současných modelů evakuace aplikuje technologii agentů. Každý chodec je popsán jako samostatná entita (agent) s přesně definovanými vlastnostmi, chování davu je pak určeno vzájemnými interakcemi jednotlivých agentů mezi sebou (např. agenty mají přirozenou tendenci vyhýbat se vzájemným srážkám) a interakcí mezi agenty a okolím (např. agenty hledají nejbližší únikový východ nebo se vyhýbají nebezpečí).

MODEL ŽELEZNIČNÍHO TUNELU

Jako aplikační příklad byl zvolen železniční tunel o celkové délce přibližně 370 metrů, který je navržen jako dvoukolejný s jedním tubusem. Po obou stranách je opatřen únikovým chodníkem o šířce 1 metr, každých 20 metrů je k dispozici nouzový výklenek o délce 2,4 metru a hloubce 0,75 metru. Dalším klíčovým vstupním parametrem jsou vlastnosti vlakové soupravy, v tomto případě předpokládáme, že v tunelu nouzově zastavila souprava s lokomotivou a šesti osobními vozy UIC-Z o celkové délce 175 metrů. Osoby z vozů soupravy unikají dveřmi o šířce 0,8 metru a musí překonat výškový rozdíl 1,25 metru mezi podlahou vagonu a povrchem chodníku. Detailní geometrie je zachycena na obr. 2.

Aplikovaným simulačním nástrojem je v tomto případě EXODUS, vyvíjený týmem Fire Safety Engineering Group na University of Greenwich. Geometrie modelu je v tomto případě vyplněna sítí uzlů, které jsou standardně od sebe vzdáleny v konstantním intervalu 0,5 m. Každý uzel je propojen s okolními uzly a představuje elementární prostor, který může být obsazen pouze jednou osobou (viz obr. 3). Tato diskretizace prostoru je jedním z možných řešení modelu a v tomto případě je optimální, případná změna velikosti buňky má nicméně znatelný vliv na chování modelu jako celku a je možné ji provádět pouze v dobře odůvodněných případech.

CHARAKTERISTIKA OSOB

V rámci použitého modelu jsou zohledněny zejména parametry popisující věkové složení, reakční dobu a rychlost pohybu osob. Jestliže je třeba pracovat s variantním věkovým složením cestujících, jsou k dispozici zejména německé standardy RIMEA [2]. Pokud je třeba aplikovat národní standardy, lze využít standardních rychlostí pohybu osob dle ČSN 73 0802 [3], přičemž detailní hodnoty jsou uvedeny v tab. 1.

Hodnoty dle ČSN 73 0802 sice neuvažují s rozdílnými rychlostmi dle věku nebo schopnosti pohybu jako v případě standardu RIMEA, jsou nicméně orientovány výrazně na stranu bezpečnou, viz obr. 4. Pro účely modelu byla v tomto případě zvolena rychlost pohybu osob v závislosti na věku dle německých standardů, která zahrnuje muže a ženy ve stejném poměru se střední hodnotou věku 50 let a směrodatnou odchylkou 20 let.

V případě reakční doby je situace opačná. Národní standardy obecně předpokládají okamžitou evakuaci, doba mezi signálem pro evakuaci a jejím zahájením je brána jako nulová. Obecně přitom rozlišujeme jednotlivé fáze evakuace z časového hlediska následujícím způsobem:

• doba před pohybem,
  • rozpoznání nebezpečí,
  • odezva na nebezpečí,
• doba pohybu.

Platí, že doba před pohybem je stejně či více důležitá než doba pohybu a zahrnuje aktivity obtížně postižitelné výpočtem. Doba rozpoznání nebezpečí představuje období od spuštění poplachu po okamžik, kdy osoby na spuštěný poplach začínají reagovat. Během této doby osoby dále pokračují v činnosti, kterou vykonávaly před zjištěním poplachu. Časová variabilita intervalu je velmi vysoká, obecně se pohybuje v rozmezí několika sekund až po mnoho minut a je odlišná také u jednotlivých osob ve stejném prostoru. Časový interval odezvy na nebezpečí trvá od okamžiku, kdy si osoby uvědomí vznik kritické situace, až do okamžiku, kdy se rozhodnou pro konkrétní způsob strategie evakuace. Mezi typické činnosti v tomto časovém období patří hledání zavazadel, ostatních členů rodiny, vyrozumění dalších osob nebo posuzování vhodné únikové cesty. Pro účely modelu byla proto osobám přiřazena reakční doba v intervalu 0 – 30 s.

VYBRANÉ VÝSLEDKY SIMULACE

Klíčovou výhodou použití simulačních nástrojů v podobných situacích je možnost statistického zpracování výsledků několika desítek nebo stovek stejných simulací s náhodným rozmítáním klíčových parametrů a počáteční polohou osob, zatímco evakuační experiment je možné provádět v nejlepším případě pouze s malým počtem opakování. Snadná je rovněž citlivostní analýza výsledků. Komplexní zhodnocení chování modelu proto přesahuje možnosti tohoto textu a pro další popis proto byly vybrány výsledky se spíše obecným dopadem na bezpečnost.

Výsledky simulace mimo jiné ukazují, že průběh evakuace významně ovlivňuje pořadí vozu v soupravě. Osoby unikající z koncových vozů soupravy jsou velmi významně omezovány v pohybu osobami, které se už na chodníku nacházejí, a které cestovaly ve vozech blíže středu soupravy. Na obr. 5 je srovnání průběhu vyklizení osob z vozu č. 1 a 3, přičemž je jasně patrné zpomalení procesu vyklizení prvního vozu ve druhé polovině časového intervalu, kdy je chodník před vozem již zaplněn osobami převážně z dalších vozů soupravy.

Z celkového srovnání na obr. 6 je pak zřejmé, že se rozdíly doby vyklizení mohou lišit mezi jednotlivými vozy soupravy o desítky procent. Spíše než konkrétní doba vyklizení daného vozu je právě tato skutečnost obecně platná a je důležité ji mít při případné tvorbě evakuačního plánu na paměti.

Důležitým bezpečnostním rizikem v průběhu evakuačního procesu je rovněž vysoká hustota osob, která může vést až k vážným zraněním či úmrtím i bez přítomnosti vysokých teplot či toxických zplodin. Hustotu osob běžně zobrazujeme pomocí tzv. úrovně kvality pěší dopravy a pomocí šestistupňové škály A-F, kde A je nejpříznivější stupeň, stupeň D a vyšší už bývá považován za oblast zvýšeného rizika zranění osob. V případě modelované situace je na obr. 7 zachycen výřez, uprostřed je vůz č. 4. Zobrazena je hustota osob v průběhu času s ekvidistantním časovým krokem. Barevná škála odpovídá úrovním kvality pěší dopravy, přičemž červená barva znázorňuje nejhorší situaci s hustotou osob přesahující 2,153 osob/m2. Z výsledků je možné identifikovat jako kritická místa právě okolí evakuovaných vozů na chodníku a ve výklencích.

ZÁVĚR

Nařízení komise (EU) č. 1303/2014 ze dne 18. listopadu 2014 o technické specifikaci pro interoperabilitu týkající se bezpečnosti v železničních tunelech železničního systému Evropské unie přineslo řadu nových skutečností. Mezi ně patří zpracování evakuačního plánu, pro které se s ohledem na výše popsaná bezpečnostní rizika ukazuje model evakuace osob (a případně také požáru, který pro účely tohoto textu nebyl zpracován) jako optimální nástroj.

Pomocí těchto modelů je možné v současné době analyzovat evakuační proces a jeho výsledky podstatně šířeji, než je tomu v případě použití klasických výpočtů požárního inženýrství. Uživatel modelu by nicméně měl klasické výpočetní postupy velmi dobře ovládat a používat je jako nenahraditelnou zpětnou vazbu.

Poděkování: Článek byl zpracován s podporou projektů FAST-S-15-2933 a FAST-J-16-3737 Vysokého učení technického v Brně.

RECENZE
Nařízení komise (EU) č. 1303/2014 přináší z pohledu projektování a posuzování změny. Projektantovi a provozovateli je dána povinnost vytvořit plán pro potřeby evakuace a řešení mimořádných událostí, současně dochází k odklonu od striktních požadavků a připuštění řešení bezpečnosti založených na evakuačních plánech a inženýrském přístupu. Klíčovým prvkem při tvorbě evakuačního plánu je proto správný model evakuace osob, který zajistí nutnou míru bezpečnosti a současně efektivní využití investic.

Recenzent: Ing. Václav Souček, Ph.D., vedoucí inspekčního orgánu VUZ, a. s.

LITERATURA:
[1] Technical Investigation Report concerning the Fire on Eurotunnel Freight Shuttle 7412 on 11 September 2008, Department for Transport, Francie, 2010
[2] ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty. 2009.
[3] RIMEA: Richtlinie für Mikroskopische Entfluchtungs-Analysen. 2009
[4] Weidmann, U.: Transporttechnik der Fußgänger. Technická zpráva, Institut für Verkehrsplanung, Transporttechnik, Strassen- und Eisenbahnbau, 1993.
[5] Fruin, J. J.: Pedestrian Planning and Design. Elevator World, Inc., 1971.
[6] Hurley, M. J. (editor): SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Springer, 2015.
[7] ČSN 73 0818 Požární bezpečnost staveb – Obsazení objektu osobami. 1997.
[8] ISO/TR 13387-8 Fire Engineering: Life Safety – Occupant Behaviour, Location and Condition. 1999.
[9] ČSN EN 13501 Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb. 2007.
[10] ČSN 73 0804 Požární bezpečnost staveb – Výrobní objekty. 2010.
[11] ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb – Společná ustanovení. 2010.

The Evacuation Model for Railway Tunnel
Critical situations and tragic events in railway tunnels are rare on a global scale; nevertheless, when they occur, the aftermath tend to be more dramatic than in the case of road tunnels. This usually result from a different geometry of railway tunnels, different level of technological equipment in comparison to the road tunnels, and particularly from a higher number of impacted people or transported cargo involved in the event of a fire or a collision.

Autoři

• Ing. Okřinová Petra
• Ing. Beneš Petr CSc.
• doc. Mgr. Apeltauer Tomáš Ph.D.