Ile kosztują płyty ogniochronne do tuneli?

Płyty ogniochronne do tuneli są wysoce wyspecjalizowanym materiałem, który zabezpiecza konstrukcję tunelu przez zawaleniem w razie pożaru. Choć korzyść wydaje się oczywista, nie zawsze okładziny ogniochronne są brane pod uwagę przy projektowaniu, budowaniu czy przy renowacji tunelu. W tym artykule przedstawimy argumentu potwierdzające dlaczego płyty ogniochronne do tuneli są niezbędne.

Ten wpis jest podsumowaniem studium wykonalności opublikowanego przez firmę James Hardie Europe kilka lat temu. Autorzy artykułu to : Roland LEUCKER, STUVA e. V., Christian von STIEGLITZ, Bernd GIELNIK.

Pożary w tunelach mogą powodować poważne uszkodzenia konstrukcji, co prowadzi do konieczności zamykania tuneli na czas remontów, czasem na wiele miesięcy. Takie zamknięcia negatywnie wpływają na infrastrukturę transportową, ponieważ tunele często pełnią kluczową rolę jako wąskie gardła w sieci drogowej.

W efekcie objazdy stają się przeciążone, a dostęp do niektórych lokalizacji lub regionów jest utrudniony. Aby zminimalizować skutki pożarów, na wewnętrznych powierzchniach tuneli stosuje się płyty ognioodporne, które chronią konstrukcję przed wysokimi temperaturami.

Prezentowane badanie analizuje zarówno koszty inwestycji w takie płyty, jak i korzyści płynące z ich zastosowania, wykazując, że w przypadku przykładowego tunelu mogą one być ekonomicznie opłacalnym rozwiązaniem.

Cel i założenia badania

Choć pożarom w tunelach nie da się całkowicie zapobiec, stosuje się różne metody ochrony przeciwpożarowej konstrukcji i wyposażenia. Jednym z rozwiązań jest montaż płyt ognioodpornych na betonowych powierzchniach tunelu, chroniących przed działaniem wysokich temperatur.

Jednak wysokie koszty początkowe i eksploatacyjne często zniechęcają do ich stosowania, zwłaszcza że prawdopodobieństwo poważnego pożaru w tunelach drogowych uznaje się za niskie, a uszkodzenia są akceptowane.

Tradycyjne analizy ekonomiczne uwzględniają głównie koszty inwestycji i utrzymania, pomijając przestoje oraz oszczędności, które można osiągnąć dzięki płytom ognioodpornym w przypadku pożaru. Celem badania jest włączenie tych czynników do oceny opłacalności.

Pożary w tunelach

W ostatnich latach w krajach niemieckojęzycznych odnotowano liczne pożary pojazdów w tunelach, m.in. w tunelu Gleinalm (Austria, 2016 i 2018), tunelu Königshainer Berge (Niemcy, 2013) oraz tunelu pod Łabą (Niemcy, 2018).

Poza kosztami naprawy uszkodzeń operatorzy tuneli ponoszą straty z powodu utraconych przychodów z opłat drogowych, które często znacznie przewyższają koszty remontów.

Na przykład po pożarze w tunelu Gleinalm w 2016 roku koszty naprawy wyniosły 0,5 mln euro, natomiast utrata przychodów z opłat sięgnęła 3,5 mln euro.

Dodatkowo zamknięcia tuneli generują znaczne koszty społeczno-ekonomiczne związane z wydłużeniem tras i czasu podróży na objazdach. Przykładowo, zamknięcie tunelu Königshainer Berge spowodowało straty rzędu 6 mln euro na trasach objazdowych, podczas gdy naprawa tunelu kosztowała 2,2 mln euro.

Statystyki pożarów w tunelach w Austrii z lat 2006–2012, opublikowane przez ASFINAG (zarządca dróg i autostrad w Austrii, odpowiednik polskiego GDDKiA), wskazują, że średnio dochodzi do 6,5 pożaru na każdy miliard kilometrów przejechanych w tunelach autostrad i dróg ekspresowych.

Prawdopodobieństwo pożaru pojazdów ciężarowych (≥ 3,5 t) jest znacznie wyższe (25 pożarów na miliard kilometrów) niż w przypadku samochodów osobowych (4,2). Statystycznie pożar ciężarówki zdarza się co 40 milionów kilometrów przejechanych w tunelu.

Zastosowanie i cechy płyt ogniochronnych do tuneli

Płyty ogniochronne stosuje się w tunelach głównie w celu ochrony betonu konstrukcyjnego przed działaniem wysokich temperatur. Odpowiednio dobrana krzywa pożarowa tunelowa jest kluczowa w zaprejektowaniu systemu ochrony pożarowej w tunelu.

Gdy beton jest narażony na intensywne ciepło, zwłaszcza przy szybkim wzroście temperatury powyżej 1000°C, dochodzi do procesów odwadniania i parowania, co generuje wysokie ciśnienie pary kilka centymetrów pod powierzchnią betonu, powodując jego odspajanie.

W efekcie zbrojenie staje się podatne na działanie podwyższonych temperatur, tracąc wytrzymałość powyżej 300°C.

Płyty ogniochronne utrzymują temperaturę powierzchni betonu i stali zbrojeniowej poniżej krytycznych wartości podczas pożaru.

Wykonane z materiałów odpornych na wysokie temperatury (zazwyczaj do co najmniej 1350°C), skutecznie ograniczają szybki przepływ ciepła do betonu, zapobiegając jego uszkodzeniom. Dzięki temu po pożarze konieczna jest jedynie wymiana uszkodzonych płyt, a beton pozostaje nienaruszony.

Jeśli chodzi o trwałość płyt ogniochronnych Aestuver Tx, Europejska Ocena Techniczna ETA-17/0170 określa ich minimalny okres użytkowania na 25 lat dla produktów dopuszczonych do obrotu.

Można jednak przypuszczać, że w przypadku lekkiego betonu, z którego często wykonuje się płyty, ich żywotność może być znacznie dłuższa. Okres 30 lat, wskazany przez producenta, wydaje się w tym kontekście realistyczny.

Model obliczeniowy dla analizy kosztów cyklu życia płyt ogniochronnych

Decyzje dotyczące wyboru rozwiązań w projektach budowlanych powinny uwzględniać nie tylko koszty inwestycji, ale także wydatki ponoszone w trakcie długiego okresu eksploatacji tunelu. Zgodnie z wytycznymi DAUB (Niemieckiego Komitetu ds. Tuneli), decyzje inwestycyjne powinny opierać się na analizie kosztów cyklu życia, która obejmuje zarówno koszty początkowe (budowy), jak i koszty eksploatacji, utrzymania oraz napraw.

W obliczeniach uwzględnia się okres użytkowania poszczególnych elementów, ich wymianę oraz obliczeniową stopę procentową, używaną do dyskontowania kwot.

Studium wykonalności zostało przeprowadzone w latach 2019 i 2020 kiedy to stopy procentowe były dość niskie. Dlatego badanie nie uwzględnia tak dużego wzrostu stopy procentowej, który nastąpił po COVID-19 oraz po wybuchu wojny w Ukrainie

Ze względu na rekordowo niską stopę procentową Europejskiego Banku Centralnego (0,0% od marca 2016 r. do czasu publikacji badania w 2020 r.) oraz trudność w przewidywaniu przyszłych zmian, w analizie przyjęto trzy stopy procentowe: 0,0%, 1,7% oraz 3,0% rocznie.

Stopa 1,7% została wskazana w Federalnym Planie Infrastruktury Transportowej 2030 jako referencyjna dla obliczeń kosztów cyklu życia. Stopy 0,0% i 3,0% pokazują, jak zmiany stopy procentowej wpływają na wyniki.

W przypadku długich okresów, takich jak 100 lat w tym badaniu, inflacja może wpływać na ceny. Jednak przy założeniu, że wszystkie ceny rosną w jednakowym tempie, nie uwzględnia się jej, ponieważ jednolita zmiana cen dotyczy wszystkich zmiennych.

Ponadto szacowanie stopy inflacji wprowadza większą niepewność niż potencjalny wzrost dokładności. Dlatego w badaniu zastosowano podejście oparte na wartościach rzeczywistych, pomijając inflację.

Różne okresy użytkowania komponentów (lub cykle reinwestycji) są uwzględniane w analizie kosztów cyklu życia za pomocą współczynnika rentowności. W obliczeniach uwzględnia się stopę procentową oraz okres użytkowania komponentów.

Obliczenia kosztów i rentowności płyt ogniochronnych w tunelu

Przy założeniu obliczeniowej stopy procentowej wynoszącej 1,7% oraz okresu użytkowania płyt ogniochronnych na poziomie 30 lat, współczynnik rentowności dla produkcji i montażu płyt wynosi 0,043. W przypadku kosztów konserwacji, opartych na krótszym okresie 6 lat, współczynnik rentowności osiąga wartość 0,177. Koszty inwestycyjne poszczególnych komponentów są mnożone przez odpowiedni współczynnik rentowności, aby ustalić roczne koszty budowy.

Na podstawie całkowitych rocznych kosztów budowy można obliczyć wartość bieżącą wszystkich kosztów w danym okresie, mnożąc je przez współczynnik wartości bieżącej (bf = 1/af) dla wybranego okresu użytkowania. Przy stopie procentowej 1,7% i okresie eksploatacji 100 lat współczynnik wartości bieżącej wynosi na przykład 47,923.

Niniejsze badanie skupia się wyłącznie na opłacalności płyt ogniochronnych, dlatego inne koszty budowy tunelu mają znaczenie drugorzędne i nie są uwzględniane w analizie.

Koszty utrzymania tunelu różnią się nieznacznie między wariantami z płytami i bez nich. Jedynym dodatkowym kosztem w przypadku płyt ogniochronnych są wydatki na ich konserwację i naprawy, wynikające z konieczności demontażu i ponownego montażu podczas inspekcji strukturalnych.

Scenariusz uszkodzeń i parametry obliczeniowe

Do analizy ekonomicznej wybrano przykładowy dwukierunkowy tunel o przekroju kołowym RQ 10,5 T i długości 1000 m. W zależności od konstrukcji tunelu (np. okrągły lub prostokątny, z systemem oddymiania lub bez), chroniony obwód w przekroju poprzecznym wynosi od 12 do 19 m. W obliczeniach przyjęto wartość 16,5 m. Parametry niezbędne do analizy zestawiono w tabeli 1.

Scenariusz uszkodzeń

Założono średni dzienny ruch na poziomie 24 900 pojazdów, z czego 3700 to ciężarówki o masie powyżej 3,5 t, podobnie jak w tunelu Gleinalm. Oznacza to, że w tunelu o długości 1 km ciężarówki pokonują dziennie 3700 km, co daje 1 350 500 km rocznie. Zgodnie ze statystykami ASFINAG, wskazującymi 25 pożarów na miliard kilometrów przejechanych przez ciężarówki, w analizowanym tunelu pożar ciężarówki powinien występować średnio co 30 lat. Przyjęto, że w okresie 100-letniej eksploatacji tunelu dojdzie do co najmniej jednego pożaru, który nastąpi w pierwszym roku badania. Założono również, że pożar jest spowodowany przez dwie płonące ciężarówki stojące obok siebie, co skutkuje uszkodzeniem 70% powierzchni żelbetowej powłoki wewnętrznej na odcinku 80 m (kategoria uszkodzeń 4, zgodnie z rozdziałem 5.3).

Koszty montażu płyt ogniochronnych w tunelu

Koszty cyklu życia płyt ogniochronnych uproszczono, przyjmując 100-letni okres użytkowania tunelu.

Koszt zakupu i utylizacji płyt oszacowano na 306zł/m², a instalacji na 297zł/m².

Na podstawie rozmów z ekspertami dodatkowe koszty utrzymania tunelu określono na 6,5zł/m² na okres między przeglądami, ponieważ zgodnie z normą DIN 1076 (co 6 lat) płyty muszą być losowo demontowane podczas głównych inspekcji, aby umożliwić dokładne sprawdzenie powłoki wewnętrznej tunelu.

Koszty napraw

Główną zaletą płyt ogniochronnych jest zapobieganie uszkodzeniom konstrukcyjnym wywołanym przez pożar. Dlatego w analizie uwzględniono potencjalne koszty odbudowy uszkodzonej powłoki wewnętrznej w wariantach z płytami i bez nich. Dane do obliczeń zaczerpnięto z projektu „Ochrona krytycznych mostów i tuneli w ciągu dróg” (SKRIBT), finansowanego przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF, Niemcy).

Czas potrzebny na naprawę uszkodzeń

Naprawa uszkodzeń wewnętrznej powłoki tunelu spowodowanych pożarem zazwyczaj wymaga zamknięcia tunelu lub jego części.

Na podstawie danych z projektu SKRIBT, czas zamknięcia tunelu bez płyt ogniochronnych został zredukowany o jedną trzecią, ponieważ wcześniejsze pożary w tunelach pokazały, że remonty często trwają krócej, mimo znacznych uszkodzeń.

Przy poziomie uszkodzeń kategorii 4, tunel bez płyt ogniochronnych pozostaje zamknięty przez około 7,3 miesiąca. W przypadku tuneli wyposażonych w płyty ogniochronne czas zamknięcia oszacowano na 1,5 miesiąca, uwzględniając demontaż uszkodzonych płyt i instalację nowych, na podstawie doświadczeń producentów i operatorów.

W zależności od skali uszkodzeń, prace te można prowadzić etapami, np. w nocy lub poza godzinami szczytu, co minimalizuje wpływ na ruch drogowy.

W tunelach z płytami ogniochronnymi całkowity czas zamknięcia od momentu pożaru do ponownego otwarcia jest zwykle krótszy niż w tunelach bez płyt, dzięki skróceniu czasu potrzebnego na planowanie i procedury przetargowe.

Bezpieczeństwo ruchu i koszty objazdów

Zamknięcie tunelu w celu naprawy uszkodzeń wymaga lokalnego zarządzania ruchem w jego okolicy. Szacunkowe koszty, oparte na danych z projektu SKRIBT, przedstawiono w tabeli 1.

Do oszacowania kosztów objazdów uwzględniono dodatkowe wydatki użytkowników dróg wynikające z przekierowań, takie jak wydłużony czas podróży i dłuższy dystans. Uwzględniono podział na pojazdy poniżej i powyżej 3,5 t oraz dodatkowy czas podróży, wynikający ze średniej prędkości na trasie objazdowej i potencjalnych korków.

Tabela 1 zawiera dane dotyczące dostępności samochodów, kosztów operacyjnych dla podróży służbowych i prywatnych oraz kosztów dla ciężarówek, zgodnie z podręcznikiem metodycznym dla Federalnego Planu Infrastruktury Transportowej 2030. Średnia prędkość bez korków została ustalona na stosunkowo wysokim poziomie, co skraca czas objazdu i obniża koszty.

Zgodnie z podręcznikiem metodycznym, koszty zależne od czasu obliczono na podstawie analizy gotowości do zapłaty, uwzględniając dystans i obłożenie pojazdu. Dla uproszczenia założono, że samochody osobowe są zajęte przez jedną osobę, a koszt jej czasu oparto na ustawowej płacy minimalnej z 2018 roku (8,84 €/h). Dla ciężarówek, używanych głównie w celach komercyjnych, przyjęto stawkę godzinową kierowcy na poziomie 20 €.

Długość objazdu, oparta na trasie dla tunelu Gleinalm, wynosi 28 km. Ze względu na przeniesienie ruchu z autostrady na drogi lokalne, w godzinach szczytu mogą występować korki. Przyjęto, że 50% użytkowników dróg spędzi w korkach 30 minut.

Nieodebrane opłaty drogowe

W wielu tunelach na świecie pobierane są opłaty za przejazd. W Polsce wszystkie tunele dla samochodów osobowych są darmowe. W badaniu uwzględniono opłaty w krajach, z których pobrano statystyki pożarów.

Na podstawie przykładu tunelu Gleinalm w Austrii przyjęto opłatę za przejazd w wysokości 9 € za pojazd. Ponieważ tunele często obsługują lokalnych użytkowników z rocznymi biletami sezonowymi, tańszymi niż pojedyncze przejazdy, w okresie zamknięcia uwzględniono jedynie 50% utraconych opłat.

Dla porównania, w Niemczech przejazd przez tunel Warnow w Rostocku kosztuje 3,80 € dla samochodów osobowych i 16,50 € dla ciężarówek.

Parametry nieuwzględnione w obliczeniach

Oprócz wymienionych czynników istnieją inne koszty, których wartości nie da się łatwo określić lub wymagają dużego nakładu pracy. Dlatego w badaniu pominięto następujące aspekty związane z objazdami:
– Zwiększone narażenie na hałas i emisje spalin,
– Dodatkowe emisje CO2,
– Uszkodzenia dróg,
– Wyższe koszty wypadków z powodu większego natężenia ruchu,
– Koszty ponoszone przez firmy zależne od tunelu w wyniku jego zamknięcia.

Nie uwzględniono także wpływu specyficznych materiałów. Na przykład naprawiony beton często ma niższą jakość niż beton wylany jednorazowo podczas budowy powłoki tunelu.

Ponadto pominięto pozytywne efekty płyt ogniochronnych, takie jak ochrona betonu przed wnikaniem chlorków (dzięki samym płytom lub specjalnym powłokom), co zwiększa trwałość konstrukcji.

Wyniki

Początkowe koszty instalacji płyt ogniochronnych wynoszą około 2,34 mln €. Uwzględniając dodatkowe koszty inspekcji (konserwacji), roczne koszty budowy przy stopie procentowej 1,7% wynoszą około 105 000 €, co daje koszty cyklu życia w ciągu 100 lat na poziomie 5,0 mln €. Przy stopach procentowych 0,0% i 3,0% koszty te wynoszą odpowiednio 8,2 mln € i 3,9 mln €.

Porównanie kosztów dla tunelu bez płyt i z płytami ogniochronnymi, przy założeniu jednego pożaru na początku eksploatacji, przedstawiono w tabeli 3. Całkowite oszczędności dzięki płytom wynoszą około 88 mln €, czyli 17-krotność kosztów ich cyklu życia. Koszty napraw i bezpieczeństwa ruchu są stosunkowo niskie w obu wariantach, ale koszty objazdów i utraconych opłat drogowych stanowią większość dodatkowych wydatków.

Z perspektywy operatora tunelu, utrata opłat (19,6 mln € po jednym pożarze) znacznie przewyższa koszty cyklu życia płyt (5 mln €) dzięki szybszemu ponownemu otwarciu. Z punktu widzenia użytkowników, oszczędności na objazdach przy jednym pożarze wynoszą około 73 mln €, w tym 31 mln € dla samochodów osobowych i 12 mln € dla ciężarówek z tytułu dodatkowych kilometrów oraz 20 mln € i 10 mln € odpowiednio dla samochodów osobowych i ciężarówek z tytułu dodatkowego czasu podróży.

Podsumowanie

Analiza przykładowego tunelu wskazuje, że koszty wynikające z braku zastosowania płyt ogniochronnych znacznie przewyższają koszty ich instalacji. W przypadku płatnego tunelu, przy założeniu tylko jednego poważnego pożaru w ciągu 100 lat, straty z tytułu utraconych opłat za przejazd są czterokrotnie wyższe niż koszty cyklu życia płyt ogniochronnych w tym samym okresie.

Koszty związane z dodatkowym dystansem pokonywanym przez pojazdy przekierowane podczas zamknięcia tunelu na czas remontu są około sześciokrotnie wyższe niż koszty cyklu życia płyt. Łącznie wszystkie znaczące koszty generują straty 15-20 razy większe niż koszty cyklu życia płyt ogniochronnych.

Choć wyniki te nie mają uniwersalnego zastosowania do wszystkich tuneli, oczekuje się, że inwestycja w płyty ogniochronne zwróci się w okresie eksploatacji tunelu, jeśli dojdzie do co najmniej jednego poważnego pożaru. Nie da się przewidzieć, czy taki incydent faktycznie nastąpi, ale statystyki pożarów tuneli ASFINAG sugerują, że jest to bardzo prawdopodobne.

Analiza ryzyka pozwala określić, czy w danym tunelu istnieje podwyższone prawdopodobieństwo pożaru, na co wpływają takie czynniki jak lokalizacja, długość tunelu, udział ruchu ciężarowego oraz nachylenie drogi przed i w tunelu.

W tunelach o wysokim ryzyku pożaru pojazdów zastosowanie płyt ogniochronnych jest uzasadnione ekonomicznie. Podobnie dotyczy to tuneli, których zamknięcie generowałoby znaczne koszty ekonomiczne.

Literatura:

[1] Kleine Zeitung (2018): Brand im Gleinalmtunnel verursachte 4,5 Millionen Euro Schaden[online], Graz: Kleine Zeitung [Zugriff 11/2018]. https://www.kleinezeitung.at/steiermark/5118574/ Campingbus-ging-in-Flammenauf_Brand-im-Gleinalmtunnel-verursachte

[2] Landkreis Görlitz (2018): Sanierungspaket für Umleitungsstrecken nach Havarie im TunnelKönigshainer Berge (Auszug aus Pressemitteilung des Sächsischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr vom 28.08.2014) [online], Görlitz: Landkreis Görlitz [Zugriff 12/2018]. https://kreis-goerlitz.de/city_info/ webaccessibility/index.cfm?item_id=852937&waid=392&modul_id=34&record_id=65873&keyword=2180,2306,2182&eps=25

[3] Lausitzer VerlagsService GmbH (2018): Tunnel Königshainer Berge wieder frei [online], Cottbus:
Lausitzer VerlagsService GmbH [Zugriff 12/2018]. https://www.lr-online.de/nachrichten/tunnel-koenigshainer-berge-wieder-frei_aid-2866883

[4] ILF (2013): Auswertung der ASFINAG-Tunnelbrandstatistik 2006-2012. Studie im Auftrag des
BMVIT (Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie) und der ASFINAG. Linz,
2013

[5] Europejska Ocena Techniczna ETA-17/0170 „AESTUVER Tx płyta ogniochronna z dnia 28
kwietnia 2017 r. April 2017, Deutsches Institut für Bautechnik, Berlin

[6] DAUB (2018): Empfehlungen für die Ermittlung von Lebenszykluskosten für Straßentunnel;
Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen e. V. (DAUB). Köln, listopad 2018 r.

[7] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (2016): Bundesverkehrswegeplan
2030. Berlin, 2016

[8] PTV, TCI, Röhling (2016): Methodenhandbuch zum Verkehrswegeplan 2030; Studie im
Auftrag des BMVI (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur). Karlsruhe,
Berlin, Waldkirch, München, 2016

[9] ASFINAG (2018): Verkehrsentwicklung, Statistik Dauerzählstellen 2017 [online]; Wien:
ASFINAG Autobahnen- und Schnell- straßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft [Zugriff
11/2018]. www.asfinag.at/verkehr/verkehrszaehlung

[10] SKRIBT (2013): Wirksamkeitsanalyse von Maßnahmen zum Bauwerksschutz: Tunnel; Öffentliche
Fassung des Forschungsberichts zum Verbundprojekt SKRIBT „Schutz kritischer Brücken und
Tunnel im Zuge von Straßen”.

[11] ASFINAG (2018): Streckenmaut Tarife 2018 [online]; Wien: ASFINAG Autobahnen- und
Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft [Zugriff 12/2018].
www.asfinag.at/maut-vignette/streckenmaut/tarife/