Fires in tunnels and their effect on rock : a review

During the past 15 years there have been several major fires in tunnels all over the world, most of them caused by accidents. Many of these fires have occurred in road tunnels, and many have involved heavy goods vehicles carrying goods not classified as dangerous. The heat developed by these fires has been on par with that expected from a fire in a fuel tanker, and the damage to the tunnel structure has in some cases been severe. Sweden has been spared disasters so far, but since many tunnels are being built as parts of major rail and road routes around and under cities, more transportation will take place underground so the risks are increasing. A brief investigation of Swedish railroad tunnels has shown that reinforcement is used in almost all tunnels; only 6% does not have any reinforcement at all. Selective reinforcement (the tunnel carries all load and is only reinforced with spot bolting and/or shotcrete in a few places) is used in 38% of the tunnels. In 61% of the tunnels interacting reinforcement is used, which refers to systematic bolting, mesh and shotcrete that together with the rock mass carries the load. Concrete constructions that carries load (supporting reinforcement) is used in 26% of the tunnels, and then usually only on short sections. In Sweden most tunnels are constructed in relatively strong rock, and at shallow depths, which makes concrete lining excessive. It is therefore interesting to study the behaviour of strong, hard rocks subjected to high temperatures from a tunnel fire. The aim of this literature review was to find the state of the art of how rock behaves at high temperatures caused by a fire, but very little information was found. Some large scale fire tests have been performed in rock tunnels, but only a few of the reports from these tests mention anything at all about what happened to the rock during the test. In a few cases it has been noted that rock fell from the roof during and after the fire, but no investigation of the cause of these rock falls has been made. During most of the large scale fire tests performed in rock tunnels, the rock has been protected from the heat to prevent fall-outs. It seems no tests have been performed to check the actual behaviour of rock during a fire. Two areas of interest for future research can be noted. The behaviour of some typical Swedish rock types found in tunnels should be investigated with focus on the behaviour at high temperatures. For concrete there is a maximum temperature defined that the concrete can be exposed to, to avoid spalling. A similar type of maximum temperature limit should if possible be defined for different rock types. The other area of interest is the behaviour of typical rock reinforcement used in Swedish tunnels. This reinforcement is usually a combination of rock bolts and shotcrete, but the amount of reinforcement used varies. The effect of rock bolts must be investigated, since they are mainly made of steel, which transfers heat very well. The bolts will conduct heat into the rock mass, forming local hot spots at some depth. The bolts will also loose the majority of their strength at temperatures of about 300-400„aC, which means that they will no longer carry load. The effect of this must be considered and the risk estimated for the people escaping the tunnel, and the fire fighters entering the tunnel. It has been shown by several authors that shotcrete can be used for fire protection of concrete. It should be investigated if shotcrete can fill the same function for rock, and still have the reinforcing capabilities required, and if so what the minimum thickness is to prevent spalling of rock.Under de senaste 15 åren har det inträffat flera svåra bränder som en följd av olyckor i tunnlar över hela världen. Många av dessa bränder har inträffat i vägtunnlar, och flera har omfattat långtradare med en last som inte klassificerats som farligt gods. Värmeutvecklingen i dessa bränder har varit av den storleksordning som man förväntar sig från en brand i en bränsletanker, och i vissa fall har det blivit omfattande skador på tunneln. Sverige har hittills klarat sig undan större bränder, men med den utbyggnad av infrastruktur i form av väg- och järnvägstunnlar runt och under större städer och den ökning av transporter under jord som följer, så ökar riskerna för att något ska inträffa.En undersökning av svenska järnvägstunnlar i berg har visat att förstärkning av något slag används i nästan alla tunnlar, bara 6 % av tunnlarna är oförstärkta. Selektiv förstärkning används i 38 % av tunnlarna och innebär att tunneln bär all last och att bultning och/eller sprutbetong används på korta sträckor. Samverkande förstärkning används i 61 % av tunnlarna, vilket innebär att bergmassan tillsammans med förstärkning i form av systematisk bultning, nät och sprutbetong bär lasten. Betongkonstruktioner som bär last (bärande förstärkning) används i 26 % av tunnlarna, och då vanligtvis bara på kortare sträckor (t.ex. i portaler). I Sverige är de flesta tunnlar byggda i relativt hå llfast berg och ganska ytligt, vilket innebär att betonglining är överflödig. Det är därför intressant att studera hur höghållfast berg beter sig vid de höga temperaturer som kan uppkomma vid en tunnelbrand.Målet med denna litteraturstudie var att inventera kunskapsnivån om bergs beteende vid höga temperaturer (vid brand), men endast begränsad information har hittats. Några storskaliga brandförsök har utförts i bergtunnlar, men enbart några få av rapporterna från dessa tester nämner något alls om vad som hände med berget under försöken. I några försök har man noterat att det föll ned berg från taket under och efter branden, men man har inte undersökt orsakerna till nedfallen. Under de storskaliga brandförsöken har man skyddat berget mot hettan för att förhindra utfall. Det verkar inte som att några försök alls har utförts för att undersöka hur berget verkligen beter sig under en brand.Två områden har bedömts som intressanta för vidare forskning. Man bör bestämma egenskaper och beteende för några av de typiska svenska bergarter man kan förvänta sig i tunnlar med avseende på höga temperaturer. Liksom för betong så bör man ta reda på den maximala temperatur olika bergarter kan utsättas för utan att spjälkning initieras, om en sådan temperatur existerar. Det andra forskningsområdet är hur typisk bergförstärkning i en svensk tunnel beter sig vid höga temperaturer. Förstärkningen är ofta en kombination av bergbultar och sprutbetong, men mängden förstärkning varierar. Bergbultars påverkan måste undersökas eftersom de tillverkas av stål som är en väldigt god värmeledare. Bultarna kommer att leda in värme i bergmassan så att man får lokala värmekällor på djupet. Vid temperaturer på ca 300-400°C har bultarna förlorat det mesta av sin hållfasthet, och kan alltså inte längre ta någon last. Vad detta innebär för tunnelns stabilitet och vilken risk det innebär för människor som ska utrymma tunneln i händelse av brand och för räddningspersonalen bör undersökas. Flera forskare har visat att sprutbetong kan användas som brandskydd för betong. Det bör undersökas om sprutbetong kan fylla samma funktion för berg och ändå ha den förstärkande effekt man eftersträvar, och i såfall vilken minsta tjocklek man måste ha för att förhindra spjälkning.Godkänd; 2006; 20070108 (mlk