Dartford Crossing: Hochdruck-Wassernebeltechnik setzt neue Maßstäbe in der Tunnelsicherheit

Ausgangslage

Die „Dartford Crossing“, ein Komplex aus zwei Tunnelröhren (Bild 1) und einer Schrägseilbrücke im Osten Londons, verbindet Grays in Essex auf der Nord- mit Dartford (Kent) auf der Südseite der Themse. Dieser Teilabschnitt der Londoner Ringautobahn M25 zählt zu den wichtigsten und am stärksten frequentierten Verkehrspunkten Englands. Jeden Tag nutzen im Schnitt bis zu 150.000 Fahrzeuge die beiden etwa 1.430 m langen Tunnelröhren. Der mautpflichtige Flussübergang und die Autobahn M25 unterstehen der Highways Agency, einer dem britischen Verkehrsministerium nachgelagerten Behörde.

Die Highways Agency hatte dann auch im Jahr 2010 die Ertüchtigung der beiden Dartford-Tunnel für notwendig befunden, da sie den zeitgemäßen Anforderungen an den Brandschutz nicht mehr standhielten. Gestützt wurde diese Entscheidung von der Richtlinie 2004/54/EG des Europäischen Parlaments, nach der alle EU-Länder Mindestanforderungen an die Sicherheit von Tunneln im transeuropäischen Straßennetz umsetzen sollen. Insbesondere der ältere der beiden britischen Tunnel, der komplett aus Gusseisen gefertigt wurde und bereits im Jahr 1963 eröffnet wurde, barg ein besonderes Sicherheitsrisiko: Die Stützstruktur aus Gusseisen hält hohen Temperaturen über einen längeren Zeitraum nicht stand. Aber auch die zweite Tunnelröhre, die 1980 zur Entlastung des gestiegenen Verkehrsaufkommens in Betrieb genommen wurde sollte an die modernen Sicherheitsstandards angepasst werden.

Prozess der Ertüchtigung

Zielsetzung

Die von der Highways Agency eingesetzten Fachplaner prüften die infrage kommenden Ertüchtigungsmaßnahmen unter Berücksichtigung der folgenden drei Kriterien:

Erhalt der Tunnelstruktur und Verfügbarkeit des Tunnels

Dem Erhalt der Tunnelstruktur und der Verfügbarkeit des Tunnels wurden höchste Priorität eingeräumt. Der Kollaps der Struktur der beiden Unterwassertunnel hätte den Verlust des gesamten Bauwerks der Dartford Crossing zur Folge. Dies würde nicht nur die Verkehrsinfrastruktur ganz Südenglands nachhaltig beeinträchtigen. Auch wäre die Schließung dieser strategisch bedeutsamen Unterquerung mit erheblichen volkswirtschaftlichen Kosten verbunden, ganz zu schweigen von dem längerfristigen Ausfall der Mautgebühr. Die Schließung des Mont-Blanc-Tunnels nach der Brandkatastrophe im Jahr 1999 – und damit die temporäre Kappung einer der wichtigsten Nord-Süd-Verbindungen in den Alpen – hatte volkswirtschaftliche Kosten in Höhe von etwa 2 Mrd. € für die italienische Wirtschaft nach sich gezogen.

Sicherheit von Menschenleben

Die Verbesserung der Flucht- und Rettungsmöglichkeiten der Tunnelnutzer ist als maßgebliches Ziel in die Analysen eingebunden worden. Bei einem Großbrand breiten sich Wärme und Rauchgase binnen kürzester Zeit aus. Je länger und je größer das Brandereignis auftritt, desto schneller sinken die Überlebenschancen für Personen

Verbesserung der Einsatzbedingungen der Rettungskräfte

Die rasante Temperaturentwicklung eines schweren, schnell um sich greifenden Feuers hindert die Einsatzkräfte oft daran, rechtzeitig zum Brandherd vorzurücken.

Der ältere Dartford-Tunnel stellte die Fachplaner vor besondere Herausforderungen. Durch seine gusseiserne Struktur hätten dort weder Flucht- noch Rettungswege nachträglich installiert werden können. Auch eine Auskleidung der Tunnelwände mit Brandschutzpaneelen wäre keine Option gewesen: Die Demontage der Paneelen, die für die regelmäßige Überprüfung des Tunnelbauwerks notwendig wäre, würde sich als zu aufwendig gestalten. Das bereits erwähnte Kriterium der Verfügbarkeit spielte auch bei den Überlegungen zur konkreten Umsetzung der Ertüchtigungsmaßnahmen eine übergeordnete Rolle. Aufgrund der Bedeutung des Tunnels für die britische Infrastruktur und Volkswirtschaft sollten die Maßnahmen in einem kurzen Zeitraum und ohne große Beeinträchtigung des laufenden Verkehrs umzusetzen sein. Nach Abschluss der Untersuchungen hatten sich die Experten für den Einbau einer aktiven und wasserbasierten Brandbekämpf-ungsanlage (BBA) ausgesprochen. Sie erfüllte nicht nur die vorgegebenen Schutzziele am besten, sondern gewährleistete auch einen relativ reibungslosen und nachträglichen Einbau in den bestehenden Tunnel. Der Hochdruck-Wassernebel wurde als Systemtyp definiert.

Zudem wurden alle neuen Komponenten des Tunnels nach den Anforderungen des Sicherheitsintegritätslevels (SIL nach EN 61508) bewertet und im Ergebnis mit der Stufe 2 belegt. Alle neu einzubringenden Systeme – darunter auch die Wassernebelanlage – hatten die SIL-2-Anforderungen zu erfüllen. 

Großbrandversuche unter Realbedingungen sowie europäische Forschungsprojekte haben bereits mehrfach den Beweis für die Wirksamkeit aktiver Brandbekämpfungssysteme für Tunnel erbracht, insbesondere bei Flüssigkeitsbränden. Die positive Kühlwirkung, die Wassernebelsysteme unter der Tunneldecke entfalten, war ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung, diese Technologie für die Dartford Crossing zum Einsatz zu bringen. Um dem Ziel des Personenschutzes nachzukommen, bestanden sowohl die Behörden wie auch die Feuerwehr darauf, dass das System sofort und unmittelbar nach Detektion eines Brands ausgelöst würde. Personen sollten bei der Entfluchtung nicht behindert werden. Nicht zuletzt der geringe Platzbedarf, die hohen Verfügbarkeiten in bereits installierten Brandbekämpfungsanlagen (BBA) sowie die geringen Wartungskosten führten zu dem Entschluss, Hochdruckwassernebel für die Ertüchtigung der Dartford-Tunnel einzusetzen. ¹

Erstellung des Gesamtsicherheitskonzepts mit integrierter Brandbekämpfungsanlage

Nachdem die im Tunnel vorhandenen Sicherheitsinstallationen (z. B. Detektionssystem, Ventilation) analysiert worden waren, wurde ein Gesamtsicherheitskonzept erstellt. Das Konzept fußt auf dem Szenario eines schweren LKW-Brands und spricht der BBA eine Schlüsselrolle zu: Die Brandbekämpfungsanlage wirkt sich positiv auf die gesamte Tunnelinfrastruktur aus. Sie ermöglicht jederzeit eine Überprüfung der baulichen Gegebenheiten und stellt sicher, dass alle im Tunnel befindlichen Anlagen infolge der nun reduzierten Bemessungsbrandkurve nicht mehr für extrem hohe Temperaturen auszulegen sind, wie es z.B. nach der Rijkswaterstaat-Kurve (RWS-Brandkurve) erforderlich wäre. Dies reduziert nicht nur Kosten, sondern macht daneben aufwendige bauliche Brandschutzmaßnahmen überflüssig. Am Beispiel der Kapazität der Ventilation lässt sich dies veranschaulichen: Bei einem 100-MW-Brand reduziert die BBA die Rauchgasentwicklung so stark, dass die Auslegung der Ventilation für eine Brandleistung von 30 MW ausreicht. [2]

Das Institut für angewandte Brandschutzforschung (IFAB), Rostock/D, wurde mit der Durchführung der auf die speziellen Gegebenheiten dieses Projekts abgestimmten Realbrandversuche beauftragt. Das IFAB hat umfangreiche Referenzen bei der Durchführung großangelegter Realbrandversuche in Tunneln, so beispielsweise für die Groupe Eurotunnel S.A., die Betreibergesellschaft des Mont-Blanc-Tunnels sowie im Rahmen des Forschungsprojekts SOLIT².

Die Brandtests fanden im Versuchstunnel „San Pedro de Anes“ in Spanien statt. Dieser Tunnel entspricht einem typischen zweispurigen Straßentunnel mit einem Querschnitt, der dem der englischen Originaltunnel stark ähnelt. Hier konnten identische Ventilationsbedingungen geschaffen werden, welche die Brandversuche möglichst realistisch abzubilden halfen. Als Brandlast wurde ein LKW mit Europaletten „nachgebaut“ (Bilder 2 und 3). In einem definierten Abstand zur Strömungsrichtung wurde ein so genanntes Zielobjekt positioniert, anhand dessen man die Brandausbreitung beobachten konnte.

Zahlreiche Messinstrumente wurden in der näheren und weiteren Umgebung der Brandlast angebracht, um eine Bandbreite an Messergebnissen für die Auswertung und Entwurfsplanung der BBA zu ermitteln. So wurden in mehreren Positionen und unterschiedlichen Abständen unter anderem Temperaturentwicklungen, Rauchgaskonzentrationen, die Sichtbarkeit und Wärmestrahlung gemessen und aufgezeichnet. Entsprechend der Vorgaben der Highways Agency lag ein besonderer Fokus auf den Temperaturen im Deckenbereich. Die Parameter der BBA-Installation im Testtunnel entsprachen der späteren Installation in Dartford Crossing: Der Düsentyp, die horizontalen und vertikalen Abstände zwischen den einzelnen Düsen, der Sprühwinkel, die Abstände zwischen den Düsen und der Brandlast sowie der definierte Mindestdruck an der Düse wurden hier festgelegt. Die auf dieser Grundlage durchgeführten Brandversuche belegten die Effektivität des Hochdruckwassernebelsystems und die Erfüllung der vorgegebenen Schutzziele.

Ausgehend von den Brandversuchen nahm das IFAB CFD-Berechnungen (CFD = Computational Fluid Dynamics – Numerische Strömungssimulation) vor mit dem Ziel, u. a. den Wärmeeintrag in die Tunnelstruktur unter Berücksichtigung der spezifischen Tunnelfassade zu simulieren und zu bewerten. Im Ergebnis ist festzuhalten, dass sich die Temperaturen in der Gusseisenstruktur deutlich unterhalb der vorgegebenen Höchstgrenzen bewegten und als unkritisch im Hinblick auf die Erhaltung der Tunnelstruktur klassifiziert werden konnten. Auch für die aus Beton erstellte neuere Röhre des Dartford-Tunnels sind die Ergebnisse völlig unkritisch.

Zu den größten Herausforderungen der Testreihe zählte der Versuch, das BBA-System erst dann zu aktivieren, als der Brand bereits eine Größe von 30 MW erreicht hatte (Bilder 4 und 5). Durch die effiziente Kühlung und Abschirmung des Wassernebels konnte die Temperatureinwirkung jedoch auch unmittelbar oberhalb der Brandlast auf einem eingegrenzten Niveau gehalten werden, sodass kein Risiko für den Erhalt der Tunnelstruktur bestand. 

Anforderungen an die funktionale Sicherheit der BBA

Wie bereits beschrieben, wurden hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit der Steuerungskomponenten entsprechend des Safety Integrity Level der Stufe 2 gestellt, um ein sicherheitseinschränkendes Ereignis sofort entdecken und verarbeiten zu können. Die BBA war daher auch in das SIL-2-fähige Tunnelsteuerungs- und Überwachungssystem zu integrieren. In der Umsetzung bedeutet dies beispielsweise, dass die Sektionsventile redundant angesteuert werden, um deren Funktionalität – auch im Falle des Ausfalls einer Ansteuerungseinheit – sicherzustellen. Diese strikten SIL-Anforderungen haben ihren Ursprung vor allem in Bereichen mit besonders hohen Anforderungen an sicherheitsrelevante Funktionen wie beispielsweise in der Luftfahrt-, Bahn- und Atomindustrie. 

Ausführung und Installation des Hochdruckwassernebel-Systems

Die Highways Agency vergab den Auftrag über die Entwicklung, Konstruktion, Fertigung, Montage, Inbetriebnahme und Wartung der Hochdruck-Wassernebelanlage in Dartford Crossing an die FOGTEC Brandschutz GmbH & Co. KG, die hat bereits in den vergangenen Jahren einige wichtige Tunnel mit Hochdruck-Wassernebelanlagen ausgestattet hat. Die dort eingesetzten Systeme haben sämtlich umfassende 1:1-Brandtests durchlaufen, sowie teilwiese im Rahmen der Forschungsprogramme UPTUN und SOLIT/SOLIT² ihre Wirksamkeit bewiesen.

Die Auslegung der BBA in Dartford Crossing erfolgte gemäß den Vorgaben der UPTUN – Richtlinie und des SOLIT² Leitfadens [2] [3]. Die Anlage ist für eine Betriebsdauer von 60 min ausgelegt. Die vorhandenen Detektionseinrichtungen (lineares Wärmemeldekabel, Kameraeinrichtungen) geben im Brandfall eine Meldung an die Tunnelleitstelle, die diese bestätigt und die BBA in den relevanten Bereichen auslöst. Die Auslösung erfolgt über eine Gesamtlänge von 75 m, aufgeteilt in drei Sektionen à 25 m. Im älteren, gusseisernen Tunnel sind 58, im neueren 59 Sektionen für die Brandbekämpfung vorgesehen. Als Brandbekämpfungsmedium dient reines Wasser ohne den Einsatz von Additiven. Das Wasser der BBA muss nicht gesondert aufgefangen und entsorgt werden.

An beiden Tunnelmündern ist je ein Pumpenhaus mit einem Wasserreservoir errichtet worden. Jedes dieser Häuser verfügt über drei dieselbetriebene Pumpen, von denen jeweils eine als Redundanz dient. Auf Grund der extrem hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit der Tunnel wurden nicht nur die Pumpeneinheiten, sondern auch die Pumpenhäuser selber redundant ausgelegt. So ist ein Pumpenhaus für die BBA bereits ausreichend, das zweite redundant. Der Antrieb der Pumpen erfolgt über Dieselaggregate, was eine dauerhafte, von der externen elektrischen Energieversorgung komplett unabhängige Funktionsfähigkeit garantiert (Bild 6). 

Neben der Belegung der BBA mit dem Safety Level der Stufe 2 (SIL2) wurde die Anlage in eine weitere Sicherheitsstruktur, das übergeordnete Steuerungssystem des Tunnels eingebunden. Das LSCS (LSCS = Life Safety Control System) ist nach der EN 61508 zertifiziert. Derartige Steuerungssysteme kommen in Tunnelröhren bisher nur sehr selten zum Einsatz. Mit der Ertüchtigung der Dartford-Tunnel wurde das erste Mal eine ortsfeste Brandbekämpfungsanlage in ein solches System eingebunden (Bild 7).

Die im Tunnel installierten Rohrleitungen sind aus Edelstahl der Qualität 1.4571 bzw. 1.4462 gefertigt. Die Rohrverbindungen sind geschweißt, garantieren eine lange Lebensdauer sowie  und einen gering-en Wartungsaufwand. Auf den Einsatz von Gummidichtungen in den Rohrleitungen wurde weitestgehend verzichtet, um eine möglichst hohe Temperaturbeständigkeit und die Langlebigkeit des Systems zu gewährleisten. Die wartungsfreien Düsen verfügen über keine beweglichen Teile. Auch dies ist der rauen Umgebung, einer geforderten Lebensdauer von mindestens 20 Jahren, der Minimierung des Wartungsaufwands und der erforderlichen Zuverlässigkeit geschuldet.

Die mit Wasser vorgefüllte Hauptleitung der BBA ist isoliert, mit einer Rohrbegleitheizung ausgestattet und mit einer Ummantelung aus Edelstahl versehen. Bei Temperaturen knapp oberhalb des Gefrierpunkts wird die Rohrbegleitheizung aktiviert und verhindert das Gefrieren des Wassers.

Die Installation der BBA war mit besonderen Herausforderungen verbunden. Aufgrund der hohen Auslastung und Bedeutung der Dartford-Tunnel für das britische Verkehrsnetz konnten die Installationsarbeiten nur nachts und in sehr reduzierten Zeitfenstern stattfinden. Die daraus resultierenden Einschränkungen erforderten eine detailliert abgestimmte Planung durch das Installationsteam. Die FOGTEC konnte sich dabei auf Erfahrungen stützen, die sie bei ähnlich anspruchsvollen Tunnelprojekten in der Vergangenheit gesammelt hat.

Die Errichtung und Inbetriebnahme beider Pumpenräume sowie die komplette Installation im älteren Tunnel sind bereits abgeschlossen. Die Sprühversuche zur Abnahme sind ebenfalls durchgeführt worden (Bild 8). Das Hochdruckwassernebel System für den älteren, gusseisernen Dartford-Tunnel ist vollständig betriebsbereit. Im neueren Tunnel befinden sich die Installationsarbeiten in der Abschlussphase.

Fazit und Ausblick

Die Installation der BBA in Dartford Crossing setzt weltweit neue Maßstäbe im Bereich des Brandschutzes und der Tunnelsicherheit. So ist die Integration einer SIL-2-Steuerung wegweisend für die Zukunft.

Nationale und internationale Forschungsprogramme der Tunnelsicherheit wie UPTUN, SOLIT und SOLIT² gewinnen weltweit an Bedeutung. Die daraus resultierenden Leitfäden werden immer öfter als Grundlage für die Errichtung neuer Brandbekämpfungsanlagen in Tunneln herangezogen. Erste Jurisdiktionen haben bereits nationale Richtlinien für aktive BBA verabschiedet und dort Wassernebel als Technologie für den Brandschutz verankert. ² 
Die Kompensationsmöglichkeiten für andere Installationen im Tunnel, die Verringerung der Lebenszykluskosten des Tunnels, eine vereinfachte Möglichkeit der Tunnelertüchtigung und, nicht zuletzt, die herausragenden Vorteile bei der Brandbekämpfung stellen entscheidende Argumente für den Einsatz der Hochdruckwassernebeltechnik zur Brandbekämpfung dar. Das Beispiel des Dartford-Tunnel macht deutlich, dass die Gesamtinvestitions- und Lebenszykluskosten mit BBA meist niedriger ausfallen als ohne BBA, dabei aber gleichzeitig eine höhere Verfügbarkeit sicherstellen.