MAITRISE DES INCENDIESET DES FUMEESDANS LES TUNNELS ROUTIERS

FIRE AND SMOKE CONTROLIN ROAD TUNNELS

AIPCR •••• 1 •••• 05.05.B - 1999

05.05.B

Comité AIPCR des Tunnels routiers (C5)PIARC Committee on Road Tunnels (C5)

SOMMAIREINTRODUCTION 10

I - OBJECTIFS DE MAÎTRISE DES INCENDIES ET DES FUMÉES 14

I.1 Introduction 14I.2 Travaux antérieurs de l'AIPCR 14I.3 Directives existantes 14I.4 Contexte et principes physiques 14

I.4.1 Les différents types de risques 16I.4.2 Rayonnement 16I.4.3 Température, chaleur convectée 20I.4.4 Visibilité 22I.4.5 Toxicité 26I.4.6 Durée de fuite 30

I.5 Recommandations 30I.6 Besoins en recherches 34

II - RISQUE INCENDIE ET INCENDIES DE DIMENSIONNEMENT 36

II.1 Introduction 36II.2 Travaux antérieurs de l'AIPCR 38II.3 Fréquence des incendies 38II.4 Choix des incendies de dimensionnement 54

II.4.1 Températures maximales aux parois du tunnel 56II.4.2 Température en fonction du temps 58II.4.3 Puissance thermique 60II.4.4 Production de fumée et visibilité 64II.4.5 Monoxyde de carbone dans la fumée 66

II.5 Scénarios d'incendie de dimensionnement 66II.6 Recommandations pour les travaux futurs 70

III - COMPORTEMENT DE LA FUMÉE 74

III.1 Intr oduction 74III.2 Travaux antérieurs de l'AIPCR 74III.3 Développement et dispersion de la fumée, appréciation générale 74III.4 Développement et dispersion de la fumée lors d'essais d'incendie 76

III.4.1 Essais utilisant l'essence comme combustible (Ofenegg et Zwenberg) 76III.4.2 Essais utilisant le gasole comme combustible (Memorial Tunnel) 82III.4.3 Essais avec des voitures et camions réels (projet EUREKA n° 499 - FIRETUN) 84

III.5 Influence de la déclivité du t unnel 86III.6 Conclusion 86

ISBN 2-84060-064-1

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CONTENTSINTRODUCTION 11

I – OBJECTIVES OF FIRE AND SMOKE CONTROL 15

I.1 Introduction 15I.2 Previous work by PIARC 15I.3 Existing guidelines 15I.4 Physical backgr ound and principles 15

I.4.1 Different kinds of threat 17I.4.2 Radiation 17I.4.3 Temperature, convected heat 21I.4.4 Visibility 23I.4.5 Toxicity 27I.4.6 Escape time 31

I.5 Recommendations 31I.6 Needs for research 35

II - FIRE RISK AND DESIGN FIRES 37

II.1 Introduction 37II.2 Previous work by PIARC 39II.3 Frequency of fires 39II.4 Choice of design fires 55

II.4.1 Maximum temperatures at the tunnel wall 57II.4.2 Temperature versus time 59II.4.3 Heat release rate 61II.4.4 Smoke production and visibility 65II.4.5 Carbon monoxide in smoke gases 67

II.5 Design fire scenarios 67II.6 Recommendations for further work 71

III - SMOKE BEHAVIOUR 75

III.1 Intr oduction 75III.2 Previous work by PIARC 75III.3 Smoke development and dispersal of smoke, general statement 75III.4 Smoke development and dispersal of smoke in fire tests 77

III.4.1 Fire tests using petrol as a fire source (Ofenegg and Zwenberg fire tests) 77III.4.2 Fire tests using diesel oil as a fire source (Memorial Tunnel fire tests) 83III.4.3 Fire tests with real cars and trucks (EUREKA project n° 499 - FIRETUN) 85

III.5 Influence of the t unnel slope 87III.6 Conclusion 87

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IV. MÉTHODES D’ÉTUDE 88

IV.1 Introduction 88IV.2 Travaux antérieurs de l'AIPCR 88IV.3 Essais en vraie grandeur 90

IV.3.1 Grands programmes de recherche 90IV.3.2 Essais dans des tunnels avant mise en service ou en exploitation 98

IV.4 Expérimentations à échelle réduite 104IV.4.1 Objectifs 104IV.4.2 Théorie de la similitude 104IV.4.3 Techniques et exemples 106IV.4.4 Limitations 108IV.4.5 Conclusions et recommandations 110

IV.5 Simulations numériques 110IV.5.1 Généralités 110IV.5.2 Directives et expérience existantes 114IV.5.3 Principes 116IV.5.4 Recommandations 120IV.5.6 Conclusions 128

IV.6 Besoins en futurs travaux de recherche 130IV.7 Conclusion 132

V. VENTILATION POUR LA MAÎTRISE DES INCENDIES ET DES FUMÉES 136

V.1 Introduction à la ventilation 138V.1.1 Ventilation naturelle 138V.1.2 Ventilation mécanique 140V.1.3 Traitement de l'air combiné à la ventilation mécanique 148

V.2 Travaux antérieurs de l'AIPCR 150V.3 Directives et expérience existantes 150V.4 Nouveaux résultats de recherches - Physique 152V.5 Objectifs de la ventilation pour la maîtrise des incendies et le désenfumage 152V.6 Recommandations sur la ventilation naturelle 152V.7 Recommandations sur la ventilation longitudinale 154

V.7.1 Généralités sur le désenfumage en ventilation longitudinale 154V.7.2 Limites d'application et critères de dimensionnement

de la ventilation longitudinale 160V.7.3 Exigences en matière d'équipement 168V.7.4 Directives sur la commande de la ventilation longitudinale 172

V.8 Recommandations sur la ventilation transversale et semi-transversale 174V.8.1 Objectifs du désenfumage en ventilation transversale et semi-transversale 174V.8.2 Extraction de la fumée 174V.8.3 Apport d'air frais 180V.8.4 Résistance à la chaleur des ventilateurs 182V.8.5 Contrôle de la vitesse longitudinale 182

Annexe : l'expérience des Pays-Bas sur la résistance à l'incendie des accélérateurs 184

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IV - STUDY METHODS 89

IV.1 Introduction 89IV.2 Previous work by PIARC 89IV.3 Full scale tests 91

IV.3.1 Large research programmes 91IV.3.2 Tests in tunnels before or under operation 99

IV.4 Small scale experiments 105IV.4.1 Objectives 105IV.4.2 The similarity theory 105IV.4.3 Techniques and examples 107IV.4.4 Limitations 109IV.4.5 Conclusions and recommendations 111

IV.5 Computer simulations 111IV.5.1 General 111IV.5.2 Existing guidelines and experience 115IV.5.3 Background 117IV.5.4 Recommendations 121IV.5.6 Conclusions 129

IV.6 Needs for further research work 131IV.7 Conclusion 133

V - VENTILATION FOR FIRE AND SMOKE CONTROL 137

V.1 Introduction to ventilation 139V.1.1 Natural ventilation 139V.1.2 Mechanical ventilation 141V.1.3 Air cleaning combined with mechanical ventilation 149

V.2 Previous work by PIARC 151V.3 Existing guidelines and experience 151V.4 New research results and physics 153V.5 Objectives of ventilation for fire and smoke control 153V.6 Recommendations on natural ventilation 153V.7 Recommendations on longitudinal ventilation 155

V.7.1 Generalities on smoke control using longitudinal ventilation 155V.7.2 Limits of application and design criteria of longitudinal ventilation 161V.7.3 Requirements on equipment 169V.7.4 Guidelines on control of longitudinal ventilation 173

V.8 Recommendations on transverse and semi-transverse ventilation 175V.8.1 Objectives of smoke control with transverse and semi-transverse ventilation 175V.8.2 Smoke extraction 175V.8.3 Fresh air supply 181V.8.4 Heat resistance of fans 183V.8.5 Control of longitudinal velocity 183

Appendix: The experience of the Netherlands on fire resistance of fans 185

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VI. SORTIES DE SECOURS ET AUTRES ÉQUIPEMENTS DE SÉCURITÉ 192

VI.1 Introduction 192VI.2 Sorties de secours et itinéraires d'évacuation 194

VI.2.1 Travaux antérieurs de l'AIPCR 194VI.2.2 Expérience existante 196VI.2.3 Recommandations 198

VI.3 Autres équipements de sécurité 204VI.3.1 Détection incendie 204VI.3.2 Extincteurs 214VI.3.3 Alimentation en eau 218VI.3.4 Systèmes d'extinction automatique (sprinklers) 222VI.3.5 Téléphones de secours et boutons-poussoirs d'alarme 230VI.3.6 Réseaux de surveillance par télévision 234VI.3.7 Haut-parleurs 238VI.3.8 Radiocommunications 242

VI.4 Besoins en recherche 246

VII. RÉACTION ET RÉSISTANCE AU FEU DU TUNNEL 248

VII.1 Introduction 248VII.2 Travaux antérieurs de l'AIPCR 248VII.3 Réaction au feu des matériaux 252

VII.3.1 Généralités 252VII.3.2 Gaz de combustion dangereux pour l'être humain 252VII.3.3 Corrosion chimique de la structure 254VII.3.4 Incendie et effets sur / de la chaussée 256VII.3.5 Utilisation de la peinture 256

VII.4 Résistance au feu des structures 258VII.4.1 Généralités 258VII.4.2 Diverses structures de tunnel 260VII.4.3 Écaillage 262VII.4.4 Résistance au feu de la structure principale selon le type de tunnel 262VII.4.5 Gaines de ventilation 264VII.4.6 Itinéraires d'évacuation 266VII.4.7 Structures suspendues et autres systèmes attachés au plafond ou aux parois 266

VII.5 Résistance au feu des équipements 268VII.5.1 Généralités 268VII.5.2 Portes résistant au feu 268VII.5.3 Niches de sécurité 270VII.5.4 Utilisation des équipements d'extinction des incendies 270

VIII. GESTION DE L'INTERVENTION EN CAS D'INCENDIE 272

VIII.1 Intr oduction 272VIII.2 Travaux antérieurs de l'AIPCR 272VIII.3 Expérience existante 274VIII.4 Recommandations 278

VIII.4.1 Planification de l'intervention 278VIII.4.2 Essais d'incendie 280

VIII.5 Besoins en travaux de recherche 282

IX - REFERENCES 284

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VI - EXITS AND OTHER SAFETY FACILITIES 193

VI.1 Introduction 193VI.2 Exits and evacuation routes 195

VI.2.1 Previous work by PIARC 195VI.2.2 Existing Experience 197VI.2.3 Recommendations 199

VI.3 Other safety facilities 205VI.3.1 Fire detection 205VI.3.2 Fire extinguishers 215VI.3.3 Water supply 219VI.3.4 Sprinklers 223VI.3.5 Emergency telephones and push button alarms 231VI.3.6 Closed circuit television (CCTV) 235VI.3.7 Loudspeakers 239VI.3.8 Radio communications 243

VI.4 Need for research work 247

VII - TUNNEL REACTION AND RESISTANCE TO FIRE 249

VII.1 Introduction 249VII.2 Previous work by PIARC 249VII.3 Fire reaction of materials 253

VII.3.1 General 253VII.3.2 Combustion gases dangerous for people 253VII.3.3 Chemical corrosion of the structure 255VII.3.4 Fire and the effects on/of the road surface 257VII.3.5 Use of paint 257

VII.4 Fire resistance of structures 259VII.4.1 General 259VII.4.2 Various tunnel structures 261VII.4.3 Spalling 263VII.4.4 Fire resistance of the main structure according to the type of tunnel 263VII.4.5 Ventilation ducts 265VII.4.6 Escape routes 267VII.4.7 Suspending structures and other systems attached to the ceiling or walls 267

VII.5 Fire resistance of equipment 269VII.5.1 General 269VII.5.2 Fireproof doors 269VII.5.3 Emergency recesses 271VII.5.4 Use of the fire extinguishing equipment 271

VIII - FIRE RESPONSE MANAGEMENT 273

VIII.1 Intr oduction 273VIII.2 Previous work by PIARC 273VIII.3 Existing Experience 275VIII.4 Recommendations 279

VIII.4.1 Fire response planning 279VIII.4.2 Fire tests 281

VIII.5 Needs for research work 283

IX - REFERENCES 284

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Ce rapport a été préparé sous les auspices et avec l'accord du Comité AIPCR desTunnels routiers, par son groupe de travail n° 6 "Incendie et désenfumage". Ce groupede travail comprend les membres suivants :

Animateur Didier LACROIX (France)

Secrétaire Staffan BENGTSON (Suède) (rapporteur du chapitre I)

Membres Finn H. AMUNDSEN (Norvège) (rapporteur du chapitre VI)

Roberto ARDITI (Italie) (rapporteur du chapitre V)

Arthur G. BENDELIUS (États-Unis) (rapporteur des chapitres VI et VII)

Eric CASALE (France) (rapporteur du chapitre IV)

Anthony S CASERTA (États-Unis)

Patrick CHASSE (France) (rapporteur du chapitre IV)

Alfred HAACK (Allemagne) (rapporteur du chapitre II)

Alex HAERTER (Suisse) (rapporteur du chapitre V)

Rudolf HÖRHAN (Autriche) (rapporteur du chapitre III)

Hideto MASHIMO (Japon)

Karl PUCHER (Autriche) (rapporteur du chapitre III)

Norman RHODES (Royaume-Uni) (rapporteur du chapitre VIII)

Luuk SWART (Pays-Bas) (rapporteur des chapitres VI et VII)

Durant l'étape de finalisation de ce rapport, le secrétariat a été assuré par NormanRhodes (Royaume-Uni), et de nouveaux membres ont rejoint le groupe :

Alberto ABELLA (Espagne)

Rudolf BOPP (remplaçant Alex HAERTER - Suisse)

Samuel ESTEFANIA (Espagne)

Bernt FREIHOLTZ (Suède)

Giulio GECCHELE (Italie)

Marko JÄRVINEN (Finlande)

Toshinori MIZUTANI (remplaçant Hideto MASHIMO - Japon)

Hans-Rudolf SCHEIDEGGER (Suisse)

Chaque chapitre a été préparé par le(s) rapporteur(s) indiqué(s). Chacun a utilisé desinformations provenant de la bibliographie internationale et des membres du groupe. Lesprojets ont été révisés lors des réunions successives du groupe, puis rassemblés etharmonisés par Hervé Biollay, Patrick Chassé et Didier Lacroix (France).

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This report has been prepared under the auspices and with the approval of the PIARCCommittee on Road Tunnels by its working group No. 6 devoted to "Fire and Smoke Control".This working group included the following members:

Leader Didier LACROIX (France)

Secretary Staffan BENGTSON (Sweden) (rapporteur for section I)

Members Finn H. AMUNDSEN (Norway) (rapporteur for section VI)

Roberto ARDITI (Italy) (rapporteur for section V)

Arthur G. BENDELIUS (USA) (rapporteur for sections VI - VII)

Eric CASALE (France) (rapporteur for section IV)

Anthony S CASERTA (USA)

Patrick CHASSE (France) (rapporteur for section IV)

Alfred HAACK (Germany) (rapporteur for section II)

Alex HAERTER (Switzerland) (rapporteur for section V)

Rudolf HÖRHAN (Austria) (rapporteur for section III)

Hideto MASHIMO (Japan)

Karl PUCHER (Austria) (rapporteur for section III)

Norman RHODES (United Kingdom) (rapporteur for section VIII)

Luuk SWART (Netherlands) (rapporteur for sections VI - VII)

During the finalisation phase of this report, the secretary was Norman Rhodes (UnitedKingdom), and the working group was complemented with the following new members:

Alberto ABELLA (Spain)

Rudolf BOPP (replacing Alex HAERTER - Switzerland)

Samuel ESTEFANIA (Spain)

Bernt FREIHOLTZ (Sweden)

Giulio GECCHELE (Italy)

Marko JÄRVINEN (Finland)

Toshinori MIZUTANI (replacing Hideto MASHIMO - Japan)

Hans-Rudolf SCHEIDEGGER (Switzerland)

Each section has been drafted by the aforementioned rapporteur(s) using information from itscountry, literature and the other members of the group. The drafts have been reviewed atsuccessive group meetings, then put together and harmonised by Hervé Biollay, Patrick Chasséand Didier Lacroix (France).

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INTRODUCTIONDe plus en plus, des tunnels routiers sont construits pour traverser des zones montagneusesou pour éviter des difficultés d'environnement, principalement en zone urbaine. En mêmetemps, la circulation augmente dans les tunnels existants. En conséquence, la sécurité dansles tunnels routiers devient une question importante.

Parmi les risques possibles, les incendies de véhicules suscitent une inquiétude particulièrecar ce ne sont pas des événements si rares et leurs conséquences peuvent être bien plusgraves en souterrain qu'à l'air libre si les mesures appropriées ne sont pas prises. Également,la baisse importante et constante des émissions polluantes des véhicules est tellequ'aujourd'hui, les équipements de ventilation sont, dans de nombreux cas, déterminés par lesconsidérations de désenfumage en cas d'incendie.

Depuis sa création en 1957, le Comité AIPCR des Tunnels routiers a étudié les équipementsde sécurité relatifs aux incendies, puis quelques années plus tard, la ventilation pour ledésenfumage. Des données ou des recommandations dans ces domaines figurent dans denombreux rapports que le Comité a publiés pour les Congrès mondiaux de la Route : Rio deJaneiro (1959), Tokyo (1967), Vienne (1979), Sydney (1983), Bruxelles (1987), Marrakech(1991).

Jusqu'au Congrès de Marrakech, ces sujets étaient traités parmi d'autres par des groupes detravail différents, plus spécialement les groupes "Exploitation, entretien, gestion" et "Pollution,environnement, ventilation". En 1992, le Comité des Tunnels routiers a décidé que l'importancedu sujet justifiait la création d'un groupe spécifique sur "Incendie et désenfumage".

Ce groupe de travail s'est réuni deux fois l’an depuis ses deux premières réunions tenues àl'occasion de deux programmes importants de recherche : les essais FIRETUN d'EUREKA enoctobre 1992 en Norvège et le programme d'essai de ventilation d'incendie du MemorialTunnel en juin 1993 aux États-Unis. Très rapidement, le groupe a ressenti le besoin d'établirune vue d’ensemble des connaissances actuelles sur tous les sujets touchant aux incendies entunnel routier ; en effet, de nombreuses recherches et réflexions, y compris à caractèreréglementaire, étaient menées de par le monde, mais aucune synthèse n’existait. Les premiersrésultats ont été publiés dans le rapport du Comité des Tunnels routiers pour le XXe Congrèsmondial de la Route à Montréal (1995).

Le présent rapport fournit un état de l'art complet préparé par le groupe de travail. Il est destinéà tous ceux qui sont concernés par la conception, la construction, l'exploitation ou la sécuritédes tunnels routiers : maîtres d'ouvrage, entrepreneurs, exploitants, chercheurs, autoritésédictant les réglementations, pompiers, etc. Il devrait leur apporter une vue d'ensemble et desrecommandations, ainsi que des indications sur la façon de fournir une protection efficace etrentable contre le feu et la fumée dans les tunnels routiers. Il donne également de nombreusesréférences bibliographiques qui peuvent s'avérer utiles pour de plus amples informations.

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INTRODUCTIONMore and more road tunnels are built to give way to new routes through mountainous areas orto avoid environmental difficulties, mainly in urban zones. At the same time traffic is growingthrough existing tunnels. As a consequence safety in road tunnels is becoming a major issue.

Among the possible risks, vehicle fires give rise to particular concern because they are not veryrare events and their consequences might be far larger underground than in the open if noappropriate measures were taken. Also the important and continuous decrease in vehiclepollutant emissions is such that nowadays ventilation equipment is in many cases determinedby smoke control considerations in case of fire.

Since its creation in 1957, the PIARC Committee on Road Tunnels has been engaged in safetyequipment related to fires and a few years later in ventilation for smoke control. Data orrecommendations in these fields appear in most reports it produced for the successive WorldRoad Congresses, namely: Rio de Janeiro (1959), Tokyo (1967), Vienna (1979), Sydney(1983), Brussels (1987), Marrakech (1991).

Until this last Congress these topics had been examined among other matters by variousworking groups, especially those devoted to Operation - Maintenance - Management and toPollution - Environment - Ventilation. In 1992 the Committee on Road Tunnels decided that theprominence of this subject justified the creation of a specific group devoted to Fire and SmokeControl.

This working group has met twice a year since the first two meetings it held on the scene of twomajor research programmes: the EUREKA 'FIRETUN' tests in October 1992 in Norway and theMemorial Tunnel Fire Ventilation Test Programme in June 1993 in the USA. From the verybeginning, the group has deemed it necessary to draw up a state-of-the-art of the main subjectsconnected to fires in road tunnels, because many research works, reflections and evenregulatory documents had been published world-wide, but a synthesis was lacking. Early resultswere published in the report prepared by the Committee on Road Tunnels for the XXth WorldRoad Congress in Montreal (1995).

The present report provides the complete state-of-the-art prepared by the working group. It isintended for all those who are interested in road tunnels design, construction, operation orsafety: owners, consultants, contractors, operators, researchers, regulators, fire brigades, etc. Itshould give them an overview, recommendations, as well as the background on the way toprovide a reasonably efficient and cost-effective protection against fire and smoke in roadtunnels. It also gives numerous literature references that should be useful to get further details.

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Cependant, une expérience et des recherches complémentaires sont toujoursnécessaires car le domaine est vaste et les questions très complexes : les incendiesdans les tunnels impliquent de nombreux phénomènes physiques, variés et interactifs,qui sont particulièrement difficiles à étudier. Nous ne possédons pas encore unecomplète compréhension du comportement d'un incendie dans un tunnel, bien que nosconnaissances augmentent rapidement grâce aux nombreuses recherches. Enconséquence, d'autres travaux sont nécessaires pour aboutir à des directives complètes,bien fondées et universellement acceptées. Le Comité AIPCR des Tunnels routierscontinuera ses efforts dans ce sens. Afin de faire progresser tous les aspects de larésistance au feu des structures de tunnel, il a établi une coopération avec l'Associationinternationale des Travaux en Souterrain (AITES) : le groupe de travail "Incendie etdésenfumage" de l'AIPCR traitera plus spécifiquement des incendies dedimensionnement et des objectifs de résistance, tandis que le groupe de travail"Entretien et réparation des ouvrages souterrains" de l'AITES examinera plutôt lesméthodes et matériaux de construction permettant d'atteindre ces objectifs.

Un facteur de risque particulièrement important vis-à-vis de la sécurité incendie entunnel est l'autorisation ou non des véhicules transportant des marchandisesdangereuses. Les critères à prendre en compte pour décider si de tels transports doiventêtre autorisés ne sont pas examinés dans le présent rapport. Le Comité AIPCR desTunnels routiers a créé un groupe de travail spécialisé pour traiter de ce sujet. Il aégalement lancé un projet de rechercher conjoint sur le Transport des marchandisesdangereuses dans les tunnels routiers avec l'Organisation de Coopération et deDéveloppement économiques (OCDE). Les résultats de ces travaux seront publiés defaçon séparée.

Le présent rapport est composé de huit chapitres, rédigés par différents rapporteurs,mais qui sont bien sûr interdépendants. Chaque chapitre rappelle en premier lieu lestravaux antérieurs de l'AIPCR. Selon les cas, il décrit ensuite des phénomènesphysiques ou présente de récents résultats de recherche. Chaque fois que possible, desrecommandations sont données ; sinon, référence est faite aux pratiques suivies danscertains pays. Des propositions de recherches à mener dans le futur sont faites. Desréférences bibliographiques sont fournies au chapitre IX.

Le Comité AIPCR des Tunnels routiers et son groupe de travail "Incendie etdésenfumage" seront heureux de recevoir tout commentaire et, plus spécialement, despropositions pour aller de l'avant.

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However, complementary experience and research are still needed because the field is quitevast and the issues very complex: fires in tunnels involve numerous, various and interactingphysical phenomena, which are particularly difficult to investigate. We do not yet have acomplete understanding of the behaviour of a fire in a tunnel, even though our knowledge isquickly improving through numerous research works. As a consequence further work will beneeded to achieve complete, well-founded and universally accepted guidelines. The PIARCCommittee on Road Tunnels will continue its efforts towards this aim. In order to advance allaspects of tunnel structures resistance to fire, it has established a co-operation with theInternational Tunnelling Association (ITA): PIARC Working Group on "Fire and Smoke Control"will deal with the design fires and resistance objectives more specifically, while ITA WorkingGroup on Maintenance and Repair of Underground Structures will rather examine theconstruction methods and materials to meet these objectives.

A very important risk factor when dealing with fire safety in a tunnel is whether vehiclestransporting dangerous goods are allowed or not. The criteria to decide when such transportshould be allowed are not examined in this report. The PIARC Committee on Road Tunnels hasestablished a specialised working group to deal with this issue. It has also launched a jointresearch project on Transport of Dangerous Goods through Road Tunnels with the Organisationfor Economic Co-operation and Development (OECD). The results of these works will bepublished separately.

This report is composed of eight sections, which have been drafted by different rapporteurs butare of course interdependent. Each section first mentions past work by PIARC. According to thecase it may then describe physical phenomena or present new research results. Wheneverpossible, recommendations are drawn; in other cases reference is made to current practice in afew countries and subjects are suggested for future research. Literature references are given insection IX.

The PIARC Committee on Road Tunnels, and its working group on Fire and Smoke Control, willwelcome all comments and especially proposals to go still farther.

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I. DES INCENDIES ET DES FUMEES

I.1 IntroductionCe premier chapitre est consacré aux objectifs de maîtrise des incendies et des fumées dansles tunnels routiers.

Dans l’idéal, ces objectifs devraient être exprimés comme des exigences fonctionnelles et noncomme des règles détaillées. Nous espérons que cela sera possible à l’avenir. Aujourd’huicependant, la sécurité dans les tunnels est le plus souvent fondée sur des règles détaillées.Cela est en grande part dû à un manque de connaissances, et d’outils et de méthodes d’étudesunanimement reconnus.

Ce chapitre tente de formuler des objectifs aussi bien qualitatifs que quantitatifs de maîtrise desincendies et des fumées. Ces objectifs peuvent être utilisés pour interpréter les résultats desdiverses méthodes d’études décrites au chapitre IV. Ils forment la base des recommandationsfaites dans les autres chapitres du rapport (chapitres IV à VIII).

Après quelques mots sur les travaux antérieurs de l’AIPCR et les directives existantes, la plusimportante partie de ce chapitre (§ I.4) décrit le contexte et les principes physiques. Enfin desrecommandations sont données (§ I.5).

I.2 Travaux antérieurs de l’AIPCRLes premières recommandations en ce domaine ont été présentées dans le rapport du Comitédes Tunnels routiers au XXe Congrès mondial de la Route [17].

I.3 Directives existantesJusqu’à présent, il n’existe pas de directives exprimées en tant qu’exigences fonctionnellespour les tunnels routiers.

I.4 Contexte et principes physiquesAfin de comprendre et d’interpréter les objectifs des règlements en matière d’incendie, il estnécessaire de posséder des connaissances de base sur la physique des incendies, les limitessupportables pour les usagers en fuite et les pompiers, aussi bien que les critères de dégâtspour la construction et l’équipement des tunnels. Afin de juger si les personnes peuvents’échapper en toute sécurité, des données sont également nécessaires sur leur vitesse demarche et sur le délai entre le début de l’incendie et celui de l’évacuation qui est la somme desdélais de détection, d’alerte, de réaction et d’évacuation du véhicule.

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I. OBJECTIVES OF FIRE AND SMOKECONTROL

I.1 IntroductionThis first section is devoted to the objectives of fire and smoke control in road tunnels.

Ideally the objectives should be expressed as function-based requirements and not as detailedregulations. It is hoped that it will be possible to do so in the future. Presently, however, safetyin tunnels is most generally based on detailed rules. This is mostly due to a lack of knowledgeand well-recognised study methods and tools.

This section attempts to formulate qualitative as well as quantitative objectives for fire andsmoke control. These objectives can be used to interpret the results of the various studymethods described in section IV. They are the background for the recommendations made inthe further sections of this report (sections IV to VIII).

After a few words on previous work by PIARC and existing guidelines, the largest part of thissection (§ I.4) describes the physical background and principles. Finally (§ I.5)recommendations are given.

I.2 Previous work by PIARCFirst recommendations in this area have been presented in the report of the Committee on RoadTunnels for the XXth World Road Congress [17].

I.3 Existing guidelinesUp to now there are no existing guidelines expressed only as functional requirements for roadtunnels.

I.4 Physical background and principlesIn order to understand and interpret the objectives of fire regulations it is necessary to havebasic knowledge in physics of fire, tenable limits for escaping people and firemen as well asdamage criteria for tunnel construction and equipment. To judge if people can escape safely,data are also necessary on the walking speed and the time between fire start and beginning ofevacuation, which consists of time for detecting, alerting, reacting and leaving vehicle.

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I.4.1 Les différents types de risques

L’incendie produit des températures élevées, des rayonnements de chaleur, de bassesconcentrations d’oxygène, une faible visibilité et divers gaz toxiques mortels et/ou corrosifs.Tous ces phénomènes physiques, dont certains peuvent être calculés avec une certaineprécision, sont dangereux pour l’homme, les ouvrages, les équipements et les véhicules.

I.4.2 Rayonnement

Le rayonnement est créé par la température et peut être exprimé comme suit pour une coucheinfinie de fumée dans laquelle la température est constante :

248 /1067,5 mWTE rf ×××= − ε éq. [1.4.2.1]

où εr est l’émissivité résultante et T la température de la fumée (en degrés kelvins).

Le niveau du rayonnement dépend de la température et de l’émissivité de la fumée. Lorsque latempérature à l’intérieur de la couche de fumée n’est pas constante, une intégration estnécessaire pour calculer le niveau de rayonnement.

Le rayonnement est produit par l’incendie lui-même et par la couche de fumée chaude(figure 1.4.2.1).

La ligne continue sur la figure 1.4.2.2 montre le rayonnement touchant une personne en fuite,calculé à partir d’une couche infinie de fumée à température constante dans toute la couche. La

ligne pointillée correspond àun tunnel de 8 m de large et6 m de haut dans lequel lafumée est descendue à 3 mau-dessus du niveau de lachaussée. Dans les deuxcas, une valeur de 0,8 estprise pour εr. Près du foyerde l’incendie, il faut en outreprendre en compte lacontribution des flammes.

Figure 1.4.2.1 - Rayonnementsur les usagers en fuite

Figure 1.4.2.1 - Radiationat escaping people

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corresponds to an infinite layer ––––– correspond à une couche infiniecorresponds to a tunnel 8 m wide,6 m high and smokeat 3 m above floor

----------correspond à un tunnel de 8 m de large,

6 m de haut et de la fuméeà 3 m au-dessus du sol

Figure 1.4.2.2 - Heat radiation at floor level Figure 1.4.2.2 - Rayonnement de chaleurau niveau du sol

I.4.1 Different kinds of threat

Fire produces high temperatures, heat radiation, low concentration of oxygen, low visibility anddifferent lethal toxic and/or corrosive gases. All these physical phenomena, some of which canbe calculated with some accuracy, can be dangerous to people, construction, equipment andvehicles.

I.4.2 Radiation

Radiation is created by temperature and may be expressed as follows for an infinite layer ofsmoke in which the temperature is constant:

248 /1067.5 mWTE rf ×××= − ε eq. [1.4.2.1]

where εr is the resulting emissivity and T the temperature of the smoke (in kelvins).

The level of radiation depends on the temperature and the emissivity of the smoke. When thetemperature within the smoke layer is not constant an integration is necessary to calculate theradiation level.

The radiation is produced by the fire itself and by the hot smoke layer (figure 1.4.2.1).

The continuous line infigure 1.4.2.2 shows thecalculated radiationaffecting escapingpeople from an infinitesmoke layer with aconstant temperature inthe whole layer. Thedashed linecorresponds to a tunnel8 m wide and 6 m highin which the smokelayer

has descended to 3 mabove road level. Avalue of 0.8 is assumedfor εr in both cases.Near the fire site acontribution from theflames should beadded.

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La figure 1.4.2.3, d’après Hymes [7], montre la durée de résistance avant blessure par brûlurepour différents flux de chaleur, jusqu’à une durée d’exposition de 100 s. Par exemple, pour unedurée d’exposition de 100 s, 11 kW/m² provoquent 50 % de décès.

Figure 1.4.2.3 - Durée de résistance à la brûlure Figure 1.4.2.3 - Tolerance times to burn injury

Purser [13] montre, dans la figure 1.4.2.4, qu’il existe une limite d’intensité relativementévidente de 2,5 kW/m2 pour la résistance à une chaleur rayonnée constante. Dans cette figure,les lettres "a" à "e" correspondent à différentes valeurs observées dans la bibliographie et lesrecherches.

A la figure 1.4.2.5, Danielsson [3] montre le moment où la douleur apparaît à différents niveauxde rayonnement constant. P est un facteur sécurité pour différents vêtements : P = 1correspond à la peau nue et P = 26 correspond à des vêtements de pompier.

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In figure 1.4.2.3, Hymes [7] shows tolerance times to burn injury levels for various incident heatfluxes up to an exposure time of 100 s. For example at a 100 seconds exposure time, 11 kW/m²creates 50% lethality.

Figure 1.4.2.4 - Time to severe skin painfor exposure to radiant heat

Figure 1.4.2.4 - Résistance à la douleuraprès exposition à une chaleur rayonnée

Purser [13] shows in figure 1.4.2.4 that there is a fairly obvious intensity limit fortolerance of constant radiant heat at 2.5 kW/m2. In this figure letters "a" to "e"correspond to different observed values in literature and investigations.

In figure 1.4.2.5 Danielsson [3] shows time until pain occurs at different constant radiationlevels. P is a safety factor for different clothes: P = 1 corresponds to naked skin and P = 26corresponds to a fire-fighter clothes.

PIARC •••• 19 •••• 05.05.B - 1999

I.4.3 Température, chaleur convectée

Purser [13] montre, dans lafigure 1.4.3.1, une courbedonnant la durée derésistance à une températureconstante apportée par l’airconvecté. Les lettres "a" à "d"cor-respondent à diffé-rentesvaleurs rele-vées dans labiblio-graphie. La durée derésistance est définie par ladouleur de l’épiderme oul’hyper-thermie. Par exemple,il est possible de résister àune tempé-rature de 80 °Cpendant 15 mn en conditionshumides.

Figure 1.4.2.5 - Résistance à ladouleur pour différents niveaux deradiationet différents facteurs de sécurité

Figure 1.4.2.5 - Time to painfor different radiation levelsand safety factors

L’équation 1.4.3.1 décrit les conditions d’une situation humide :

Tin (mn) = (temps de mise en incapacité) = e5.1849-0.0273T éq [1.4.3.1]où T est la température en °C.

Si la température n’est pas constante, comme dans une situation normale, le concept de “dose”est introduit. Puisque la durée de résistance prend la forme d’une courbe exponentielle, il estpossible de considérer la victime comme ayant absorbé une “dose” de chaleur convectée. Parconséquent, il est possible d’utiliser le concept d’une dose fractionnaire de chaleur absorbéechaque minute du point de vue de la mise en incapacité :

Flh =

15 1849 0 0273e T. .−

éq. [1.4.3.2]

où T est la température en °C durant cette minute. Lorsque la dose cumulée est supérieure à 1,la survie est menacée.

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I.4.3 Temperature, convected heat

Purser [13] shows in figure 1.4.3.1 a curve giving the tolerance time to a constant temperaturebrought by convected air. Letters "a" to "d" correspond to different observed values mentionedin literature. The tolerance time is defined by skin pain or hyperthermia. For instance atemperature of 80 °C can be withstood for 15 minutes in humid conditions.

Figure 1.4.3.1 - Tolerance time to convected heat Figure 1.4.3.1 - Durée de résistance à la chaleur convectée

Equation 1.4.3.1 describes the conditions in a humid situation:

Tin (min) = (time to incapacitation) = e5.1849-0.0273T eq [1.4.3.1]where T is the temperature in °C.

If the temperature is not constant, as in a normal situation, the "dose" concept is introduced.Since the tolerance time takes the form of an exponential curve, it is feasible to consider thevictim as taking up a "dose" of convected heat. Thereafter it is possible to use the concept of afractional incapacitating dose of heat acquired during each minute as follows:

Flh =

15 1849 0 0273e T. .−

eq. [1.4.3.2]

where T is the temperature in °C during that minute. When the cumulative fractional doseexceeds unity, life threatening conditions have occurred.

PIARC •••• 21 •••• 05.05.B - 1999

Un exemple est décrit au tableau 1.4.3.1. La dose cumulée est supérieure à 1 entre 2,5 et 3 mn.La mise en incapacité due à la douleur de l’épiderme et aux brûlures est ainsi prédite justeavant 3 mn, avec probablement de graves brûlures irréversibles de l’épiderme et, trèsprobablement, de l’appareil respiratoire supérieur, particulièrement durant la quatrième minute.

Tableau 1.4.3.1 - Exemples de températures et de prévision de "dose de chaleur"conduisant à une mise en incapacité pendant un incendie donné

Durée (mn) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Température °C 38 38 44 83 173 295 461 479

Flh

ΣΣΣΣ Flh

0

0

0

0

0,007

0,007

0,028

0,035

0,428

0,463

12,739

13,202

Ondrus [11] donne les valeurs suivantes de durée de résistance à température constante :

140 °C 5 mn115 °C 20 mn

70 °C 60 mn50 °C 3-5 h

Il est évident que des auteurs différents donnent des limites différentes de résistance.

I.4.4 Visibilité

Les propriétés de la fumée sont généralement exprimées en termes de facteur de transmissionainsi qu’en densité optique ou coefficient d’atténuation (également appelé coefficientd’extinction).

Le facteur de transmission T de la fumée est défini comme suit :

T = Ix / Io éq [1.4.4.1]où Io est l’intensité de la lumière au début du trajet and Ix l’intensité de la lumière qui subsisteaprès son cheminement.

La densité optique par unité de distance δ est reliée au facteur de transmission par l’équationsuivante :

δ = - (log10T) / x éq [1.4.4.2]où x est la distance parcourue par la lumière (longueur du trajet).

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An example is shown in table 1.4.3.1. The cumulative fractional dose exceeds unity between 2.5and 3 minutes. Incapacitation due to skin pain and burns is therefore predicted just before 3minutes, with severe and probably fatal burns of the skin and upper respiratory tract being astrong possibility, particularly during the fourth minute.

Table 1.4.3.1 - Example of temperature and predicted fractional incapacitating heat doseduring a specific fire

Time (mn) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Temperature °C 38 38 44 83 173 295 461 479

Flh

ΣΣΣΣ Flh

0

0

0

0

0,007

0,007

0,028

0,035

0,428

0,463

12,739

13,202

Ondrus [11] gives the following values for tolerance time to a constant temperature:

140 °C 5 minutes115 °C 20 minutes

70 °C 60 minutes50 °C 3-5 h

It is obvious that different authors show different tolerance limits.

I.4.4 Visibility

The properties of smoke are commonly expressed in term of transmittance as well as eitheroptical density or attenuation coefficient (also called extinction coefficient).

The transmittance T of smoke is defined as follows:

T = Ix / Io eq [1.4.4.1]where Io is the intensity of light at the beginning of the path and Ix the intensity of light remainingafter it has passed through the path length.

The optical density per unit distance δ is related to the transmittance by the following equation:

δ = - (log10T) / x eq [1.4.4.2]where x is the distance travelled by light (the path length).

PIARC •••• 23 •••• 05.05.B - 1999

Le coefficient d’atténuation (ou d’extinction) par unité de distance K est défini de la mêmemanière que la densité optique, mais utilise des logarithmes népériens :

K = - (logeT) / x éq [1.4.4.3]

K = 2.303 δ éq [1.4.4.4]Parfois, le pourcentage de perte de transmission λ est utilisé. Il est défini comme :

λ = 100 (1-T) éq [1.4.4.5]L’équation [1.4.4.2] peut alors être remplacée par :

x

)100/1(log10 λδ −=éq [1.4.4.6]

Le tableau 1.4.4.1 compare ces différentes méthodes d’expression de la perte de visibilité par lafumée.

Tableau 1.4.4.1 - Comparaison des différentes méthodes d’expression de la perte de visibilité par la fumée

Facteurde transmission ΤΤΤΤ

% de perte detransmission λλλλ

Longueur du trajetx (m)

Densité optique δδδδ(m-1)

Coefficientd’atténuation K (m -1)

1,00 0 quelconque 0 0

10 1 0,0458 0,10540,90

10 0,0046 0,0105

40 1 0,222 0,5110,60

10 0,022 0,051

70 1 0,523 1,2040,30

10 0,052 0,120

90 1 1,00 2,300,10

10 0,10 0,23

99 1 2,00 4,610,01

10 0,20 0,46

La distance de visibilité D (m) peut être calculée en utilisant le coefficient d’extinction (oud’atténuation) K (m-1) du mélange air-fumée :

D = A / K éq [1.4.4.7]dans lequel A est une constante comprise entre 2 et 6 selon les panneaux qui doivent être lus(réfléchissants ou lumineux).

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The attenuation (or extinction) coefficient per unit distance K is defined in the same way as theoptical density, but using neperian logarithms:

K = - (logeT) / x eq [1.4.4.3]

K = 2.303 δ eq [1.4.4.4]Sometimes the percentage obscuration λ is used. It is defined as:

λ = 100 (1-T) eq [1.4.4.5]Equation [1.4.4.2] can then be replaced by

δλ

=−log ( / )10 1 100

x eq [1.4.4.6]

Table 1.4.4.1 shows a comparison of these different methods of expressing smoke obscuration.

Table 1.4.4.1 - Comparison of different methods of expressing smoke obscuration

Transmittance ΤΤΤΤPercentage

obscuration λλλλPath length x

(m)Optical density δδδδ

(m-1)Attenuation

coefficient K (m -1)

1.00 0 any 0 0

10 1 0.0458 0.10540.90

10 0.0046 0.0105

40 1 0.222 0.5110.60

10 0.022 0.051

70 1 0.523 1.2040.30

10 0.052 0.120

90 1 1.00 2.300.10

10 0.10 0.23

99 1 2.00 4.610.01

10 0.20 0.46

The visibility distance D (m) can be estimated using the extinction (or attenuation) coefficient K(m-1) of the air-smoke mix:

D = A / K eq [1.4.4.7]where A is a constant between 2 and 6 depending on the signs to be seen (reflecting orilluminated).

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Fujimara [6] indique que K = 0,4 est une valeur critique du coefficient d’extinction de la fuméedans les tunnels routiers. La figure 1.4.4.1 montre la relation entre la visibilité des panneauxlumineux et le coefficient d’extinction pour de la fumée blanche irritante et non irritante.

I.4.5 Toxicité

La toxicité de la fumée d’incendie est principalement déterminée par un petit nombre de gaz quipeuvent agir de manière additionnelle, synergique ou antagoniste.

Par exemple, l’addition des effets de CO et de HCN peut être représentée par :

A[CO]

LC CO+

[HCN]LC HCN50 30 50 30

=éq [1.4.5.1]

où [ ] indique la concentration réelle,

LC50CO30 = 4 600 ppm (niveau de concentration auquel 50 % des personnes décéderont après30 mn par le seul effet du CO),

LC50HCN30 = 160 ppm (niveau de concentration auquel 50 % des personnes décéderont après30 mn par le seul effet du HCN).

Si A = 1, près de 50 % des victimes décéderont.

Si A est un peu plus grand que 1, il est probable que toutes les victimes décèdent.

Il a été démontré que cette relation était valable pour des concentration de CO et HCN égales à25, 50 et 75 % de leur valeur respective LC50 à 30 mn.

L’équation 1.4.5.1 a été appelée "l’approche par somme de fractions". Une approche plussimple considère uniquement la concentration maximale admissible pour un feu donné. Klote etMilke [9] ont présenté des niveaux globaux de mortalité pour des durées d’exposition de 5 mn et30 mn (voir tableau 1.4.5.1). Il est clair que des auteurs différents proposent des valeursdifférentes.

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Fujimara [6] indicates that K = 0.4 is a critical value for the extinction coefficient of smoke inroad tunnels. Figure 1.4.4.1 shows the relation between visibility of light emitting signs and theextinction coefficient for irritating and non irritating white smoke.

I.4.5 Toxicity

The toxicity of fire smoke is determined mainly by a small number of gases, which may actadditively, synergically or antagonis-tically.

Figure 1.4.4.1 - Relation betweenvisibility of light-emitting signsand smoke extinction coefficientfor irritating andnon irritating smoke

Figure 1.4.4.1 - Relation entrela visibilité des panneaux lumineux

et le coefficient d’extinctionpour de la fumée blanche irritante

et non irritante

For example the addition of the influence of CO and HCN may be represented by:

A[CO]

LC CO+

[HCN]LC HCN50 30 50 30

=eq [1.4.5.1]

where [ ] indicates the actual concentration,

LC50CO30 = 4600 ppm (concentration level at which 50% of people will die solelyby CO after 30 minutes),

LC50HCN30 = 160 ppm (concentration level at which 50% of people will die solelyby HCN after 30 minutes).

If A = 1, approximately 50% of the victims will die.

If A is somewhat greater than 1, all victims are expected to die.

This relation has been shown to hold for concentrations of CO and HCN equal to 25, 50 and75% of their respective 30 minutes LC50 value.

Equation 1.4.5.1 has been termed the fractional summation approach. An easier approach onlyconsiders the maximum allowable concentration for a certain fire. Klote and Milke [9] havepresented comprehensive lethal levels for 5 minutes and 30 minutes exposure (see table1.4.5.1). It is evident that different authors propose different values.

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Tableau 1.4.5.1 - Effets des gaz toxiques

LC50 présumé(pour les humains)

Gaz5 mn(ppm)

30 mn(ppm)

Référence

Données de référence (espèces, mn)h=homme, r=rat, m=souris,

p=primate, gpg=cochon d’inde,ham=hamster, rbt=lapin

CO2dioxyde decarbone

> 150 000 > 150 000 Levin et al. (1987b) r

C2H4O acétaldéhyde > 20 000Sax (1984)

ACGIH (1980)

LC(m,240)=1500LC°(R,240)=4000; LC(ham,250)=17,000LC(r,30)=20,000; LC(r,420)=16,000

C2H4O2 acide acétique 11 000 Levin et al. (1987b) LC(m,60)=5620

NH3 ammoniac 20 000 9 000Sakurai (1988)Nishimaru (1985)

EC(m,5)=20,000; EC(m,30)=4400EC(r,5)=10,000; EC(r,30)=4000

HCl gaz chlorhydrique 16 000 3 700Hartzell et al. (1985)Higgins et al. (1972)

r, pLC(r,5)=40,989

COmonoxydede carbone

3 000Levin et al. (1987b)Kimmerle (1974)

LC(r,30)=4600LC(h,30)=3000

HBrbromured’hydrogène

3 000 Sax (1984) LC(m,60)=814; LC(r,60)=2858

NO monoxyde d’azote 10 000 2 500 ACGIH (1980)1/5 aussi toxique que NO2

LC(h,1)=15,000COS carbonyle sulfide 2 000 Sax (1984) LC0 (var.,35-90)=1000-1400

H2S hydrogène sulfuré 2 000Sax (1984)

Kimmerle (1974)

LC(m,60)=673; LC0(h,30)=600;LC0(ham),5=800LC(h,30)=2000

HFfluorured’hydrogène

10 000 2 000

Sax (1984)

Higgins et al. (1972)Kimmerle (1974)

LC(gpg,15)=4327; LC(p,60)=1774;LC0(h,30)=50LC(m,60)=456; LC(r,60)=1276LC(r,5)=18 200LC(gpg,2)=300; LC(m,5)=6247;LC(r,5)=18 200

C3H4N acrylonitrile 2 000 Sax (1984) LC(gpg,240)=56; LC(r,240)=500COF2 carbonyle fluoride 750 ACGIH (1980) LC(r,60)=360

NO2 dioxyde d’azote 5 000 500Sakurai (1988)Nishimaru (1985)Higgins (1972)

EC(m,5)=2 500; EC(m,30)=700EC(r,5)=5 000; EC(r,30)=300LC(m,5)=83 331; LC(r,5)=1 880

C3H5O acroléine 750 300Sax (1984)Kaplan et al. (1984)

LC(m,360)=66; LC0=(p,10)=153LC(p,5)=505 à 1 025

CH2O formaldéhyde 250Sax (1984)Kimmerle (1974)ACGIH (1980)

LC0(r,240)=250LC(r,30)=250; LCj(r,240)=830(??)LC(chat,480)=700; LC(m,120)=700

SO2 dioxyde de soufre 500Sax (1984)Kimmerle (1974)

rongeurs, LC°(m,300)=6 000LC(var.,5)=600 à 800

HCNacidecyanhydrique

280 135Levin et al. (1987b)Higgins et al. (1972)Kimmerle (1974)

LC(r,5)=570; LC(r,30)=110LC(r,5)=503; LC(m,5)=323LC(h,30)=135; LC(h,5)=280

C9H6O2N2toluènedisocyanate ≈100

Sax (1984)

Kimmerle (1974)

LC(gpg,240)=13; LC(rbt,180)=1 500LC(r,360)=600; LC(m,240)=10LC(m, r, rbt, gpg, 240)=9.7 à 13.9

COCl2 phosgène 50 90Sax (1984)Clayton & Clayton (1982)

50 ppm (courte exposition)LC(h,30)=90

C4F8 perfluoroisobutylène 28 6 Sax (1984) LC(r,10)=17LC(r,5)=28

Notes : EC =concentration pour effet, LC 0 = concentration à laquelle les premiers effets mortels sont observés,LC = LC50

AIPCR •••• 28 •••• 05.05.B - 1999

Table 1.4.5.1 - Effects of toxic gases

Assumed LC 50

(for humans)Gas

5 min(ppm)

30 min(ppm)

Reference

Reference Data (species, minutes)h=man, r=rat, m=mouse,

p=primate, gpg=guinea pig,ham=hamster, rbt=rabbit

CO2 carbon dioxide >150,000 >150,000 Levin et al. (1987b) r

C2H4O acetaldehyde > 20,000Sax (1984)

ACGIH (1980)

LC(m,240)=1500LC°(R,240)=4000; LC(ham,250)=17,000LC(r,30)=20,000; LC(r,420)=16,000

C2H4O2 acetic acid 11,000 Levin et al. (1987b) LC(m,60)=5620

NH3 ammonia 20,000 9,000Sakurai (1988)Nishimaru (1985)

EC(m,5)=20,000; EC(m,30)=4400EC(r,5)=10,000; EC(r,30)=4000

HCl hydrogen chloride 16,000 3,700Hartzell et al. (1985)Higgins et al. (1972)

r, pLC(r,5)=40,989

CO carbon monoxide 3,000Levin et al. (1987b)Kimmerle (1974)

LC(r,30)=4600LC(h,30)=3000

HBr hydrogen bromide 3,000 Sax (1984) LC(m,60)=814; LC(r,60)=2858

NO nitric oxide 10,000 2,500 ACGIH (1980)1/5 as toxic as NO2

LC(h,1)=15,000COS carbonyl sulfide 2,000 Sax (1984) LC0 (var.,35-90)=1000-1400

H2S hydrogen sulfide 2,000Sax (1984)

Kimmerle (1974)

LC(m,60)=673; LC0(h,30)=600;LC0(ham),5=800LC(h,30)=2000

HF hydrogen fluoride 10,000 2,000

Sax (1984)

Higgins et al. (1972)Kimmerle (1974)

LC(gpg,15)=4327; LC(p,60)=1774;LC0(h,30)=50LC(m,60)=456; LC(r,60)=1276LC(r,5)=18 200LC(gpg,2)=300; LC(m,5)=6247;LC(r,5)=18 200

C3H4N acrylonitrile 2,000 Sax (1984) LC(gpg,240)=56; LC(r,240)=500COF2 carbonyl fluoride 750 ACGIH (1980) LC(r,60)=360

NO2 nitrogen dioxide 5,000 500Sakurai (1988)Nishimaru (1985)Higgins (1972)

EC(m,5)=2 500; EC(m,30)=700EC(r,5)=5 000; EC(r,30)=300LC(m,5)=83 331; LC(r,5)=1 880

C3H5O acrolein 750 300Sax (1984)Kaplan et al. (1984)

LC(m,360)=66; LC0=(p,10)=153LC(p,5)=505 to1 025

CH2O formaldehyde 250Sax (1984)Kimmerle (1974)ACGIH (1980)

LC0(r,240)=250LC(r,30)=250; LCj(r,240)=830(??)LC(cat,480)=700; LC(m,120)=700

SO2 sulfur dioxide 500Sax (1984)Kimmerle (1974)

rodents poor, LC°(m,300)=6 000LC(var.,5)=600 to 800

HCN hydrogen cyanide 280 135Levin et al. (1987b)Higgins et al. (1972)Kimmerle (1974)

LC(r,5)=570; LC(r,30)=110LC(r,5)=503; LC(m,5)=323LC(h,30)=135; LC(h,5)=280

C9H6O2N2toluenedisocyanate ≈100

Sax (1984)

Kimmerle (1974)

LC(gpg,240)=13; LC(rbt,180)=1 500LC(r,360)=600; LC(m,240)=10LC(m, r, rbt, gpg, 240)=9.7 to 13.9

COCl2 phosgene 50 90Sax (1984)Clayton & Clayton (1982)

rec. 50 ppm short exp.LC(h,30)=90

C4F8 perfluoroisobutylene 28 6 Sax (1984) LC(r,10)=17LC(r,5)=28

Notes: EC is concentration for effect, LC 0 concentration at which first lethal effects are observed,and LC stands for LC 50

PIARC •••• 29 •••• 05.05.B - 1999

I.4.6 Durée de fuite

I.4.6.1 Vitesse de marche

Il existe de nombreuses informations sur la vitesse de marche sous conditions différentes, parexemple dans les immeubles et les stations de métro. Elles montrent que la vitesse de marchedans un environnement non enfumé varie entre 1 et 2 m/s. La figure 1.4.6.1 présente la vitessede marche en présence de fumée irritante et non irritante.

Il n’existe pas de données sur la vitesse d’évacuation dans un tunnel routier, mais une bonneestimation pourrait être de l’ordre de 0,5 à 1,5 m/s selon, entre autres, la visibilité dans lafumée, l’éclairement et le dimensionnement des panneaux indiquant la sortie.

I.4.6.2 Délai avant le début du déplacement

Comme indiqué précédemment, il est nécessaire d’additionner les délais de détection etd’alerte et ceux de réaction et de sortie du véhicule à la durée du déplacement vers un lieu sûr,afin de savoir si les personnes peuvent évacuer en toute sécurité.

La somme des délais de détection et d’alerte dépend du type de détection de l’incendie et de lamanière dont les informations relatives à l’incendie sont répercutées sur les automobilistes. Cedélai peut donc aller de 2 à 5 mn dans les tunnels surveillés, peut-être beaucoup plus dans lestunnels non surveillés.

La somme des délais de réaction et de sortie du véhicule est également difficile à estimer etest, par exemple, plus grande pour les passagers d’un autobus que pour ceux d’uneautomobile. La somme de ces délais peut donc varier entre 0,5 et 5 mn.

I.5 RecommandationsLes objectifs des dispositions destinées à faire face aux incendies en tunnel sont par ordred’importance décroissante :

sauvegarder les vies humaines en permettant l’évacuation,rendre possibles les opérations de secours et de lutte contre l’incendie,éviter les explosions,limiter les dommages sur le génie civil et les équipements du tunnel et sur les constructionsvoisines.

AIPCR •••• 30 •••• 05.05.B - 1999

I.4.6 Escape time

I.4.6.1 Walking speed

There is a lot of information on walking speed during different conditions in for examplebuildings and underground stations. These show that the walking velocity in a smoke-freeenvironment varies between 1.0 and 2.0 m/s. In figure 1.4.6.1 the walking speed is shown for

non-irritating and irrita-tingsmoke.

There is no data on theevacuation speed in a roadtunnel but a good guess isthat it may be of the order of0.5-1.5 m/s depen-ding onvisibility in the smoke,illumi-nance and design ofexit signs among otherthings.

Figure 1.4.6.1 - Walking speedin irritating andnon-irritating smoke

Figure 1.4.6.1 - Vitesse de marcheen présence de fumée irritante

et non irritante

I.4.6.2 Time before starting walking

As mentioned earlier, it is necessary to add the times for detection and alerting, and the times toreact and leave the vehicle, to the walking time to a safe place, in order to know if people canescape the fire safely.

The sum of detection and alerting times depends on the type of fire detection and how theinformation of a fire is given to people in the cars. This time therefore can be of the order of 2-5minutes in manned tunnels, maybe much more in non-manned tunnels.

The sum of the times to react and leave the vehicle is also difficult to estimate and is longer forexample for people in a bus than in a car. The sum of these times may therefore vary between0.5 and 5 minutes.

I.5 RecommendationsIn order of importance, the aims of fire and smoke control in tunnels are:

• to save lives by making users evacuation possible,• to make rescue and fire fighting operations possible,• to avoid explosions,• to limit damage to tunnel structure and equipment and to surrounding buildings.

PIARC •••• 31 •••• 05.05.B - 1999

Chacun de ces buts peut être pondéré différemment, en fonction de la politique suivie parchaque pays, du type de tunnel (immergé, urbain, etc.) et de son mode d’exploitation. Celaconcerne tout particulièrement la protection du tunnel lui-même, qui peut être considéréecomme plus ou moins nécessaire.

Il est possible de donner des estimations approximatives des conditions qui doivent êtremaintenues dans le tunnel pour les opérations d’évacuation et de lutte contre l’incendie. Letemps nécessaire pour l’évacuation peut être de plusieurs minutes, en fonction de la distancepar rapport aux sorties et de la vitesse à laquelle marchent les usagers. La vitesse normaled’accès à une issue de secours est de 1,5 m/s, mais elle peut être réduite à 1 m/s, ou mêmemoins (jusqu'à 0,5 m/s), en présence de fumée.

Rayonnement maximal

Près du foyer, le rayonnement résulte du feu lui-même et de la fumée chaude. A plus grandedistance du foyer, ce n’est que la température de la fumée qui peut donner lieu à des conditionsdangereuses.

Pour que l’évacuation soit possible, le niveau de rayonnement doit être inférieur à la limiteprovoquant une forte douleur sur la peau nue pour une exposition de quelques minutes : leseuil est approximativement de 2 à 2,5 kW/m². Les pompiers peuvent normalement supporterun niveau de rayonnement de 5 kW/m². Leur temps d’intervention ne peut pas excéder 30minutes, avec le port d’un respirateur.

Température maximale de l’air

Pour permettre l’évacuation, la température de l’air ne doit pas excéder 80°C, cette températurepouvant être tolérée pendant 15 mn.

Visibilité minimale

Une distance de visibilité d’au moins 7 m est nécessaire pour marcher aisément dans uneatmosphère enfumée. Pour pouvoir lire les panneaux de signalisation, cette distance doit êtrede 15 m. Il faut par conséquent rechercher une distance minimale de visibilité de 7 à 15 m pourles opérations d’évacuation et de lutte contre l’incendie.

Toxicité

Aucune méthode fiable n’est connue pour calculer la concentration en gaz toxiques ou irritantsdégagés par un incendie de véhicule. Des concentrations maximales ne sont donc pas donnéesici. Il est probable que, dans de nombreux incendies en tunnel, l’obtention d’une visibilitéminimale maintiendra les concentrations en gaz dangereux en dessous du niveau admissiblepour l’évacuation.

AIPCR •••• 32 •••• 05.05.B - 1999

According to the policy of each country, the type of the tunnel (immersed, urban, etc.) and itsmode of operation, different weights may be given to the above aims. This particularly concernsthe protection of the tunnel itself, which may be considered more or less necessary.

It is possible to give rough estimates of the tunnel conditions that must be maintained forevacuation and fire-fighting operations. Evacuation time can be several minutes, depending ondistance to exits and walking speed. Whilst normal walking speed to emergency exits is about1.5 m/s, it may be reduced to about 1 m/s or even less (down to 0.5 m/s) due to the presence ofsmoke.

Tolerable radiation

Near the fire, the radiation is created by the fire itself as well as the hot smoke. Further away itis only the smoke temperature which creates a dangerous condition.

To make evacuation possible, the radiation level must be under the limit which causes severepain on bare skin for an exposure of several minutes: the threshold value is roughly 2 to 2.5kW/m². Fire-fighters can normally withstand a radiation level of 5 kW/m². Their operation time isnot longer than 30 minutes wearing a breathing apparatus.

Tolerable air temperature

To make evacuation possible, the air temperature should not be higher than 80°C, which can betolerated during 15 minutes.

Minimum visibility

A visibility distance of at least 7 m is necessary to walk smoothly in a smoky atmosphere. Toread the signs this distance must be 15 m. Accordingly a minimum visibility distance of 7 to 15m must be aimed at for evacuation and fire-fighting operations.

Toxicity

There is no reliable published method to calculate the concentration of the toxic or irritant gasesreleased in a vehicle fire. Therefore tolerable concentrations are not given here. It is expectedthat in many tunnel fires, ensuring the minimum visibility will maintain the dangerous gasesconcentrations under the tolerable limit for evacuation.

PIARC •••• 33 •••• 05.05.B - 1999

Écaillage du béton

L’écaillage du béton ne doit pas empêcher les usagers de s’échapper, ni être à l’origine deblessures pour les pompiers. Le béton peut commencer à s’écailler à une températuresuperficielle de 150 à 200°C. Cette limite peut être inférieure pour les tunnels sans revêtementou revêtus d'une maçonnerie en pierre naturelle. L’écaillage n’apparaissant généralementqu’après quelques minutes, il ne pose généralement pas de problème pour les usagers en fuite.Mais il peut représenter un danger pour les pompiers.

Chute d’équipements

Les équipements lourds ne doivent pas tomber sur les personnes se trouvant à l’intérieur dutunnel. Cela signifie qu’aucun gros appareil ne doit tomber pour une température inférieure à400-450°C pendant le temps nécessaire pour combattre l’incendie (dans un tunnel, cestempératures peuvent produire un rayonnement d’environ 5 kW/m2 qui correspond à la valeurmaximale admissible pour les pompiers).

Résistance à la chaleur des équipements

Un nombre suffisant de ventilateurs et d’autres moyens de protection contre l’incendie doitrésister à la chaleur suffisamment longtemps pour contrôler les fumées pendant la fuite desusagers et les opérations de lutte contre l’incendie.

I.6 Besoins en recherchesDe nombreux domaines énoncés ci-avant nécessitent encore des recherches supplémentaires.Il est particulièrement nécessaire d'améliorer les modèles d’évacuation. Il faut également tenircompte des difficultés des personnes handicapées.

AIPCR •••• 34 •••• 05.05.B - 1999

Spalling of concrete

Spalling concrete must not prevent people from escaping or injure firemen. Spalling of concretemay start at a surface temperature of 150-200°C. For tunnels with no lining or with natural stonemasonry, this limit can be lower. As spalling generally begins only after a few minutes, it willgenerally not be a problem for escaping people. However, it may be a danger for firemen.

Fall of pieces of equipment

Heavy tunnel equipment must not fall down when people are in the tunnel. This means that noheavy item must fall under 400-450 °C during the time necessary to fight fire (in a tunnel thesetemperatures can produce a radiation level of about 5 kW/m², which is the maximum tolerablevalue for firemen).

Heat resistance of equipment

A sufficient number of fans and other fire protection measures must withstand heat long enoughto control smoke during escape and fire fighting.

I.6 Needs for researchMany fields connected with the above issues still require further research. More knowledge isespecially needed with regards to evacuation models. Taking into account the problems raisedby disabled people should also be considered.

PIARC •••• 35 •••• 05.05.B - 1999

II. RISQUE INCENDIE ET INCENDIESDE DIMENSIONNEMENT

II.1 IntroductionCe chapitre traite de la fréquence et de l’intensité des incendies dans les tunnels routiers. Derécents résultats tirés d’évaluations statistiques (II.3) et d’expérimentations d’incendies (II.4)sont utilisés pour actualiser les travaux antérieurs de l’AIPCR.

L’un des buts importants de ce chapitre est de spécifier les incendies de dimensionnement vis-à-vis de :

• l’ingénierie du système de ventilation (par exemple, production de chaleur, gaztoxiques et fumée),

• la formation des personnels devant affronter les incendies en tunnel routier (parexemple, pompiers, personnel de contrôle des tunnels).

Il faut prendre en compte le transport des marchandises dangereuses dans le tunnel quand ilest autorisé (par exemple, camions citernes). Comme indiqué dans l'introduction générale auprésent rapport, la façon de décider dans quelles conditions ce type de transport doit êtreautorisé n'est pas examinée ici. Le Comité AIPCR des Tunnels routiers a mis en place ungroupe de travail spécialisé pour traiter de cette question. Il a aussi lancé un projet derecherche conjoint sur le sujet avec l'Organisation de Coopération et de Développementéconomiques (OCDE). Il sera rendu compte de ces travaux de façon séparée. Le présentrapport considère la décision d'autoriser ou d'interdire les marchandises dangereuses commeune donnée et propose des incendies de dimensionnement et des mesures de protectionadaptées à chaque cas.

Ce chapitre traite également des scénarios d’incendie qui doivent être utilisés pour :

• l’ingénierie de la structure du tunnel (par exemple, conception du ferraillage deséléments en béton, éviter des faiblesses structurelles des tunnels sous-fluviaux),

• l’essai d’incendie des éléments structurels (par exemple, panneaux résistant au feu),• l’essai d’incendie des équipements du tunnel (par exemple, accélérateurs,

précipitateurs électrostatiques, éclairage, câbles).

Les futurs travaux sur la résistance au feu des structures seront conduits conjointement avecl’AITES (Association internationale des Travaux en Souterrain), car l’AITES traite de l’ingénieriede la structure des tunnels.

De nombreux pays ont inclus dans leurs recommandations des règles de conception visant lasécurité incendie ou travaillent actuellement sur la préparation de telles règles. La plus grandepart de ces travaux est fondée sur le rapport du Comité AIPCR des Tunnels routiers présenté àBruxelles en 1987 [19]. Depuis, des progrès ont été accomplis. Des essais d’incendie, EUREKAen Norvège [20] et Memorial Tunnel aux États-Unis [22], ont été réalisés, ainsi que desincendies contrôlés de quelques véhicules dans de nouveaux tunnels avant leur ouverture à lacirculation (en France et en Espagne [23 ; 24]).

AIPCR •••• 36 •••• 05.05.B - 1999

II. FIRE RISK AND DESIGN FIRES

II.1 IntroductionThis section deals with frequencies and intensities of fires in road tunnels. Recent results ofstatistical evaluations (chapter II.3) and fire experiments (chapter II.4) are used to updateexisting PIARC work.

One important aim of this section is to specify design fires with regard to:

• the engineering of the ventilation system (e.g. heat, toxic gas and smoke productionrates),

• the training of people dealing with fires in road tunnels (e.g. fire brigades, supervisingstaff at tunnel sites).

This must take into account transport of dangerous goods through the tunnel (e.g. petroltankers) when allowed. As stated in the general introduction of this report, the way to decideunder which conditions such transport should be allowed is not examined here. The PIARCCommittee on Road Tunnels has established a specialised working group to deal with thisissue. It has also launched a joint research project on this subject with the Organisation forEconomic Co-operation and Development (OECD). These works will be reported separately.This report takes the decision concerning authorisation or banning of dangerous goods as adata and proposes design fires and protective measures adapted to each case.

This section also deals with fire scenarios which should be used with regard to:

• the engineering of the tunnel structure (e.g. layout of the reinforcement of concreteelements, avoidance of structural weakness for tunnels beneath rivers),

• the fire testing of structural elements (e.g. fire-resistant panels), and• the fire testing of tunnel equipment (e.g. jet fans, electrostatic precipitators, lighting,

cables).

Further work on fire resistance of structures will be carried out together with the InternationalTunnelling Association (ITA), because ITA is dealing with the structural engineering of tunnels.

Several countries have included principles for a fire-safe design in their tunnellingrecommendations or are working on the preparation of such principles. Much work is based onthe report of the PIARC Committee on Road Tunnels presented at Brussels in 1987 [19]. Sincethen further advances have been achieved. The EUREKA fire tests in Norway [20] and theMemorial Tunnel tests in the United States [22] have been performed, as well as a controlledburning of some cars in newly constructed tunnels (in France and Spain [23; 24]) before theiropening to traffic.

PIARC •••• 37 •••• 05.05.B - 1999

Ces expériences ont permis d’acquérir des connaissances supplémentaires sur les modèles demécanique des fluides et les simulations numériques. Ces travaux sont encore en cours. Aussice chapitre ne peut-il comporter que des résultats intermédiaires sur les risques d’incendie etles incendies de dimensionnement.

Au moment de la compilation des chapitres suivants, il est apparu qu’il existe des rapportsdétaillés sur les incendies dans les tunnels. Les descriptions des conditions que les incendiesde dimensionnement doivent remplir (par exemple, comment tester la résistance à la chaleurdes installations techniques des tunnels routiers) sont, elles, beaucoup plus rares. Les futurstravaux de l’AIPCR devraient donc se concentrer davantage sur des scénarios d’incendieappropriés et, ensuite, définir des incendies de dimensionnement pour respecter ces scénarios(par exemple, en vue de réaliser des essais ou la ventilation).

II.2 Travaux antérieurs de l’AIPCRL’AIPCR a réalisé un travail important sur la ventilation dans les tunnels routiers. Initialement,ce travail était axé sur la dilution des gaz d’échappement, afin de limiter les niveaux de CO etd’opacité. Le désenfumage a été abordé pour la première fois au Congrès de Tokyo en 1967,suite aux essais dans le tunnel de l'Ofenegg (Suisse) [25]. Des recommandations plus précisesfurent présentées dans les rapports de Vienne (1979) [26], de Sydney (1983) [27] etprincipalement de Bruxelles (1987) [19]. Ce dernier synthétise les données sur la chaleur et lafumée générées par un incendie, et sur le mouvement de la fumée dans le tunnel selon lecourant d’air longitudinal et l’intensité de l’incendie. De nombreux pays [28] utilisent toujoursces informations comme base de conception de leurs systèmes de désenfumage.

Des tentatives ont également été faites pour déterminer la fréquence des incendies et évaluerleurs causes. Des mesures supplémentaires, comme le contrôle des systèmes de ventilation,l’utilisation d’extincteurs et de sprinklers, ont été présentées dans les mêmes rapports et dansles suivants [18 ; 17]. Les pratiques actuelles pour la protection des structures et deséquipements contre les incendies ont été rassemblées et publiées en 1991 [51]. Desstatistiques sur les pannes, les accidents et les incendies dans les tunnels ont souvent étépubliées par le Comité AIPCR des Tunnels routiers, la dernière fois dans [33].

II.3 Fréquence des incendiesCe sont généralement les véhicules empruntant le tunnel qui sont impliqués dans lesincendies ; les principales causes sont :

• des défauts électriques (le plus souvent pour les véhicules légers),• la surchauffe des freins (selon des statistiques françaises [29], environ 60 à 70 % des

incendies impliquant des poids lourds),• d’autres défauts conduisant à ce qu'un véhicule prenne feu sans cause extérieure.

D’autres causes bien moins fréquentes sont citées :

• collisions,• défauts techniques des équipements du tunnel (qui prennent feu d'eux-mêmes),• travaux d’entretien dans les tunnels.

AIPCR •••• 38 •••• 05.05.B - 1999

Further knowledge was gained by experiments with fluid mechanics models and CFD computersimulations. This work is still in progress. So this section can only give interim results on fire riskand design fires.

When compiling the following chapters it showed up that there are detailed reports on tunnelfires. Descriptions of requirements that design fires should fulfil (e.g. testing the heat resistanceof technical installations in road tunnels) are far more rare. Future PIARC work therefore shouldfocus more on the definition of relevant fire scenarios and thereafter specify design fires tocover these scenarios (e.g. testing purposes, ventilation purposes).

II.2 Previous work by PIARCImportant work has been done by PIARC on the ventilation of road tunnels. Initially this wasmainly directed towards the dilution of exhaust gases, in order to limit the CO and opacitylevels. The issues of smoke control were approached first at the Tokyo Congress in 1967,following the fire tests in the Ofenegg tunnel (Switzerland) [25]. More accuraterecommendations were given in the Vienna (1979) [26], Sydney (1983) [27] and principallyBrussels (1987) [19] reports. This last summarises data on smoke and heat generation from afire, and on smoke movement along the tunnel according to the longitudinal airflow and fireintensity. This information is still used as a basis to design smoke removal systems in manycountries [28].

Also attempts were made to derive fire frequencies and to evaluate the causes of fire events.Further countermeasures like control of the ventilation system, use of fire extinguishers andsprinklers were discussed in the same and further reports [18; 17]. Current practice for fireprotection of structures and equipment was reviewed and published in 1991 [51]. Statistics onbreakdowns, accidents and fires in tunnels have often been published by the PIARC Committeeon Road Tunnels, the last time in [33].

II.3 Frequency of firesFires in road tunnels generally concern vehicles using the tunnel and are caused mainly by:

• electrical defects (most frequent for light vehicles),• brake overheating (according to French statistics [29] in about 60% to 70% of the fire

events for lorries),• other defects leading to the self-ignition of a vehicle.

Other causes are mentioned but are far less frequent:

• collisions,• technical defects (self-ignition) of tunnel equipment, and• maintenance work in tunnels.

PIARC •••• 39 •••• 05.05.B - 1999

Cependant, la plupart des incendies sont provoqués par la circulation traversant le tunnel etnon par les équipements du tunnel ou des travaux d’entretien. Certains des incendies les plusgraves connus à ce jour ont démarré à la suite d’accidents (par exemple, collisions avant-arrière).

En théorie, la fréquence des incendies dans les tunnels est liée à la longueur du tunnel, ladensité de circulation, le contrôle de la vitesse et la pente de la route. Cela doit être pris encompte lors de la comparaison de différents tunnels. Par conséquent, la fréquence desincendies est évaluée non seulement en nombre par tunnel, mais également en nombre par véhx km pour incorporer les effets globaux de la longueur du tunnel et de la densité de circulation.

Bien que de nombreux incendies dans les tunnels soient connus, il n’existe que des statistiqueslimitées couvrant totalement un intervalle de temps (par exemple, une année civile). Les tauxd’occurrences et d’incendies pour 45 tunnels sont donnés, dans la limite des donnéesdisponibles, aux tableaux 2.3.1 et 2.3.2.

Les taux sont calculés selon l’exemple ci-dessus du Tunnel de l’Elbe [30] :

• période d’observation : 2 ans• longueur du tunnel (avec bretelles) : 3,3 km• nombre de véhicules traversant le tunnel : 37 106 véh./an• pourcentage de poids lourds : 15 %• nombre d’événements concernant des voitures particulières

pendant la période d’observation 13• nombre d’événements concernant des poids lourds

durant la période d’observation 9

A partir de ces données, des taux d’incendie exprimés en termes de cas d’incendie par véh xkm ont été calculés pour le Tunnel de l’Elbe à Hambourg (Allemagne) :

• voitures particulières

kmvéh.

cas.

3.30,15)(110372

13VL

6 ××−×××=

VL = 6,3 cas par 108 véh x km

• véhicules lourds

kmvéh.

cas

3,30,1510372

9PL

6 ××

××××=

PL = 24,6 cas par 108 véh x km

• tous véhicules confondus

kmvéh.

cas

3,310372

913PLVL

6 ××

×××+

=+

VL + PL = 9,0 cas par 108 véh x km

AIPCR •••• 40 •••• 05.05.B - 1999

Most fires, however, are generated by the traffic passing through a tunnel and not by tunnelequipment or maintenancework. So-me of the mostserious fires known yet starteddue to accidents (e.g. front-back-collisions).

Photo 2.1 - Fire following anaccident in the Velsen Tunnel(Netherlands) in 1978

Photo 2.1 - Incendie à la suite d’unaccident dans le Tunnel de Velsen(Pays-Bas) en 1978

In theory the frequency oftunnel fires is related to itemslike tunnel length, traffic

density, speed control and slope of the road. This has to be accounted for when comparingdifferent tunnels. Therefore the frequency of fire is rated not only by number per tunnel but alsoby number per vehicles x kilometres to include the gross effects of tunnel length and trafficdensity.Although many fires in tunnels are known there are only limited statistics covering a timeinterval (e.g. a calendar year) completely. Number of occurrences and fire rates from 45 tunnelsare given in tables 2.3.1 and 2.3.2 as far as available.

Rates are calculated according to the example given beneath for the Elb Tunnel [30]:• observation period 2 years• tunnel length (with ramps) 3.3 km• number of vehicles passing the tunnel 37 106 veh./year• portion of heavy good vehicles 15%• number of events with passenger vehicles

in the observation period 13• number of events with heavy good vehicles

in the observation period 9From these data the rates of fire expressed as cases of fire per vehicle x kilometre werecalculated for the Elb Tunnel in Hamburg, Germany:

• passenger vehicles

PV13

2 37 10 (1 0.15) 3.3.

casesveh. km6=

× × × − × ×PV = 6.3 cases per 108 veh. x km

• heavy vehicles

HGV9

2 37 10 0.15 3.3cases

veh. km6=× × × ×

××

HGV = 24.6 cases per 108 veh x km

• all vehicles together

PV HGV13 9

2 37 10 3.3cases

veh. km6+ = +× × ×

××

PV + HGV = 9.0 cases per 108 veh x km

PIARC •••• 41 •••• 05.05.B - 1999

Tab

ncendies

lourds Tous véhicules

taux[108 véh

x km]

nombre taux[108 véh

x km]

C-

0,0

-

0

0,3

0,0

0,0

1,9

0,0

6

8

6

1,8

1,8

1,8

Al24,6 22 9,0

P0,0

0,0

0

0

0,0

0,0

N - - 2,0

0,0

-

-

0,0

0

-

-

0

0,0

0,7

15,5

0,0

Roy - - 25,0

É

-

-

-

-

-

-

23,0

14,0

15,0

le 2.3.1 - Occurrence des incendies dans des tunnels urbains de plusieurs pays [18 ; 21 ; 29 ; 30 ; 31 ; 32 ; 33]

Cas d’i

Voituresparticulières

Poids

Pays TunnelLongueu

r

[m]

Années

observées

Trafic

moyen annuel

[106 véh/an] nombre taux[108 véh

x km]

nombre

anada- Ville-Marie

- L.. HippolyteLafontaine

2 800

1 400

1988 - 1991

1987 - 1991

28,5

40,0

-

0

-

0,0

-

0

France- Croix Rousse

- Fourviere

- Vieux Port

1 800

1 800

600

1985 - 1991

1985 - 1991

1989 - 1994

29,4

34,9

23,9

6

7

6

2,0

1,8

2,0

0

1

0

lemagne - Elbe3 300(avec

rampes)

1990 - 1991 37,0 13 6,3 9

ays-Bas- Bénélux

- Coen

1 300

1 200

1986 - 1988

1986 - 198825,0

30,0

0

0

0,0

0,0

0

0

orvège - Oslo 1 800 1990 - 1993 18,3 - - -

Suède

- Fredhall

- Söder

- Klara

- Karlberg

200

1 100

500

500

1987 - 1991

1987 - 1991

1987 - 1991

1987 - 1991

36,8

25,6

9,6

9,6

0

-

-

0

0,0

-

-

0,0

0

-

-

0

aume-Uni - Tyne 1 700 1987 - 1992 9,7 - - -

tats-Unis

- BrooklynBattery

-QueensMidtow

n

- Lincoln

3 200

2 800

2 500

1989 - 1991

1989 - 1991

1987 - 1991

21,0

26,4

38,3

-

-

-

-

-

-

-

-

-

AIPCR •••• 42 •••• 05.05.B - 1999

Table 2.3.

of fires

ies All vehicles

Count Rate[108 veh

x km]Number

Rate[108 veh

x km]

Cana-

0.0-0

0.30.0

Franc0.01.90.0

686

1.81.81.8

Germa 24.6 22 9.0

Netherla 0.00.0

00

0.00.0

Norw - - 2.0

Swed

0.0--

0.0

0--0

0.00.7

15.50.0

UniteKingdo - - 25.0

USA---

---

23.014.015.0

PIARC •••• 43 •••• 05.05.B - 1999

1 - Occurrence of tunnel fires in urban tunnels of several countries [18; 21; 29; 30; 31; 32; 33]

Cases

Passenger cars Lorr

ry TunnelLength

[m]Years

inquired

Averageannual traffic[106 veh/year] Number

Rate[108 veh

x km]Number

da- Ville-Marie- L.. HippolyteLafontaine

28001400

1988 - 19911987 - 1991

28.540.0

-0

-0.0

-0

e- Croix Rousse- Fourviere- Vieux Port

18001800600

1985 - 19911985 - 19911989 - 1994

29.434.923.9

676

2.01.82.0

010

ny - Elbe3300(with

ramps)1990 - 1991 37.0 13 6.3 9

nds - Benelux- Coen

13001200

1986 - 19881986 - 1988

25.030.0

00

0.00.0

00

ay - Oslo 1800 1990 - 1993 18.3 - - -

en

- Fredhall- Söder- Klara- Karlberg

2001100500500

1987 - 19911987 - 19911987 - 19911987 - 1991

36.825.69.69.6

0--0

0.0--

0.0

0--0

dm - Tyne 1700 1987 - 1992 9.7 - - -

- BrooklynBattery- QueensMidtown- Lincoln

320028002500

1989 - 19911989 - 19911987 - 1991

21.026.438.3

---

---

---

Cas d’incendies

Poids lourds Tous véhicules

xéh]

nombretaux[108

véhx km]

nombretaux

[108 véhx km]

4

0001

0,00,00,03,4

1111

1,32,08,08,1

0 0,0 0 000-

0,00,0

-

00-

0,00,0

19,000-

0,00,0

-

00-

0,00,00,7

15

40,022,6

26

1,16,8

0000

0,00,00,00,0

0000

0,00,00,00,0

0 0,0 0 0,0-00

-0,00,0

-00

2,50,00,0

617

12,712,9

921

8,65,4

- - - -----

----

----

3,02,05,01,0

AIPCR •••• 44 •••• 05.05.B - 1999

Table 2.3.2 - Occurrence des incendies dans les tunnels autoroutiers de rase campagne [18 ; 21 ; 29 ; 30 ; 31 ; 32 ; 33]

VoituresparticulièresType de

circulation Pays Tunnel

Long

ueur

[m] Années

observées

Traficmoyen annuel

[106 véh/an] nombretau

[108 vx km

France

DullinVuacheChatillonSt.Germain deJoux

1 5001 400

7001 200

1984 - 19911990 - 19931990 - 19921990 - 1992

7,34,86,06,0

1110

1,63,0

10,0,0

Portugal Aguas Santas 300 1991 7,6 0 0,0

trafic uni-directionnel

SuèdeKarraSorvikAskloster

400200300

1987 - 19911987 - 19911987 - 1991

7,77,74,0

00-

0,00,0

-

AutrichePerjenAmbergPfänder

2 9003 0006 720

1987 - 19911987 - 19911985 - 1988

3,05,43,6

00-

0,00,0

-France L’Épine

Chamoise3 1003 300

1984 - 19911988 - 1992

5,88,5

11

0,61,5

Norvège

HvalerFlekkeroyEllingsoyValderoy

3 8002 3003 5004 500

1989 - 19901989 - 19901988 - 19901988 - 1990

0,20,31,10,9

0000

0,00,00,00,0

traficbidirectionnel

Suède Windo 500 1987 - 1991 1,6 0 0,0

AutricheArlbergKatschbergTauern

14 0005 4006 400

1987 - 19911987 - 19911987 - 1991

1,73,94,5

-00

-0,00,0

France/Italie FrejusMont Blanc

12 90011 600

1980 - 19911985 - 1992

1,01,9

34

3,51,5

Japon Kan-etsu 11 000 1985 - 1995 7,3 13 1,5

tunnelsd’altitude

avec traficbidirectionnel

Suisse

GothardSeelisbergSan BernardinoBelchen

16 9009 3006 6003 200

1981 - 19871981 - 19871968 - 19871978 - 1986

3,74,21,7

11,0

----

----

Cases of firesrs lorries all vehiclestevehm]

number

rate[108

vehx km]

numberrate[108

vehx km]

60.40

0001

0.00.00.03.4

1111

1.32.08.08.1

0 0 0.0 0 0

00

00-

0.00.0

-

00-

0.00.0

19.000

00-

0.00.0

-

00-

0.00.00.7

65

15

40.022.6

26

1.16.8

0000

0000

0.00.00.00.0

0000

0.00.00.00.0

0 0 0.0 0 0.0

00

-00

-0.00.0

-00

2.50.00.0

55

617

12.712.9

921

8.65.4

5 - - - -

----

----

----

3.02.05.01.0

PIARC •••• 45 •••• 05.05.B - 1999

Table 2.3.2 - Occurrence of tunnel fires in rural motorway tunnels [18; 21; 29; 30; 31; 32; 33]

passenger caFlow oftraffic

Country TunnelLength

[m]Years

inquired

Averageannual traffic

[106

veh/year]number

ra[108

x k

France

DullinVuacheChatillonSt. Germain de Joux

15001400700

1200

1984 - 19911990 - 19931990 - 19921990 - 1992

7.34.86.06.0

1110

1.3.

100.

Portugal Aguas Santas 300 1991 7.6 0 0.unidirectiona

l traffic

SwedenKarraSorvikAskloster

400200300

1987 - 19911987 - 19911987 - 1991

7.77.74.0

00-

0.0.

-

AustriaPerjenAmbergPfänder

290030006720

1987 - 19911987 - 19911985 - 1988

3.05.43.6

00-

0.0.

-

FranceL'EpineChamoise

31003300

1984 - 19911988 - 1992

5.88.5

11

0.1.

Norway

HvalerFlekkeroyEllingsoyValderoy

3800230035004500

1989 - 19901989 - 19901988 - 19901988 - 1990

0.20.31.10.9

0000

0.0.0.0.

bidirectionaltraffic

Sweden Windo 500 1987 - 1991 1.6 0 0.

AustriaArlbergKatschbergTauern

1400054006400

1987 - 19911987 - 19911987 - 1991

1.73.94.5

-00

-0.0.

France/ItalyFrejusMont Blanc

1290011600

1980 - 19911985 - 1992

1.01.9

34

3.1.

Japan Kan-etsu 11000 1985 - 1995 7.3 13 1.

mountaintunnels withbidirectional

traffic

Switzerland

GothardSeelisbergSan BernardinoBelchen

16900930066003200

1981 - 19871981 - 19871968 - 19871978 - 1986

3.74.21.7

11.0

----

----

En comparant les taux des tableaux 2.3.1 et 2.3.2, il faut au moins conserver à l’esprit lesconditions mentionnées ci-avant [18 ; 21 ; 31 ; 32] :

• en général, les incendies dans les tunnels routiers sont des événements rares, aussila signification statistique des taux d’incendies est-elle limitée ; un seul incendie peutconsidérablement modifier ces taux ;

• en Suisse, le poids des véhicules lourds est limité à 28 tonnes, alors qu’aux Pays-Bas il est limité à 50 tonnes ;

• les taux indiqués pour la Suisse (tableau 2.3.2) représentent le nombred’interventions des pompiers ;

• dans le Tunnel de l’Elbe en Allemagne ainsi que dans les tunnels français cités,chaque incendie détecté est comptabilisé, c’est-à-dire même ceux qui sont éteintspar le conducteur du véhicule lui-même ;

• la proportion de poids lourds varie, pour les différents tunnels, d’environ 9 % jusqu’à55 % (pour le Tunnel du Fréjus) ;

• dans de nombreux tunnels, le transport de marchandises dangereuses est soumis àdes réglementations spéciales (par exemple, passage autorisé seulement pendantles heures creuses, guidage et contrôle durant la traversée du tunnel). Dans unnombre important de tunnels, il est interdit.

Cependant, à partir des taux indiqués dans les tableaux 2.3.1 et 2.3.2, les points suivantsressortent :

• le taux moyen d’incendie dans les tunnels routiers ne dépasse en aucun cas25 incendies par 108 véhicules x km ;

• selon les statistiques disponibles à ce jour, les tunnels urbains semblent avoir untaux d’incendie plus élevé que les autres ;

• 40 % des tunnels observés n’ont jamais connu d’incendie ;

• dans plusieurs tunnels (par exemple, Chamoise, Elbe, Fréjus, Mont Blanc), le tauxd’incendie des poids lourds est bien plus élevé que celui des véhicules particuliers ;

• une fréquence événementielle d’environ un incendie par mois à un incendie par an etpar tunnel se rencontre seulement pour les tunnels qui sont soit très longs, soit trèscirculés, soit les deux ; une très large majorité de tunnels ont beaucoup moinsd’incendies.

Comme indiqué par le taux d’incendie plus élevé, les incendies impliquant des poids lourdssont, dans certains tunnels, plus fréquents malgré leur trafic peu élevé. Ainsi, les donnéesrelatives au Tunnel de l’Elbe montrent qu’en moyenne, les poids lourds causentapproximativement 30 % des incendies alors qu’ils comptent pour seulement 15 % environ dutrafic total en semaine [20 ; 34].

AIPCR •••• 46 •••• 05.05.B - 1999

When comparing the rates of tables 2.3.1 and 2.3.2 at least the conditions mentioned beneathshould be kept in mind [18; 21; 31; 32]:

• in general fires in road tunnels are rare events, so the statistical significance of therates of fires is limited; the rates can change considerably by only one fire event;

• in Switzerland the weight for heavy vehicles is limited to 28 tons, whereas in theNetherlands it is limited to 50 tons;

• the rates quoted for Switzerland (table 2.3.2) represent the number of times the firebrigade had to intervene;

• in the German Elb Tunnel as well as in all the French tunnels mentioned everydetected fire is counted i.e. including those which are extinguished by the vehicledriver himself;

• the proportion of heavy goods vehicles varies from about 9% to about as high as 55%(Fréjus tunnel) for the different tunnels;

• in several tunnels hazardous transports are subjected to special regulations (e.g.restriction to times with low traffic, guidance and supervision during passing throughthe tunnel). In quite a number of tunnels they are prohibited.

Nonetheless from the rates for the tunnels quoted in tables 2.3.1 and 2.3.2 the following itemsshow up:

• the average rate of fire in road tunnels does not exceed 25 fires per 108 vehicles x kmin any of the cases;

• according to the statistics available up to now urban tunnels tend to have a higher firerate than other tunnels;

• in about 40% of the observed tunnels no fire occurred;

• in several tunnels (e.g. Chamoise, Elb, Fréjus, Mont Blanc) the rate for lorry fires isconsiderably higher than for private cars;

• an event frequency span of about 1 fire per month to 1 fire per year per tunnel appliesonly to tunnels which are either very long, or with much traffic, or both. A very largemajority of tunnels have far less fires.

As indicated by the higher fire rate, fire events involving lorries are in some tunnels morefrequent than inferred from their traffic rate. So the Elb Tunnel data show that, on average,lorries cause approximately 30% of the fire cases although they account only for about 15% oftotal traffic on weekdays [20; 34].

PIARC •••• 47 •••• 05.05.B - 1999

Dans une étude française, menée sur 400 x 106 km parcourus en souterrain par des poidslourds, les incendies dans 26 tunnels ont été analysés et approximativement classés selon leurimportance vis-à-vis de l’environnement souterrain (tableau 2.3.3). La puissance thermique desincendies considérés comme causant quelques dommages au tunnel est estimée être inférieureà 20 MW. Une puissance de plus de 20 MW est considérée seulement pour les très gravesincendies [36]. Ainsi, les incendies graves sont des événements très rares, même vis-à-vis dunombre total de poids lourds dans les tunnels (tableau 2.3.3).

Tableau 2.3.3 - Estimation des taux d’incendie dans des tunnels français [35 ; 36]

Classification des incendiesCas d’incendie

pour 10 8 véh x km

Voitures Incendies de toutes importances 1 - 2

Incendies de toutes importances 8

Incendies ayant occasionnéquelques dommages au tunnel 1

Poids lourdssans marchandisesdangereuses

Incendies très graves 0,1 à 0,3 (estimation)

Incendies de toutes importances 2 (estimation)Poids lourdstransportantdes marchandisesdangereuses

Incendies impliquantles marchandises dangereuses

0,3 (estimation)

Selon les premières données d’une étude française, le taux d’incendie d’un camion à l’air libresemble être quelque peu inférieur au taux d’incendie dans les tunnels [35 ; 36]. Mais ce résultatdevra probablement être révisé lorsque plus d’informations seront rassemblées et que lesschémas de classification utilisés par les différentes institutions concernées seront ajustés. Deplus, il est probable que tous les incendies à l’air libre qui auraient pu avoir des répercussionsimportantes sur un tunnel n’ont pas été répertoriés.

Le risque qu’un véhicule prenne feu tend à augmenter en cas de surchauffe du moteur (voiesdu tunnel en pente raide, tunnels précédés d’une longue côte) et de surchauffe des freins(grandes descentes) [18 ; 21]. Sur une courte période après l’ouverture d’un nouveau tunnel, ilpeut également y avoir une tendance à plus d’incendies ainsi qu’il a été observé dans le Tunnelde l’Elbe [30]. Lorsque les conducteurs deviennent plus familiers avec l’environnement dutunnel, le taux d’incendie se stabilise à un niveau inférieur.

Comparativement au nombre total de pannes et d’accidents dans les tunnels, les incendies sontrares. Des données allemandes et suisses montrent que seule une panne sur 100 à 500 estaccompagnée d’un incendie [30 ; 32]. Quant aux accidents, un incendie survient dans environun sur 10 à 20 accidents.

Dans deux tunnels français à Lyon (Tunnel de Fourvière, Tunnel de La Croix Rousse), environ40 % des incendies ont été maîtrisés à l’aide d’un extincteur (6 cas). Pour 60 % des incendies(8 cas), l’intervention des pompiers fut nécessaire [21].

AIPCR •••• 48 •••• 05.05.B - 1999

In a French study representing 400 x 106 km run by lorries underground, lorry fires in 26 tunnelswere analysed and roughly classified according to their importance with regard to the tunnelenvironment (table 2.3.3). The heat release for fires classified as causing some damage to thetunnel is estimated to be below 20 MW. Only for the very serious fires a heat release of morethan 20 MW is considered [36]. So, major fires are very rare events even in relation to the wholenumber of lorry fires in tunnels (table 2.3.3).

Table 2.3.3 - Estimation of fire rates in French tunnels [35; 36]

Classification of fireCases of fire

for 10 8 veh x km

Passenger cars fires of any importance 1 - 2

fires of any importance 8

fires with some damage to the tunnel 1Lorries withoutdangerous goods

very serious fires 0.1 to 0.3 (estimation)

fires of any importance 2 (estimation)Lorries transportingdangerous goods fires with involvement of the dangerous

goods0.3 (estimation)

According to first data given in a French study the lorry fire rate on open roads seems to besomewhat lower than in tunnels [35; 36]. But, probably this result has to be revised when moreinformation is gathered and the classification schemes used by the different institutions involvedare adjusted. Furthermore, probably not all fires in the open that might have caused importantconsequences in a tunnel have been recorded.

The risk of a vehicle fire tends to increase in situations of intensified motor heating (steep uphilllanes of tunnels, tunnels after a long uphill slope) and intensified brake heating (long downwardslopes) [18; 21]. Also for a short period since the opening of a new tunnel there can be atendency to more fire events as it was observed in the Elb Tunnel [30]. As the drivers becomemore acquainted with the tunnel environment the fire rate will stabilise on a lower level.

In relation to the whole number of breakdowns and accidents in tunnels, fires are rare events.German and Swiss data show that only about 1 of 100 to 500 breakdowns is accompanied by afire [30; 32]. In comparison with accidents in about 1 of 10 to 20 accidents fire is involved.

According to two French tunnels in Lyon (Tunnel Fourviere, Tunnel La Croix Rousse) about40% of the fires were blown out by a fire extinguisher (6 cases). In about 60% of the events (8cases) the help of a fire brigade was needed [21].

PIARC •••• 49 •••• 05.05.B - 1999

De par le monde, il y a eu très peu d’incendies très sérieux avec de graves conséquences pourles conducteurs, les passagers, les véhicules et le tunnel. Ces événements rares, mais graves,sont résumés au tableau 2.3.4 qui couvre une vaste période, près d’un demi-siècle, de 1949 à1995. Ces 16 événements majeurs dans plus de 80 pays membres de l’AIPCR eurent lesconséquences suivantes :

• risques pour les personnes (par exemple, usagers du tunnel, pompiers),

• chaleur, fumée, gaz, manque d’oxygène et perte de visibilité conduisant à desintoxications, suffocations, brûlures et même décès (fort heureusement dansseulement 7 des 16 incendies, et pas plus de 7 décès par incendie jusqu’à présent) ;dans la plupart des cas, lors de blessures ou décès donnant lieu à des rapports, cesderniers ne mentionnent pas clairement si cela est dû à l’incendie ou à un accidentavant qu'il ne dégénère en incendie (sauf pour le tunnel de Pfänder en 1995 et letunnel d’Isola delle Femmine en 1996 [40 ; 41]),

• destruction d'équipements du tunnel (par exemple, éclairage, ventilation,télécommunications),

• dommages à la structure du tunnel : les principaux sont l’écaillage du béton, lasurchauffe des armatures du béton, l’effondrement du faux-plafond et des gaines deventilation,

• sérieux dégâts ou destruction des véhicules incendiés et des biens transportés,

• fermeture du tunnel en raison de l’incendie lui-même, des dommages structurels etdes indispensables travaux de réparation.

Les impacts de ce dernier aspect ne doivent en aucun cas être sous-estimés. Dans certain cas,la remise en état a pris des semaines, voire des mois [20 ; 34]. Pendant ce temps, lesencombrements de circulation sur les routes adjacentes au tunnel fermé sont une conséquenceinévitable, tout spécialement dans les agglomérations.

AIPCR •••• 50 •••• 05.05.B - 1999

World-wide only very few fire events developed into major fires with serious consequences forthe drivers and passengers, vehicles and tunnel constructions involved. These rare, but severeevents are summarised in table 2.3.4 which covers a time span from the year 1949 to the year1995 - nearly half a century. These 16 major events in the more than 80 PIARC membercountries were accompanied by:

• risks for people (e.g. tunnel user, fire brigade);

• heat, smoke, gases, lack of oxygen and loss of visibility led to intoxication,suffocation, burns and even death (fortunately in only 7 of the 16 events, and in noneof them more than 7 fatalities up to now); when there are reports about injured ordead people, in most cases it is not quite clear whether this is due to the fire event orto an accident before it developed into a fire event (except for the Pfänder Tunnel in1995 and the Isola delle Femmine Tunnel in 1996 [40; 41]);

• destroying of tunnel equipment (e.g. lighting, ventilation, telecommunication);

• damage to the tunnel construction: main effects are spalling of concrete, overheatingof concrete reinforcement, collapse of false ceilings and ventilation ducts;

• severe damage or loss of the burning vehicles and their goods;

• close down of the tunnel due to the fire event itself, the structural damage and thenecessary repair work thereafter.

The effects of this latter aspect should on no account be underestimated. In some cases,redevelopment can take weeks or months [20; 34]. During this time traffic congestion on theroads in the vicinity of the closed tunnel is an almost inevitable result especially in built-upareas.

PIARC •••• 51 •••• 05.05.B - 1999

Conséquences surnnes (1) Véhicules Tunnel

sés paron de

10 camions13 voitures

Importants dégâts sur 200 m

1 remorque Importants dégâts sur 34 m

1 camion Importants dégâts sur 210 m

sés légersalation de

1 camion Dégâts sur 150 m

s2 camions4 voitures

Importants dégâts sur 30 m

s127 camions46 voitures

Importants dégâts sur1 100 m

1 camion (4 t)1 camion (10 t)

Dégâts sur 280 m

s3 camions + 4voitures + 1 car

Importants dégâts sur 580 m

1 camion Importants dégâts sur 200 m

1 autobus Dégâts au plafond et auxéquipements sur 100 m

1 camion Importants dégâts sur 30 m

2 camions1 camionnette

Dégâts légers

s4 camions11 voitures

Importants dégâts aurevêtement

1 camion +remorque

Importants dégâts auplafond, à la chaussée et auxéquipements sur 50 m, tunnelfermé pendant deux jours etdemi

ison du1 camion1 camionnette1 voiture

Importants dégâts au plafondet aux équipements, tunnelfermé pendant deux jours etdemi

rts (parie)sés

1 camionciterne1 autobus18 voitures

Dégâts au revêtement dutunnel et aux appareilsd’éclairage

AIPCR •••• 52 •••• 05.05.B - 1999

Tableau 2.3.4 - Incendies graves dans des tunnels routiers [20 ; 31 ; 34 ; 37 ; 38 ; 39 ; 40 ; 41]

Année Tunnel Lieu et paysVéhicules à l’origine

de l’incendie Cause probable Durée del’incendie Pers o

1949HollandL = 2 550 m

New YorkÉtats-Unis

1 camion chargé de 11 tde bisulfure de carbone

chute de la charge du camion 4 h 66 blesinhalatifumée

1968MoorfleetL = 243 m

HamburgAllemagne

1 camion remorque(14 t de sacs en polyéthène)

blocage des freins 1 h 30 néant

1975GuadarramaL = 3.330 m

GuadarramaEspagne

1 camion citerne chargé derésine de pin

inconnue 2 h 45 néant

1976B6L = 430 m

ParisFrance

1 camion chargé de 16 t depaquets de polyester

inconnue 1 h 12 blespar inhfumée

1978VelsenL = 770 m

VelsenPays-Bas

2 camions + 4 voitures collision frontale 1 h 20 5 morts5 blessé

1979NihonzakaL = 2 045 m

ShizuokaJapon

4 camions + 2 voitures collision frontale 4 jours 7 morts2 blessé

1980KajiwaraL = 740 m

Japon 1 camion (4 t) avec 3 600 lde peinture dans 200 bidons+ 1 camion (10 t)

collision contre la paroiet renversement

1 mort

1982CaldecottL = 1 028 m

OaklandÉtats-Unis

1 camion + 1 car + 1 voiture33 000 l d’essence

collision frontale 2 h 40 7 morts2 blessé

1983FréjusL = 12 868 m

ModaneFrance-Italie

1 camion chargé de matièresplastiques

rupture de la boîte de vitesses 1 h 50 mn néant

1984FelbertauernL = 5 130 m

Autriche 1 autobus blocage des freins 1 h 30 mn néant

1984GotthardL = 16 321 m

GoeschenenSuisse

1 camion chargé de rouleauxde plastique

incendie au moteur 24 mn néant

1987GumefensL = 340 m

BernSuisse

1 camion collision en chaîne sur routeglissante

2 h 2 morts

1993Serra RipoliL = 442 m

BologneItalie

1 voiture + 1 camion chargéde rouleaux de papier

perte de contrôle d’un véhiculeet collision

2 h 30 4 morts+ blessé

1994

GotthardL = 16 321 m

GoeschenenSuisse

1 camion + remorquechargée de vélos emballésde carton et de plastique

frottement des roues /mauvais chargement de laremorque

2 h néant

1995

PfänderL = 6 719 m

Autriche 1 camion, 1 camionnette,1 voiture

collision 1 h 3 morts(en rachoc)

1996

Isola delleFemmineL = 150 m

Italie (Sicile) 1 camion citerne rempli degaz liquide + 1 petit autobus

chaussée humide, collisiond’un autobus avec un camionciterne (à l’arrêt en raisond’une précédente collision),explosion

inconnu 5 mol’incend20 bles

Table 2.3

Consequences onYear (1) Vehicles Tunnel

1949HL lation

10 lorries13 cars

serious damage for 200m

1968ML

1 trailer serious damage for 34 m

1975GL

1 lorry serious damage for 210m

1976BL

injuredlation

1 lorry damage for 150 m

1978VL

2 lorries4 cars

serious damage for 30 m

1979NL

127 lorries46 cars

serious damage for 1.100m

1980KL

1 truck (4 t)1 truck (10 t)

damage for 280 m

1982CL

3lorries+4cars+ 1 coach

serious damage for 580m

1983FL

1 lorry serious damage for 200m

1984FL

1 bus damage to ceiling andequipment for 100 m

1984GL

1 lorry serious damage for 30 m

1987GL

2 lorries1 van

slight damage

1993SL

4 lorries11 cars

serious damage to lining

1994

GL

1 lorry + trailer serious damage to ceiling,pavement and equipmentfor 50 m, tunnel closed for2.5 days

1995PL

1 lorry1 van1 car

serious damage to ceilingand equipment, tunnelclosed for 2.5 days

1996IFL

y fire) 1 tanker1 bus18 cars

damages to the tunnellining and lightingequipment

.4 - Serious fires in road tunnels [20; 31; 34; 37; 38; 39; 40; 41]

TunnelPlace andcountry

Vehicles at origin of fire Probable causeDuration

of fire People

olland= 2.550 m

New YorkUSA

1 lorry loaded with 11 t ofcarbon bisulfur

load falling of lorry 4 h 66 injuredsmoke inha

oorfleet= 243 m

HamburgGermany

1 lorry trailer(14 t of polyethene bags)

brakes jamming 1 h 30 mn none

uadarrama= 3.330 m

GuadarramaSpain

1 lorry loaded with tanks ofpine resin

unknown 2 h 45 mn none

6= 430 m

ParisFrance

1 lorry loaded with 16 t ofpolyester in bundles

unknown 1 h 12 slightsmoke inha

elsen= 770 m

VelsenNetherlands

2 lorries + 4 cars front-back collision 1 h 20 mn 5 dead5 injured

ihonzaka= 2.045 m

ShizuokaJapan

4 lorries + 2 cars front-back collision 4 days 7 dead2 injured

ajiwara= 740 m

Japan 1 truck (4 t) with 3.600 l paintin 200 cans + 1 truck (10 t)

collision with side wall andoverturning

1 dead

aldecott= 1.028 m

OaklandUSA

1 lorry + 1 coach + 1 car33.000 l of petrol

front-back collision 2 h 40 mn 7 dead2 injured

réjus= 12.868 m

ModaneFrance-Italy

1 lorry loaded with plasticmaterials

gear box breaking 1 h 50 mn none

elbertauern= 5.130 m

Austria 1 bus blocking brakes 1 h 30 mn none

otthard= 16.321 m

GoeschenenSwitzerland

1 lorry loaded with rolls ofplastic

fire in engine 24 mn none

umefens= 340 m

BernSwitzerland

1 lorry mass collision on slippery road 2 h 2 dead

erra Ripoli= 442 m

BolognaItaly

1 car + 1 lorry loaded withrolls of paper

vehicle out of control andcollision

2 h 30 mn 4 dead+ injured

otthard= 16.321 m

GoeschenenSwitzerland

1 lorry + trailer loaded withbikes wrapped in carton andplastic

friction wheel/loading bridge

2 h none

fänder= 6.719 m

Austria 1 lorry + 1 van + 1 car collision 1 h 3 dead(by crash)

sola delleemmine= 150 m

Italy (Sicilia) 1 tanker with liquid gas +1 little bus

wet road collision of a bus witha tanker (stopped because of aprevious collision), explosion

unknown 5 dead (b20 injured

PIARC •••• 53 •••• 05.05.B - 1999

II.4 Choix des incendies de dimensionnementLes matériaux qui brûlent au cours d’un incendie proviennent essentiellement des véhiculesimpliqués. Ce sont des éléments des véhicules, tels que sièges, pneus, matières plastiquesutilisées pour les finitions, voire pour la carrosserie elle-même, le carburant contenu dans lesréservoirs (dont le volume se monte à des centaines de litres pour les camions), ainsi que lechargement transporté, principalement en ce qui concerne les véhicules de transport demarchandises. La nature des marchandises transportées est extrêmement variable et peutprovoquer de multiples variétés d’incendies. Quelques exemples de charge calorifique sontdonnés au tableau 2.4.1.

Tableau 2.4.1 - Exemples de charge calorifique [20 ; 42]

Type de véhiculeCharge calorifique[MJ] Remarques

Voitures particulières 3 000 - 3 900Utilisé pour des essais d’incendie enFinlande

Voiture particulière

Voiture en matière plastique

AutobusCharge combustible d'un transportinternational routier

Poids lourds

6 0007 000

41 000

65 000

88 000

Utilisé pour les essais d’incendie EUREKA

Camion citerne avec 50 m³d’essence

1 500 000Hypothèse néerlandaise pour un grandincendie de dimensionnement

Des caractéristiques différentes de l’incendie sont nécessaires, selon que l’on veutdimensionner la structure du tunnel ou les équipements de ventilation (désenfumage) :

• le dimensionnement de la résistance au feu des structures est fondé sur latempérature de l’air chaud (°C) en fonction du temps ;

• le dimensionnement de la ventilation est fondé sur la puissance thermique (en MW)ou sur le débit de fumée (mesuré en m3/s à la température des fumées chaudes) enfonction du temps ; l’évolution en fonction du temps est très importante pour évaluerles conditions au début de l’incendie, en prenant en compte la phase d’évacuation(délai d’arrivée et d’organisation des pompiers).

Pour le dimensionnement, il est nécessaire de choisir des caractéristiques types d’incendiecorrespondant au trafic empruntant un tunnel donné. Des conditions telles que l’autorisationdes transports de marchandises dangereuses doivent être prises en compte.

Dans ce qui suit, les données sont communiquées pour les véhicules particuliers, les autobus etles camions ; ces données sont fondées sur les essais d’incendie EUREKA sur les véhiculesroutiers et le rapport de Bruxelles (Congrès AIPCR) [19 ; 20 ; 43 ; 44]. Pour les camionsciternes, ce sont les données de KIVI [42] et du Tunnel d’Oresund [43] qui sont utilisées.

AIPCR •••• 54 •••• 05.05.B - 1999

II.4 Choice of design firesThe materials which burn in a fire mostly come from the vehicles involved. They includeelements of the vehicles such as the seats, tyres, plastic materials in the finishing, or even inthe body work itself, the fuel from the vehicle tanks, which amounts to hundreds of litres fortrucks, and the loading, principally for goods vehicles. This latter can be extremely varied andlead to many different sorts of fires. Some principle examples of combustion energy outputs aregiven in table 2.4.1.

Table 2.4.1 - Examples of combustion energy outputs [20; 42]

Type of vehicle Approx. energy content [MJ] RemarksPrivate cars 3 000 - 3 900 Used for fire tests in FinlandPrivate carPlastic carPublic busTIR fire loadHeavy goods vehicle

6 0007 000

41 00065 00088 000

Used for EUREKA fire tests

Tanker with 50 m³ petrol 1 500 000Dutch assumption for a "large" designfire

Different fire characteristics are needed depending on whether the purpose is to design thetunnel structure or the ventilation facilities (smoke control):

• The design of structures for fire resistance is based on the temperature of the hot air(°C) versus time.

• The design of ventilation is based on the heat release rate (thermal power in MW) orthe smoke release rate (flow at the temperature of the hot smoke in m3/s) versus time.The dependence upon time is very important to evaluate the conditions at thebeginning of the fire, taking into account the evacuation phase (time for fire brigade toarrive and get organised).

For design purposes, it is necessary to choose typical fire characteristics corresponding to thetraffic which uses a particular tunnel. Conditions like the allowance of hazardous transportshave to be taken into account.

In the following, data is given for passenger cars, buses and lorries which are based on theEUREKA fire-tests on road vehicles and the Brussels report of PIARC [19; 20; 43; 44]. Forpetrol tankers data from KIVI [42] and the Oresund Tunnel [43] are used.

PIARC •••• 55 •••• 05.05.B - 1999

Photo 2.2 - Incendie de poids lourd Photo 2.2 - Heavy GoodsVehicles (HGV) fire

lors des essais d’incendie EUREKA in the EUREKA fire tests

Il faut souligner que tous les résultats EUREKA dépendent bien évidemment des conditionsd’essais. Celles-ci incluent de basses vitesses de l’air durant la plupart des essais et unesection transversale sensiblement plus petite que dans les tunnels routiers habituels, ce qui

surévalue le rayon-nement thermiquerenvoyé par lesparois. L’essai avecun poids lourd, parailleurs, a été faitspécialement avecune vitesse longi-tudinale de l’air de6 m/s en avant del’incendie pendant les15 premières mi-nutes, ce qui donnaiten moyenne environ13 m/s autour duvéhicule : une tellevitesse est significa-

tivement supérieure àce qui est généra-

lement rencontré dans les tunnels routiers et elle produit également une combustion plusintense. En conséquence, les essais EUREKA donnent des indications précieuses sur lesconditions durant un incendie, mais ils peuvent difficilement fournir par eux-mêmes denouvelles valeurs réalistes de dimensionnement. Aucune donnée nouvelle n’est disponible ence qui concerne les incendies de marchandises dangereuses.

II.4.1 Températures maximales aux parois du tunnel

Les essais EUREKA ont confirmé les températures maximales présentées dans le rapport deBruxelles [19 ; 20]. Les essais eux-mêmes (figures 2.4.1 et 2.4.2) ont donné des résultatslégèrement supérieurs pour les véhicules particuliers (jusqu’à 500 °C selon le type) et le car(800 °C) en raison de la petite zone de section transversale et la faible vitesse de l’air (0,3 m/set 0,5 m/s). Les essais d’incendie ont également montré que les incendies dus aux poids lourdspeuvent produire des températures allant jusqu’à 1 000 °C au niveau du plafond et des piédroits(figures 2.4.1 et 2.4.2). Le rapport de Bruxelles indique cette même température pour un camionciterne contenant de l’essence. Pour les grands camions citernes (environ 50 m³ d’essence), lesrègles néerlandaises spécifient qu’il est possible d’atteindre des températures de 1 400 °C([42], mais que cela dépend fortement du débit de la fuite d’essence et de la capacité dusystème de drainage du tunnel ([43], voir également le paragraphe II.4.3 ci-après sur lapuissance thermique). Ainsi, cette haute température ne doit être considérée qu’en cas decirconstances exceptionnelles, par exemple dans un tunnel immergé où la rupture d’unequelconque partie du toit provoquerait une catastrophe. Cette très haute température peutégalement être utilisée si la fermeture d’un tunnel risque d’avoir des conséquences fâcheusessur toute la région.

AIPCR •••• 56 •••• 05.05.B - 1999

It must be emphasised that all the EUREKA results are of course dependent upon the testconditions. These include low air velocities during most of the tests and a cross-sectionsignificantly smaller than usual for road tunnels, which overestimates the heat radiation comingback from the walls. The test with a Heavy Goods Vehicle (HGV) on the other hand wasspecifically conducted with a longitudinal air velocity of about 6 m/s ahead of the fire during thefirst 15 minutes, which gave about 13 m/s on average around the vehicle: such a velocity issignificantly higher than what is normally encountered in road tunnels and also produces a moreintense combustion. As a consequence the EUREKA tests give valuable hints about theconditions during a fire event, but they can hardly provide new realistic design values on theirown. No new experimental data is available concerning dangerous goods fires.

II.4.1 Maximum temperatures at the tunnel wall

The EUREKA tests confirmed the maximum temperatures as quoted in the Brussels report [19;20]. The tests themselves (figures 2.4.1 and 2.4.2) gave slightly higher results for the passengercars (up to 500 °C, depending on type) and the coach (800 °C) because of the small crosssection area and the low air velocity used (0.3 m/s and 0.5 m/s). The fire tests also showed thatfires due to HGV can produce temperatures up to 1000 °C at the tunnel ceiling and side walls(figures 2.4.1 and 2.4.2). This is the same temperature as quoted by PIARC in the Brusselsreport for a petrol tanker. For large petrol tankers (about 50 m³ of petrol) Dutch regulationsimply that temperatures up to 1400 °C may be reached [42], but there is a strong dependenceon the rate of petrol leakage and the capacity of the drainage system of the tunnel ([43], seealso chapter II.4.3 below dealing with heat release). So, this high temperature should only beconsidered if special circumstances are given, for instance immersed tunnels where thecollapse of any part of the roof will result in a catastrophe. Also if the closing of a tunnel couldharm the entire region, this extremely high temperature could be used.

Figure 2.4.1 - Maximum temperaturesin the cross-section of the tunnelduring tests with road vehicles [20]

Figure 2.4.1 - Températures maximalesdans la section transversale du tunnel

lors d’essais avec des véhicules routiers[20]

Poids lourd (HF1)Autobus (B11)Voiture en matière plastique(C21)Véhicule particulier (C11)

PIARC •••• 57 •••• 05.05.B - 1999

Comme le montre la figure 2.4.2 dans les essais EUREKA, des températures potentiellementdangereuses pour les armatures du béton ont été enregistrées jusqu’à environ 100 m en avalde l’incendie et, en raison de la remontée de fumées, jusqu’à environ 30 m en amont. L’étenduede cette zone peut être sensiblement différente selon les tunnels, en raison notamment de laventilation, de la déclivité du tunnel, de la rugosité de la surface et des revêtements résistant aufeu. Une nouvelle évaluation des résultats d’EUREKA est nécessaire pour parvenir à desspécifications plus globales des zones menacées.

Figure 2.4.2 - Températures maximalesau niveau du plafond du tunnellors d'essais avec des véhicules routiers [20]

Figure 2.4.2 - Maximum temperaturesin the ceiling area of the tunnel

during tests with road vehicles [20]

Dans l’ensemble, les températures maximales suivantes au niveau des parois ou du plafonddoivent être considérées en ce qui concerne la structure du tunnel et les réglementations dutrafic poids lourds pour des tunnels spéciaux :

• voiture particulière 400 °C• autobus/petit camion 700 °C• poids lourd (HGV) avec matières combustibles

(sauf essence ou autres marchandises dangereuses) 1 000 °C• camion citerne d’essence (cas général)

1 200 °C• camion citerne d’essence (cas extrêmes :

par exemple, aucun bénéfice tiré du drainage du tunnelet d'un débit de fuite limité ; grande citerne ;éviter l’inondation d’un tunnel immergé) 1 400 °C

* : plus élevée si les flammes touchent la paroi.

Poids lourd (HF1)

Autobus (B11)

Voiture en matière plastique(C21)

Distance de l'incendie (m)

II.4.2 Température en fonction du temps

De nombreux incendies réels, de même que les incendies EUREKA (figure 2.4.3), se sontdéveloppés très rapidement durant les 5 à 10 premières minutes (parfois 15). L’augmentationde température est plutôt rapide et l’émission de chaleur et de fumée très importante. Entre 7 et10 minutes après le début de l’incendie, il faut tenir compte de l’embrasement (voire dans undélai plus court pour une voiture particulière).

AIPCR •••• 58 •••• 05.05.B - 1999

As can be seen by figure 2.4.2 in the EUREKA tests, temperatures which can be dangerous tothe steel reinforcement of concrete were found till about 100 m downstream of the fire andbecause of back-layering till about 30 m upstream of the fire. The extension of this region invarious road tunnels can be quite different from these values due to e.g. the ventilation, tunnelinclination, surface roughness and fire-resistant coatings. For a more general specification ofendangered regions a further evaluation of the EUREKA results is necessary.

On the whole the following maximum temperatures at the tunnels wall or ceiling should beconsidered with regard to the tunnel structure and the cargo-traffic-regulations for specifictunnels:

• passenger car 400 °C *• bus/small lorry 700 °C *• heavy lorry (HGV) with burning goods

(not petrol or other dangerous goods) 1 000 °C• petrol tanker (general case) 1 200 °C• petrol tanker (extreme cases: e.g. no benefits due to

tunnel drainage and limited leakage rate; large tanker;avoidance of the flooding of an immersed tunnel) 1 400 °C

*: Higher if flames touch the walls.

II.4.2 Temperature versus time

Many known real tunnel fires and also the EUREKA fires (figure 2.4.3) showed a very fastdevelopment during the first 5 to 10 (sometimes 15) minutes. The gradient of temperature israther steep and the emission of heat and smoke very important. Between 7 and 10 minutesafter the fire incident starts a flash-over has to be taken into account (even sooner in the case ofa passenger car).

Figure 2.4.3 - Time dependency of temperaturesin Eureka tunnel firesand standard curves used in regulationsupon fire protection [43; 44; 45]

Figure 2.4.3 - Températures en fonction du tempsdans les incendies de tunnel Eureka

et courbes standard utilisées dans les réglementationspour la protection contre les incendies [43 ; 44 ; 45]

PIARC •••• 59 •••• 05.05.B - 1999

Ce comportement n’est pas couvert par la courbe standard de température de la norme ISO 834(voir figure 2.4.3). C’est pourquoi plusieurs courbes de températures ont été proposées, qui serapprochent plus précisément des phases importantes d’un incendie dans un tunnel. Cesspécifications sont incluses par exemple dans :

• les réglementations néerlandaises du Rijkswaterstaat ([43 ; 44] : courbe RWS, voirfigure 2.4.3),

• les normes allemandes "ZTV-Tunnel" ([45], voir figure 2.4.3).

Un fort gradient de température en début d’incendie est inclus dans la courbe hydrocarbone(HC) qui est décrite, en plus d’ISO 834, dans le projet Eurocode 1 [46]. La températuremaximale de 1 100 °C est quelque peu inférieure à celle des courbes RWS ou ZTV. Jusqu’àprésent, aucune de ces courbes n’a rencontré de consensus au niveau mondial. Lesdiscussions portent sur :

• les courbes en fonction du temps à proximité des incendies,• la fixation d’une durée appropriée pour les courbes de référence (ISO, HC).

Eu égard à la probabilité des différents incendies, il devrait y avoir plus de souplesse dans lechoix des températures maximales pour, par exemple, les essais de matériaux sur lesrevêtements résistant au feu ou les équipements de ventilation. Les hypothèses sur la duréed’un incendie devraient également être distinguées selon qu’il s’agit de l’incendie d’un camionou d’une voiture particulière.

La durée de la phase chaude d’un incendie couvre normalement un intervalle de tempsd’environ 30 à 60 mn après l’étape de mise à feu (figure 2.4.3), sauf en cas d’incendie d’unenappe d’essence importante provenant d’un camion citerne. Dans ce dernier cas, lesréglementations néerlandaises [42] indiquent une phase chaude d’environ deux heures. Si lespompiers peuvent effectivement arriver rapidement (en quelques minutes) sur les lieux, la duréede la phase chaude sera plus courte.

Après la phase chaude, il faudra du temps avant que l'incendie ne s’éteigne s’il n'y a pasd'action pour l'éteindre. Les normes allemandes ZTV admettent environ 110 mn de températurelinéairement décroissante. Les essais EUREKA ont confirmé la durée des incendies, mais ontmontré un plus rapide déclin des températures juste après la phase chaude (figure 2.4.3). D'unautre côté, l’incendie de Nihonzaka a duré quatre jours (tableau 2.3.4).

II.4.3 Puissance thermique

Le choix des puissances thermiques pour des scénarios d’incendie principalement destinés audimensionnement de la ventilation aura une grande influence sur la construction (y compris legénie civil) et sur les coûts d’exploitation d’un tunnel routier. Ainsi, dans certains pays, desgroupes de travail comprenant des représentants des maîtres d’ouvrage, des pompiers, deslégislateurs et des consultants, travaillent sur des recommandations pour le choix despuissances thermiques. L’AIPCR a également recommandé des puissances thermiques dansson rapport de Bruxelles en 1987 [19].

AIPCR •••• 60 •••• 05.05.B - 1999

This behaviour is not covered by the standard temperature curve according to ISO Standard834 (see figure 2.4.3). Therefore several temperature curves were put forward which modelimportant phases of a tunnel fire more closely. Specifications are included e.g. in the

• Dutch regulations of Rijkswaterstaat ([43; 44]: RWS-curve, see figure 2.4.3),

• German "ZTV-Tunnel" ([45], see figure 2.4.3).

A similar steep temperature gradient at beginning of the fire is included in the hydrocarbon(HC) curve which is described besides the ISO 834 in the draft of the Eurocode 1 [46]. Themaximum temperature of 1100 °C is somewhat lower than given by RWS or ZTV. Up to nownone of the curves has found general acceptance world-wide. Discussions focus on :

• time shape of curves close to the progress of tunnel fires, and• setting of appropriate duration of standard curves (ISO, HC).

With regard to the probability of the different fire events there should be more flexibility inchoosing maximum temperatures for the purpose of e.g. material tests on fire-resistant coatingsor ventilation equipment. Also the assumptions about the duration of a fire should be splitaccording to fires of lorries and passenger cars.

The duration of the hot phase of a fire covers normally a time interval of about 30 minutes to 60minutes after ignition stage (figure 2.4.3) if no big pool fire due to a petrol tanker is involved. Fora big petrol tanker the Dutch regulations [42] indicate a hot phase of about two hours. If firebrigades which can deal with the fire effectively arrive soon (within some minutes) on the scene,the duration of the hot phase will be shorter.

After the hot phase it will take time for the fire to die away if it is not extinguished. The GermanZTV-Tunnel assumes about 110 minutes of linear temperature decaying. The EUREKA testsconfirmed the duration of fires but show a steeper decline of temperatures just after the hotphase (figure 2.4.3). On the other hand the Nihonzaka fire lasted four days (table 2.3.4).

II.4.3 Heat release rate

The choice of heat release rates for fire scenarios mainly related to the purpose of ventilationdesign will have a great influence on construction (including civil engineering) and operatingcosts of a road tunnel. So in some countries, working groups with representatives from tunnelowners, fire brigades, regulators and consultants are dealing with recommendations for thechoice of heat release rates. PIARC also recommended heat release rates in the Brusselsreport in 1987 [19].

PIARC •••• 61 •••• 05.05.B - 1999

Depuis, des progrès ont été réalisés. En regroupant les essais d’incendie EUREKA en Norvègeet en Finlande, les données AIPCR de Bruxelles et les récentes propositions du CETU(France), on peut faire apparaître les données approximatives suivantes de puissancethermique pour une durée significative d’un incendie dans un tunnel [19 ; 20 ; 36] (exemple :figure 2.4.4, camion citerne d’essence : voir tableau 2.4.2) :

• 1 petite voiture particulière : 2,5 MW• 1 grande voiture particulière : 5 MW• 2-3 voitures particulières : 8 MW• 1 camionnette : 15 MW• 1 autobus : 20 MW• 1 camion avec matières combustibles (cas général) : 20-30 MW

Les poids lourds plus importants transportant des matières combustibles, et plus spécialementdes marchandises dangereuses, peuvent produire de fortes puissances thermiques. Les essaisd’incendie EUREKA sur poids lourd ont révélé une puissance maximale d’environ 100 à 120MW, mais seulement sur une très courte période.

Les puissances maximales réelles peuvent s’écarter de ces valeurs car elles dépendent du typede véhicule, du type de cargaison, de la ventilation, des vitesses de combustion, etc. Pour lescamions citernes d’essence, les fuites provoquées par un accident et la capacité du système dedrainage du tunnel ont également une grande influence.

Figure 2.4.4 - Puissance thermique durant l’essai Eureka surune voiture en matière plastique [20]

Figure 2.4.4 - Heat release during the Eureka testof a plastic passenger car [20]

En ce qui concerne la construction du tunnel, les scénarios KIVI [42] tiennent compte d’unincendie de 300 MW pour les tunnels immergés. Une proposition française préconise unincendie de 200 MW si un camion citerne d’essence est impliqué [47]. Une analyse de risquepour le tunnel d’Oresund [43] considère la possibilité d’une fuite de carburant à partir debrèches de diamètre équivalent à 15, 35 et 50 mm. Cela représente une défaillance potentielled’un tuyau de carburant de petit diamètre ou un léger dégât sur une collerette de tuyau, mais nereprésente pas la rupture complète d’un tuyau de livraison, ce qui équivaudrait à un orifice de100 mm de diamètre. Le débit de la fuite dépend du diamètre de l’orifice et de la pression duliquide. Pour les orifices considérés, les débits massiques sont respectivement de 0,5, 2,7 et5,6 kg/s.

Pui

ssan

ceth

erm

ique

(MW

)et

débi

td'é

nerg

ie

Puissance thermique

Débit d'énergie

Temps après mise à feu (mn)

AIPCR •••• 62 •••• 05.05.B - 1999

Since then further advances have been achieved. In summarising the EUREKA fire tests inNorway and Finland, the PIARC data from Brussels and recent CETU proposals in France thefollowing approximate maximum calorific power outputs may occur for a significant durationduring fire events in tunnels [19; 20; 36] (example: figure 2.4.4; petrol tanker: see table 2.4.2):

• 1 small passenger car: 2.5 MW• 1 large passenger car: 5 MW• 2 - 3 passenger cars: 8 MW• 1 van: 15 MW• 1 bus: 20 MW• 1 lorry with burning goods (general case): 20-30 MW

Larger vehicles (HGV) with burning goods and especially with dangerous goods may causehigher calorific power outputs. The EUREKA HGV fire test indicated a peak power output ofapprox. 100 to 120 MW, but during a very short period only.

Real peak powers will differ from the values given above because they depend on the type ofvehicle, type of cargo, ventilation, burning rates, etc. For petrol tankers there is also a greatinfluence due to the leakage opening produced by an accident and the capacity of the tunneldrainage system.

Table 2.4.2 - Effect of leakage diameterand drainage rateon the fire size of petrol tankers [43]

Tableau 2.4.2 - Effet du diamètre de la fuiteet du taux de drainage sur la taille d’un incendie

dû à un camion citerne d’essence [43]

Calorific power [MW]

Drainage mass flow of petrolEquivalentdiameter

of leakage [mm]

Leakage massflow

of petrol[kg/s]

0 kg/s 1 kg/s 2 kg/s 5 kg/s

15 0.5 22 - - -

35 2.7 120 76 33 -

50 5.6 245 201 158 27

0 kg/s 1 kg/s 2 kg/s 5 kg/sDiamètreéquivalent

de la fuite [mm]

Débit massiquede la fuite

d’essence [kg/s] Débit massique de drainage de l’essence

Puissance thermique [MW]

With regard to the tunnel construction, KIVI scenarios [42] take a 300 MW fire for immersedtunnels into account. A French proposal claims a 200 MW fire if a petrol tanker is involved [47].A risk analysis for the Oresund tunnel [43] considers the possibility of fuel leakage from rupturesof 15, 35, and 50 mm equivalent diameter. These represent the potential failure of smalldiameter fuel lines or a small damage of a delivery hose flange. They do not represent thecomplete rupture of a delivery hose which would give a hole diameter of 100 mm. The leakageflow depends on the diameter of the hole and the fluid pressure at the hole. For the holesconsidered the mass flows are 0.5, 2.7 and 5.6 kg/s respectively.

PIARC •••• 63 •••• 05.05.B - 1999

La capacité de drainage (de l’eau) des avaloirs dans ce tunnel est normalement 10 foissupérieure, mais il a été admis que, lors d’un accident, une obstruction peut limiter le débit dudrainage [43]. Les calculs pour différents scénarios d’incendie ont donné des puissancesthermiques comprises entre 22 et 245 MW (tableau 2.4.2).

La variation de la puissance thermique en fonction du temps pendant les expériences EUREKAressemble fort au développement de la température (figures 2.4.2 et 2.4.3). Les modèlesmathématiques doivent prendre en compte la puissance observée et les chutes de température.

II.4.4 Production de fumée et visibilité

En ce qui concerne le volume de fumée généré par les incendies de véhicules particuliers,autobus et camions, les hypothèses formulées dans le rapport AIPCR de Bruxelles ont étéconfirmées par les essais d’incendie EUREKA ([19 ; 20], tableau 2.4.3). Une récenteproposition du CETU [47] avance des chiffres un peu plus élevés pour les camions et lescamions citernes d’essence.

Tableau 2.4.3 - Production de fumée, de CO2 et de CO [19 ; 20 ; 43 ; 44 ; 47 ; 48]

Débit de fumée [m 3/s]

AIPCR1987

EssaisEUREKA

CETU(proposition

) 1996

Production de CO 2

(essais EUREKA)[kg/s]

Productionde CO [kg/s]

Voiture particulière 20 - - - -

Voiture particulièreen matière plastique

- 30 - 0,4 - 0,9 0,020 - 0,046

2-3 voituresparticulières

- - 30 - -

1 camionnette - - 50 - -

Autobus / camionsans marchandisesdangereuses

60 50 - 60 80 1,5 - 2,5 0,077 - 0,128

Poids lourd - - - 6,0 - 14,0 0,306 - 0,714

Camion citerne 100 - 200 - 300 - -

L’étude comparée de la perte de visibilité due à la fumée, mesurée par la densité optique, et dela concentration de CO2 indique une corrélation linéaire lorsqu’une correction est faite pour tenircompte de la température des gaz chauds [20 ; 43 ; 44 ; 48]. Lorsqu’un signal lumineux doit êtreperçu à une distance d’environ 10 m, la densité optique ne doit pas dépasser 0,13 m-1 [49]. Lorsdes essais EUREKA, cette valeur critique correspondait à des concentrations de CO2 d’environ0,05 à 0,3 % seulement. Selon le matériau combustible, des valeurs maximales de CO2 de 2 à16 % ont été enregistrées. Ainsi, il y avait une production intense de fumée qui engendrait unevisibilité très réduite en aval due à la puissance de l’incendie [48]. Dans une prochaine étape,ces calculs préliminaires seront poursuivis et les résultats correspondants seront communiquésdès que possible.

AIPCR •••• 64 •••• 05.05.B - 1999

The drainage capacity (for water) of the gullies in this tunnel is normally 10 times greater but itwas assumed that in an accident an obstruction could limit the amount of drainage [43]. Thecalculations for the different fire scenarios gave calorific power outputs between 22 MW and245 MW (table 2.4.2).

The time dependence of the heat release during the EUREKA experiments closely resemblesthe temperature development (figure 2.4.2, figure 2.4.3). Mathematical models should accountfor the observed power and temperature dips.

II.4.4 Smoke production and visibility

For the smoke volume generation by fires of passenger cars, buses and lorries the assumptionsof the PIARC Brussels report were confirmed by the EUREKA fire tests ([19; 20], table 2.4.3). Arecent CETU proposal [47] includes somewhat higher numbers for lorries and petrol tankers.

Table 2.4.3 - Smoke, CO2 and CO production [19; 20; 43; 44; 47; 48]

Smoke flow [m 3/s]

PIARC1987

EUREKA-tests

CETU(proposal)

1996

CO2 production(EUREKA-tests)

[kg/s]

CO production[kg/s]

Passenger car 20 - - - -

Passenger van(plastic)

- 30 - 0.4 - 0.9 0.020 - 0.046

2 - 3 passenger cars - - 30 - -

1 van - - 50 - -

Bus/lorry withoutdangerous goods

60 50 - 60 80 1.5 - 2.5 0.077 - 0.128

Heavy goodsvehicle

- - - 6.0 - 14.0 0.306 - 0.714

Petrol tanker 100 - 200 - 300 - -

The correlation of the smoke dependent visibility measured by the optical density and theconcentration of CO2 indicates a linear relation when a correction for the smoke gastemperature is made [20; 43; 44; 48]. On the assumption that a lighted signal should beperceived over a distance of about 10 m the optical density must not exceed 0.13 m-1 [49].During the EUREKA tests this critical value corresponded to CO2 concentrations of approx.0.05% to 0.3% only. Depending on the burning material maximum values of 2% to 16% CO2

were observed. So, there was an intense smoke production leading to a very reduced visibilitydownstream from the fire load [48]. In a next step these preliminary calculations will beextended. Corresponding results will be reported when available.

PIARC •••• 65 •••• 05.05.B - 1999

II.4.5 Monoxyde de carbone dans la fumée

Le caractère dangereux de la fumée dans les tunnels résulte non seulement de la perte devisibilité, mais également de la possible toxicité des gaz qu'elle contient. La concentration enmonoxyde de carbone (CO) dans la fumée joue un rôle important dans ses effets toxiques (voirchapitre I de ce rapport).

Pendant les essais d’incendie EUREKA, le niveau de CO a été mesuré en différents points lelong du tunnel. Dans une zone d’environ 20 à 30 m en aval des véhicules en combustion, lespointes de concentration de CO suivantes ont été mesurées à hauteur de visage [49] :

• voiture particulière en plastique : 300 ppm• autobus : 2 900 ppm• poids lourd : 6 500 ppm

Des concentrations de CO de plus de 500 ppm ont été atteintes 10 à 15 mn après le début del’incendie ; elles ont duré environ deux heures pour l’incendie de l’autobus et environ 15 mnpour l’incendie du poids lourd. Durant une expérience réalisée avec une charge combustiblemixte, des concentrations de CO de 500 ppm et plus ne se sont produites que 80 mn après ledébut de l’incendie [49] et ont duré 90 mn.

Les résultats EUREKA dépendent très largement du type de ventilation utilisé dans le tunnellors des essais d’incendie. De plus, ils sont liés au type de matériau combustible. De fait, lesrésultats EUREKA ne peuvent être directement appliqués à d’autres tunnels. Cependant, ilsindiquent qu’en aval des incendies, au moins pour les plus importants, il est besoin de prévoirla fuite et les secours en moins de 10 à 15 mn après le début de l’incendie. On peut égalements’attendre à des concentrations dangereuses de CO dans la phase de progression d’unincendie de véhicule [49].

En analysant les essais EUREKA, une corrélation linéaire acceptable a été trouvée entre lesvitesses de production de CO2 et de CO [48]. Les rapports entre la production de masse de COet la production de masse de CO2 s’étendent d’approximativement 0,015 à 0,073 lorsque l'on selimite aux incendies de véhicules et de leurs chargements [48]. Cela amène à un rapport moyende 0,051 pour un écart type de ± 0.015. Cette moyenne est utilisée pour le calcul des vitessesde production de CO présentées au tableau 2.4.3.

II.5 Scénarios d’incendie de dimensionnementLes sections précédentes présentaient des informations importantes sur la probabilité desincendies et le dégagement de chaleur et de substances toxiques observés en réalité et aucours d'essais d’incendie en vraie grandeur. Dans ce contexte, un certain nombre de scénariosd’incendies doivent être conçus pour atteindre une stratégie optimale de prévention desincendies dans les tunnels. Jusqu’à présent, seuls quelques sujets spécifiques sont décritsdans les scénarios d’incendies. Il devrait y avoir des scénarios d’incendies pour :

• l’ingénierie de la structure des tunnels,• les essais de matériaux pour la structure et l’équipement du tunnel,• le choix du système de ventilation,• l’exploitation du tunnel,• la formation du personnel devant affronter un incendie.

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II.4.5 Carbon monoxide in smoke gases

The dangerous nature of smoke gases in tunnel facilities not only results from the visibility-obscuring effect but also from their possible toxicity. The concentration of carbon monoxide(CO) in smoke gases plays a major part in their toxic effect (see section I of this report).

During the EUREKA fire tests the CO level was monitored at several measuring points along thetunnel. In the region from about 20 m to 30 m downstream of the burning vehicles the followingpeak CO concentrations were measured at head height [49]:

• passenger van (plastic): 300 ppm• public bus: 2 900 ppm• heavy goods vehicle: 6 500 ppm

CO concentrations of more than 500 ppm were exceeded from about 10 to 15 minutes from thestart of the fire and lasted about 2 hours during the bus fire and about 15 minutes during theheavy goods vehicle fire. During an experiment with a mixed fire load CO concentrations of 500ppm and more occurred not before about 80 minutes after the start of the fire [49] and lasted for90 minutes.

These EUREKA results depend very much on the different ventilation of the test tunnel duringthe fire tests. Further they are related to the type of burning material. So the EUREKA resultsmay not be transferred directly to other tunnels. However, the EUREKA results indicate thatdownstream of fires there is, at least for bigger fires, a need for escape and rescue within about10 to 15 minutes from the start of a fire. Harmful CO concentrations should be expected also inthe progressive stage of vehicle fires [49].

When analysing the EUREKA tests, a reasonable linear correlation between the productionrates of CO2 and CO was found [48]. The ratios of CO mass production to CO2 mass productioncover a span from approx. 0.015 to 0.073 when restricting to vehicle and vehicle load fires [48].This gives on the average a ratio of 0.051 with a standard deviation of ± 0.015. This average isused for the calculation of the CO production rates given in table 2.4.3.

II.5 Design fire scenariosThe preceding chapters summarised important information about the probability of fires and therelease of heat and toxic substances as observed in reality and 1:1 fire tests. Against thisbackground a number of fire scenarios must be designed to get at an optimum fire preventionstrategy for road tunnels. Up to now only special topics are covered by a description of firescenarios. There should be fire scenarios for:

• tunnel structure engineering,• material testing for tunnel structures and equipment,• the choice of ventilation systems,• the operation of the tunnel, and• the training of staffs dealing with a tunnel fire.

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Ces scénarios d’incendies devraient inclure :

• des directives pour leur sélection,• une description du but du scénario,• une définition très précise des paramètres d’incendie (par exemple, puissance

thermique en fonction du temps),• les conditions de circulation, lorsque l’on traite de la ventilation du tunnel et de son

exploitation,• des directives pour l’établissement des essais de matériaux,• des spécifications pour les matériaux, les équipements et les structures par rapport

aux stratégies de prévention des incendies.

Des exemples de spécifications sur les essais de matériaux existent entre autres dans lesréglementations allemandes et néerlandaises (RWS-Curve [42], ZTV-Tunnel [45]). Un importantparamètre de classement est la température des armatures du béton qui ne doit pas dépasserenviron 300 °C. En ce qui concerne la conception de la ventilation et l’exploitation du tunnel, lesparamètres les plus importants sont la taille et le nombre de véhicules impliqués (puissance del’incendie), les conditions de circulation au moment du déclenchement de l’incendie (parexemple, circulation saccadée), le type de circulation (uni- ou bidirectionnelle), la ventilationnaturelle du tunnel et les possibilités de fuite pour les usagers en présence de chaleur, fuméeet gaz toxiques.

Parmi les différents types possibles d’incendies, les suivants doivent être examinés :

• les incidents impliquant un seul véhicule (voiture, autobus, camion, citerned’essence),

• les collisions (de deux à trois véhicules particuliers, d’une voiture particulière avec uncamion ou un autobus, d’un autobus avec un camion).

Pour la conception, il ne paraît cependant pas nécessaire d’envisager les pires cas alors queleur probabilité de se produire est très faible. Par exemple, très rares sont les incendies quirésultent d’une collision alors que ce type d’incident provoque les puissances thermiques et lestempératures les plus élevées. Mais lorsque les conséquences peuvent être catastrophiques(par exemple, la rupture d’un tunnel immergé), de tels scénarios doivent être envisagés lors duprojet.

Les conséquences des incendies dans les conditions suivantes de circulation doivent êtreapprofondies selon les caractéristiques du tunnel (par exemple, tunnel urbain) :

• trafic congestionné (par exemple, heures de pointe),• embouteillage (dû par exemple à un autre accident),• circulation dense, mais fluide (par exemple, probabilité accrue d’incidents multiples

entre véhicules).

Les plus mauvaises conditions ne sont généralement pas prises en compte lors dudimensionnement, selon un équilibre entre les coûts additionnels de construction etd’exploitation, et l’importance des risques (probabilité et conséquences).

AIPCR •••• 68 •••• 05.05.B - 1999

These fire scenarios should include:

• guidelines for their selection,• a description of the aim of the scenario,• a thorough definition of the fire parameters (e.g. heat release versus time),

• the traffic situation encountered when dealing with questions about tunnel ventilationand operation,

• guidelines for the set-up of material tests, and• specifications to be fulfilled by material, equipment and structure with regard to fire

prevention strategies.

Examples of specifications about material testing are found in Dutch and German regulations forinstance (RWS-Curve [42], ZTV-Tunnel [45]). An important rating parameter is the temperatureat the concrete reinforcement which should not exceed approx. 300 °C. With regard to theventilation design and the operation of the tunnel the most important items are the size andnumber of vehicles (fire load) involved, the traffic situation at the time of the outbreak of the fire(e.g. a stop and go-situation), the mode of traffic flow (e.g. uni or bi-directional), the naturalventilation of the tunnel and the escape possibilities for people in the presence of heat, smokeand toxic gases.

Among the possible fire loads the following vehicle fires should be examined:

• incidents with one vehicle (car, bus, lorry, petrol tanker),

• collision incidents (collision of two to three passenger cars, collision of a passengercar with a lorry or bus, collision of a bus with a lorry).

However, worst cases should not necessarily be considered for design when their probability isvery low. For instance very few fires result from a collision whilst this case leads to the highestheat release rates and temperatures. If the consequences may be catastrophic (e.g. collapse ofan immersed tunnel), such very severe scenarios should be taken into account for design.

The consequences of fire incidents in the following traffic situations should be investigatedaccording to the characteristics of the tunnel (e.g. urban tunnel):

• congested traffic (e.g. rush hours),• traffic jam (e.g. due to another accident),• flowing dense traffic (e.g. increased probability of multiple vehicle incidents).

Also worst conditions are generally not considered in design, depending on a balance betweenextra construction/operational costs and importance of risk (probability and consequences).

PIARC •••• 69 •••• 05.05.B - 1999

En ce qui concerne l’efficacité des équipements d'évacuation et de secours, les points suivantsdoivent être étudiés :

• disponibilité d’équipements de lutte contre l’incendie (par exemple, extincteurs),• disponibilité d’équipements permettant de détecter l'incendie et/ou d'informer

l'exploitation du tunnel,• délai le plus court et délai moyen d’arrivée des pompiers,• disponibilité des issues d’évacuation,• capacité du système de ventilation en cas d'urgence,• capacité de désenfumage du système de ventilation,• gestion de la circulation pour permettre la sortie du tunnel aux véhicules non

impliqués et qui se retrouvent en aval de l’incendie.

Ces sujets sont régulièrement couverts dans les activités des bureaux d'étude pour des projetsde tunnels spécifiques. Une plus grande normalisation serait très utile pour développer etpréparer, par exemple, des stratégies de ventilation pour des situations d’urgence.

Dans l’ensemble, un large éventail de scénarios d’incendies de dimensionnement est possibleselon l’objectif : construction de tunnel, équipement, exploitation. Cependant, le but des futurstravaux est de sélectionner les incendies de dimensionnement les plus importants et depréparer une courte description des scénarios d’incendie, comme le montrent les premiersexemples du tableau 2.5.1.

II.6 Recommandations pour des travaux futursSelon les éléments présentés dans ce chapitre, les futurs travaux sur le risque incendiedevraient porter sur :

• analyses des incendies et essais pour spécifier de manière plus détaillée laproduction de CO et de suies et la zone à visibilité réduite,

• définition plus précise des scénarios d’incendie,

• publication de directives pour les essais d’incendie et leur évaluation (par exemple,pour les revêtements résistant aux incendies).

AIPCR •••• 70 •••• 05.05.B - 1999

With regard to effective escape and rescue possibilities the following items should beconsidered:

• availability of fire fighting equipment (e.g. fire extinguishers),• availability of equipment to detect the fire and/or inform the tunnel operator,

• earliest and average arrival time of the fire brigade,• availability of emergency exits,• emergency capacity of the ventilation system,• smoke removal capacity of the ventilation system,• traffic enforcement to get and keep not involved vehicles downstream of fire out of the

tunnel.

These topics are regularly covered in consulting activities for specific tunnel projects. Morestandardisation would be very helpful for developing and preparing e.g. ventilation strategies foremergency situations.

On the whole a broad spectrum of design fire scenarios is possible regarding their differentaims (tunnel construction, equipment, tunnel operation). Therefore the intention of the furtherwork is to select the most important design fires and to prepare a short description of the firescenarios like the first examples in table 2.5.1.

II.6 Recommendations for further workAccording to the preceding chapters of this section further work on fire risk should be devotedto:

• analysis of fire events and tests to specify the production of CO, soot and light-absorbing area more comprehensively,

• defining of fire scenarios in more detail, and

• issuing of guidelines for fire tests and their evaluation (e.g. with regard to fire-resistant coatings).

PIARC •••• 71 •••• 05.05.B - 1999

n de l’incendiensionnement

Exemples de normesnationales

correspondantes

température-tempsur d’essai selon laSre maximaleurée du test : 2

Directivesnéerlandaises K.I.V.I.et du Rijkswaterstaat[42]

température-tempsur d’essai selon la-Tunnel

re maximaledurée du test :

0 mn (phase deent incluse)

ZTV Tunnel,Allemagne [45]

ements d’essaioir produire de l’air

de suies chaudesrature de 250 °C

moins 90 mn.

RABT 1994, Allemagne [50]

’incendie: voir n° 2ion de fumée :0 m3/s (à unede référence de

RABT 1994, Allemagne [50]

AIPCR •••• 72 •••• 05.05.B - 1999

Tableau 2.5.1 - Exemples de scénarios d’incendie de dimensionnement

Scénarios d’incendie

no. Sujet

Conditions importantesqui doivent être remplies

Descriptiode dime

1

Essai de matériau de constructionpour des structures de tunnelimmergé en béton armé, lorsque letransport de marchandisesdangereuses, comme les camionsciternes d’essence, est autorisé

- la température à l’interface des panneauxd’isolation thermique et du béton de la structuredu tunnel ne doit pas dépasser 380 °C.- la température des armatures métalliquesne doit pas dépasser 250 °C.

- courbedans le focourbe RW

- températu1 350 °C, dheures

2

Essai de matériau de constructionpour des structures de tunnel enbéton armé, lorsque :- les marchandises dangereusessont autorisées,- une rupture immédiate du tunnelou une arrivée d’eau ne sont pas àcraindre

La température des armatures métalliquesne doit pas dépasser 300 °C.

- courbedans le focourbe ZTV

- températu1 200 °C,1 heure 5refroidissem

3Essai d’accélérateurs pour lessystèmes de ventilation longitudinale

Les accélérateurs et les équipementsd’alimentation électrique doivent fonctionnerau moins 90 mn, lorsque l’air chaud et lafumée (température : 250 °C) les traversentet les entourent

Les équipdoivent pouvadditionnéd’une tempépendant au

4

Dimensionnement d’un système deventilation longitudinale avecaccélérateurs, capable de contrôlerun incendie de camion produisantune puissance calorifique d’environ20 MW.

- suffisamment de puissance pourpropulser la fumée dans un sens du tunnel(par exemple, prise en compte de la pertede poussée des accélérateurs sous l'airchaud)- choix de l’emplacement des accélérateursle long du tunnel afin d’en placersuffisamment pour le désenfumage dansles cas où certains d’entre eux seraientendommagés par l’incendie- disponibilité d’un mode de fonctionnementdes ventilateurs qui permet de conserverdes itinéraires d'évacuation libres de toutefumée

- données d- productenviron. 6température300 °C)

Table 2.5

no.scription ofdesign fire

Examples of relatednational standards

1

ndence of there in the test ovento the RWS curvetemperature

uration of the testhours

Dutch K.I.V.I. andRijkswaterstaatguidelines [42]

2

ndence of there in the test ovento the ZTV-

temperatureuration of the testhour 50 minutesase incl.)

ZTV-Tunnel, Germany[45]

3

ipment must bever hot sootr of a temperature ofat least 90 minutes.

RABT 1994, Germany[50]

4

see no. 2neration: approx.t a referencere of 300 °C)

RABT 1994, Germany[50]

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.1 - Examples of design fire scenarios

Fire scenarios

PurposeImportant requirements,

which have to be metDethe

test of construction material forimmersed reinforced concrete tunnelstructures, when passing ofdangerous goods like petrol tankersis allowed

- temperature at the interface of heatinsulation panels and the concrete ofthe tunnel structure may not exceed380 °C

- temperature at the steel reinforcement ofthe tunnel structure may not exceed 250°C

- time depetemperatuaccording

- maximum1350 °C dburning: 2

test of construction material forreinforced concrete tunnel structures,when:- dangerous good are allowed and- an immediate tunnel collapse orwater-intake is not anticipated

temperature at the steel reinforcement ofthe tunnel structure may not exceed 300 °C

- time depetemperatuaccordingTunnel

- maximum1200 °C dburning: 1(decline ph

test of jet fans for longitudinalventilation systems

the jet fans and their related equipment forthe electrical power supply must work atleast 90 minutes, when hot air and smoke(temperature: 250 °C) is flowing throughthem and surrounding them

the test equable to delienriched ai250 °C for

designing of a longitudinal ventilationsystem with jet fans capable tocontrol a lorry fire event with acalorific heat output of approx.20 MW

- enough power to push the smoke into onedirection of the tunnel (e.g. account forthrust loss of fans in hot air)

- choice of fan distribution along the tunnelfor retaining enough fans for smoke controlwhen some fans are damaged due to thefire

- availability of a fan operation mode whichkeeps emergency paths free from smoke

- fire data:- smoke ge60 m3/s (atemperatu

III. COMPORTEMENT DE LA FUMEE

III.1 IntroductionUn tunnel pouvant être emprunté par divers véhicules (voitures, autobus, camions, véhiculesspéciaux, etc.) avec différentes charges (passagers, matières inflammables, non inflammables,explosives, toxiques, etc.), les incendies dans les tunnels diffèrent en termes de quantité et dequalité. Dans la plupart des cas, ils présentent peu de danger, de petits incendies avec defaibles développements de température et de fumées ; mais il peut se produire des incendiesde camion citerne très dangereux, avec de hautes températures, une énorme production defumées et une possibilité d’explosion. Il n’est donc pas possible de décrire le développement dela température et de la fumée pour toute sorte possible d’incendie en tunnel.

Il a paru cependant utile d’inclure dans ce chapitre quelques informations générales sur lecomportement de la fumée durant les incendies. Cela pourra permettre de mieux comprendreles autres chapitres de ce rapport.

III.2 Travaux antérieurs de l’AIPCRDes informations concernant la production de fumée et de chaleur lors d’un incendie et lesmouvements de la fumée dans le tunnel ont été publiées pour le XVIIIe Congrès mondial de laRoute [19]. Des informations complémentaires sur les travaux antérieurs de l’AIPCR sontdonnées en référence [52].

III.3 Développement et dispersion de la fumée, appréciation généraleLe développement et la dispersion de la fumée provenant d’incendies dépendentprincipalement des facteurs suivants :

• alimentation éventuellement réduite en oxygène sur le site de l’incendie,

• puissance thermique,

• chaleur convectée,

• pente longitudinale,

• type de ventilation,

• dimensions de l’espace de circulation et obstructions possibles,

• pistonnement causé par tout véhicule en mouvement,

• influences météorologiques (force et direction du vent).

Fondamentalement, on peut dire qu’en raison de la chaleur dégagée au niveau du foyer, lafumée est entraînée au plafond et qu’elle se propage dans une direction lorsque la vitesse ducourant d’air longitudinal est élevée (avec ou sans remontée en plafond), et dans les deuxdirections lorsque cette vitesse est faible. Il reste ainsi une couche d’air relativement pur surenviron deux mètres au-dessus de la chaussée, au moins pendant une courte période.

AIPCR •••• 74 •••• 05.05.B - 1999

III. SMOKE BEHAVIOUR

III.1 IntroductionSince a tunnel can be used by different vehicles such as cars, buses, trucks, special vehicles,etc., which may have different loads (persons, non-flammable, flammable, explosives, toxicgoods, etc.), possible tunnel fires may differ in terms of quantity and quality. In most cases theyare relatively harmless, small tunnel fires with minor temperature and smoke development, butvery dangerous tanker fires with high temperatures, enormous smoke production and thedanger of explosion may occur. Therefore, it is not possible to describe the temperature andsmoke development for every possible kind of tunnel fire.

However, it has been deemed useful to include in this section some general information onsmoke behaviour during tunnels fires. It can be a useful background to best understand thefurther sections of this report.

III.2 Previous work by PIARCInformation concerning smoke and heat generation from a fire and smoke movement along thetunnel was published at the XVIIIth World Road Congress [19]. Further information on pastPIARC work is contained in the reference [52].

III.3 Smoke development and dispersal of smoke, general statementThe development and dispersal of smoke resulting from fires depend mainly on the followingfactors:

• possibly reduced supply of oxygen to the fire site,

• heat release,

• heat convection,

• longitudinal slope,

• type of ventilation,

• dimensions of the traffic space and possible obstructions,

• thrust caused by any moving vehicles,

• meteorological influences (wind strength and direction).

Basically it can be said that due to the heat released around the fire site, the smoke is lifted upto the ceiling, and that it continues its flow in one direction when the longitudinal velocity is high(with or without backlayering), and in both directions when the longitudinal velocity is low. Thusthere is a space without any smoke gases a couple of meters above the road surface - at leastfor a short period of time.

PIARC •••• 75 •••• 05.05.B - 1999

Cependant, puisque la fumée perd de la chaleur au niveau des parois du tunnel, elle serafraîchit et retombe le long des parois de chaque côté du tunnel. Par conséquent, deuxtourbillons se forment : ils entraînent la fumée vers le bas le long des parois froides etproduisent un mouvement ascendant au milieu du tunnel. Si un véhicule se trouve dans letunnel, deux tourbillons opposés se produisent [58]. En raison de la basse pression en aval duvéhicule, la fumée descend au milieu et remonte près des piédroits. Tous ces tourbillons fontque la fumée redescend à une certaine distance du foyer et envahit l’espace auparavant librede toute fumée au niveau du sol. Les paragraphes suivants fournissent une descriptiondétaillée de la manière dont la fumée se propage dans des incendies spécifiques de tunnels.

III.4 Développement et dispersion de la fumée lors d’essais d’incendie

III.4.1 Essais utilisant l’essence comme combustible (Ofenegg et Zwenberg)

Afin d’obtenir au moins un aperçu général sur les conditions de température et les quantités defumée à prévoir lors d’un incendie dû à de l’essence, des essais furent réalisés très tôt dans letunnel suisse de l’Ofenegg [53] et dans le tunnel autrichien du Zwenberg [54]. Ces deux tunnelsétaient des tunnels ferroviaires désaffectés. La section transversale totale des tunnels duZwenberg et de l’Ofenegg était d’environ 24 m2, ce qui est bien plus faible que la sectiontransversale d’un tunnel routier traditionnel à deux voies, qui est comprise entre 45 m2 et 60 m2.

Que ce soit dans le tunnel de l’Ofenegg ou dans celui du Zwenberg, l’essence a été verséedans un bac en béton et ensuite enflammée. L’essence utilisée était de l’essence ordinaire (86% de carbone et 14 % d’hydrogène), de masse volumique ρ = 730 kg/m3 (à 15 °C) et decapacité calorifique inférieure d’environ 44 MJ/kg. La vitesse de combustion de l’essence à l’airlibre est fonction de la surface du foyer : tout d’abord, elle augmente au fur et à mesure que lefoyer grossit, ensuite elle reste contante lorsque le foyer de l’incendie atteint une surfaced’environ 1 m2. Selon les références [25] et [55], la vitesse de combustion est de 0,08 l/(m2.s) à0,1 l/(m2.s) à l’air libre.

Cependant, dans un tunnel, les conditions sont quelque peu plus compliquées qu’à l’air libre.Le plafond et les piédroits restreignent l'écoulement de la fumée. Puisqu’il n’y a pas d’apportartificiel d’air frais envoyé directement sur le foyer, l’air frais peut seulement être fourni de deuxcôtés. Dans tous les cas de ventilation, les conditions de combustion sont plus mauvaises(moins d’oxygène) qu’à l’air libre. A l’air libre, le flux d’air frais voyage sans obstacles deslimites extérieures du foyer vers son centre et la fumée peut facilement s'évacuer. Les essaisd’incendie (dans le tunnel du Zwenberg) ont démontré que, selon les dispositions de l’essai, lavitesse de combustion dans le tunnel était plus faible que celle des incendies à l’air libre dontelle ne représente que 52 à 65 %. Lorsque de très grandes surfaces sont recouvertesd’essence, ce facteur peut être largement plus faible. La concentration en surface (quantité decombustible par surface totale du bac) dans le tunnel du Zwenberg était : f = 29,4 l/m2, et dansle tunnel de l’Ofenegg, elle était au plus de la moitié.

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However, since the smoke releases its heat at the tunnel walls, it cools down and flows down onboth sides at the walls. Hence a pair of vortices develops: they bring the smoke down near thecold walls and produce an upward flow in the middle of the tunnel. If there is a vehicle in thetunnel, a pair of opposite vortices appears [58]. Because of the low pressure downstream thevehicle, the smoke flows down in the middle and streams upward near the tunnel walls. Allthese vortices make the smoke come down at some distance from the fire site and destroy thesmoke-free ground zone. The following paragraphs provide a detailed description of how thesmoke disperses in specific tunnel fires.

III.4 Smoke development and dispersal of smoke in fire tests

III.4.1 Fire tests using petrol as a fire source (Ofenegg and Zwenberg fire tests)

In order to gain at least a general insight into the temperature conditions and the amounts ofsmoke to be expected from a petrol fire, tests were performed very early in the Swiss Ofeneggtunnel [53] and the Zwenberg tunnel in Austria [54], both of them being abandoned railroadtunnels. The total cross-sectional area of the Zwenberg and Ofenegg tunnels was approx. 24 m2

which is much smaller than the cross-sectional area of normal road tunnels with two lanes,which is between 45 m2 and 60 m2.

In the Ofenegg tunnel as well as in the Zwenberg tunnel, petrol was poured into a concrete tuband then ignited. The petrol used was regular petrol (86% carbon and 14% hydrogen) with adensity of ρ = 730 kg/m3 (at 15 °C) and a lower calorific value of approx. 44 MJ/kg. The rate ofburning of petrol in free air is a function of the fire area: first it increases as the fire siteincreases in size, then it remains constant when the fire site reaches an area of approx. 1 m2.According to references [25] and [55], the rate of burning is 0.08 l/(m2.s) to 0.1 l/(m2.s) in theopen.

In a tunnel, however, the conditions are much more complicated than in the open. The tunnelceiling and the walls restrict the flow of the smoke. If there is no artificial fresh air supplysending air directly to the fire site, fresh air can only be supplied from two sides. In everypossible ventilation case, the burning conditions are worse (less oxygen) than in the open. Inthe open, the flow of fresh air from the borders of the fire site into the centre of the fire isunhindered, and the smoke can easily flow off. The fire tests (in the Zwenberg tunnel) haveshown that, depending on the test arrangement, the rate of burning in the tunnel was lower bythe factor 0.52 to 0.65 compared to the fires in the open. When very large areas are coveredwith gasoline, this factor may be significantly lower. The area concentration (fuel amount pertotal tub area) in the Zwenberg tunnel was f = 29.4 l/m2, and in the Ofenegg tunnel it was onlyhalf as much.

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Schweiger [56] a réalisé une évaluation thermodynamique des essais du tunnel du Zwenbergpour une quantité de combustible de 200 l d’essence ordinaire. Pour une flaque de 7 m2,l’énergie totale disponible était de 6 410 MJ. Une combustion stœchiométrique supposée celaaboutit à une masse totale de produit de combustion (fumée) de 2 322 kg (besoins en air et enessence pour la combustion). Une combustion stœchiométrique est le résultat de la combustionde l’essence avec le minimum d’air nécessaire. Pendant l’incendie du tunnel, il n’y avait pasune combustion stœchiométrique.

Photo 3.1 - Exemple de développement de fuméependant un essai d’incendie dans un tunnel près de Monaco

Photo 3.1 - Example of smoke developmentduring a fire test in a tunnel near Monaco

En plus des composants CO2 et H2O résultant d’une combustion stœchiométrique, se sontégalement formés du CO et du NOx. Cependant, la quantité de ces derniers était faible (enconcentration), ce qui signifie qu’il n’est pas nécessaire de les prendre en compte lors del’équilibre thermodynamique. L’évaluation était ensuite fondée sur l’hypothèse qu’il ne pouvait yavoir de condensation de vapeur d’eau dans la fumée.

La figure 3.4.1 montre la production par combustion stœchiométrique (CO2, H2O et N2 nonbrûlé) dans le tunnel en fonction de la durée de l'incendie pour 200 l d’essence ordinaire. Onpeut observer que la totalité de l’essence brûle en 10 mn environ. Au début, les produits decombustion montrent un accroissement linéaire rapide. Après 400 secondes, 2 100 kg de fuméeont été produits. Ensuite, la production de fumée décroît fortement, et après 620 secondes,l’essence est totalement brûlée. Durant les 400 premières secondes, la puissance thermiqueétait d'environ 15 MW.

L‘évolution de cet incendie était pour l'essentiel indépendante du type de ventilation(transversale, transversale sans apport d’air frais, semi-transversale, longitudinale avec unevitesse de l’air de 2 m/s). Le système de ventilation était conçu pour fournir 30 m3/s d’air frais etaspirer 30 m3/s d’air vicié sur une longueur de 400 m. Ainsi, dans le cas de la ventilationtransversale, il était possible d’extraire de l’espace de circulation la totalité de la fumée sur unedistance d’environ 200 m.

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Schweiger [56] made a thermodynamic evaluation of the fire tests in the Zwenberg tunnel for afuel mass of 200 l of regular petrol. In a 7 m2 pool area the total available fuel energy was 6410MJ. Based on an assumed stoichiometric combustion, this results in a total combustion product(smoke) amount of 2322 kg (fuel and air requirements for combustion). A stoichiometriccombustion product amount is the result of the complete combustion of fuel with the necessaryminimum amount of air. During the tunnel fire there was no stoichiometric combustion.

In addition to thecompo-nents CO2 andH2O resulting from astoichiometric com-bustion, CO and NOx

were formed as well.However, the amountof these componentswas small (within theppm range), whichmeans that they can beneglected in thethermodynamicbalance. Theevaluation was furtherbased on theassumption that nocondensation of thewater vapour containedin the smoke tookplace.

Figure 3.4.1 shows thestoichiometriccombustion productmass (CO2, H2O andunburned N2) in the

tunnel depending on the duration of the fire for 200 l of regular petrol. It can be seen that thecomplete fuel mass is burned within approx. 10 minutes. At the beginning, there is a rapid linearincrease in the combustion product mass. After 400 seconds, 2100 kg of smoke have beenproduced. Then the production of smoke decreases greatly, and after 620 seconds the fuel iscompletely burned. During the first 400 seconds the thermal output amounted to approx. 15MW.

The progress of this fire was essentially independent of the type of ventilation (transverseventilation, transverse ventilation without fresh air supply, semi-transverse ventilation, andlongitudinal ventilation with an air velocity of 2 m/s). The ventilation system was designed tosupply 30 m3/s of fresh air and to withdraw 30 m3/s of exhaust air over a length of 400 m. Thus itwas possible in the case of the transverse ventilation to withdraw the complete amount of smokeproduced from the traffic space within a distance of approx. 200 m.

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Pour convertir les masses de fumée en volumes, il est nécessaire de connaître la températurede la fumée. Les températures théoriques de combustion stœchiométrique de l’essenceordinaire sont d’environ 2 000 °C. Les températures réelles en cas d’incendie sontgénéralement plus faibles, principalement parce que la combustion n’est pas stœchiométrique,ou parce que la fumée se mélange à l’air.

Les essais réalisés dans les tunnels de l’Ofenegg et du Zwenberg ont montré que lestempératures maximales le long du plafond au-dessus du foyer de l’incendie variaient entre 800et 1 200 °C.

La figure 3.4.2 montre la distribution générale de la température dans le tunnel en fonction dutemps dans le cas d’une ventilation longitudinale avec une vitesse longitudinale de 2 m/s. Latempérature est la moyenne de toutes les mesures de température effectuées sur une sectiontest.

Figure 3.4.2 – Distribution de latempérature mesurée le long du tunnelà une vitesse longitudinale de 2 m/s

Figure 3.4.2 - Temperatureprogression measured along the

tunnel lengthat a longitudinal velocity of 2 m/s

Longueur du tunnel (m)Site de l'incendie Sortie nord

Tem

péra

ture

(°C

)

La figure 3.4.3 montre la situation avec une vitesse longitudinale un peu plus élevée (4 m/s).

Il est difficile de comparer directement les deux résultats, puisque l’évolution de la températureest seulement disponible à des laps de temps différents (ramener les chiffres aux mêmes tempsn’est pas possible).

De plus, le facteur suivant doit être pris en compte : dans le cas de vitesses longitudinales plusbasses, les flammes ne sont que modérément redirigées dans le sens du courant d'air. On peutnoter une légère remontée des fumées le long du plafond, à contre-courant du flux principal.Cependant, dans le cas de vitesses longitudinales plus grandes, les gaz de fumée sonttotalement redirigées dans la direction du courant d'air. En général, on peut dire que lestempératures des fumées jusqu’à une distance d’environ 200 m sont plus élevées dans le casde vitesses longitudinales de 4 m/s que dans le cas de vitesses longitudinales plus basses. Apartir d’une distance de 200 m, cependant, les températures sont plus faibles en raison de lavitesse longitudinale élevée et de l’effet de l’échange thermique avec la paroi.

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In order to convert the smoke masses produced to smoke volumes it is necessary to know thesmoke temperatures. The theoretical stoichiometric combustion temperatures of regulargasoline are about 2000 °C. The real fire temperatures are usually much lower, mainly becausethe combustion is not stoichiometric, or because the smoke mingles with air.

The fire tests performed in the Ofenegg tunnel and in the Zwenberg tunnel showed that themaximum local temperatures along the ceiling above the fire site were between 800 °C and1200 °C.

Figure 3.4.2 shows the main temperature distribution in the tunnel relative to time in the case ofa longitudinal ventilation with a longitudinal velocity of 2 m/s. The temperature is the mean valueof all temperature measurements performed in one measuring cross-section.

Figure 3.4.3 - Temperature progression measured along thetunnel lengthat a longitudinal velocity of 4 m/s

Figure 3.4.3 - Distribution de la température mesurée le long dutunnel

à une vitesse longitudinale de 4 m/s

Figure 3.4.3 shows the conditions with a slightly higher longitudinal velocity of 4 m/s.

It is not possible to directly compare the two measurement results with each other, since thetemperature distribution is only available for different times (converting the figures to the sametimes is not possible).In addition, the following fact must be considered as well: in the case of lower longitudinalvelocities, the flames are being redirected into the flow direction only to a small extent. There isstill a minor backlayering of the flue gases along the ceiling, which is directed against the mainflow. In the case of higher longitudinal velocities, however, the flue gases are completelyredirected toward the flow direction. In general it can therefore be said that the flue gastemperatures up to a distance of approximately 200 m are higher in the case of higherlongitudinal velocities of 4 m/s that in the case of lower longitudinal velocities. As of a distanceof 200 m, however, temperatures decrease due to the higher longitudinal velocity and theresulting improvement in the heat transition into the rock.

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Lors de l’utilisation d’une ventilation semi-transversale réversible ou d’une ventilationtransversale, le système de ventilation doit être basculé aussi vite que possible de l’état defonctionnement normal à l’état de fonctionnement en mode d’incendie (maximum d’air vicié, 0 à25 % d’air frais à l’intérieur de la zone d’incendie ; voir V.5.4).

Que ce soit dans le cas d’une ventilation transversale ou d‘une ventilation semi-transversaleréversible, la réduction de température dans l’espace de circulation fut plus élevée. Cela est dûau fait qu'en s'éloignant du foyer, de plus en plus de fumée est aspirée dans la gained’extraction, libérant ainsi l’espace de circulation de toute fumée.

Les calculs [57] ont montré que si l’aspiration des fumées est effectuée de manière concentrée(plusieurs bouches d'extraction au-dessus de l’incendie sont totalement ouvertes alors que lesautres sont entièrement fermées), la dispersion des fumées sera réduite au minimum.

III.4.2 Essais utilisant le gasole comme combustible (Memorial Tunnel)

De 1993 à 1995, des essais intensifs ont été pratiqués dans un tunnel routier désaffecté à deuxvoies (Memorial Tunnel) en Virginie occidentale (Etats-Unis). Contrairement aux tunnels duZwenberg et de l’Ofenegg, la section transversale de ce tunnel est bien représentative destunnels routiers traditionnels (environ 60,5 m2 sans faux-plafond). Le gasole a été utilisé commecombustible. La masse volumique du gasole se situe entre 815 kg/m3 et 855 kg/m3 (à 15 °C) etsa capacité calorifique inférieure est de 42,5 MJ/kg. Le gasole est principalement constitué de86 % de carbone et de 14 % d’hydrogène. La consommation stœchiométrique d’air est de 14,5kg d’air par kg de gasole. Hormis le fait que la facilité d'inflammation du gasole est moins bonneque celle de l’essence, peu de différences apparaissent entre le gasole et l’essence lors d’unincendie, que ce soit en termes de production ou de dispersion de la fumée.

Durant le programme du Memorial tunnel, un certain nombre d’essais avec différentesproductions thermiques de 10 MW, 20 MW, 50 MW et 100 MW, ont été réalisés dans un tunnelde 853 m de long, d’une pente de 3,2 %. Les systèmes suivants de ventilation ont étésoigneusement examinés :

• ventilation naturelle,

• ventilation longitudinale par accélérateurs,

• ventilation transversale pure,

• ventilation transversale partielle avec extraction seule,

• ventilation transversale partielle avec injection d'air seule,

• ventilation transversale partielle en deux cantons,

• ventilation transversale partielle avec un seul point d’extraction,

• ventilation transversale partielle avec des bouches d’extraction surdimensionnées.

Il n’est pas possible de relater en détails tous les résultats des essais ; ce qui suit présentedonc uniquement les plus importants. Pour les détails, voir [22].

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When using reversible semi-transverse ventilation or transverse ventilation, the ventilationsystem should be switched from normal operation to fire operation as soon as possible (max.exhaust air, 0% - 25% fresh air within the fire section; see V.5.4).

In both cases of a transverse ventilation and a reversible semi-transverse ventilation, thetemperature reduction in the traffic space was much higher. This is because with increasingdistance from the fire site, more and more exhaust fumes are sucked into the exhaust channel,thus clearing the traffic space of smoke.

Calculation results [57] have shown that a concentrated flue gas withdrawal (several exhaustlouvers above the fire are fully opened, while all others are fully closed) provides minimumdispersion of flue gases.

III.4.2 Fire tests using diesel oil as a fire source (Memorial Tunnel fire tests)

In the years 1993 to 1995, intensive fire tests were performed in an abandoned two-lane roadtunnel (Memorial Tunnel) in West Virginia (USA). In contrast with the Zwenberg tunnel and theOfenegg tunnel, the cross-section in this tunnel was representative of usual road tunnels(approx. 60.5 m2 without intermediate ceiling). Diesel oil was used as a fire source. The densityof diesel oil is between 815 kg/m3 and 855 kg/m3 (at 15 °C), and the lower calorific value is 42.5MJ/kg. In terms of weight percentage, diesel oil mainly consists of carbon (86%) and hydrogen(14%). The stoichiometric air consumption is 14.5 kg of air per kilogram of diesel oil. Except forthe fact that diesel oil ignition qualities are not as good as those of petrol, there are no majordifferences between diesel oil and petrol in the case of a fire both in terms of smokedevelopment and in terms of smoke dispersal.

During the Memorial Tunnel fire test programme, a number of tests with different fire loads of 10MW, 20 MW, 50 MW and 100 MW were performed in a 853 m long tunnel with a slope of 3.2%.The following ventilation systems were closely examined:

• natural ventilation,

• longitudinal ventilation with jet fans,

• full transverse ventilation,

• partial transverse exhaust ventilation,

• partial transverse supply ventilation,

• two-zone partial transverse ventilation,

• partial transverse ventilation with single point extraction,

• partial transverse ventilation with oversized exhaust ports.

It is not possible to discuss all the test results in detail, so the following contains the mostimportant results only. For detailed results see [22].

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1. Sans ventilation mécanique, la fumée se propage par ventilation naturelle (effet decheminée) à raison de 2,2 m/s (20 MW) ou 3,4 m/s (50 MW). Après 5 mn (20 MW) ou3 mn (50 MW), la totalité de la section transversale de l’espace de circulation estremplie de fumée.

2. Des vitesses de l’air de 2,5 (10 MW) à 2,95 m/s (100 MW) furent suffisantes pourempêcher la remontée de fumée en plafond. Les effets thermiques des incendies ontconsidérablement réduit les débits d’air à l’intérieur du tunnel comparativement à unesituation normale (facteurs de réduction : 10 % (10 MW) à 50 % - 60 % (100 MW)).

3. La ventilation transversale pure (air frais = air extrait) fut inefficace pour maîtriser lestempératures et la fumée pour des incendies de 20 MW ou plus.

4. La ventilation transversale partielle avec soufflage, mais sans extraction d'air, nepermet pas une maîtrise efficace des températures et de la fumée. La ventilationtransversale partielle en deux cantons fut capable de contenir la fumée et la chaleurdans des couches bien stratifiées et à proximité de l’incendie.

5. La ventilation transversale partielle avec un seul point d’extraction et la ventilationtransversale partielle avec des bouches d’extraction surdimensionnées sontcomparables quant à l’extraction des fumées et se sont avérées très efficaces.

III.4.3 Essais avec des voitures et camions réels (projet EUREKA n° 499 – FIRETUN)

Lors de ces essais réalisés en Norvège, une attention spéciale a été portée à la production et àla dispersion des fumées provenant d’incendie de véhicules (voitures et camions). La chargecalorifique était comprise entre 5 000 MJ (voitures) et 90 000 MJ (poids lourds) (voir chapitre IIet [20]). Un des essais fut réalisé avec de l’heptane C7H16 (84 % C et 16 % H). La massevolumique de l’heptane est d’environ 680 kg/m³ (à 15 °C) et sa capacité calorifique d’environ44,4 MJ/kg. Ainsi ce carburant est très proche de l’essence et du gasole. La valeur moyenne dela section transversale du tunnel était d’approximativement 30 m² à 35 m². En comparaisonavec les essais réalisés avec de l’essence, du gasole et de l’heptane, il faut toutparticulièrement tenir compte de deux facteurs qui influencent considérablement la productionet la dispersion des fumées lors d’incendies impliquant des véhicules réels :

• les matériaux utilisés pour la construction du véhicule (sans chargement) ralentissentla propagation des flammes et sont difficilement combustibles ;

• les températures initiales aux parois du tunnel étaient relativement basses ; de plus,les parois étaient grossièrement excavées et très rugueuses, aussi le flux de chaleurse propageait-il rapidement vers le rocher.

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1. With no mechanical ventilation, the smoke spreads due to the natural ventilation(chimney effect) with 2.2 m/s (20 MW) or 3.4 m/s (50 MW), respectively. After5 minutes (20 MW) or 3 minutes (50 MW), the whole cross-section of the traffic spaceis completely filled with smoke.

2. Air velocities of 2.5 (10 MW) to 2.95 m/s (100 MW) were sufficient to preventbacklayering. The thermal effects of the fires significantly reduced tunnel air flowscompared to non-fire situation (reduction factors: 10% (10 MW) to 50% - 60%(100 MW)).

3. Full transverse ventilation (fresh air = exhaust air) was ineffective in management ofsmoke and temperatures for fire sizes of 20 MW or higher.

4. Partial transverse supply ventilation with no exhaust air did not provide effectivetemperature and smoke management. Two-zone partial transverse ventilation wascapable of maintaining smoke and heat in well-stratified layers and in close proximityto the fire.

5. Partial transverse ventilation with single extraction and partial transverse ventilationwith oversized exhaust ports are similar to concentrated smoke withdrawal and werevery effective.

III.4.3 Fire tests with real cars and trucks (EUREKA project n° 499 - FIRETUN)

In these tests performed in Norway, special attention was paid to the smoke development andthe smoke dispersal resulting from the combustion of vehicles (cars and trucks). The fire loadwas between 5000 MJ (cars) and 90000 MJ (heavy goods vehicles) (see section II and [20]).One fire test was performed with n-heptane C7H16 (84% C and 16% H). The density of n-heptane is about 680 kg/m³ (at 15 °C), the calorific value is approx. 44.4 MJ/kg. So this fuel isvery similar to gasoline or diesel oil. The mean value of the tunnel cross section was approx.30 m² - 35 m². As compared to fire tests performed with gasoline, diesel oil and n-heptane,special attention must be paid to two factors which heavily influence the smoke developmentand the dispersal of smoke in fires involving real road vehicles:

• the materials used for the vehicle construction (without load) are flame-retardant andhardly combustible;

• the natural initial temperatures at the tunnel wall in the test tunnel were relatively low;in addition, the tunnel wall was roughly excavated and very rough, so that the heatreleased was rapidly conveyed to the rock.

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Ces deux facteurs ralentissent la production de chaleur et donc le développement des fumées,et ils réduisent les températures par rapport aux incendies ayant du carburant comme source.Par ailleurs, ces incendies durent plus longtemps que ceux provoqués par du carburant. Deplus, les températures des fumées baissent rapidement à mesure qu’elles s’éloignent du foyer,de telle manière que les fumées retombent rapidement au sol. La section transversale du tunnelfut remplie de fumée. A l’opposé d’autres essais, où il y a normalement une zone libre de fuméeau-dessus du sol (au moins pendant un certain temps), cette zone n’existait pratiquement pas(sauf dans le cas d’un incendie impliquant du bois). Ainsi, les conditions de cet essai furentsensiblement plus mauvaises que dans le cas d’essais utilisant du carburant.

III.5 Influence de la déclivité du tunnelLa déclivité a une influence importante sur la dispersion des fumées. Malheureusement, iln’existe pas encore aujourd’hui de résultats d’essais comparables pour différentes déclivités detunnels. Les essais correspondants sont encore à réaliser.

Généralement, on peut dire qu’en raison de l’effet de cheminée, la vitesse de dispersion desfumées augmente avec l’accroissement de la déclivité du tunnel. Si les fumées sont refouléesvers le bas avec une déclivité supérieure à 3,2 %, comme ce fut le cas au Memorial Tunnel, etsi l’on veut éviter la remontée des fumées, la vitesse longitudinale doit dépasser 3 m/s (100MW).

III.6 ConclusionLa production et la dispersion des fumées dépendent d’un certain nombre de facteurs etdiffèrent selon les incendies. En raison de l'effet thermique, la fumée remonte vers le plafondprès du foyer et se propage dans le haut du tunnel, jusqu’à ce qu’elle refroidisse et retombevers la chaussée. A ce moment-là, la section transversale est en majeure partie remplie defumée. Dans de nombreux cas, une zone libre de fumée se sera formée autour du foyer (aumoins pendant un certain temps).

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Both factors retard the heat release and thus the smoke development, and they reduce the firetemperatures compared to fuel fires. On the other hand, these fires last much longer than fuelfires. In addition, the smoke temperatures decreased rapidly with increasing distance from thefire site, so that the smoke quickly cooled down and sank to the ground. The total tunnel cross-section was filled with smoke. In contrast to other fire tests, where there is normally a groundzone without smoke - at least for a certain period of time - there was no such free zone duringthese fires (except in the case of a wood fire). Thus the conditions were in this test significantlyworse than in the case of fuel fires.

III.5 Influence of the tunnel slopeThe slope of the tunnel has an important influence on the dispersion of the flue gases.Unfortunately, there are currently no comparable test results for various tunnel slopes available.Corresponding tests are still to be performed.

In general it can be said that due to the chimney effect, the dispersion velocity of the flue gasesincreases with the increase in the tunnel slope. If the flue gases are to be pressed down againsta tunnel slope higher than 3.2%, as was the case in the Memorial Tunnel tests, and if abacklayering is to be prevented, the longitudinal velocity should be higher than 3 m/s (100 MW).

III.6 ConclusionThe development and dispersal of smoke depends on a number of factors and is different fromfire to fire. Due to the thermal buoyancy, the smoke is lifted up to the ceiling near the fire siteand spread in the upper area of the tunnel, until it cools down and sinks back to the ground.From that point of time, the tunnel cross section is, for the major part, completely filled withsmoke. In many cases, a ground-level zone free of smoke will - at least for a short period of time- be formed around the fire site.

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IV. METHODES D'ETUDE

IV.1 IntroductionL’importance des enjeux humains et économiques liés aux incendies dans les tunnels justifiedes recherches spécifiques, dont les deux principaux buts peuvent être classés comme suit :

• stratégies de sécurité : les investigations couvrent généralement l’évaluation del’opacité, les concentrations en gaz toxiques, la vitesse de l’air, le mouvement desfumées, etc. ; les résultats de ces recherches concernent les débits de ventilation,l’organisation géométrique des débits, les itinéraires de secours ou les possibilitésd’intervention des pompiers ;

• influence de l’incendie sur la structure et les équipements du t unnel : la chaleurdégagée par l'incendie peut endommager les murs et le plafond ; la situation peutdevenir dangereuse dans le cas d’un tunnel immergé ou de conduites de ventilationsituées en plafond ; l’incendie peut également causer de sérieux dommages auxéquipements, et tout spécialement au système de ventilation.

Puisque dans un tunnel, la capacité de ventilation est le seul paramètre capable de contrecarrerles effets d’un incendie, le contrôle de la vitesse longitudinale de l’air apparaît très souventcomme le dénominateur commun de toutes ces études.

Les moyens utilisés dans de telles études impliquent différentes méthodes (expérimentales ounumériques) et leur importance peut considérablement varier d’une étude à l’autre. Ces étudessont généralement réalisées pour des projets spécifiques de tunnel ou pour préparer desrecommandations ou des réglementations. De nombreux résultats expérimentaux et théoriquesont été obtenus ; la plupart d’entre eux sont d’un grand intérêt. Les méthodes étantnombreuses, avec des coûts, validités et résultats différents, il n’est pas toujours aisé derepérer quel type d’approche est le plus approprié pour un problème donné. Un panoramagénéral de ces études a donc semblé nécessaire pour classifier les méthodes disponibles selonleur intérêt spécifique, et recommander le meilleur usage à faire de chacune.

Trois familles de méthodes ont été distinguées : essais en vraie grandeur, essais à échelleréduite et simulations numériques. Leur présentation successive sera suivie de conclusionsgénérales.

IV.2 Travaux antérieurs de l’AIPCRCes quinze dernières années, le Comité AIPCR des Tunnels routiers a toujours étudié laquestion de la sécurité incendie et a présenté, dans ses différents rapports, soit un état de l’art,soit des recommandations.

Néanmoins, il y a peu d’informations concernant les méthodes d’étude, hormis les importantsessais en vraie grandeur réalisés en Suisse (Ofenegg 1965), au Japon (Futatsugoya 1968-1969, Amikake 1975, PWRI 1980) et Autriche (Zwenberg 1974-1975). Ces essais ont servi àl’AIPCR pour élaborer des recommandations dans les rapports aux Congrès de Vienne (1979)[26] et de Bruxelles (1987) [19].

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IV. STUDY METHODS

IV.1 IntroductionThe human and economic stakes associated to fires in tunnels require specific investigations.The two main aims of such studies may be classified as follows:

• Safety strategies : the investigations generally deal with the evaluation of opacity,toxic gases concentrations, air velocity fields, smoke movement, etc. Their resultsconcern the definition of the ventilation rates, the geometric organisation of the flowrates, the emergency routes or the possibilities for fire brigades intervention.

• Influence of the fire on the tunnel structure and equipment : the walls and ceilingsmay suffer from the heat released by the fire. The situation may be dangerous in thecase of an immersed structure or in the case of air ducts located above the ceiling ofthe tunnel. The fire may also cause severe damage to the equipment, and especiallyto the ventilation system.

As in a tunnel the ventilation capacity is the only parameter able to counterbalance the effectsof a fire, the control of the longitudinal air velocity often appears of common interest for all thesestudies.

The means used in such studies involve different methods (experimental or numerical) and theirimportance may significantly vary from one investigation to another. These studies are generallyperformed for specific tunnel projects or to prepare recommendations or regulations. Manyexperimental and theoretical developments have been performed and most of them are of greatinterest. With regard to such a number of methodologies with various costs, validity and results,it is not always obvious to know which kind of approach is best appropriate for a given problem.This is the reason why a general review of these studies seems to be necessary to classify theavailable methods according to their specific interest, and to recommend the best use of eachone.

Three families of methods have been distinguished: full scale tests, small scale experimentsand computer simulations. They will be examined successively before general conclusions aredrawn.

IV.2 Previous work by PIARCDuring the last 15 years, the PIARC Committee on Road Tunnels has always worked on the firesafety problem and has included either state of the art or recommendations in its differentreports.

Nevertheless there are few indications concerning the study methods, except the use of largescale fire tests which have been carried out in Switzerland (Ofenegg 1965), Japan (Futatsugoya1968-69, Amikake 1975; PWRI 1980) and Austria (Zwenberg 1974-75). These fire tests havebeen used by PIARC for setting up their recommendations in the Vienna (1979) [26] andBrussels (1987) [19] reports.

PIARC •••• 89 •••• 05.05.B - 1999

Les principales recommandations de l’AIPCR, directement liées aux méthodes d’étude, ont étépubliées dans le rapport de Bruxelles et, plus récemment, dans le rapport de Montréal [17].

Le rapport de Bruxelles [19] définit trois catégories d’incendies de véhicules dedimensionnement (voiture particulière, autobus ou camion, marchandises dangereuses) etdonne, pour chacune d’elles, des caractéristiques relatives à la source de l’incendie (puissancethermique et production de fumée maximales) et l’extension de la couche de fumée sous deuxconditions de ventilation (vitesse faible et vitesse critique, qui est la vitesse longitudinaleminimale de l’air capable d’éviter le mouvement à contre-courant, ou remontée, de la fumée).Ces recommandations sont fondées sur les résultats des importants essais en vraie grandeurmentionnés précédemment et ont été utilisées de par le monde en vue de la définition desincendies de dimensionnement pour les systèmes de désenfumage. Le rapport de Bruxellesprésente également les simulations numériques comme une nouvelle méthode de prévisiond’une situation d’incendie dans un tunnel. Il est dit que "les outils informatiques permettentd’utiliser la modélisation mathématique pour comprendre les incendies dans les tunnels. Celapermet de mieux connaître l’influence de nombreux paramètres et donc, de réserver les essaisen vraie grandeur au calibrage des modèles".

Le rapport de Montréal [17] donne de nouvelles recommandations et les grandes lignes desthèmes développés dans le présent rapport.

IV.3 Essais en vraie grandeur

IV.3.1 Grands programmes de recherche

IV.3.1.1 Objectifs

Les programmes de recherche utilisant des installations en vraie grandeur traitentgénéralement de nombreux aspects spécifiques de la sécurité caractérisés par d'importantsenjeux humains et économiques.

IV.3.1.2 Moyens

Ces programmes expérimentaux sont généralement menés dans des tunnels désaffectés etrequièrent d’importants moyens financiers.

Les principaux programmes déjà réalisés sont les suivants :

• tunnel de l'Ofenegg (Suisse, 1965) [59] : ces essais furent conduits afin d’étudier lescapacités de la ventilation en cas d’incendie, dans le cadre des grands projetssuisses des années soixante. L’installation était un tunnel ferroviaire se terminant encul-de-sac à 190 m de la tête. Environ onze incendies furent provoqués à l’aide debacs d’essence de 6,6 m² à 95 m². Les mesures portèrent sur la température, lavitesse de l’air, les concentrations en gaz (CO et O2) et la visibilité.

• tunnel du Zwenberg (Autriche, 1975) [60] : ce programme fut décidé en liaison avecdeux importants projets d’autoroutes en Autriche. Les systèmes de ventilationlongitudinale et semi-transversale furent testés. Les essais portèrent sur un total de30 bacs d’essence. Les surfaces d’essence enflammée étaient de 6,8 m² et 13,6 m².Les mesures portèrent sur la température, les concentrations en gaz (CO, CO2, NOx,O2), l’opacité et le taux de combustion.

AIPCR •••• 90 •••• 05.05.B - 1999

The major PIARC recommendations which are directly connected with the “study methods” havebeen published in the Brussels report and more recently in the Montreal report [17].

The Brussels report [19] defines three types of design road vehicle fires (private car, bus ortruck, dangerous goods) and gives for each one some characteristics on the fire source itself(maximum heat release rate and smoke production) and the spread of the smoke layer undertwo ventilation conditions (low velocity and critical velocity - which is the minimum longitudinalairflow velocity able to avoid the backward propagation, or backlayering, of the smoke). Theserecommendations are based on the results of the large fire tests mentioned previously and havebeen used world-wide to define the design fire for smoke control systems. The Brussels reportalso mentions the computer simulations as a new method for predicting fire situation in a tunnel.It is said that "computer facilities also allow fire problems in a road tunnel to be solved on thebasis of mathematical modelling. This will give further insight on the influence of manyparameters, so that full scale tests must only be made to calibrate the mathematical models".

The Montreal report [17] gives new updated recommendations and outlines the topicsdeveloped in the present report.

IV.3 Full scale tests

IV.3.1 Large research programmes

IV.3.1.1 Objectives

Research programmes using full scale facilities generally deal with numerous but very specificaspects of safety characterised by high human and economic stakes.

IV.3.1.2 Means

These experimental programmes are usually held in disused tunnels. They require importantfinancial means.

The main programmes performed in the past are the following:

• Ofenegg tunnel (Switzerland, 1965) [59]: these tests were carried out in order tostudy the ventilation capacities in the case of a fire under the large Swiss tunnelprojects of the sixties. The facility was a railway tunnel with a dead end located 190 mfrom the portal. About 11 fires were performed using petrol pools from 6.6 m² to95 m². The measurements concerned temperature, air velocity, gas concentrations(CO and O2) and visibility.

• Zwenberg tunnel (Austria, 1975) [60]: this programme was decided in connectionwith two major motorways projects in Austria. Longitudinal and semi-transverseventilation systems were tested. The tests concerned a total of 30 pool fires. Theignited petrol areas were 6.8 m² and 13.6 m². The performed measurements were:temperature, gas concentration (CO, CO2, NOx, O2), opacity and combustion rate.

PIARC •••• 91 •••• 05.05.B - 1999

• expériences PWRI (Japon, 1980) [61] : les essais japonais en vraie grandeurutilisèrent une galerie de 700 m de long construite par l’Institut de Recherche desTravaux publics (PWRI) et un tunnel de 3 300 m de long. Seize expérimentationsfurent réalisées dans la galerie et huit dans le tunnel. On utilisa comme foyers desbacs d’essence (dix essais avec 4 m², deux essais avec 6 m²), des véhiculesparticuliers (six essais) et des autobus (six essais). Les conditions physiquesmesurées dans le tunnel furent corrélées aux capacités de secours. L’influence de lavitesse longitudinale de l’air fut démontrée.

• tunnel de Repparfjord (Norvège, 1990-1992) [62] : ces essais furent conduits dansune ancienne galerie minière d’une longueur de 2,3 km (parois non revêtues etsection transversale allant de 30 à 40 m²). Ils rassemblèrent neuf pays européens et

constituèrent la base duprojet EUREKA 499"Firetun". Un total de21 essais fut mené sur deswagons de train et de métro,des véhicules particuliers,des poids lourds et des feuxcalibrés (bacs d’heptane etpalettes en bois). Près de400 capteurs furent installésle long du tunnel et àl’intérieur des foyers. Lesmesures por-taient sur latempérature de l’air et desparois, la vitesse, l’opacité,la concentration des gaz, lemouvement des fumées (parvidéo), etc.

Photo 4.3.1 - Essai d’incendiedans le tunnel de Repparfjord

Photo 4.3.1 - Fire testin Repparfjord tunnel

• Memorial tunnel (États-Unis, 1993-1995) [63] : ce programme fut financé par laFederal Highway Administration et l’État du Massachusetts pour le projet detunnel/artère centrale de Boston. Les expériences furent réalisées dans un tunnelroutier désaffecté de 850 m de long en Virginie occidentale. Près de 91 essais furentmenés avec des bacs de gasole. Les puissances thermiques obtenues variaient de10 MW (4,5 m²) à 100 MW (44,4 m²). Les systèmes de ventilation transversale etlongitudinale furent testés. 1 450 capteurs furent installés dans le tunnel, fournissantainsi près de 4 millions de données par essai.

Les récents programmes de recherche sont fondés sur des systèmes complets de mesures. Lescapteurs sont nombreux et sont organisés en réseaux tout à fait semblables à ceux utilisés dansles simulations numériques par modèle de champ.

AIPCR •••• 92 •••• 05.05.B - 1999

• PWRI experiments (Japan, 1980) [61]: the Japanese full scale test programmesused a 700 m long gallery built by the Public Works Research Institute (PWRI) and a3300 m long road tunnel. 16 experiments were performed in the gallery and 8 in thetunnel. The fire sources were fuel pools (10 tests with 4 m², 2 tests with 6 m²),passenger cars (6 tests) and buses (6 tests). The physical conditions measured inthe tunnel during the fires were connected with the emergency capacities. Theinfluence of the longitudinal airflow velocity was shown.

• Repparfjord tunnel (Norway, 1990-1992) [62]: these experiments were performed inan abandoned 2.3 km long mining gallery (rough wall surfaces and cross-sectionvarying from 30 to 40 m²). They gathered 9 European countries (these experimentswere the base of the EUREKA 499 "Firetun" project). A total of 21 tests wereperformed using rail and metro vehicles, passenger cars, heavy goods vehicles andcalibrated fires (heptane pools and wood cribs). About 400 captors were installedalong the tunnel and inside the fire loads. The measurements dealt with air and walltemperature, velocity, opacity, gases concentration, smoke motion (video network),etc.

• Memorial tunnel (USA, 1993-1995) [63]: this programme was financed by theFederal Highway Administration and the Commonwealth of Massachusetts for theBoston Central Artery Tunnel project. The experiments were performed in anabandoned 850 m long road tunnel located in West Virginia. About 91 tests were

performed with dieseloil pool fires. Theobtained heat releaserates vary from10 MW (4.5 m²) to100 MW (44.4 m²).The transverse andlongitudinal venti-lation configurationswere tested. 1450captors were installedin the tunnel,providing about 4 mil-lions data perexperiment.

Photo 4.3.2 - Measuring equipmentin the Memorial tunnel

Photo 4.3.2 - Équipement de mesuredans le Memorial tunnel

The recent research programmes are based on complete measurement systems. The captorsare numerous and they are organised in networks quite similar to the mesh used in CFDmodels.

PIARC •••• 93 •••• 05.05.B - 1999

Figure 4.3.1 – Front de la remontée Figure 4.3.1 - Front of backlayeringde fumée lors d'un essai during a rail vehicleavec un wagon de métro experiment in EUREKA 499(EUREKA 499)

IV.3.1.3 Résultats

L’une des caractéristiques de ces expériences estqu’il n’y a pas d’accès au site de l’incendie. Aucuneobservation visuelle n’est possible (sauf si unecaméra vidéo est installée sur le site). Dans certainscas, les opérateurs pouvaient être présents dans lessections situées en amont de l’incendie (figure4.3.1). Cet emplacement ne peut permettre une vued’ensemble de l’expérience.

Dans ces conditions, le grand nombre de données recueillies est utile pour construire desinterpré-tations concernant les phénomènes se développant lors d’un incendie (figure 4.3.2). Lalocalisation des capteurs sur un maillage 3D apparaît fondamentale pour l’analyse.

Si certains phénomènes peuvent être correctement identifiés, il est plus difficile de déduire deslois générales à partir des expériences en vraie grandeur. Cela est dû au peu d’expériencesconduites dans chaque programme. Il faut noter que leur objectif n’est pas d’aboutir à des loisgénérales. Par exemple, les essais japonais ont été en partie réalisés pour recueillir desinformations qualitatives sur les sorties de secours sous différentes conditions de vitesse del’air. Ce but ne semble pas être compatible avec l’utilisation des résultats dans des modèlesscientifiques.

L’une des caractéristiques des essais EUREKA 499 est l’utilisation de vrais véhicules routiers etferroviaires comme charge combustible. Comme la puissance thermique de tels incendies estl’un des paramètres du risque encore inconnus, les opérateurs ont saisi cette occasion pourréaliser les mesures correspondantes. Le confinement de la chaleur semblait accroître les tauxde combustion. En réalité, les interprétations des résultats obtenus avec des méthodesdifférentes conduisent à des résultats différents [65].

En raison des incertitudes des résultats de mesure, les interprétations concluent généralementque la puissance thermique calculée est liée à la méthode utilisée pour son évaluation.Néanmoins, certaines des conclusions tirées des essais sur les incendies de poids lourds(essai EUROTUNNEL) semblent en relative contradiction avec les informations disponiblesdans les précédentes recommandations de l’AIPCR. Dans le rapport de Bruxelles [19], onmentionnait 20 MW pour la puissance thermique d’un poids lourd en flammes. Les résultatsEUREKA montrent des valeurs plus élevées : certaines dépassent 100 MW pendant quelquesminutes.

AIPCR •••• 94 •••• 05.05.B - 1999

IV.3.1.3 Results

One of the characteristics of these experiments is the fact that no access is possible in the firearea. No visual observation is then possible (except when a video camera is installed in thatzone). In some cases, operators could be present in the sections located upstream from the fire(Figure 4.3.1). This situation cannot provide an overview of the experiment.

In these conditions, the great number of recorded data is helpful to build interpretationsconcerning the phenomena developed during the fire (Figure 4.3.2). The location of the captorson 3D mesh appears fundamental for this analysis work.

If some phenomena can be correctly identified, it is more difficult to deduce general laws fromthe full scale experiments. This is due to the relatively low number of experiments performed ineach programme. It is to be noticed that their aim is not the research of such relations. Forexample, the Japanese tests were partly planned to give qualitative information about theescape routes in different air velocity control conditions. This target does not appear to becompatible with the use of the results in scientific models.

A characteristic of the EUREKA 499 experiments is the use of real road and rail vehicles as fireloads. As the heat release rate of such fires is one of the unanswered questions concerning therisks, the operators took this opportunity to perform the corresponding measurements. The heatconfining seemed to increase the burning rates. Actually, the interpretations of resultsperformed with different methods show different results [65].

Figure 4.3.2 - Two vortices (induced by the combination ofbuoyancy and fire drag effects) can be deduced from theisothermal curves calculated from the measurements(cross-section located 20 m downstream the fire inEUREKA 499 heptane test H32, [64])

Figure 4.3.2 - Deux tourbillons (dus à la conjugaison dela force hydrostatique et de la traînée de l’incendie)peuvent être déduits des courbes isothermes calculéesà partir des mesures (section transversale située à 20m en aval de l’incendie lors de l’essai à l’heptane H32,EUREKA 499 [64])

-3 -2 -1 0 1 2 3Largeur - Width (m)

0

1

2

3

4

5

Hau

teur

-H

eigh

t(m

)

60

60

80

80

100100

120

120 120

140

140

160 160

Because of the uncertainties on the measurement results, the interpretations generally concludethat the calculated heat release rate is linked to the method used for its evaluation.Nevertheless, some of the conclusions drawn from the heavy goods vehicle fire (EUROTUNNELtest) appear in a relative opposition with the information available in previous PIARCrecommendations. In the Brussels report [19], the heat release rate of a burning HGV wasmentioned as 20 MW. The EUREKA results show higher peak values: some were found above100 MW during a few minutes.

PIARC •••• 95 •••• 05.05.B - 1999

Les essais en vraie grandeur fournissent généralement d’intéressantes observationsqualitatives. Par exemple, certaines situations d’opacité apparaissent clairement comme unecombinaison de la puissance thermique, de la nature de l’objet en flammes (densité de lafumée) et de la vitesse longitudinale de l’air. Malheureusement, comme précisé plus haut, lefaible nombre d’expériences ne permet pas de tirer des lois générales à partir des analyses desmesures (cette remarque ne vaut pas pour le programme du Memorial Tunnel en raison dugrand nombre d’essais réalisés). Ces observations peuvent être utilisées comme référence pourdes recherches plus spécifiques avec les moyens appropriés (essais à échelle réduite ousimulations numériques).

De manière générale, les mesures réalisées durant les essais peuvent être utilisées commebase pour des simulations et, particulièrement, pour les simulations numériques par modèle dechamp. La qualification d’un outil de simulation doit suivre quelques règles :

• la thématique : une expérience de référence doit traiter des incendies dans lestunnels ;

• la fiabilité : la qualité des résultats doit être correcte ;

• la représentativité : les mesures doivent décrire de manière aussi complète quepossible les phénomènes devant être caractérisés par la simulation numérique ;

• l’adaptabilité : même si les exigences précédentes sont remplies, l’expérience deréférence doit être adaptée à une comparaison avec la simulation ; par exemple, lescomportements incohérents liés à des incendies incontrôlés comme les incendies devéhicules ne sont pas faciles à appréhender et à intégrer comme conditions limites.

Ainsi, ces règles aboutissent à une complète connaissance des expériences de référence. Enconsidérant cette remarque, aucune expérience en vraie grandeur d’incendie dans un tunnel neprésente les caractéristiques d'une référence. Cela ne signifie pas que la validation des outilsde simulation n’est pas possible, mais qu’en raison de la difficulté d’obtenir une parfaiteconnaissance des phénomènes, la qualification doit être considérée comme relative à desréférences expérimentales spécifiques.

IV.3.1.4 Limitations

Le nombre d’essais est limité en raison des coûts énormes de ce genre de programme (environ10 millions USD pour EUREKA 499 et 40 millions USD pour le programme du MemorialTunnel). Ces coûts conduisent donc à limiter la durée du programme et, par conséquent, lenombre d’essais possibles.

La plupart de ces programmes ont été réalisés dans des tunnels désaffectés. Pour lesapplications routières, des extrapolations sont souvent nécessaires en raison de la taille plusréduite de la section transversale et de sa forme différente (en fer à cheval au lieu de rectanglepar exemple).

AIPCR •••• 96 •••• 05.05.B - 1999

The full scale experiments generally provide interesting qualitative observations. For example,some opacity situations appear clearly as a combination of the heat release rate, the nature ofthe burning object (smoke density) and the longitudinal air velocity. Unfortunately, as mentionedbefore, the relatively low number of experiments does not allow to draw general laws from theanalysis of the measurements (as an exception, such a remark may not be true for the MemorialTunnel programme because of the large number of tests). These observations can be used as areference for more specific research works using appropriate tools (small scale or numericalmodels).

In a general manner, the measurements made during the experiments can be used as a basisfor simulations and particularly for computational fluid dynamics (CFD). The qualification of asimulation tool must respect some rules:

• the thematic: a reference experiment must deal with fires in tunnels;

• the reliability: the quality of the results must be correct;

• the representativity: the measurements have to describe as completely as possiblethe phenomena that have to be characterised by the numerical simulation;

• the adaptability: even if the previous characteristics are satisfied, the referenceexperiment must be adapted to a comparison with simulation. For example, chaoticbehaviours linked to uncontrolled fires such as vehicle fires are not easy tounderstand and to integrate as boundary conditions.

So, these rules lead to the complete knowledge of the reference experiments. Considering thisremark, no full scale experiment relative to fires in tunnels has the characteristics of areference. This does not mean that the simulation tools validation is not possible, but due to thedifficulty of getting a perfect knowledge of the phenomena, the qualification is to be consideredas relative to specific experimental references.

IV.3.1.4 Limitations

The number of experiments is limited because of the huge costs engaged in such programmes(about 10 millions USD for EUREKA 499 and 40 millions USD for Memorial Tunnel programme).These costs lead to limit the duration of the programme, and, as a consequence, the number ofthe affordable experiments.

Most of these programmes were performed in abandoned tunnels. For a road application,extrapolations are often necessary because of the reduced cross-section and its different shape(horse shoe instead of rectangular shape for instance).

PIARC •••• 97 •••• 05.05.B - 1999

IV.3.2 Essais dans des tunnels avant mise en service ou en exploitation

IV.3.2.1 Objectifs

Ces essais sont généralement réalisés avant la mise en service des tunnels afin de prouver quele système d’extraction des fumées fonctionnera correctement si un incendie se déclare [66].Les récents développements de tels essais montrent que l’efficacité de la ventilation est liée àla fois à sa capacité quantitative et à la manière dont elle est exploitée. Ce second point n’étantjamais traité dans les recommandations ou réglementations, des développements spécifiquessont nécessaires pour déterminer les réactions optimales adaptées aux incendies (localisation,puissance thermique, ventilation naturelle, etc.) [67].

Le deuxième but de ces essais est de montrer aux exploitants comme réagir en cas d’incendie.Les essais peuvent être complétés par des exercices avec les pompiers et des évaluationsd’interventions.

Ces deux aspects sont abordés dans le rapport du Comité AIPCR des Tunnels routiers auCongrès mondial de la Route de Marrakech [18]. Ce rapport propose d’effectuer les essaisavant l’ouverture du tunnel afin de pouvoir rédiger des consignes en cas d’incendie. Undeuxième type d’essais est proposé durant l’exploitation, pour la formation des exploitants etdes pompiers. Ces essais impliquent la fermeture du tunnel à la circulation. L’une desrecommandations du rapport est d’organiser régulièrement de tels essais.

Dans le présent rapport, seul le premier type d’essais est étudié car le second n’apporte pasd’informations à caractère fondamental quant au développement des incendies dans lestunnels.

Photo 4.3.3 - Un exercice de lutte contre l’incendiedans un tunnel autoroutier au Japon

Photo 4.3.3 - A fire fighting exercisein a highway tunnel in Japan

AIPCR •••• 98 •••• 05.05.B - 1999

IV.3.2 Tests in tunnels before or under operation

IV.3.2.1 Objectives

These tests are generally performed in tunnels before they are put into operation in order todemonstrate that the smoke extraction system will work correctly if an accidental fire occurs[66]. The recent developments of such tests show that the efficiency of the ventilation is bothlinked to its quantitative capacity and the way it is operated. As this second point is nevertreated by recommendations or regulations, specific developments are necessary to determineoptimal reactions adapted to the fire (location, heat release rate, natural ventilation, etc.) [67].

The second aim of these tests is to show to the operators how to react in case of a fire. Thetests may be completed with fire brigade exercises and intervention evaluations.

These two aspects are treated in the report of the PIARC Committee on Road Tunnels to theMarrakech World Road Congress [18]. This document proposes to perform tests before openingthe tunnel in order to establish instructions for fire situations. The second kind of tests isproposed during operation, to train operators and fire brigades. This means that the tunnel mustbe closed specifically for these tests. One of the report recommendations is to organise suchtests regularly.

In the present presentation, only the first kind of tests is studied because the second one doesnot bring fundamental information about the fire developments in the tunnel.

Photo 4.3.4 - Small car fire test in a tunnel near Monaco Photo 4.3.4 – Essai d’incendie d’une petite voiture

PIARC •••• 99 •••• 05.05.B - 1999

dans un tunnel près de Monaco

IV.3.2.2 Moyens et éléments de recommandations

Les essais dans les tunnels avant leur mise en service sont généralement réalisés avec desfeux calibrés comme des bacs d’essence ou des palettes en bois. L’intérêt des incendies debacs d’essence est d’obtenir des états stationnaires. Le contrôle du niveau de liquide n’apparaîtpas nécessaire, mais il est intéressant de mesurer la vitesse de combustion afin d’évaluer lapuissance thermique. Il n’existe pas de recommandations sur le liquide à utiliser, mais denombreux documents mentionnent des incendies de bacs d’heptane [68]. Certains essais sontréalisés avec du gasole afin d’éviter les risques d’explosion [23] ou de produire plus de fumée.

Pour être plus réaliste, on peut également utiliser de petits véhicules pour ces essais. Lesessais montrent que la puissance thermique de tels incendies est quelque peu chaotique.L’effet du système de ventilation est mieux caractérisé si la situation thermique est stabilisée.L’utilisation de voitures comme source d’incendie peut être recommandée pour compléter desessais avec des bacs.

Durant ces essais, le contrôle de la ventilation doit être réalisable, de sorte qu’aucunetransposition ne soit nécessaire entre les expériences et une situation réelle d’incendie,excepté pour la puissance thermique.

Quelques mesures peuvent être faites. Les systèmes les plus lourds incluent plus de 100capteurs organisés de la même manière que dans les programmes de recherche(thermocouples, anémomètres et mesures de rayonnement) [67]. Il a été démontré que de telssystèmes donnent des informations correctes pour la protection du tunnel durant l’incendie etles interprétations phénoménologiques après l’incendie.

De nombreux essais peuvent être conduits sur une période assez courte. Dans le tunnel duPuymorens [67], la durée d'un incendie était d'environ 30 mn et il fallait une heure pourenregistrer les données, contrôler le système de mesure, attendre que le bac refroidisse et leremplir à nouveau d’heptane. On peut donc estimer qu’une vingtaine d’incendies peuvent êtreréalisés en une semaine, tout en assurant un bon niveau de sécurité.

IV.3.2.3 Résultats

L’efficacité du système de ventilation peut être démontrée, mais elle est bien évidemment liée àune exploitation correcte de l’extraction des fumées [67]. Les consignes d’exploitation sontparticulièrement difficiles à établir dans le cas de ventilation semi-transversale, car l’efficacitédu système est directement liée à la stratification de la fumée.

Les essais menés dans des tunnels routiers français dotés d’une ventilation semi-transversaleont montré que le manque d’efficacité est partiellement dû à des paramètres non contrôlés,comme la vitesse longitudinale naturelle de l’air à l’intérieur du tunnel [23 ; 67 ; 69].

Les essais dans les tunnels du Puymorens et de Chamoise [67 ; 69] ont été effectués avec desbacs d’heptane. De nombreux états stationnaires ont été caractérisés. Ces résultats ont étéutilisés pour déterminer des consignes de ventilation. Ils ont également été analysés d’un pointde vue scientifique afin de déterminer des lois générales régissant les mouvements des fuméeset autres comportements thermo-mécaniques.

AIPCR •••• 100 •••• 05.05.B - 1999

IV.3.2.2 Means and elements of recommendations

Tests in tunnels before they are put into operation are generally performed with calibrated firessuch as fuel pools or wood cribs. In the case of pool fires, the interest is to obtain steady states.The liquid level control does not appear as necessary, but it is interesting to measure thecombustion rate in order to evaluate the heat release rate. No recommendation exists about theliquid, but a large bibliography deals with heptane pool fires [68]. Some experiments areperformed with diesel oil in order to avoid explosion risks [23] or produce more smoke.

The tests can also use small cars to be more demonstrative. The experiments show that theheat release rate of such fires is quite chaotic. The tunnel ventilation system effect is bettercharacterised when the thermal situation is stabilised. The use of cars as fire loads may berecommended to complete fire pool tests.

During the tests, the ventilation control must be available, so that no transposition is necessarybetween the experiments and a real fire situation in the tunnel, except for the heat release rate.

Some measurements can be performed. The heaviest systems include more than 100 sensorsorganised in the same manner as for research programmes (thermocouples, anemometers andradiation measurements) [67]. It has been shown that such systems give correct information forthe tunnel protection during the fire, and for phenomenological interpretations after the fire.

Many tests can be performed in a rather short period. In Puymorens tunnel [67], the fire durationwas about 30 min, and it required one hour to record the data, to check the measuring system,to wait for the pool to be cooled, and to fill it again with heptane. It is estimated that about 20fires can be performed in one week, assuming a correct safety level.

IV.3.2.3 Results

The efficiency of the ventilation system can be demonstrated, but it is of course linked to acorrect operation of smoke extraction [67]. Operating instructions are especially difficult toestablish in the case of semi-transverse ventilation because the system efficiency is directlylinked to the smoke stratification.

The tests performed in French road tunnels using semi-transverse ventilation have shown thatthe lack of efficiency is partly linked to non-controlled parameters such as the naturallongitudinal air velocity inside the tunnel [23; 67; 69].

The Puymorens and Chamoise tunnels tests [67; 69] have been based on heptane pools fires.Many different steady states have been characterised. These results have been used todetermine ventilation instructions. They have also been analysed on a scientific point of view inorder to determine the general laws governing smoke motions and other thermo-mechanicbehaviours.

PIARC •••• 101 •••• 05.05.B - 1999

Par exemple, lors des essais du tunnel de Chamoise, il a été possible de mesurer la distancede remontée des fumées danschaque situation (figure 4.3.3).L’analyse com-plète desdifférents paramètres montre quela distance de remontée peutêtre décrite comme une fonctionde Ri, le nombre de Richardson(voir § IV.4.2) :

l l Riremon

a

..=

0 (IV.1)

où l0 et a dépendent descaractéristiques du tunnel. Lenombre de Richardson doitprendre en compte la densité desgaz dans la zone d’impact dupanache de fumée sous leplafond (voir § IV.4.2).

Une telle analyse estgénéralement difficile à réaliser àpartir des données fournies par

les différents programmes de recherche ; en effet, la plupart du temps, les situations observéesne correspondent pas à des états stationnaires, ou bien ne sont pas suffisamment nombreuses.

Puisque la puissance thermique est limitée, il est possible d’observer les phénomènes dans desendroits différents du tunnel, même près du foyer. Ces observations peuvent être corrélées auxmesures (mouvements de la fumée comparés aux champs de températures, évolution de laremontée de fumée, stratification en aval de l’incendie, etc.).

IV.3.2.4 Limitations

L’instrumentation est relativement limitée, mais l’évolution de ces essais tend à accroître lenombre de capteurs. Bien évidemment, leur nombre total sera limité car cette sorted’expérience est différente des programmes de recherche. En particulier, il sera difficile decaractériser les phénomènes qui se produisent à de grandes distances du foyer de l’incendie.

La taille de l’incendie doit aussi être limitée car ces essais sont non destructifs. Il est nécessairede limiter le produit “puissance thermique x durée”. Des essais impliquant des foyers de 20 MWont été réalisés, mais cette valeur doit être considérée comme une exception [23].Généralement, les incendies réalisés ne dépassent pas 5 MW. Pendant les essais avec desvéhicules particuliers, des pointes de 7 à 8 MW ont été enregistrées, mais sur des périodes trèscourtes.

Figure 4.3.3 – Distance de remontée des fuméesen fonction de la vitesse longitudinale de l’airpour deux surfaces de bac d’heptane(déclivité du tunnel = + 0,5 % - essais de Chamoise [69])

AIPCR •••• 102 •••• 05.05.B - 1999

For example, during the Chamoise tests, it has been possible to measure the backlayeringdistance in each situation (Figure4.3.3). The complete analysis ofthe various parameters shows thatthe backlayering distance may bewritten as a function of Ri, theRichardson number (see § IV.4.2):

l l Ribackla

. .= 0 (IV.1)

where l0 and a depend on thetunnel characteristics. TheRichardson number must considerthe gases density in the plumeimpact zone under the ceiling (see§ IV.4.2).

Such an analysis is generallydifficult to perform on the datagiven by the different researchprogrammes because generally

the observed situations do not correspond to steady states, or are not numerous enough.

As the heat release rate is limited, it is possible to observe the phenomena in different zones ofthe tunnel, even near the fire. These observations may be correlated with the measurements(smoke motions compared with temperature fields, backlayering evolution, stratification ofdownstream the fire, etc.).

IV.3.2.4 Limitations

Instrumentation is quite limited, but the evolution of these tests tends to increase the number ofsensors. Of course, the total amount will be limited because this kind of experiment is distinctfrom research programmes. Particularly, it will be difficult to characterise the phenomenaoccurring at large distances from the fire zone.

The size of the fire must also be limited because these tests must be non-destructive. Actually,it is necessary to limit the product "Heat release rate x Duration". Tests involving 20 MWsources were performed, but this value is to be considered as an exception [23]. Generally, theperformed fires do not exceed 5 MW. During passenger cars tests, peaks of 7 to 8 MW wereobserved, but during very short periods.

Air velocity (m/s)

Backlayering distance (m)

-150-100-50

050

100150200250300350

-3 -2 -1 0 1 2

0,5 m²

1,0 m²

Backlayering distance

Air velocity

Heptane pool fire

Heptane pool surface

Figure 4.3.3 - Backlayering distance vs. longitudinal air velocityfor two heptane pool surfaces(tunnel slope = 0.5 % - Chamoise fire tests [69])

PIARC •••• 103 •••• 05.05.B - 1999

IV.4 Expérimentations à échelle réduite

IV.4.1 Objectifs

IV.4.1.1 Application à un projet de tunnel

Les expérimentations à échelle réduite sont destinées à représenter un incendie dans un tunnelen projet. Cette méthode est fondée sur des lois de similitude qui sont en fait le lien entre lasituation en vraie grandeur et la situation modélisée.

Le but de telles expériences est de représenter les phénomènes survenant lors d’un incendiese déclarant à l’intérieur du tunnel. Par rapport à des essais en vraie grandeur, cette méthodepermet de grandes économies de temps et d’argent. Un autre de ses atouts est de bien montrerles phénomènes car il est possible de visualiser la fumée en utilisant, par exemple, de lalumière laser ou des flux colorés.

Cependant, on mentionne très peu d’exemples d’expériences à échelle réduite pour laconception des tunnels [70].

IV.4.1.2 Recherche

Les travaux de recherche peuvent aussi utiliser les maquettes à échelle réduite pour desraisons scientifiques. S’il est besoin de caractériser des comportements spécifiques, lameilleure solution peut consister à les visualiser en utilisant des méthodes complètementcontrôlables.

Des essais complémentaires peuvent être réalisés avec des installations en vraie grandeur. Laconnaissance des lois obtenues avec les maquettes à échelle réduite est utile pour planifier lesexpériences en vraie grandeur.

Les maquettes à échelle réduite ont été utilisées pour mesurer l’efficacité des trappesd’aspiration de la fumée situées au plafond [71] ou pour déterminer les lois non dimensionnellesrégissant l’existence d'une remontée de fumée [72].

IV.4.2 Théorie de la similitude

Les lois de similitude sont le lien fondamental entre la maquette et la situation correspondanteen vraie grandeur [73]. S’il n'est pas prouvé que ce lien est fort, les résultats de l’étude neseront pas considérés comme représentatifs de la situation en vraie grandeur. D’une manièreplus générale, la validité des expériences doit être considérée comme relative à la loi desimilitude utilisée. En conséquence, elle dépend de la technique de maquette à échelle réduite.

La situation observée durant un incendie dans un tunnel apparaît comme le résultat d’un conflitentre deux mouvements principaux :

• le mouvement longitudinal induit par des effets naturels ou mécaniques ; il estcaractérisé par la vitesse de l’air en amont de l’incendie : U,

• le phénomène de “force d’Archimède” qui se développe dans le panache del’incendie : il est induit par la dilatation des gaz provoquée par les fortestempératures ; la caractéristique fondamentale est donnée par la différence dedensité entre l’air et les gaz chauds : ∆ρ.

AIPCR •••• 104 •••• 05.05.B - 1999

Photo 4.4.1 - Small scale modelused to study ceiling trap doors

Photo 4.4.1 – Maquette à échelle réduiteutilisée pour étudier les trappes

d’aspiration en plafond

IV.4 Small scale experiments

IV.4.1 Objectives

IV.4.1.1 Tunnel project application

Small scale experiments can be designed to represent a fire in a planned tunnel. This method isbased on similarity laws which are actually the link between the full scale situation and themodelled one.

The objective of such experiments is to represent the phenomena which develop during a fireoccurring inside the tunnel. Compared with full scale tests, this method allows great savings oftime and money. One of its aims is also to be demonstrative because it is possible to visualisesmoke using laser light or coloured flows for instance.

However, very few examples of suchapplication of reduced scale modelsto tunnel design can be mentioned[70].

IV.4.1.2 Research

Research works can also use smallscale models for scien-tific reasons. Ifsome specific behaviours have to becharac-terised, the best solution canbe to show them using totallycontrollable methods. Comple-mentary tests may be perfor-med with

full scale facilities. Theknowledge of the lawsobtained with the models is

useful to plan the full scale experiments.

Small scale models have been used to characterise the efficiency of ceiling trap doors forsmoke extraction [71] or to determine of the non-dimensional laws governing the existence ofbacklayering [72].

IV.4.2 The similarity theory

The similarity laws are the fundamental link between the model and the corresponding full scalesituation [73]. If this link is not demonstrated to be strong, the study results cannot beconsidered as representative of the full scale situation. Actually, in a more general manner, theexperiments validity has to be considered as relative to the used similarity law. As aconsequence, it depends on the small scale model technique.

The situation observed during a fire inside a tunnel appears as the result of a conflict betweentwo major motions:

• the longitudinal motion induced by natural or mechanical effects. It is characterisedby the air velocity obtained upstream the fire: U,

• the buoyancy forces developed in the fire plume; they are induced by the gasesexpansion resulting from the high temperature; the fundamental characteristic isgiven by the density difference between the air and the hot gases: ∆ρ.

PIARC •••• 105 •••• 05.05.B - 1999

Afin de représenter des caractéristiques semblables du flux longitudinal, il apparaît nécessairede respecter le nombre de Reynolds Re :

Re.

=U Dh

ν(IV.2)

où Dh représente le diamètre hydraulique et ν la viscosité cinématique du fluide.

Les forces hydrostatiques sont partiellement représentées par le nombre de Froude Fr :

FrU

g Dh

=2

.(IV.3)

où g représente l’accélération de la pesanteur.

En réalité, le nombre de Froude doit absolument être combiné avec les différences de densitéreprésentatives des effets de gravité sur le mouvement des fluides. Généralement, le nombrede Richardson semble être un paramètre mieux approprié :

Rig D

Uh=

..2

∆ρρ

(IV.4)

D’autres paramètres peuvent être utilisés pour étudier les phénomènes sur les maquettes àéchelle réduite. Par exemple, le nombre de Grashof est une combinaison des nombres deReynolds et de Richardson :

Gr gDh= . .

3

2ν ρ∆ρ

(IV.5)

De nombreuses études ne prennent pas en compte la similitude de Reynolds, spécialementdans le cas des maquettes aérauliques. Une telle contrainte conduit à utiliser des valeurs tropélevées de vitesse de l’air. En réalité, on se limite généralement à vérifier que les nombres deReynolds dans le modèle sont suffisants pour assurer le caractère turbulent du courant d’airlongitudinal.

IV.4.3 Techniques et exemples

IV.4.3.1 Modèles thermiques

Cette technique consiste en une représentation de l’incendie par un feu réel [74 ; 75].L’échange thermique avec les parois est représenté, mais il ne peut être réalisé dans le mêmerapport (vis-à-vis de la puissance thermique du foyer) que dans les essais en vraie grandeur.

De tels modèles ont clairement démontré la relation entre la distance de remontée des fumées,la déclivité, la puissance thermique et les échanges thermiques avec les parois.

AIPCR •••• 106 •••• 05.05.B - 1999

In order to represent the same characteristics of the longitudinal flow, it appears necessary torespect the Reynolds number Re:

Re.

=U Dh

ν(IV.2)

where Dh represents the hydraulic diameter and ν the fluid cinematic viscosity.

The effect of buoyancy forces are partially represented by the Froude number Fr:

FrU

g Dh

=2

. (IV.3)

where g represents the gravity acceleration.

Actually, the Froude number must necessarily be combined with the density differences to berepresentative of the gravity effects on fluid motions. Usually, the Richardson number appearsas a more appropriate parameter:

Rig D

Uh=

..2

∆ρρ (IV.4)

Other parameters may be used to study phenomena on reduced scale models. For example, theGrashof number is a combination of the Reynolds and the Richardson numbers:

Gr gDh= . .

3

2ν ρ∆ρ

(IV.5)

Many studies do not take into account the Reynolds similarity, especially in the case of airmodels. Such a constraint should lead to use too high air velocities values. Actually, theReynolds condition is generally limited to checking that the Reynolds numbers in the model aresufficient to ensure the turbulent character of the longitudinal airflow.

IV.4.3 Techniques and examples

IV.4.3.1 Thermal models

This technique consists of a representation of the fire source by a real fire [74; 75]. The thermalexchanges with the walls are represented, but they cannot be controlled in the same ratio (vs.the heat release of the source) as in full scale tests.

The relation between the backlayering distance, the local slope, the heat release and thethermal exchanges with the walls has been clearly shown in such models.

PIARC •••• 107 •••• 05.05.B - 1999

IV.4.3.2 Modèles isothermes

Dans cette représentation, l’incendie est modélisé par un mélange de gaz léger (généralementde l’hélium) et d’air ou d'azote. Ces modèles ne peuvent pas représenter les transfertsthermiques avec les parois. Ils ont été utilisés pour caractériser les limites de l’existence de laremontée de fumée [72]. Ces expériences ont été modélisées par simulation numérique parmodèle de champ [76]. La bonne corrélation obtenue montre que le contrôle des conditionslimites lors des essais était valable et qu’elles pouvaient être correctement utilisées pourréaliser des simulations numériques. On peut noter que la caractérisation de ces conditionslimites lors d’essais en vraie grandeur reste problématique.

Lors des premières études, l’analyse des conditions initiales était réalisée à partir d'hypothèsessimples (combustion totale), le contrôle de la densité représentant la température et la vitesseverticale représentant la production de gaz brûlés. Une deuxième analyse a montré que laplupart des situations représentées par la source isotherme ne prenaient pas en compte laphysique des incendies. En situation réelle, la température de combustion est liée à la vitesseverticale ; lors des essais, ces deux paramètres sont indépendants (par exemple, il est possiblede représenter des "incendies" froids).

Une technique similaire a été utilisée pour étudier l’efficacité du système d’aspiration desfumées ; cette technique est fondée sur les trappes télécommandées [71]. Dans ce cas, la loi desimilitude à prendre en compte est la conservation du nombre de Froude.

IV.4.3.3 Modèles hydrauliques

Les modèles hydrauliques ne peuvent représenter les forces hydrostatiques qui sont liées à degrandes différences de densité (la gravité est constante). Ces différences sont quelque peulimitées en phase liquide. En conséquence, les puissances thermiques correspondantes sontrelativement faibles. Des puissances thermiques plus élevées peuvent être simulées souscertaines hypothèses (équations de Boussinesq) qui ne sont pas vraiment valides.

Les liquides les plus utilisés sont généralement l’eau salée ou l’alcool injecté dans de l'eau.L’eau salée inverse la géométrie du modèle (le liquide le plus lourd est injecté en haut dumodèle pour représenter l’incendie).

IV.4.4 Limitations

L’utilisation d’une maquette à échelle réduite pour la conception d’un système de ventilationpeut rencontrer des limites et ce, pour deux raisons principales :

• les conclusions techniques dépendent des lois de similitude utilisées ; un incendieest un phénomène très complexe et sa représentation ne peut se limiter à une oudeux équations ;

• la représentation de la puissance thermique reste un problème non résolu ; unereprésentation supposée bonne aboutit généralement à des situations physiquesirréalistes (en ce qui concerne les températures et l’opacité) à l’intérieur de lamaquette ; par conséquent, les lois définies à l’aide de la maquette nécessitent uneétape intermédiaire avant d’être appliquées à des situations en vraie grandeur.

AIPCR •••• 108 •••• 05.05.B - 1999

IV.4.3.2 Isothermal aeraulic models

In this representation, the fire source is modelled by a flux mixing a light gas (generally helium)and air or nitrogen. These models cannot represent thermal exchanges with the walls. Theyhave been used to characterise the limits of the existence of backlayering [72]. Theseexperiments have been modelled with a CFD technique [76]. The good correlation obtainedshows that the control of the boundary conditions in the experiments was correct and they couldbe correctly described in order to perform numerical simulations. It is to be noticed that thecharacterisation of these boundary conditions for full scale tests remains a problem.

In the first studies, the analysis of the source terms was performed on simple assumptions(complete combustion): the control of the density should represent the temperature and thevertical velocity the production of burned gases. A second analysis has shown that most of thesituations represented by the isothermal source do not take into account the physics of fires. Inrealistic situations, the combustion temperature is connected to the vertical velocity, and in theexperiments, these two parameters are not dependent (for example, it is possible to representcold fires).

A similar technique has been used to study the efficiency of the smoke extraction based onremote controlled trap doors [71]. In this case, the similarity preserves the Froude number.

IV.4.3.3 Hydraulic models

The hydraulic models cannot represent the buoyancy forces linked to large density differences(gravity is constant). These differences are quite limited in the liquid phase. As a consequence,the corresponding heat releases are quite low. Higher heat release rates can only be simulatedunder some hypotheses (Boussinesq approximation) which are not really valid.

The liquids most used are generally salted water or alcohol injected into water. Salted waterleads to inverse the geometry of the model (the heaviest liquid is injected at the top of the modelto represent the fire).

IV.4.4 Limitations

Using a small scale model to design a tunnel ventilation system may be limitative for two mainreasons:

• the technical conclusions are relative to the similarity law(s) used in the application;as a fire is a complex phenomenon, its representation cannot be limited to one or twoglobal relations.

• the heat release rate representation remains an unsolved problem; a representationsupposed to be correct generally provides unrealistic physical situations (temperatureand opacity fields) inside the modelled tunnel; as a consequence, the lawsestablished with the model need an intermediate step to be applied to full scalesituations.

PIARC •••• 109 •••• 05.05.B - 1999

On ne peut cependant pas en conclure que le manque de similitude parfaite conduit à desrésultats irréalistes. En effet, les conclusions tirées d’expériences à échelle réduite sur desnavettes dans le tunnel sous la Manche ont ensuite été confirmées par des essais en vraiegrandeur [70].

Une autre caractéristique de ces essais est le nombre relativement faible de capteurs installéssur la maquette. Cette situation peut se justifier par les deux raisons suivantes :

• un capteur placé à l’intérieur de la maquette peut perturber l'écoulement ;• le but de ces essais n’est pas d’obtenir des informations précises sur la physique se

développant à l’intérieur de la maquette, mais de caractériser des situations globales.

Une bonne solution consiste à placer les capteurs aux extrémités de la maquette pour obtenirdes informations correctes sur les conditions limites.

IV.4.5 Conclusions et recommandations

Deux sortes d’études utilisant des maquettes à échelle réduite ont été présentées.

La représentation de situations réelles à l’aide de maquettes à échelle réduite dépend dunombre de lois de similitude prises en compte. Si un seul des paramètres est respecté (nombrede Froude ou de Richardson), la validité de ce type d’étude ne sera pas complètement obtenue.L’application de cette technique à des situations en vraie grandeur n’est pas immédiate. Parexemple, les conclusions tirées d’études sur des trappes d’aspiration [71] ont été appliquées àcertains projets car elles fournissaient des réponses adéquates quant aux capacités relativesdes différents systèmes ; mais les valeurs absolues n’ont pas été utilisées.

Le deuxième cas est l’utilisation des maquettes à échelle réduite pour la recherche. Lesconclusions de telles études sont généralement limitées au cas étudié. La transposition desrésultats à la vraie grandeur nécessite des expériences de référence. Ainsi, l’intérêt de cesmaquettes est de montrer que des lois générales peuvent être tirées de l’étude de situationsspécifiques ; ces maquettes donnent également la forme analytique de ces lois (par exemple,l’existence d'une remontée de fumée en fonction des caractéristiques de l’incendie et de lavitesse longitudinale de l’air).

D’une manière générale, la validité d’une expérience fondée sur l’utilisation d’une maquette estdirectement reliée à l’interprétation de la loi de similitude.

IV.5 Simulations numériques

IV.5.1 Généralités

Les difficultés et les limites des expérimentations physiques ont depuis fort longtemps conduit àétudier la manière dont le calcul pourrait remplacer l’essai ou, à tout le moins, servir à engénéraliser les résultats.

Depuis les années quatre-vingts, on a de plus en plus recours à des simulations numériquespour étudier le comportement des incendies dans les tunnels [77]. Les principales raisons sontle développement très rapide de la capacité des ordinateurs et le coût raisonnable des calculscomparativement aux essais réels d’incendie. Ces simulations donnent également denombreuses données détaillées qui ne pourraient pas être obtenues par d’autres moyens.

AIPCR •••• 110 •••• 05.05.B - 1999

It is difficult to conclude that the lack of total similarity leads to unrealistic results. For example,the conclusions drawn from small scale experiments performed for the Channel Tunnel shuttleshave been confirmed by full scale tests performed later [70].

Another characteristic of these experiments is the relatively low number of sensors installed inthe model. Two main reasons can be mentioned to justify this situation:

• a sensor placed inside the model may disturb the flow;• the aim of these experiments is not to get precise information about the physics that

develop in the model, but to characterise global situations.

A good possibility is to place the sensors at the limits of the model so that they can give correctinformation about the boundary conditions.

IV.4.5 Conclusions and recommendations

Two kinds of studies using small scale models have been discussed.

The representation of realistic situations with reduced scale models depends on the number ofsimilarity laws taken into account. As only one parameter is respected (Froude or Richardsonnumber), the global validity of this kind of study is not completely respected. The application ofthis technique to full scale situations is not immediate. As an example, the conclusions drawnfrom the study dealing with trap doors [71] have been applied to projects because they providevaluable answers concerning the relative capacities of the various systems, but absolute resultswere not used.

The second case is the use of small scale models for research. The conclusions of such studiesare generally limited to the studied model. The transposition of the established laws to full scalesituations needs reference experiments. So, the interest of these models is to show that generallaws can be drawn from the study of specific situations, and they give the analytic form for theselaws (example: existence of backlayering vs source characteristics and longitudinal air velocity).

In a general manner, the validity of a study based on the use of models is directly linked to theinterpretation of the similarity law.

IV.5 Computer simulations

IV.5.1 General

The difficulties and limitations of physical experimentation have long since led to study howcalculation might replace testing, or at least generalise its results.

Computer simulations have become more and more popular to study fire behaviour in tunnelssince the 80's [77]. The main reasons are the very fast development of computer capacities andthe comparatively reasonable cost of the calculations compared to real fire tests. They also givemany detailed data which are unattainable by other means.

PIARC •••• 111 •••• 05.05.B - 1999

IV.5.1.1 Simulations numériques par modèle de champ

L’outil le plus adéquat pour étudier les incendies de tunnel est actuellement la “simulationnumérique par modèle de champ” (généralement désignée en anglais par CFD : ComputerFluid Dynamics). Cette technique consiste à diviser le tunnel en petites mailles à l’intérieurdesquelles les équations fondamentales de la thermodynamique des fluides sont résolues aumoyen de la méthode des éléments finis ou, plus souvent, des volumes finis. Les résultatsobtenus dans chaque maille sont la vitesse de l’air, la température et la concentration de fumée.

La figure 4.5.1 montre le maillage longitudinal et transversal d’un modèle 3D qui représente untunnel de 450 m de long, 6 m de large et 5,3 m de haut [78].

Figure 4.5.1 – Coupes longitudinale et transversaled’un maillage 3D

Figure 4.5.1 - Longitudinal and transversal viewsof a three-dimensional mesh

Ce chapitre traite principalement des simulations numériques par modèle de champ, bien qu’ilexiste d’autres simulations pouvant être utilisées pour étudier les incendies, comme lesmodèles de zone ou les modèles unidimensionnels.

IV.5.1.2 Modèles de zone

Ces modèles sont rarement utilisés pour étudier la propagation des fumées et de la chaleurdans les tunnels, mais ils sont couramment utilisés pour les bâtiments. Ils considèrentgénéralement une pièce ou un couloir comme une zone homogène où une couche d’air frais estsurmontée par une couche de fumée, chacune d’elle ayant des caractéristiques constantes –ycompris leur épaisseur- sur toute la zone. L’incendie, les échanges entre les couches et leszones voisines sont régis par des équations partiellement empiriques.

De tels modèles, relativement souples, peuvent être utilisés sur ordinateurs personnels et sontbien adaptés à l'étude du mouvement des fumées et de la chaleur dans un système complexede salles communicantes. Malheureusement, ils ne sont pas bien adaptés à l’étude desincendies dans les tunnels, où la principale difficulté est de prévoir l’évolution du panache defumée à l’intérieur d’une zone importante, en outre soumise à un courant d’air longitudinal, dontl’influence est prépondérante. Ces modèles ont donné lieu à peu de validations et leursrésultats ne semblent pas encore probants pour les incendies en tunnel.

IV.5.1.3 Modèles unidimensionnels

Les modèles unidimensionnels représentent un autre type d’outils destinés aux calculstransitoires des réseaux. Tout comme pour les simulations numériques par modèle de champ,les équations fondamentales de la thermodynamique des fluides sont résolues, mais une seuledimension est prise en compte. Cela signifie que toutes les conditions sont homogènes dans lasection transversale.

AIPCR •••• 112 •••• 05.05.B - 1999

IV.5.1.1 CFD models

At present the adequate tools for tunnel fires are the field models, also called ComputationalFluid Dynamics (CFD) codes. This technique leads to divide the tunnel volume into small cellsinside which the fundamental equations of fluid thermodynamics are solved using the finiteelements method or, more frequently, the finite volumes method. The results are obtained ineach cell. They concern air velocity, temperature, smoke concentration.

Figure 4.5.1 shows the longitudinal and transversal mesh of a three-dimensional model whichcorresponds to a tunnel 450 m long, 6 m wide and 5.3 m high [78].

Figure 4.5.2 - Temperature field calculated with a CFD modelfor a tunnel with smoke exhaust shafts

Figure 4.5.2 – Champ de température calculé à l'aide d'unmodèle de champ pour un tunnel doté de puits d'extraction

This chapter will be mainly focused on CFD codes, even though there are also other modelswhich can be used to study fire situations in tunnel, as zone models or one-dimensional models.

IV.5.1.2 Zone models

Zone models are seldom used to study the spread of smoke and temperature in tunnels, butthey are commonly used in buildings. They generally describe a room or a corridor as ahomogeneous zone where a fresh air layer lies under a smoke layer, each of them havingconstant characteristics - including their thickness - on the whole zone. The fire, the exchangesbetween the layers and between the neighbouring zones are governed by partially empiricalequations.

Such models - relatively flexible - can be investigated on a desk top computer and are welladapted to investigate the smoke and heat propagation in a complex system of communicatingrooms. Unfortunately they are not well adapted to studying fires in tunnels, where the mainproblem is to predict the evolution of the smoke plume inside a large zone, moreover submittedto a longitudinal airflow, whose influence is determining. Few validations have been performedwith such models and their success still seems uncertain for tunnel fires.

IV.5.1.3 One-dimensional models

One-dimensional models are another family of tools which are designed for the transientcalculation of networks. As for CFD codes, the fundamental equations of fluid thermodynamicsare solved, but only one dimension is considered. That means all the conditions arehomogeneous in the cross-section.

PIARC •••• 113 •••• 05.05.B - 1999

Ces modèles ne peuvent être appliqués au voisinage de l’incendie puisqu’ils ne peuventprendre en compte le phénomène de stratification. Cependant, leurs principes semblentsuffisants pour l’étude des conditions loin du foyer de l’incendie dans un réseau routiersouterrain ou un très long tunnel ; ils semblent également suffire pour définir les conditionslimites des simulations numériques par modèle de champ, dans le cas où celles-ci nemodélisent pas le tunnel dans sa totalité.

IV.5.2 Directives et expérience existantes

Les simulations numériques sont réalisées à l’aide de codes par modèle de champ. En raisondu développement de l’informatique, il a semblé intéressant d’adapter ces outils à l’analyse durisque incendie dans les tunnels. Un questionnaire a été expédié à tous les membres du groupede travail en charge de ce rapport afin d’évaluer l’état de l’art dans différents pays sur lamodélisation des incendies dans les tunnels. Un résumé des réponses au questionnaire estprésenté dans ce paragraphe. Une liste de codes utilisés par les différents pays est donnée autableau 4.5.1 ; cette liste n’est, bien évidemment, pas exhaustive, mais elle donne un aperçu dela situation en 1993.

Tableau 4.5.1 – Exemples de programmes numériques utilisés dans différents pays (1993)

Typede codes

Nomdes codes

Auteurs Utilisateurs Remarques

VENDIS-FS INERIS, France INERIS, FranceMFIRE US Bureau of Mines, États-

UnisVTT, FinlandeModèles

unidimen-sionnels SES Parsons Brinckerhoff, États-

UnisParsons Brinckerhoff, États-Unis

TUNNEL TNO, Pays-Bas TNO, Pays-Bas Plus du tout utilisés(1988)

BRI2 BRI, Japon VTT, FinlandeFAST NIST, États-Unis NIST, États-Unis Non utilisés dans les

tunnelsFASIT University of Leeds,

Royaume-UniUniversity of Leeds,Royaume-Uni

Modèlesde zone

CIFI CSTB, France CSTB, France Utilisés pour lesbâtiments

VESTA TNO, Pays-Bas TNO, Pays-Bas En cours dedéveloppement

CHAMPION Delft Univ. Techn, Pays-Bas

Plus du tout utilisés

PHOENICS CHAM, Royaume-Uni Univ. Graz, AutricheINERIS, FranceVTT, Finlande

JASMINE CHAM & FRS, Royaume-Uni

Fire Research Station,Royaume-UniUniv. Lund, Suède

Développés sur labase de PHOENICS

FLOW3D Atomic Energy Authority,Royaume-Uni

AEA Consultant, Royaume-UniHSE, Royaume-UniMott Mac Donald,Royaume-UniCETU, FranceUniv. Graz, Autriche

FLUENT Fluent Inc, États-Unis FOA, SuèdeSTORM ADAPTIVE, États-Unis SCETAUROUTE, FranceFIRR AVI, Autriche Univ. Graz, Autriche

Modèlesde champ2D & 3D

FURNACE Australie Univ. Sydney, Australie

AIPCR •••• 114 •••• 05.05.B - 1999

As they cannot take the layering phenomena into account, they cannot be applied in the firevicinity. Nevertheless these principles seem sufficient for studying the conditions far from thesource in an underground road network or a very long tunnel, and for providing boundaryconditions to a CFD code in the case where the whole tunnel is not modelled by this lattermodel.

IV.5.2 Existing guidelines and experience

The numerical simulations are performed with CFD codes. Due to the computers development,it has been interesting to get an adaptation of these tools to fire risk analysis in tunnels. Aquestionnaire has been sent to all the members of the PIARC Working Group in charge of thisreport in order to evaluate the state of the art in different countries about the modelling of fire inroad tunnels. This paragraph summarises the answers given to this questionnaire. A list ofcodes used in the different countries is presented in table 4.5.1; it is surely not exhaustive butgives an overview of the situation in 1993.

Table 4.5.1 - Examples of numerical programs used in different countries (1993)

Typeof codes

Nameof codes

Authors Users Remarks

VENDIS-FS INERIS, France INERIS, France

MFIRE US Bureau of Mines, USA VTT, Finland1D models

SES Parsons Brinckerhoff, USA Parsons Brinckerhoff, USA

TUNNEL TNO, NL TNO, NL Out of use (1988)

BRI2 BRI, Japan VTT, Finland

FAST NIST, USA NIST, USA Not used in tunnels

FASIT University of Leeds, UK University of Leeds, UK

Zonemodels

CIFI CSTB, France CSTB, France Used in buildings

VESTA TNO, NL TNO, NL Under development

CHAMPION Delft Univ. Techn, NL Out of use

PHOENICS CHAM, UK Univ. Graz, Austria

INERIS, France

VTT, Finland

JASMINE CHAM & FRS, UK Fire Research Station, UK

Univ. Lund, Sweden

Developed on thebase of PHOENICS

FLOW3D Atomic Energy Authority,UK

AEA Consultant, UK

HSE, UK

Mott Mac Donald, UK

CETU, France

Univ. Graz, Austria

FLUENT Fluent Inc, USA FOA, Sweden

STORM ADAPTIVE, USA SCETAUROUTE, France

FIRR AVI, Austria Univ. Graz, Austria

CFD codes2D & 3D

FURNACE Australia Univ. Sydney, Australia

PIARC •••• 115 •••• 05.05.B - 1999

Les réponses font apparaître que les simulations numériques sont de plus en plus utilisées pourl’analyse du risque incendie. Plusieurs raisons expliquent ce phénomène : tout d’abord, ladifficulté et le coût des expériences en vraie grandeur ; ensuite, la vaste gamme d’informationsfournies par les simulations numériques ; enfin, le développement de différents codes et lesnouvelles performances des ordinateurs qui permettent de réaliser des calculs importants etcomplexes en un temps raisonnable.

Les utilisateurs des codes sont généralement conscients que les simulations numériquespeuvent conduire à des résultats irréalistes si aucune précaution n’est prise. Il existe donc unconsensus sur le besoin d’une validation fondée sur des expériences réelles avant d’utiliser lessimulations numériques pour la conception des systèmes de désenfumage. De plus,l’expérience des utilisateurs dans le domaine de la modélisation des incendies ne peut êtrenégligée si l’on veut assurer la qualité des résultats.

La figure 4.5.3 donne quelques éléments de validation obtenus par le CETU sur les essais dutunnel de l’Ofenegg [79].

0

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200

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400

500

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800

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

Time in minutes

Temperatures °C Temperatures at 124.25 m from fire

measurement Lmeasurement Mmeasurement Hprediction Lprediction Mprediction H

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Time in minutes

Velocity m/s

Velocities at 124.25 m from firemeasurement Lmeasurement Hprediction Lprediction H

Figure 4.5.3 – Comparaison entre valeurs prévues et mesurées à la sortie du tunnel de l’Ofenegg

Malheureusement, peu d’essais en vraie grandeur réalisés de par le monde fournissent desmesures pouvant être utilisées pour valider les simulations numériques. D’une part, les essaisne sont pratiquement jamais effectués dans cet esprit. D’autre part, peu d'essais impliquent unegrande gamme de conditions de ventilation (les essais du Memorial Tunnel peuvent à cet égardapporter des réponses intéressantes).

La durée du calcul peut apparaître comme une limite à la taille des modèles étudiés avec lesmodèles de champ. Généralement, les tunnels de plus de quelques centaines de mètres nepeuvent être modélisés en trois dimensions sur une station de travail. Par conséquent,quelques hypothèses doivent être faites pour fixer les conditions limites dans le cas oùseulement une partie du tunnel est modélisée.

IV.5.3 Principes

Afin d’appréhender la complexité du problème, les équations fondamentales et les méthodesnumériques sont succinctement présentées ci-après. Dans une première étape, si l'onconsidère l'écoulement transitoire et anisotherme d’un gaz considéré comme homogène, leproblème consiste à déterminer six fonctions scalaires inconnues : les trois composantes ux, uyet uz de la vitesse, la densité ρ, la pression p et la température T. Elles dépendent de quatrevariables indépendantes : les trois variables d'espace x, y, z, et le temps t.

AIPCR •••• 116 •••• 05.05.B - 1999

From all the available answers, it appears that CFD codes are more and more popular for firerisk analysis. Several reasons explain this evolution. The first one is the difficulty and the costlinked to full scale experiments. The second one is the large range of information given by CFDcodes. The last reason is the development of various CFD codes and the new performances ofcomputers which allow large and complex calculations to be performed in a reasonable time.

The CFD users are generally aware that numerical simulations may lead to unrealistic results ifno precaution is taken. There is a consensus on the need for a validation based on realexperiments before using CFD codes for designing smoke control systems. Also the experienceof users in the field of fire modelling cannot be neglected to ensure the quality of results.

Figure 4.5.3 presents some elements of a validation work carried out by CETU on the Ofeneggtunnel fire experiments [79].

0

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Time in minutes

Velocity m/s

Velocities at 124.25 m from firemeasurement Lmeasurement Hprediction Lprediction H

Figure 4.5.3 - Comparison between predicted and measured values at the free exit of the Ofenegg tunnel

Unfortunately, few full scale fire experiments over the world provide measurements that can beused for CFD codes validation. On one hand, the tests are generally not performed to meet thisobjective. On the other hand, few experiments involve a wide range of ventilation conditions (theMemorial Tunnel fire tests may bring valuable answers as far as this question is concerned).

The calculation duration may appear as a limitation to the size of the models treated with CFDcodes. Generally, tunnels longer than some hundred meters cannot be modelled in threedimensions on workstations. Therefore some assumptions must be done to set the boundaryconditions if only a part of the tunnel is modelled.

IV.5.3 Background

In order to give an idea of the problem complexity, the fundamental equations are outlined.Then the computational methods are rapidly presented. In a first step, if the anisothermal andtransient flow of a gas assumed to have a homogeneous composition is considered, theproblem is to determine six unknown scalar functions: the three components ux, uy and uz ofthe velocity, density ρ, pressure p and temperature T. They depend on four independentvariables, the three space variables x, y and z and time t.

PIARC •••• 117 •••• 05.05.B - 1999

La mécanique des fluides et le premier principe de la thermodynamique fournissent l’équivalentde cinq équations scalaires différentielles, déduites de la conservation de la masse, de laquantité de mouvement et de l’énergie. Elles sont généralement décrites sous la forme généraled’une équation de transport :

( )∂ ρ Φ∂

ρ Φ Φ Φ( . )

tdiv .u. J S+ + =

�

�

(IV.6)

avec�

J gradΦ ΦΓ Φ= −→

. (IV.7)

où Φ représente une propriété générale du fluide et ρ,�

u ,�

JΦ , SΦ représentent respectivement ladensité, le vecteur de vitesse, le vecteur flux de diffusion et le terme source par unité devolume. ΓΦ représente le coefficient effectif d’échange par diffusion de Φ.

La thermodynamique fournit l’équation manquante pour résoudre le problème, généralementl’équation d'état des gaz parfaits :

ρ ρ. .TP p

T

P0

0 0

0+= (IV.8)

où ρ0, P0 et T0 représentent respectivement les valeurs de référence de la densité de l’air, de lapression et de la température.

Le système des six équations différentielles non linéaires fortement couplées à six variablesinconnues doit être complété par des équations supplémentaires décrivant la turbulence. Ceséquations incluent les fluctuations de chaque scalaire transporté. Le modèle le plusfréquemment utilisé est le modèle k-ε (k : énergie cinétique de la turbulence ; ε : taux dedissipation de k).

Une simulation plus complète peut introduire une ou plusieurs équations de transport pour lesgaz générés par la combustion (la fumée est la plupart du temps assimilée à un gaz, ce quiévite un calcul diphasique). Un modèle de rayonnement peut être utilisé pour compléterl'organisation des transferts thermiques. Enfin, un modèle de combustion peut être envisagépour évaluer la dynamique des réactions chimiques dans la zone d’incendie.

Ce système très complexe nécessite manifestement l’utilisation de méthodes numériques. Laméthode des éléments finis peut être appliquée. Cependant, celle des volumes finis,comparable aux différences finies, est plus souvent utilisée. Elle impose un maillage structuré,qui n’est pas trop gênant compte tenu de la géométrie très simple du tunnel, et conduit à desdurées de calcul généralement plus courtes. De plus, elle est très “physique”, dans la mesureoù les différentes équations de conservation sont vérifiées dans chaque cellule.

La durée du calcul par ordinateur reste toujours longue avec les ordinateurs actuels. Unesimulation 3D d’un incendie de quelques minutes sur plusieurs centaines de mètres demandeplusieurs heures CPU sur un gros ordinateur et un jour ou plus sur une station de travail.

AIPCR •••• 118 •••• 05.05.B - 1999

Fluid mechanics and the first principle of thermodynamics provide the equivalent of five scalardifferential equations, deduced from the conservation of mass, momentum and energy. Thesehave the general form of the following transport equation:

( )∂ ρ Φ∂

ρ Φ Φ Φ( . )

tdiv .u. J S+ + =

�

�

(IV.6)

with�

J gradΦ ΦΓ Φ= −→

. (IV.7)

where Φ stands for a general fluid property and ρ,�

u ,�

JΦ, SΦ are density, velocity vector,diffusive flux vector and source rate per unit volume, respectively. ΓΦ denotes the effectivediffusive exchange coefficient of Φ.

Thermodynamics supply the missing equation to close the problem, this one being generally thestate equation of ideal gas:

ρ ρ. .TP p

T

P0

0 0

0+= (IV.8)

with ρ0, P0 and T0 the reference air density, pressure and temperature.

The system of six strongly coupled, non linear differential equations with six unknown variablesobtained by this method have to be completed by additional equations describing turbulence.These equations involve the fluctuations of each transported scalar. The most commonly usedmodel is the k-ε model (k: turbulence kinetic energy; ε: dissipation rate of k).

A more complete simulation may introduce one or several transport equations for the gasesproduced by combustion (smoke is usually assimilated to a gas to avoid diphasic calculation). Aradiative model may be used to complete the organisation of the thermal transfers. Lastly, acombustion model may be considered to evaluate the dynamics of the chemical reactions in thefire zone.

This very complex system obviously requires to use computational methods. The finite elementmethod can be applied. However, the finite volume method, similar to the finite differences, ismore often used. It imposes a structured grid, which is not too annoying due to the rathersimpler geometry of a tunnel, and leads to generally shorter computation times. In addition it isvery “physical”, for it ensures that the various conservation equations are observed in each cell.

The computation duration still remains lengthy with the current computers. A 3D simulation of aseveral minutes fire in a several hundreds meters long tunnel requires several CPU hours on amainframe, and one day or more on a workstation.

PIARC •••• 119 •••• 05.05.B - 1999

IV.5.4 Recommandations

Comme indiqué précédemment, il existe différentes manières de modéliser les incendies avecles codes numériques. Le nombre de variables inconnues et la durée de calcul varient selon leshypothèses.

Il y a au moins 8 équations à résoudre pour des simulations 3D, les variables inconnues étantρ, p, T, ux, uy, uz, k et ε, et 7 équations à résoudre pour des simulations 2D. Des équationscomplémentaires peuvent être nécessaires afin de prendre en compte le transfert de chaleurpar rayonnement, le processus de combustion ou le transfert de chaleur par conduction àl’intérieur des parois.

Puisqu’il existe différentes façons de modéliser un incendie, chacune sera commentée selonl’expérience des membres du groupe de travail. Ces commentaires ne doivent pas êtreconsidérés comme des recommandations, mais plutôt comme des conseils aux personnes quidébutent dans le domaine de la modélisation des incendies ou qui sous-traitent de tels calculs.

IV.5.4.1 Foyer de l’incendie

Il y a plusieurs possibilités pour modéliser le foyer.

• Modèle de combustionLe modèle Eddy-Break-Up est le plus généralement utilisé. Cette méthode peut êtreintéressante si les informations que l’on veut obtenir à partir de la simulation portentsur la zone d’incendie. Les limites de cette méthode concernent la chargecombustible de l’incendie. Il n’est en effet pas toujours possible de fournir uneéquivalence en termes de consommation de carburant.

• Puissance thermique fixée dans un volumeDans ce modèle, le foyer est représenté par une puissance thermique fixée àl’intérieur d’un volume donné. Cette valeur n’est pas influencée par la ventilation.Cette méthode aboutit à une distribution d’énergie assez correcte à l’intérieur dutunnel. L’expérience montre que par cette méthode, on obtient des températures toutà fait réalistes, sauf à proximité immédiate de l’incendie.

• Flux de chaleur fixé à travers une surface horizontaleCette technique impose un flux thermique ou un débit de masse à température fixéeafin d’obtenir la puissance thermique de dimensionnement. La deuxième méthodeconduit à créer un débit d’air qui n’est pas toujours compatible avec la production degaz brûlés (il doit alors être combiné à un puits de masse). La distribution del’énergie n’est pas aussi bonne que dans le cas précédent. Les résultats ne sontdonc pas aussi fiables.

• Température fixée dans un volumeL’avantage de cette méthode est de pouvoir contrôler la température maximaleatteinte à l'intérieur de l’incendie. L’inconvénient est que le flux de chaleur dépendrades conditions de ventilation.

AIPCR •••• 120 •••• 05.05.B - 1999

IV.5.4 Recommendations

As explained previously, there are different ways to model fire with CFD codes. The number ofunknown variables and the calculation duration vary according to the hypotheses.

There are at least 8 equations to solve in 3D simulations, the unknown variables being ρ, p, T,ux, uy, uz, k and ε, and 7 equations to solve in 2D simulations. Additional equations may berequired in order to take into account the radiative heat transfer, the combustion process or theheat transfer by conduction inside the walls.

Because there are different ways to model a fire, some comments will be given on each one,according to the experience of the members of the working group. They should not really beconsidered as recommendations, but more as an advice for people who would start in the tunnelfire modelling field or sub-contract such calculations.

IV.5.4.1 Fire source

There are several possibilities to model the fire source.

• Combustion processThe Eddy-Break-Up model is generally used. This method may be interesting if theinformation required from the simulation concerns the fire zone. The limitationconcerns the fire load. It is not always possible to give an equivalence in terms of fuelconsumption.

• Fixed heat release rate in a volumeIn this model, the fire source is represented by a heat release rate fixed inside agiven volume. This value is not influenced by the ventilation. This method leads to arather correct energy distribution inside the tunnel volume. The experience showsthat this method leads to quite realistic temperatures except very near the fire.

• Fixed heat flux through a horizontal surfaceThis technique imposes a heat flux or a mass flow rate at a fixed temperature in orderto get the design heat release rate. The latter method leads to create a mass flowrate which is not always in agreement with the production of burned gases from thecombustion (it must then be combined with a sink of mass). The volume energydistribution is not as good as in the previous case. The results are not as reliable.

• Fixed temperature in a volumeThe advantage of this method is to control the maximum temperature reached insidethe fire. A disadvantage is that the heat release rate will depend on the ventilationconditions.

PIARC •••• 121 •••• 05.05.B - 1999

La deuxième méthode (puissance thermique fixée dans un volume) devrait généralement avoirla préférence car elle est moins coûteuse (en temps CPU) que la modélisation du processus decombustion, et présente moins d’inconvénients que les autres méthodes.

Le chapitre II de ce rapport donne des informations sur les puissances thermiques dedimensionnement qui peuvent être utilisées directement avec cette méthode.

IV.5.4.2 Perte thermique par rayonnement

Les températures au cœur d’un incendie peuvent atteindre 1 300 °C. Le transfert thermique seproduit plus par rayonnement que par convection. Des calculs réalisés avec des modèles derayonnement ont conduit à surestimer les niveaux de température, même à des centaines demètres du foyer d’un incendie. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour la prise encompte du rayonnement.

• Modèle de rayonnement thermiquecouplé avec l’équation de conservation de l’énergieCette technique conduit à résoudre une équation supplémentaire. Deux sortes demodèles de rayonnement peuvent être utilisés. Le premier consiste en la résolutionde l’équation de transfert thermique par rayonnement selon un maillage spécifique.Dans le second, on réduit la discrétisation de l’espace à six directions, ce qui permetde définir l’équation de transfert thermique par rayonnement sous une forme similaireà celle des autres équations de conservation. La plus grande difficulté provient de lafaible connaissance des propriétés radiatives de la fumée, ce qui explique que desrecherches soient encore menées à ce sujet.

• Contrôle des flux thermiques aux paroissans modélisation du transfert thermique par rayonnementCette solution consiste à regrouper les coefficients de flux thermique parrayonnement et par convection en un coefficient empirique de transfert local. Aucuneautre équation n’est nécessaire. Cette méthode, utilisée par certains auteurs [77], aété appliquée au CETU pour simuler l’essai d’incendie à l’heptane H32 réalisé durantl’expérience EUREKA 499 [78]. Les résultats obtenus avec cette méthode sontconvenables (figure 4.5.4).

Figure 4.5.4 – Profils en long des températures prévues et mesurées à 2 et 5 mau-dessus de la chaussée (essai d’incendie H32, EUREKA 499 [78])

AIPCR •••• 122 •••• 05.05.B - 1999

The second method (fixed heat release rate in a volume) should generally be preferred becauseit is cheaper (CPU time) than modelling the combustion process and presents lessdisadvantages than the other methods.

In addition, section II of this report gives information on design heat release rates, which can bedirectly used with this method.

IV.5.4.2 Radiative heat transfer

The temperatures inside the fire may reach 1300 °C. The heat transport is locally more radiativethan convective. Calculations performed without radiative models have led to over-predict thethermal levels, even hundred meters away from the fire zone. Several techniques can be usedto take radiation into account.

• Radiative heat transfer modelcoupled with the conservation equation of energyThis technique leads to solve an additional equation. Two kinds of radiative modelsmay be used. The first one consists in solving the radiative heat transport equationaccording to a specific mesh. The second one consists in reducing the spacediscretisation to six directions, which allows to set the radiative heat transportequation in a similar form as the other conservation equations. The greatest difficultycomes from the poor knowledge of the radiative properties of the smoke whichexplains that some research works are currently carried out on this topic.

• Control of the heat fluxes at the wallswithout modelling the radiative heat transferThis solution consists in lumping the radiative and convective heat transfer coefficienttogether in a local empirical transfer coefficient. No additional equation is required.This method, used by some authors [77], has been applied by CETU to simulate theheptane fire test H32 carried out during the EUREKA 499 experiments [78]. Theresults obtained with this method are reasonable (Figure 4.5.4).

0100

300

500

700

900

1100

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300

Tem

per

atur

es°C

Distance from fire (m)

Temperatures at 2 mabove ground

measure

prediction

Temperatures at 5 mabove ground

measure

prediction

0100

300

500

700

900

1100

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300

Tem

per

atur

es°C

Distance from fire (m)

Figure 4.5.4 - Longitudinal profiles of predicted and measured temperatures at 2 m and 5 m above the floor(EUREKA 499 fire test H32 [78])

PIARC •••• 123 •••• 05.05.B - 1999

• Réduction à la source de la puissance thermique de l’incendieLa dernière solution consiste à réduire la puissance thermique du foyer réellementinjectée dans le modèle en déduisant la portion rayonnée. Elle est mentionnée dansde nombreuses publications et le pourcentage d’énergie perdu par rayonnement aufoyer de l’incendie est estimé entre 20 et 50 % de l’énergie thermique totale produitepar la combustion. La principale difficulté de cette méthode réside dans le fait que laperte d’énergie par rayonnement vers les parois due aux gaz chauds à quelquedistance de l’incendie n’est pas prise en compte.

La deuxième méthode (globalisation des coefficients de flux thermique par rayonnement et parconvection) est recommandée lorsque les transferts thermiques par rayonnement ne sont pasmodélisés. Elle peut être combinée avec la troisième méthode (réduction à la source de lapuissance thermique de l’incendie pour prendre en compte les pertes par rayonnement à cetendroit).

IV.5.4.3 Conditions limites aux parois

• Conditions limites en quantité de mouvementUne surface lisse est généralement la condition par défaut aux parois. Cependant,l’utilisateur peut définir des surfaces rugueuses en modifiant les paramètres de la loilogarithmique de couche utilisés par les codes pour représenter la zone tout contreles parois. L’utilisation de surfaces rugueuses dépend des objectifs de la simulation.Si l’on veut arriver à l’analyse de l’équilibre des forces ou la vitesse de propagationdu front de fumée, les hypothèses faites sur les surfaces influenceront les résultats.

• Conditions limites du transfert thermique- Température ou flux de chaleur fixés. Dans ce cas, les températures aux parois

ou les flux de chaleur à travers les parois sont fixés à une valeur constante.L’usage de températures fixes aux parois est préférable, spécialement encombinaison avec des coefficients de transfert thermique par rayonnement et parconvection aux parois.

- Combinaison de températures et de flux de chaleur fixés. Cette technique peutêtre utilisée afin de modéliser approximativement le processus de conduction dela chaleur à l’intérieur de la paroi. En fait, ce processus n’est pas ainsidirectement pris en compte.

- Conduction de la chaleur à l’intérieur de la paroi. Cette méthode se révèle être lameilleure interprétation physique du problème. Le transfert thermique aux paroispeut avoir des effets appréciables, tout particulièrement dans le cas desincendies de longue durée. Cependant, il conduit à des maillages plus importantset à des calculs plus longs ; souvent, cela n’est pas nécessaire.

IV.5.4.4 Conditions limites aux têtes

Le choix des conditions limites aux têtes peut considérablement influer sur les résultats.

• Pression fixe aux deux extrémitésCette solution représente directement les effets atmosphériques. L’influence del'emplacement des conditions limites a été étudiée [80]. Il apparaît que la taillecritique de la zone externe à modéliser doit être comprise entre 3 et 5 diamètreshydrauliques [80]. Cependant, des résultats convenables peuvent être obtenus sansdomaine extérieur, si certaines précautions sont prises, ou même des correctionsapportées.

AIPCR •••• 124 •••• 05.05.B - 1999

• Reduction of the heat release rate at the fire sourceThe last solution consists in reducing the actual heat release source injected in themodel by deducing the radiative part. It has been used in several publications andthe percentage of energy lost by radiation at the fire source is estimated to be in therange of 20% to 50% of the total heat energy released by combustion. The majorproblem of this method is due to the fact that the radiative energy lost by the hotgases to the walls farther from the fire is not taken into account.

The second method (lump radiative and convective heat transfer coefficient at the walls) isrecommended in the case where the radiative heat transfers are not modelled. It can becombined with the third method (lump reduction of the heat release source to take into accountradiative losses at the fire site).

IV.5.4.3 Boundary condition at the walls

• Momentum boundary conditionsSmooth surfaces are generally the default condition at the wall. However, the usermay generally define rough surfaces by modifying the parameters of the logarithmiclayer law used by the codes to represent the zone very near the walls. The use ofrough surfaces depends on the objectives of the simulations. If they concern theanalysis of the forces balance or the propagation speed of the smoke front, theassumption made on surfaces will influence the results.

• Heat transfer boundary conditions- Fixed temperature or heat fluxes. In this case, the temperature at the walls or the

heat fluxes through walls are fixed to constant values. The use of fixedtemperatures at the walls is nevertheless preferable, especially in combinationwith a lump radiative and convective heat transfer coefficient at the walls.

- Combination of fixed temperature with heat fluxes. This technique may be used inorder to roughly model the heat conduction process in the rock. Actually, it doesnot directly take it into account.

- Heat conduction inside the rock. This method appears as the best physicalinterpretation of the problem. The heat transfer to the walls may have noticeableeffects especially in the case of long fires. However, it leads to larger meshesand longer calculation and is often not necessary.

IV.5.4.4 Boundary condition at the portals

The choice of the boundary conditions at the portals may seriously influence the final results.

• Fixed pressures at both endsThis solution directly represents the atmospheric effects. The influence of theboundaries location has been studied [80]. It appears that the critical size of theoutside zone to be modelled should be comprised between 3 and 5 hydraulicdiameters [80]. However, acceptable results can be obtained with no outside domainprovided that some precautions or even corrections are used.

PIARC •••• 125 •••• 05.05.B - 1999

• Propriétés des fluides fixées à une extrémité et pression fixée à l'autre extrémitéCette solution peut se justifier par l’analyse des conditions régnant dans le tunnelsous des effets connus de ventilation. La condition en amont semble être quelquepeu limitative car elle force l'écoulement à aller dans un sens, spécialement si lescomposantes de la vitesse sont imposées.

• Utilisation de modèles simplifiésCette technique peut être appliquée dans le cas de tunnels longs, qui ne peuventêtre entièrement modélisés et pour lesquels les conditions limites sont difficiles àfixer. Il est recommandé d’utiliser un modèle simplifié (à une dimension par exemple)afin d’estimer globalement l'écoulement dans tout le tunnel et d'en déduire lesconditions limites à imposer aux deux extrémités du maillage.

IV.5.4.5 Choix entre simulation 2D et simulation 3D

Les simulations 3D nécessitant de longs temps de calcul, les simulations 2D peuvent apparaîtrecomme des variantes attractives. La simplification du problème sous la forme d’un écoulemententre deux plans requiert tout de même quelques précautions :

• pour prendre en compte la réduction des forces de frottement, certains auteursintroduisent une force volumique supplémentaire [81] ;

• une autre solution fondée sur les similitudes peut aussi être utilisée ; elle est baséesur les nombres de Reynolds (équation IV.2) et de Froude (équation IV.3), et sur lesparamètres d’énergie non dimensionnels.

Les paramètres d’énergie non dimensionnels représentent l’énergie produite parl’incendie ou par la quantité de carburant injecté par mètre carré de sectiontransversale du tunnel de façon à respecter l'analogie avec le tunnel réel, c’est-à-direque

3Denet2DenidentiqueestS

Q

tunnel

incendie

•

où Qincendie est la puissance thermique et Stunnel la section transversale du tunnel.

Ces contraintes agissent sur la géométrie et la gravité. Des validations ont étéentreprises à partir des expériences du tunnel de l’Ofenegg [79] (figure 4.5.5).

Certaines limites importantes doivent être mentionnées. Par exemple, cette technique ne décritpas correctement la stratification lorsque la vitesse longitudinale est plus basse que la valeurcritique [80]. De fait, les simulations en 2D nécessitent des précautions spécifiques et nepeuvent être utilisées que dans certains cas.

AIPCR •••• 126 •••• 05.05.B - 1999

• Given fluid properties fixed at one end and fixed pressure at the other endThis solution may be justified for the analysis of the conditions inside the tunnel withknown ventilation effects. The upstream condition appears to be quite limitativebecause it forces the flow to one direction, especially if the velocities components areimposed.

• Use of simplified modelsThis technique may be applied in the case of long tunnels, which are not entirelymodelled and for which the boundary conditions are difficult to describe. It isrecommended to use a simplified model (1D model for instance) in order to estimateglobally the flow in the complete tunnel and derive the boundary conditions to imposeat both ends of the mesh.

IV.5.4.5 Choice between 2D and 3D simulations

As 3D simulations require long calculation times, 2D simulations may appear as attractivealternatives. This simplification of the problem by a flow between two planes requires someprecautions:

• to take into account the reduction of the friction forces, some authors introduceadditional volume forces [81];

• another solution based on similarities may also be used and is based on theReynolds (equation IV.2), Froude (equation IV.3), and energy non-dimensionalparameters.

The energy non-dimensional parameters represent the energy released by the fire orthe quantity of fuel injected per square meter of tunnel cross-sectional area to respectthe analogy with the actual tunnel, that is

QS

should be the same in 2D and 3Dfire

tunnel

•

,

where Qfire•

is the heat release rate and Stunnel the tunnel cross-sectional area.

These constraints influence the geometry and the gravity terms. A validation workhas been performed on the basis of Ofenegg tunnel experiments [79] (Figure 4.5.5).

Some important limitations must be mentioned. For example, this technique does not describecorrectly the stratification in the case when the longitudinal velocity is lower than the criticalvalue [80]. Consequently 2D simulations require specific precautions and can be used inspecific situations only.

PIARC •••• 127 •••• 05.05.B - 1999

Figure 4.5.5 - Comp araison entre simulat ions 2D et 3D ( essai d’incendie n° 1 [79])

IV.5.6 Conclusions

Le principal avantage des simulations numériques par modèle de champ est de permettred’étudier des cas pour lesquels aucune donnée expérimentale n’est disponible. Si unevalidation préliminaire a été réalisée à partir d'essais en vraie grandeur, ils peuvent servir àsimuler de nombreux autres cas. Cette technique fournit une description générale des diversphénomènes et est la seule capable d’offrir de telles possibilités, même si les résultats doiventplutôt être considérés comme des ordres de grandeur.

Les principales limites de cette technique sont le temps nécessaire au calcul et la complexité deson usage : de ce point de vue, la méthode n'a pas encore atteint le degré de maturité descalculs de structure par éléments finis par exemple. Des validations préliminaires plutôt longueset des utilisateurs expérimentés sont nécessaires ; sinon les résultats risquent d’être tout à faittrompeurs.

Les modèles de champ sont donc principalement adaptés à certains usages spécifiques :

• établir des règles générales de dimensionnement en simulant des cas types,

• explorer des situations nouvelles ou spécialement complexes,

• approfondir la compréhension des incendies réels et les analyser (comme cela a étéfait, par exemple, pour la catastrophe de la station londonienne de métro King’sCross [82]).

De plus, un certain nombre d’avantages peuvent être tirés de l’utilisation de ces modèles en lesassociant à d’autres méthodes d’étude. Par exemple, quelques simulations numériquespréliminaires –et, si besoin est, très imprécises – seront profitables aux essais en vraiegrandeur afin d’évaluer les phénomènes prévus et leur ordre de grandeur. De plus, unprogramme d’essais sur des maquettes à échelle réduite pourrait gagner à être préparé parcalcul d’évaluation de la qualité des similitudes et des ordres de grandeur. Les maquettes àéchelle réduite permettraient alors d’étudier le phénomène en faisant varier les paramètresintéressants. Enfin, de nouveaux calculs pourraient être réalisés pour, dans un premier temps,caler le code numérique et, dans un deuxième temps, comprendre, voire extrapoler, lesmesures.

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0

1

2

3

4

5

6

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperature (°C)

Hei

ght(

m)

Temperatures at 124.25 mfrom fire at 60 s

2D without similarities3D with symetry plane

2D with similarities

1

2

3

4

5

6

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Velocity (m/s)

Hei

ght(

m)

Velocities at 124.25 mfrom fire at 60 s

2D without similarities3D with symetry plane

2D with similarities

Figure 4.5.5 - Comparison between 2D and 3D simulations (fire test No.1 [79])

IV.5.6 Conclusions

The main advantage of the CFD models is to allow the study of cases for which no experimentaldata are available. If a preliminary validation has been made from full scale tests, they shouldbe able to simulate many other situations. This technique provides a general description of thevarious phenomena. This is the only method that offers such possibilities, even if the resultsmust rather be considered as orders of magnitude.

The major restriction is the time needed for the calculation and the complex utilisation: from thispoint of view the method has not yet come to the same maturity as for instance the structurecalculation by finite elements. Rather lengthy preliminary validations and skilful users arenecessary; otherwise the obtained results may be quite misleading.

The CFD models are therefore adapted principally to certain specific uses:

• to set up general design rules by simulating typical cases;

• to investigate new or specially complex situations;

• to get a thorough understanding of actual fires and to analyse them (as it has beendone for instance for the disaster at the King’s Cross underground station in London[82]).

Moreover there are a lot of advantages that can be drawn from their use in conjunction withother study methods. For instance, full size testing will profit from some preliminarycomputational simulations - if necessary very approximate - in order to assess the expectedphenomena and their orders of magnitude. Also, a test programme on scale models wouldadvantageously be prepared by calculations aimed at evaluating the quality of similarities andorders of magnitude. The reduced scale model will then allow to make the study by varying theuseful parameters. Lastly, new calculations can be made in order to calibrate the computationalcode in a first step, and in a second step to understand - even extrapolate - the modelmeasurements.

PIARC •••• 129 •••• 05.05.B - 1999

Afin de simuler les incendies dans de grands tunnels ou dans des réseaux souterrainscomplexes, il pourrait être utile de combiner une simulation 3D avec d’autres simulations plussimples, comme la 2D ou la 1D, pour déterminer les conditions limites. Cette technique apparaîtpotentiellement intéressante pour le développement des simulations numériques [80].

Les modèles de champ comprennent de nombreux modèles physiques qui ont été validé surquelques expériences fondamentales, mais peu de validations globales ont été réalisées surdes essais d'incendie en vraie grandeur. Ainsi, les bases de données tirées des essaisEUREKA 499 et du Memorial tunnel devraient-elles être très utiles pour la validation desmodèles numériques. Ces travaux ont déjà commencé dans divers pays, mais ils nécessitentbeaucoup de temps.

L’espoir de mettre au point un modèle numérique, pouvant facilement être utilisé par despersonnes non averties qui auraient juste à appuyer sur un bouton (car ce modèle aurait étécalé et les nombreux paramètres auraient tous été ajustés) est probablement utopique. Destravaux préliminaires de validation doivent comparer, à la fois qualitativement etquantitativement, les résultats et mesures afin de définir des règles de conduite des simulationsd’incendie ; mais cela ne doit pas amener à ajuster tous les paramètres sans raisons physiques,car de tels calages de modèles ne pourraient pas être transposés à d’autres configurations.

IV.6 Besoins en futurs travaux de rechercheLa communauté internationale a fourni de grands efforts et investissements dans lesprogrammes de recherche en matière de sécurité incendie dans les tunnels durant les dixdernières années. Le nombre de congrès internationaux consacrés à ce sujet, l’expansion de lamodélisation des incendies et les deux grands programmes d’essais réalisés ces dernièresannées en Europe (EUREKA 499) et aux États-Unis (Memorial Tunnel) confirment cettetendance.

Les modèles numériques sont déjà largement utilisés pour étudier les situations d’incendie entunnel et devraient se développer à l’avenir, mais des recherches et des travaux de validationsont nécessaires pour assurer la validité des résultats.

Certaines recherches doivent être faites pour améliorer les modèles existants, comme ceux surla turbulence et la combustion, mais ils ne sont pas spécifiques aux tunnels et concernent lamodélisation de la dynamique des fluides. Ces recherches sont traditionnellement conduites pardes universités et des laboratoires, dont les activités sont axées sur les phénomènesfondamentaux de dynamique des fluides et le développement des codes de champ.

D’autres travaux de recherche sont spécifiques aux tunnels ; ils consistent en l’adaptation ou lecalage de modèles physiques pour la modélisation des incendies. De telles recherches ont étémenées par exemple pour améliorer le modèle standard k-ε qui pourrait ne pas estimercorrectement la longueur du retour de fumée [83].

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In order to simulate fires in long tunnels or complex underground networks, it may be useful tocouple a 3D simulation with simplified ones such as 2D or 1D models in order to determineboundary conditions. This technique appears as a potential development of the numericalsimulation [80].

The CFD models include several physical models which have been validated againstfundamental experiences, but few global validations have been made on full scale fire tests. Inthis way, the data bases drawn from the EUREKA 499 and the Memorial Tunnel experimentsshould be very useful for validating CFD models. This work has already started in differentcountries but requires much time.

The hope to set up a CFD model which could be easily used by unskilled users who would haveto only press a button, because the model would have been calibrated and all the numerousparameters would have been fitted, is probably unrealistic. A preliminary validation work mustcompare qualitatively and quantitatively calculated results and measurements in order to definerules for running fire simulations, but it must not lead to fit all the parameters without physicalreasons because such calibration could not be transposed to other configurations.

IV.6 Needs for further research workThe international community has made large efforts and investments in research programmeson fire safety in tunnels during the last decade. The number of international congresses on thissubject, the development of fire modelling and the two large fire tests carried out these lastyears in Europe (EUREKA 499) and in the USA (Memorial Tunnel) confirm this tendency.

The CFD codes are already largely used to study fire situations in tunnels and should go ondeveloping in the future, but research and validation works are required to ensure the validity oftheir results.

Some research works are required to improve existing models, such as turbulence orcombustion models, but they are not specific to tunnels and concern fluid dynamics modelling.These research works are generally done by universities and laboratories, the activity of whichdeals with fundamental fluid dynamics phenomena and development of CFD codes.

Some other research works are more specific to tunnels and consist in adapting or calibratingphysical models for fire modelling. Such research work has been done for example to improvethe standard k-ε model which might not correctly estimate the length of backlayering [83].

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Des données expérimentales sont nécessaires à la validation des codes numériques ; cesdonnées ne sont pas toujours disponibles car beaucoup de grands essais d'incendie menésdans le passé étaient réalisés pour d’autres objectifs. Les programmes d’essais incendieEUREKA 499 et du Memorial Tunnel ont été réalisés en prenant cet objectif en compte ; ils ontainsi pu permettre de créer des bases de données très intéressantes pour la communautéinternationale et ce, afin de valider les codes numériques.

De nouvelles expérimentations, que ce soit à échelle réduite ou en vraie grandeur, doivent êtreentreprises à l’avenir, en ayant pour objectif principal de valider et caler les modèles physiques.Cela peut porter sur la compréhension des écoulements générés par l’incendie, tout comme surles mesures de certaines propriétés physiques de la fumée, qui font défaut aux modèles (parexemple, propriétés de rayonnement de la fumée, génération de suie).

Manifestement, les différentes approches présentées dans ce chapitre sont complémentaires.Le choix d’une approche pour étudier la situation des incendies dans les tunnels, aussi bienpour la recherche que pour la conception d’un tunnel, dépend des objectifs poursuivis danschaque situation.

IV.7 ConclusionÉtudier le problème d’un incendie dans un tunnel requiert des moyens spécifiques. Ces dernierdoivent être adaptés aux objectifs et aux ressources financières qui peuvent raisonnablementêtre dépensées compte tenu des enjeux de l’étude.

Le tableau 4.7.1 présente une synthèse du point de vue de la conjugaison des moyens et desobjectifs de recherche pour la sécurité incendie dans les tunnels.

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The validation of CFD codes requires experimental data which are not always availablebecause many large fire experiments carried out in the past had other objectives. The EUREKA499 and Memorial Tunnel fire tests programmes have been performed taking into account thisobjective, so that they provide very interesting databases for the international community tovalidate CFD codes.

New small or large scale experiments should be undertaken in the future with the priorityobjective of validating and calibrating physical models. It may concern the understanding of flowgenerated by fire as well as measurements of some physical smoke properties which aremissing for models (i.e. radiative smoke properties, generation of soot).

Obviously the different approaches which have been presented in this section arecomplementary. The choice of one approach for studying fire situation in tunnels, as well as forresearch or tunnel design, depends on the objectives which are sought in each case.

IV.7 ConclusionStudying the problem of a fire in a tunnel requires specific means. They have to be adapted tothe aims and the amount of money which can reasonably be spent in the study with respect toits stakes.

Table 4.7.1 gives a synthetic point of view about the combination of the means and theobjectives of investigation in fire safety in tunnels.

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Table 4.7.1 – Objectifs et moyens de recherche en matière de sécurité incendie en tunnel

Moyen Utilisation pour la recherche Ut ilisation pour la conception Ut ilisation pour l'exploitation

Essaisd’incendie envraiegrandeur

Avantages :- Interprétation directe- Résultats completsInconvénients :- Coût- Nombre limité d’essaisConclusion :- Bien adapté

Avantages :- Interprétation directe- Possibilité d’utilisation devéhicules réelsInconvénients :- Coût- Nombre limité d’essais- Géométrie de l'installationConclusion :- Cette solution dépend del’importance du projet et de sesproblèmes spécifiques(exemple : Memorial Tunnel)

Avantage :- Interprétation directeInconvénients :- Coût- Nombre limité d’essaisConclusion :- Irréaliste si non associé avecd’autres objectifs

Essaid’incendieavant oupendantl’exploitation(pouroptimiser lesconsignes deventilation)

Avantages :- Résultats partiels avecinstallations en vraie grandeur- Nombreuses situations différentesInconvénient :- Manque d’informations en raisondu nombre limité de capteursConclusion :- Utile, mais résultats partiels

Avantages :- Accumulation d’expérience utilepour le choix d’un système- Essai réalisé avec de vraissystèmes de ventilationInconvénient :- Nombre limité d’essaisConclusion :- Utile

Avantages :- Montre aux exploitants commentla ventilation réagit- Pompiers très intéressés par cequ’ils auront à combattre enréalitéInconvénient :- Pas d’exploitation possiblependant les essaisConclusion :- Bien adapté

Essaisd’incendieavant oupendantl’exploitation(pour laformation desexploitants etdespompiers)

Avantage :- Observations visuelles possiblesInconvénient :- Manque d’informations dû àl’absence de capteursConclusion :- Inadapté

Avantage :- Essai réalisé avec de vraissystèmes de ventilationInconvénient :- Analyses limitées en raison dumanque de mesuresConclusion :- Pas bien adapté

Avantage :- Situation représentativeInconvénient :- Pas d’exploitation possiblependant les essaisConclusion :- Bien adapté

Maquetteà échelleréduite

Avantages:- Nombreux essais possibles- Possibilité d’étudier des loisglobales régissant des situationsspécifiquesInconvénient :- Besoin d’essais de référence envraie grandeur pour les transposeraux situations réellesConclusion :- Méthode utile pour la recherche

Avantage:- Moins onéreux que les essais envraie grandeurInconvénient :- Lié aux limitations induites parles lois de similitudeConclusion :- Très difficile de conclure que lesrésultats sont représentatifs desituations en vraie grandeur

Avantage :- CoûtInconvénients :- Lié aux limitations induites parles lois de similitude- Aucun respect des contraintesde tempsConclusion :- Certainement peu réaliste, maisdémonstratif

Simulationnumérique(modèle dechamp)

Avantages :- Possibilité d’étudier plusieurssituations différentes- Informations sur structuresd'écoulement qui ne pourraient êtreobtenues par d’autres méthodesInconvénient :- Les conclusions doivent êtrecorrélées avec des donnéesexpérimentales existantesConclusion :- Méthode utile pour la recherche

Avantage :- Possibilité d’obtenir uneoptimisation à partir de différenteshypothèsesInconvénient :- Le modèle doit être utilisé pardes personnes qualifiéesConclusion :- Méthode utile pour les projets, sielle est validée

Avantage :- Possibilité de décrire lesconditions physiques en plusieursendroits du tunnelInconvénient :- Résultats théoriques conduisantà des conclusions théoriquesConclusion :- L’adaptation dépend del’utilisation du modèle

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Table 4.7.1 - Objectives and means of investigation in tunnel fire safety

Means Use for: Research Use for: Design Use for: Operation

Full scalefire testsprogrammes

Advantages:- Direct interpretation- Complete resultsDisadvantages:- Cost- Limited number of testsConclusions:- Well suited

Advantages:- Direct interpretation- Possibility of using real roadvehiclesDisadvantages:- Cost- Limited number of tests- Geometry of the test facilityConclusions:- This solution depends on theimportance and specificproblems of the project(ex: Memorial Tunnel)

Advantages:- Direct interpretationDisadvantages:- Cost- Limited number of testsConclusions:- Unrealistic if not associatedwith other objectives

Tunnel firetests beforeor underoperation(aimed atoptimisingtheventilationinstructions)

Advantages:- Partial results with full scalefacilities- Numerous different situationsDisadvantages:- Lack of information due to thelimited number of sensorsConclusions:- Useful but partial results

Advantages:- Accumulation of experienceuseful to choose a system- Test performed with realventilation systemsDisadvantages:- Limited number of testsConclusions:- Useful

Advantages:- Shows to the operators howthe ventilation reacts- Fire brigades very interestedin what they will face for realDisadvantages:- No operation possible duringthe testsConclusions:- Well suited

Tunnel firetests beforeor underoperation(aimedat operatorsand firebrigadestraining)

Advantages:- Visual observations possibleDisadvantages:- Lack of information due to theabsence of sensorsConclusions:- Not suited

Advantages:- Test performed with realventilation systemsDisadvantages:- Limited analysis due to thelack of measurementsConclusions:- Not well suited

Advantages:- Representative situationDisadvantages:- No operation possible duringthe testsConclusions:- Well suited

Reducedscalemodels

Advantages:- Many tests possible- Possibility to study global lawsgoverning specific situationsDisadvantages:- Needs full scale reference testsfor transposition to real situationsConclusions:- Useful method for research

Advantages:- Cost lower than full scaletests.Disadvantages:- Linked to the limitationsinduced by the similarity lawsConclusions:- Very difficult to conclude thatthe results are representative offull scale situations

Advantages:- CostDisadvantages:- Linked to the limitationsinduced by the similarity laws- No respect of time basisConclusions:- Possibly unrealistic butdemonstrative

Numericalmodels(CFD)

Advantages:- Possibility to study manydifferent situations- Information on flow structuresunattainable with other methodsDisadvantages:- The conclusions must becorrelated to existingexperimental referencesConclusions:- Useful method for research

Advantages:- Possibility to get anoptimisation by the use ofdifferent assumptionsDisadvantages:- The model requiresqualificationConclusions:- Useful method for projects, ifvalidated

Advantages:- Possibility to describe thephysical conditions in severalpoints of the tunnelDisadvantages:- Theoretical results lead totheoretical conclusionsConclusions:- The adaptation depends onthe use of the model

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V. VENTILATION POUR LA MAITRISEDES INCENDIES ET DES FUMEES

La conception des systèmes de ventilation des tunnels doit conduire au meilleur choix pourfaire face aux problèmes suivants :

• dilution des polluants (à l'intérieur du tunnel),• respect de l'environnement (à l'extérieur du tunnel),• maîtrise des fumées en cas d'incendie.

La figure 5.1 montre un diagramme possible pour la conception de la ventilation.

Figure 5.1 - Diagramme possible de conceptionde la ventilation

Figure 5.1 - Possible logical flow of the ventilation design

Ce chapitre donne des définitions et des critères pour l’évaluation des niveaux de sécurité et ledimensionnement des systèmes de ventilation selon les critères de maîtrise des incendies etdes fumées.

Un système de ventilation conçu uniquement à partir des critères environnementaux et dedilution donnera souvent des résultats insatisfaisants du point de vue de la maîtrise desfumées.

De plus, les normes environnementales forcent les constructeurs de véhicules, aujourd’hui plusqu’hier et probablement de plus en plus à l’avenir, à améliorer la technologie de réduction desémissions des véhicules ; ainsi, le débit d’air requis pour le critère de dilution est de plus deplus réduit, de même que la puissance électrique nécessaire. Puisque la maîtrise des fuméesest indépendante des améliorations technologiques, ses critères seront à l’avenir décisifs pourun nombre toujours croissant de projets (voir figure 5.2).

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V. VENTILATION FOR FIREAND SMOKE CONTROL

The design of tunnel ventilation systems aims at the best actual choice in order to face thefollowing problems:

• dilution of air pollutants (inside tunnels),• environmental issues (outside tunnel),• smoke control in case of fire.

Figure 5.1 shows a possible logical flow of ventilation design.

This section aims at giving the definitions and criteria for the assessment of the safety levels,and for the dimensioning of the ventilation system according to fire and smoke control criterion.

A ventilation system designed only according to dilution and environmental criteria will often beunsatisfactory from the smoke control point of view.

Furthermore the environmental standards force new vehicle producers (now more than in thepast and more and more, probably, in the future) to upgrade their technology to reduce theemissions of the new vehicles; consequently the air flow required to meet the dilution criterion ismore and more reducing, and therefore also the required mechanical power. As smoke controlis independent of the aforementioned technological upgrading, the smoke control criterion willbe, in the future, the decisive one for an increasing number of projects (see figure 5.2).

Figure 5.2 - Trends in design of ventilation systems Figure 5.2 - Tendances dans le dimensionnementdes systèmes de ventilation

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Le paragraphe V.1 donne un court aperçu des questions de ventilation avec quelquesréférences aux problèmes de dilution et d’environnement, alors que le reste de ce chapitre netraite que des recommandations en matière de maîtrise des fumées et des questions qui y sontliées. Des informations générales sont données sur des travaux antérieurs de l’AIPCR (§ V.2),les directives et expériences existantes (§ V.3), de nouveaux résultats de recherches (§ V.4),les objectifs de ventilation pour la maîtrise des incendies et des fumées (§ V.5). Cependant, lamajeure partie de ce chapitre est consacrée à des informations détaillées et à desrecommandations sur la maîtrise des incendies avec les principaux systèmes de ventilation :naturelle (§ V.6), longitudinale (§ V.7), transversale et semi-transversale (§ V.8).

V.1 Introduction à la ventilationUne évaluation doit être réalisée en tenant compte du volume d’air nécessaire à la dilution despolluants ainsi que d’autres facteurs comme la longueur du tunnel, sa situation, le type decirculation, les lois sur l’environnement et, facteur non négligeable, la sécurité. Un système deventilation peut alors ensuite être choisi pour chaque tunnel.

Les systèmes possibles de ventilation sont :

• la ventilation naturelle qui peut être :

- induite par la température de l’air et les conditions météorologiques,- induite par la circulation ;

• la ventilation mécanique qui peut être :

- longitudinale,- transversale,- semi-transversale (et semi-transversale réversible),- transversale partielle ;

• le traitement de l’air combiné à la ventilation mécanique.

Les principes de chaque méthode sont brièvement décrits ci-après. Les méthodes ne sont pastoujours indépendantes, des combinaisons sont possibles et, dans certains cas, inévitables.

V.1.1 Ventilation naturelle

Un tunnel est ventilé naturellement lorsqu’il n’est pas équipé de ventilateurs pour le contrôlemécanique du courant d'air dans la zone de circulation.

Il existe une certaine ventilation naturelle dans n'importe quel tunnel et sous n'importe quellesconditions : en fait, un renouvellement de l’air est toujours induit par une combinaison defacteurs tels que les conditions atmosphériques et la circulation routière.

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Paragraph V.1 is a short overview of the ventilation matters with a few references to dilution andenvironmental issues, while the remaining part of the section only deals with smoke controlrecommendations and related issues. Some general information is given of previous work byPIARC (§ V.2), existing guidelines and experience (§ V.3), new research results and physics (§V.4), objectives of ventilation for fire and smoke control (§ V.5). However, the largest part of thesection is devoted to detailed information and recommendations regarding fire control with themain ventilation systems: natural (§ V.6), longitudinal (§ V.7), transverse and semi-transverse (§V.8).

V.1 Introduction to ventilationTaking into account the volume of air required for the dilution of pollutants as well as otherfactors, such as tunnel length, location, type of traffic, environmental laws, and not least, firesafety considerations, an assessment can be performed and the ventilation system can bechosen for each particular tunnel.

The possible ventilation systems are:

• natural ventilation which can be:

- induced by the air temperature and meteorological conditions,- induced by traffic;

• mechanical ventilation which can be:

- longitudinal,- fully transverse,- semi-transverse (and reversible semi-transverse),- partial (pseudo) transverse;

• air cleaning combined with mechanical ventilation.

The principles of each method are shortly described below. The methods are not alwaysdistinct; combinations are possible and, in some cases, unavoidable.

V.1.1 Natural ventilation

We define as “naturally ventilated” a tunnel which is not equipped with fans for the mechanicalcontrol of the airflow in the traffic zone.

Some kind of natural ventilation exists in any tunnels and conditions: in fact an air turnover isalways induced by a mix of factors such as atmospheric conditions and traffic.

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V.1.1.1 Effets météorologiques

Un tunnel peut être suffisamment ventilé par le vent, par une pression atmosphérique différenteentre ses têtes et, éventuellement, par un effet de convection ou de cheminée. La ventilationnaturelle des tunnels ayant leurs têtes à des altitudes différentes est basiquement un effet decheminée et, bien qu’il ne soit généralement pas possible de prévoir les têtes d’un tunnel à deshauteurs différentes, il peut exister des situations dans des zones montagneuses où cet effetpourrait être avantageusement envisagé.

V.1.1.2 Ventilation induite par la circulation

Les voies ferrées souterraines sont principalement ventilées par l’effet de pistonnement destrains qui entraînent l’air le long du tunnel. L’effet de pistonnement peut ventiler des tunnelsroutiers unidirectionnels bien que la vitesse de l’air induite par les véhicules soit moindre ; eneffet, les véhicules ne remplissent pas autant la section transversale que les trains. Cependant,à mesure que le diamètre du tunnel augmente, le gain en volume d’air est marginalement plusgrand que la réduction induite de la vitesse de l’air ; en conséquence, la dilution des polluantsaugmente légèrement avec la section du tunnel.

Même si la ventilation induite par la circulation convient à la dilution des polluants en conditionsnormales de circulation, des ventilateurs sont souvent prévus pour le cas d’une circulationarrêtée ou au ralenti et pour les conditions de vent défavorables.

La ventilation, dans une grande partie des tunnels routiers du monde, repose sur le vent et lacirculation. Généralement, ces tunnels n’excèdent pas quelques centaines de mètres de long,sauf pour les trafics très faibles. Les tunnels dont la ventilation est assurée par le trafic et de500 m de long sont généralement unidirectionnels. Une ventilation de ce type est courante dansles zones montagneuses. Si cette situation peut convenir pour le critère de dilution, elle n’estsouvent pas suffisamment sûre pour la maîtrise des fumées (spécialement pour les tunnels lesplus longs).

V.1.2 Ventilation mécanique

Le système de ventilation d’un tunnel doit maintenir une qualité de l'air acceptable enexploitation normale. En cas d'incendie, il doit assurer la sécurité du public dans le cas d’unincendie et également faciliter la lutte contre l’incendie et les opérations de secours. De plus, ildoit empêcher la formation d’un mélange explosif. Un mélange explosif ne peut se former aucœur de l’incendie, mais il peut cependant être généré un peu plus loin par une combustionincomplète des gaz chauds.

V.1.2.1 Système longitudinal

Utilisée actuellement dans de nombreux pays, la ventilation longitudinale est la manière la plusfacile et la moins coûteuse de ventiler les tunnels. Dans ce cas, la ventilation crée un courantd’air uniforme et longitudinal le long du tunnel.

Dans un tel système, l’air, pratiquement pur, pénètre dans le tunnel par l’entrée et estprogressivement pollué par les substances émises par les véhicules ; il atteint ainsi la sortie dutunnel avec un fort degré de pollution. Ce système est relativement bon marché et simple àinstaller, il est particulièrement recommandé pour les tunnels unidirectionnels où l’effet depistonnement apporte une aide.

AIPCR •••• 140 •••• 05.05.B - 1999

V.1.1.1 Meteorological effects

A tunnel may be sufficiently ventilated by wind, by a difference in air pressure between portals,and possibly by some convective or chimney effect. Natural ventilation of tunnels with portals atdifferent elevations is basically a “chimney” effect and although it is generally not possible toarrange tunnel portals at different heights, there may be some situations in mountainous areaswhere the effect would be worth considering.

V.1.1.2 Traffic induced ventilation

Underground railways are ventilated mainly by the “piston” action of the trains entraining the airalong the tunnel. The “piston effect” can ventilate one-way road tunnels although the inducedair velocity is less with road vehicles which do not fit the tunnel cross-section as closely astrains. However, as the tunnel diameter increases, the gain of air volume is marginally greaterthan the reduction of the induced air speed; consequently the dilution of pollutants slightlyincreases with tunnel size.

Even when the traffic-induced ventilation is adequate for the dilution of pollutants in normaltraffic conditions, fans are often provided to cater for idling and slowly-moving traffic and foradverse wind conditions.

A large portion of road tunnels in the world rely on wind and traffic for ventilation. Generally,they are not more than several hundreds meters long, except for very low traffics. Traffic-ventilated tunnels longer than 500 m carry, generally, one-way traffic. Ventilation of this type iscommon in mountainous areas. If this situation may be fit for the dilution criterion, it is often notsafe enough to fit the smoke control criterion (especially for the longest tunnels).

V.1.2 Mechanical ventilation

The ventilation system installed in a tunnel must provide acceptable air quality under normaloperation. In the event of a fire, it must ensure safety for the public in the event of a fire, as wellas facilitate fire-fighting and emergency operations. Furthermore, the ventilation system mustprevent the formation of an explosive mixture during a fire. Although an explosive mixturecannot occur in the seat of the fire, it can be produced farther away through incompletecombustion in the hot flue gases.

V.1.2.1 Longitudinal system

Longitudinal ventilation is an easy and cheap way to ventilate road tunnels, and in severalcountries it is the only actual way. Longitudinal ventilation means that the ventilation systemcreates a uniform longitudinal flow of air all along the tunnel.

In such a system, the air enters the tunnel from the portal, practically clean, and gets graduallypolluted with substances emitted by vehicles, thus reaching the tunnel exit with a higherpercentage of pollution. This system is relatively cheap and easy to install and is particularlysuitable for tunnels carrying one-way traffic, where the “piston effect” assists the airflow.

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Du point de vue du critère de dilution, la ventilation est considérée satisfaisante lorsque lesystème est capable de maintenir la concentration de polluants dans le tunnel en dessous decertains seuils, qui sont évidemment inférieurs aux niveaux nocifs pour les usagers quitraversent le tunnel ou qui sont contraints d'y rester arrêtés pendant un certain temps.

Un système de ventilation conçu uniquement en fonction du critère de dilution pourrait suffire dupoint de vue de la maîtrise des fumées, mais cela s’avère insuffisant la plupart du temps. Leprojet doit alors être complété afin de prendre en compte les critères de maîtrise des fuméesénumérés au § V.7.2.

Figure 5.1.1 - Mouvement de la fuméeavec une ventilation longitudinale

Figure 5.1.1 - Smoke movementwith longitudinal ventilation

Dans les tunnels à ventilation longitudinale, la concentration en substances nocives s’accroîtdans la direction du flux d’air et diminue avec le débit d’air pur. La concentration maximaleaugmente selon la longueur du tunnel. Dans tous les cas, la production de polluants varie avecle volume de circulation, sa vitesse, la déclivité de la chaussée et l’altitude du tunnel. Ainsi, encalculant le débit nécessaire pour la ventilation de deux tunnels ayant le même trafic, ontrouvera le débit le plus élevé pour le plus long tunnel et pour celui avec la plus grande penteascendante.

La vitesse longitudinale de l’air possède une limite supérieure pratique ; par conséquent, pourune circulation et une déclivité données, la longueur du tunnel pour laquelle une ventilationlongitudinale est possible est également limitée. En première estimation, la limite supérieurepeut être évaluée par la connaissance de la section transversale du tunnel et de la vitessemaximale de l’air (aujourd’hui d’environ 8 à 10 m/s 1), qui est rentable et ne perturbe pas lesvéhicules et le personnel travaillant à l’intérieur du tunnel. De plus, la puissance mécanique dusystème de ventilation augmente en réalité avec la puissance trois de la longueur du tunneldans les tunnels à circulation bidirectionnelle.

Pour les tunnels qui nécessitent un courant d’air supérieur aux seuils déjà cités, la ventilationlongitudinale est toujours possible, mais elle doit être complétée par des puits assurant deséchanges massifs entre air vicié et air pur.

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1 Par exemple, les autorités françaises recommandent une vitesse maximale de l’air de 8 m/s pour des tunnels bidirectionnelset 10 m/s pour des tunnels unidirectionnels.

From the point of view of the dilution criterion, the ventilation is considered satisfactory whenthe system is able to keep the concentration of pollutants in the tunnel air below certainthresholds, which are obviously under the noxious levels for people who travel throughout thetunnel or who are forced to be stationary within for a while.

A ventilation system designed only according to the above-exposed dilution criterion, could besatisfactory also from the smoke control point of view, but is often not; thus the project has to beverified to take into account the smoke control criteria exposed in § V.7.2.

In tunnels with longitudinal ventilation, the concentration of noxious substances increases in thedirection of the airflow and decreases with the fresh air rate. The maximum concentrationincreases according to the tunnel length. In any cases, the production of pollutants varies withthe traffic volume, its velocity, the roadway gradient and the tunnel altitude. Therefore, if wecompute the required airflow for the ventilation of two tunnels with the same (flowing) traffic, wewould find the greater flow rate for the longer one and for the tunnel with the greater upwardslope.

The longitudinal airflow velocity has a practical upper limit; consequently, for a given traffic andslope of the roadway, the tunnel length for which longitudinal ventilation is possible has amaximum limit too. As a first estimate, this upper limit could be evaluated knowing the cross-sectional area of the tunnel and the maximum air velocity (today considered

2to be about 8 to 10

m/s) which is cost effective and does not disturb vehicles and the staff operating within thetunnel. Moreover, the mechanical power of the ventilation system increases, in fact, with thethird power of the tunnel length in tunnels used bi-directionally.

For tunnels that requirean overall airflow overthe aforementionedthreshold, thelongitudinal ven-tilation isstill possible, but it has tobe supplemented withshafts for massiveexchange of exhaust withfresh air.

Photo 5.1.2.1 - Jet fans in a tunnel in Japan Photo 5.1.2.1 - Accélérateurs dans un tunnelau Japon

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2 For instance, the French authorities recommend a maximum air velocity of 8 m/s for two-way tunnels and 10 m/s for one-way tunnels.

La ventilation longitudinale est généralement réalisée à l’aide de ventilateurs hélicoïdesappelés “accélérateurs” ou “ventilateurs de jet” (figure 5.1.2.1) répartis le long du tunnel et endehors de l’espace de circulation. La taille et la répartition des accélérateurs le long du tunneln’ont pratiquement aucun effet sur la vitesse de l’air à condition qu’un minimum de règlestechniques soit observé. Parfois, la ventilation longitudinale par injection est aussi utilisée, danslaquelle l’effet Saccardo est le moyen de transmission de la poussée.

Il est moins onéreux de concentrer les accélérateurs près des entrées. De cette façon, lalongueur des câbles est la plus courte possible. Cependant, d’un point de vue aérodynamique,si les accélérateurs sont trop proches de la sortie, leur efficacité est réduite. Par conséquent, lapremière et la dernière série d’accélérateurs sont installées au moins à 80 à 100 m à l’intérieurdu tunnel.

V.1.2.2 Définitions concernant les autres systèmes de ventilation

Dans les systèmes de ventilation mécanique autre que longitudinale, l’air ventilé est amenéet/ou extrait par des gaines construites à cet effet. De tels systèmes sont classés selon lepourcentage d’air frais amené et le pourcentage d’air vicié évacué par des gainessupplémentaires (le pourcentage restant est amené ou évacué par les têtes).

Tableau 5.1.1 - Caractéristiques des différents systèmes de ventilation non longitudinale

Systèmes de ventilation nonlongitudinale

Air frais Air vicié

transversal pur 100 % 100 %

transversal partiel 3 100 % (éventuellementintermédiaire)

intermédiaire

semi-transversal 100 % 0 %

semi-transversal réversible- en exploitation normale- en cas d’incendie

100 %0 % ≤ débit ≤ 100 %

0 %0 % ≤ débit ≤ 100 %

• Système transversal pur

Dans un système de ventilation transversal pur, il y a une ou plusieurs gaines d’airfrais parallèles au tube de circulation. L’air frais est injecté par des bouches répartiesle long du tunnel ; l’air vicié est aspiré de la même façon de l’autre côté du tunnel enutilisant une ou plusieurs gaines d'extraction. Dans ce système, la quantité d’airextrait par mètre de tunnel est équivalente à la quantité d’air injecté. Dans certainscas de tranchées couvertes, il n’y a pas de gaines : l’air frais est injecté directementde l’extérieur par de petits ventilateurs, et l’air vicié est expulsé vers l’extérieur de lamême façon. Les deux flux d’air (air frais injecté et air vicié extrait) créent un courantd'air dans le tube principal, le sens de ce courant d'air étant transversal à l’axelongitudinal du tunnel.

3 Le type le plus commun des systèmes de ventilation transversaux partiels n’évacue qu’une fraction de l’air vicié par rapportau total d’air frais fourni (100 %) par des gaines supplémentaires. Par conséquent, une certaine quantité d’air vicié estévacuée par les têtes du tunnel. Par exemple, à l’origine, chaque moitié du tunnel du Mont-Blanc était équipée d’un systèmede ventilation capable d’injecter 600 m3/s (100 %) d’air frais et d’extraire seulement 300 m3/s (50 %) d’air vicié. Les 50 %restants étaient chassés par les têtes du tunnel. Plus tard, le système fut modifié en système semi-transversal réversible,avec une injection de 900 m3/s (100 %) et aucune extraction en conditions normales d’exploitation.

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Longitudinal ventilation is generally performed by axial-flow fans called "jet fans" or "boosters"(Figure 5.1.2.1) distributed along the tunnel and outside the traffic gauge. The size anddistribution of the jet fans along the tunnel have practically no effect on the overall tunnel airvelocity provided that a few technical rules are observed. Sometimes also the longitudinalventilation by injection is used, where the Saccardo effect is the way of transmission of thethrust.

The cheapest criterion for the installation is the concentration of fans near the portals. In thisway the length of cables is the shortest possible. From the aerodynamics point of view, if thefans are too close to the exit their efficiency is reduced. Consequently the first and last sets offans are usually installed at least 80-100 m within the tunnel.

V.1.2.2 Definitions concerning other ventilation systems

In mechanical ventilation systems other than longitudinal, the ventilation air is supplied and/orextracted through purpose built ducts. Such systems are hereinafter classified through thepercentage of fresh air that is supplied and the percentage of exhaust air that is evacuatedthrough additional ducts (being the remaining part supplied/evacuated through the tunnelportals).

Table 5.1.1 - Characteristics of different non-longitudinal ventilation systems

Non-longitudinal ventilation systems Fresh air Exhaust air

Fully transverse 100% 100%

Partial (pseudo) transverse 4 100% (possibly intermediate) intermediate

Semi transverse 100% 0%

Reversible semi transverse- in normal operation- in case of fire

100%0% 100%≤ ≤flow

0%0% 100%≤ ≤flow

• Fully-transverse system

In fully-transverse ventilation systems there is one or more fresh air ducts that layparallel to the traffic tube. The fresh air is supplied through louvers distributed allalong the tunnel; the exhaust air is removed in the same way from the opposite sideof the tunnel by using one or more exhaust ducts. In this system, the amount ofexhausted air per metre of tunnel length equals the amount of supplied air. In somecases of cut-and-covers, there are no ducts: the fresh air is injected directly fromoutside through small fans, and the exhaust air is discharged in the same way directlyto the outside. The two air streams (injected fresh air and extracted exhaust air)create a flow in the main tube, the direction of which is transverse to the longitudinalaxis of the tunnel.

4 The most common type of pseudo-transverse ventilation system is the one with an “intermediate” value for the exhaust airevacuated through additional ducts and the full amount of fresh air (100%) supplied. Consequently a certain amount ofexhaust air is evacuated through the portals of the main tunnel. As an example, we can consider that originally each half ofthe Monte Bianco tunnel was equipped with a ventilation system able to perform the inlet of 600 m3/s (100%) while extractingonly 300 m3/s (50%) of exhaust air. The remaining 50% was blown out through the tunnel portals. Later the system wasturned to reversible semi-transverse system, with an injection of 900 m3/s (100%) and no extraction under normal operation.

PIARC •••• 145 •••• 05.05.B - 1999

Un tel courant d'air est perturbé par d’autres facteurs (différences de pression duvent aux têtes du tunnel, différences de pression atmosphérique, incendie dans letunnel, etc.), qui créent un courant d’air longitudinal. Cela signifie qu’en pratique, uncourant d'air purement perpendiculaire à l’axe longitudinal du tunnel sera peuprobable. Un deuxième aspect à noter est que le courant d’air longitudinal est difficileà contrôler, même si la capacité du système de ventilation transversale est grande,car il n’existe pas de forces compensatrices dans le sens longitudinal. La manière laplus répandue d’avoir un quelconque contrôle sur ce courant d’air longitudinal est decréer des cantons de ventilation indépendants et successifs dans lesquels l’injectionet l’extraction d’air peuvent être réalisées séparément.

La concentration de pollution dans l’air est constante tout au long du tunnel (s’il n’y apas de courant d’air longitudinal). Ce système est donc applicable dans les grandstunnels. En principe, il n’y a pas de limite à la longueur du tunnel en ce qui concernel’évacuation de la pollution, mais des restrictions économiques et techniques entrentbien sûr en ligne de compte.

L’air ventilé est amené et extrait grâce à des gaines construites à cet effet. Le volumetotal d’air ventilé nécessaire est considérable, spécialement dans les grands tunnels.De fait, les gaines sont grandes et bien évidemment onéreuses. La capacité desventilateurs est en grande partie déterminée par la vitesse de l’air dans les gaines.Dans les grands tunnels, les gaines sont donc divisées longitudinalement encantons, l’air est fourni en des endroits différents afin de restreindre la vitesse de l’airdans les différents cantons. Des vitesses de 15 à 25 m/s dans les gaines d’airlorsqu’elles sont à pleine charge sont fréquentes. Comme déjà mentionné, créerplusieurs cantons de ventilation indépendants permet également d’avoir un certaincontrôle du courant d’air longitudinal. Les ventilateurs sont généralement installésprès des entrées du tunnel pour une meilleure accessibilité, ou dans des usinessouterraines.

En cas d’incendie, la gaine d’aspiration de l’air vicié dans la zone de l’incendiefonctionne en aspiration totale et les cantons de ventilation voisins sont contrôlés demanière à ce que la vitesse longitudinale de l’air au cœur de l’incendie pousse lesfumées dans le bon sens. Cependant, l’expérience montre que, dans les petitstunnels et sous l’influence du vent et de l’effet de cheminée des fumées chaudes, iln’est pas aisé de contrôler la direction et la vitesse de l’air dans la zone de l'incendie.

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Such flow is perturbed by other factors (differences in wind pressure on tunnelopenings, atmospheric pressure differences, traffic, fire in the tunnel, etc.) whichcreate a longitudinal airflow. This means that, in practice, a flow which is purelytransverse to the longitudinal axis of the tunnel will hardly ever occur. A secondaspect which attracts the attention is that the longitudinal airflow is difficult to controleven if the transverse ventilation system has a large capacity because there are nocompensating forces present in the longitudinal direction. The most usual way to getsome control on this longitudinal airflow is to create successive independentventilation sections in which fresh air injection and/or exhaust air extraction can beoperated separately.

The concentration of pollution in the air is constant all over the tunnel (if there is nolongitudinal airflow). This system is therefore suitable for application in long tunnels.In principle there is no limit to the tunnel length as far as the pollution removal isconcerned; but of course technical and economic restrictions apply.

The ventilating air is generally supplied and extracted through purpose built air ducts.The total volume of ventilating air required is considerable, especially in long tunnels.As a result the ducts are large and therefore expensive. The air velocity in the ductsdetermines the required capacity of the fans to a significant extent. In long tunnelsthe ducts system is therefore longitudinally divided into sections and the air issupplied at various places in order to restrict the air speed in the various sections.Speeds of 15 to 25 m/s in the air ducts under full load conditions are usual. Asalready mentioned, creating several independent ventilation sections also provides ameans to have some control on the longitudinal airflow. The fans are usually installednear the tunnel portals in order to be easy to reach, or in underground plants.

In case of a fire, the exhaust air duct in the fire area is turned on to full exhaust andthe neighbouring ventilation sections are controlled in such a way that a longitudinalair velocity in the fire zone can move the smoke in a suitable way. However,experience shows that, in short tunnels and under the influence of the wind andchimney effect of the hot smoke, it is not easy to control the air direction and speed inthe fire zone.

Normal operation Exploitation normale Fire Incendie

Figure 5.1.2 - Example of a transverse ventilation system(without secondary supply ducts to pavement level)

Figure 5.1.2 - Exemple d’un système de ventilation transversale(sans carneaux descendant au niveau du sol)

PIARC •••• 147 •••• 05.05.B - 1999

• Système semi-transversal (et semi-transversal réversible)

Dans un système de ventilation semi-transversal, l’air extérieur est injecté de façonuniforme le long du tunnel, généralement par une gaine de ventilation, mais il n’y apas extraction de l’air vicié : l’air frais est fourni transversalement à l’axe longitudinaldu tunnel alors que l’air vicié s’écoule longitudinalement vers les sorties.

Dans un système de ventilation semi-transversale réversible, il est possibled’inverser le sens du courant dans les gaines : l’air frais pénètre alors dans le tunnelpar les têtes (parallèlement à l’axe longitudinal) alors que l’air vicié est extrait à l’aidedes bouches et des gaines réversibles. Ainsi l’extraction induit un courant d’airlongitudinal qui provient des deux têtes ou des cantons de ventilation voisins quifournissent toujours de l’air. Ce mode d’exploitation est généralement réservé auxcas d’incendies en tunnel. Il est également possible d’avoir une gaine séparéed’extraction des fumées, qui n’est utilisée qu’en cas d’incendie.

Tout comme pour la ventilation transversale, des facteurs externes peuvent créer uncourant d’air longitudinal difficile à contrôler.

• Système transversal partiel

Les systèmes de ventilation transversale partielle se situent entre les systèmestransversaux et semi-transversaux ; ils possèdent donc des caractéristiquesintermédiaires qui peuvent être plus ou moins similaires à l’un ou l’autre système,selon le pourcentage d’air injecté ou extrait.

En tout cas, les études techniques sont semblables aux systèmes transversaux, car ilest nécessaire de traiter à la fois l’air frais et l’air vicié (bien que dans les systèmestransversaux partiels, les gaines d’air frais et d’air vicié ne soient pas habituellementéquilibrées). Il est aussi possible d’ajouter des accélérateurs afin de créer et demaintenir le courant d’air longitudinal désiré, spécialement en cas d’incendie.

Remarque : en Suisse, certains tunnels ne sont dotés que de puits d'extraction.

V.1.3 Traitement de l’air combiné à la ventilation mécanique

L’air vicié à l’intérieur du tunnel peut être traité, réduisant ainsi le niveau de pollution pour :

• diminuer le volume d’air nécessaire à la ventilation,• réduire la pollution globale aux têtes et aux cheminées.

Les installations actuelles sont principalement fondées sur des précipitateurs électrostatiquescapables d’extraire les poussières et les suies de l’air du tunnel.

En raison de la forte proportion de camions dans les tunnels japonais, le premier paramètre quiy atteint le seuil critique de pollution est la visibilité. C’est pourquoi c’est au Japon qu’a étéappliqué pour la première fois un système capable de réduire la concentration des particulessolides à l’intérieur du tunnel.

AIPCR •••• 148 •••• 05.05.B - 1999

• Semi-transverse system (and reversible semi-transverse system)

In a semi-transverse ventilation system, outside air is added equally along the tunnel,generally out of an air supply duct, but there is no air extraction: the fresh air issupplied transversely to the direction of the longitudinal axis of the tunnel while thepolluted air flows longitudinally to the two portals.

In reversible semi-transverse ventilation, it is possible to reverse the airflow directionin the ducts: the fresh air then flows into the tunnel from the portals (therefore with adirection parallel to the longitudinal axis) while the exhaust flow is extracted throughlouvers and the reversible air ducts. So this extraction induces a longitudinal airflowalong the tunnel which comes from the two portals or neighbouring ventilationsections still running on air supply. This operational mode is generally reserved to theevent of fire within the tunnel. Another possibility to deal with fires is to have aseparate smoke extraction duct which is used only in case of fire.

Just as in transverse ventilation, in semi-transverse ventilation external factors cancreate a longitudinal airflow which is difficult to control.

• Partial (pseudo) transverse system

Partial transverse (also called pseudo-transverse) ventilation systems areintermediate between transverse and semi-transverse systems and have thereforeintermediate characteristics that can be more similar to the first or the second onedepending on what percentage of the ventilation flow is injected or extracted.

In any case the engineering works are similar to the transverse system, beingnecessary to deal with both fresh and exhaust air (though in partial transversesystems, fresh and exhaust ducts are usually not balanced). It is also possible to addjet fans to the tunnel in order to create and maintain the desired longitudinal air flow,especially for the case of fire.

Remark: In Switzerland, there are some tunnels with only exhaust shafts.

V.1.3 Air cleaning combined with mechanical ventilation

The exhaust air within the tunnel can be cleaned, reducing the relevant pollution level in order:

• to lessen the airflow rate required for the ventilation of the tunnel,• to reduce the overall pollution released at tunnel portals and shafts.

The present applications mainly rely on electrostatic precipitators able to collect dust and sootfrom the tunnel air.

Given the high proportion of trucks within the Japanese tunnels, the visibility is the pollutionparameter that first reaches the relevant threshold. For this reason, first in Japan, a system ableto reduce the concentration of solid particles within the tunnel air has been applied.

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Plusieurs tunnels à Oslo (Norvège) sont aussi équipés d’un système pour le traitement de l’air,car il existe une forte concentration de poussière dans les tunnels en hiver lorsque lesvéhicules sont équipés de pneus à clous.

Des programmes complémentaires de recherche sont en cours dans ces deux pays etégalement en Autriche (tunnel de Plabutsch) et en Allemagne (tunnel de l’Elbe). Certainsd’entre eux ont pour but l’enlèvement du CO, du NOx et des hydrocarbures. Le plus récent portesur le traitement biologique de l’air à des fins de protection de l’environnement.

Une voie intéressante a été ouverte par la recherche sur les filtres électrostatiques capablesd’extraire la poussière et la suie des fumées chaudes d’un incendie afin d’améliorer la visibilité.Les résultats sont encourageants et montrent que la visibilité peut être améliorée en précipitantles particules de fumée. Cependant, cette technologie n’a jamais été appliquée comme moyenunique de lutte contre l’incendie.

V.2 Travaux antérieurs de l’AIPCRPratiquement tous les rapports du Comité des Tunnels routiers aux Congrès mondiaux de laRoute ont traité du problème de la ventilation des tunnels, de ses lois physiques, des tauxd’émission des polluants, des niveaux maximaux admissibles des polluants, etc.

Les rapports énumérés ci-après traitent également de la ventilation en cas d’incendie :

• tunnels routiers : émissions, ventilation, environnement [84],• rapport au XXe Congrès mondial de la Route [17], (p. 60-79),• rapport au XIXe Congrès mondial de la Route [18], (p. 43-57),• rapport au XVIIIe Congrès mondial de la Route [19], (p. 67-74),• rapport au XVIIe Congrès mondial de la Route [27], (p. 68-70, p. 81),• rapport au XVIe Congrès mondial de la Route [26], (p. 48-52).

V.3 Directives et expérience existantesDe nombreuses directives sur la ventilation des tunnels, la sécurité et la gestion des incendiesexistent de par le monde.

• L’Association routière du Japon a publié des directives de ventilation (en japonais[85]) ; les plus importantes sont reprises dans un mémorandum technique du PWRI[86].

• En Allemagne, les concepteurs se réfèrent aux directives du RABT [50].

• Aux Pays-Bas, les concepteurs suivent les recommandations néerlandaises [87].

• En France, les concepteurs appliquent les directives de ventilation du CETU [88; 89].

• En Autriche, les concepteurs se réfèrent aux directives de la FVS [90]

• Dans les Pays nordiques, les concepteurs suivent leurs directives de ventilation [91]

• En Norvège, les concepteurs se réfèrent aux normes de l’administration publique desroutes [92].

• En Suède, les concepteurs appliquent les spécifications techniques générales [93].

Dans de nombreux autres pays, seuls les rapports AIPCR servent de référence.

AIPCR •••• 150 •••• 05.05.B - 1999

Several tunnels in Oslo (Norway) are also equipped with a system for air cleaning because ahigh concentration of dust affects the tunnel air in wintertime when vehicles are equipped withstudded tires.

Complementary research programmes on the topic are under development in these twocountries and also in Austria (Plabutsch tunnel) and Germany (Elbe tunnel). Some of them aimat removing CO, NOx and hydrocarbons. The latest research programme deals with the use ofbiological cleaning of the air for environmental purposes.

There is an interesting line of research on electrostatic filters able to collect dust and soot fromthe hot smoke of a fire, to improve the visibility. There are encouraging results that show thatthe visibility can be improved by precipitating the particles from the fire smoke. However, thistechnology has never been applied as the only fire control measure.

V.2 Previous work by PIARCEvery report of the Committee on Road Tunnels for the successive World Road Congresseshas dealt with the problem of tunnel ventilation, its physics, the pollutants emission rates,maximum allowed pollutant levels, etc.

The reports listed below deal with the problem of ventilation in case of fire also:

• Publication on Road Tunnels: Emissions, Ventilation, Environment [84],• Report for the XXth World Road Congress [17], (p. 60-79),• Report for the XIXth World Road Congress [18], (p. 43-57),• Report for the XVIIIth World Road Congress [19], (p. 67-74),• Report for the XVIIth World Road Congress [27], (p. 68-70, p. 81),• Report for the XVIth World Road Congress [26], (p. 48-52).

V.3 Existing guidelines and experienceSeveral guidelines dealing with tunnel ventilation, fire safety design and fire management existall over the world.

• The Japan Road Association wrote ventilation guidelines (in Japanese [85]). Themost important points are reported in a Technical memorandum of PWRI [86].

• In Germany designers refer to the guidelines from RABT [50].

• In the Netherlands designers refer to the Dutch Recommendations [87].

• In France designers refer to the ventilation guidelines of CETU [88 ; 89].

• In Austria designers refer to the guidelines from FVS [90].

• In Nordic countries designers refer to the ventilation guidelines [91].

• In Norway designers refer to the standards of the Public Roads Administration [92].

• In Sweden designers refer to the general technical specification [93].

In many other countries designers only refer to the PIARC reports.

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V.4 Nouveaux résultats de recherches - PhysiqueL’annexe de ce chapitre décrit l’expérience des Pays-Bas sur la résistance à l’incendie desaccélérateurs. D’autres résultats intéressants sur les questions abordées ont été décrits dansles chapitres III et IV.

Il est conseillé de se reporter à ces chapitres pour plus de détails sur les nouvelles recherchesen matière de ventilation pour la maîtrise de l’incendie et des fumées.

V.5 Objectifs de la ventilation pour la maîtrise de l’incendie et des fuméesDu point de vue de la sécurité en cas d’incendie, les critères suivants doivent être appliquéslors de la conception :

1. L’objectif du contrôle de la propagation de la fumée est de maintenir le pluslongtemps possible les personnes dans une zone libre de toute fumée ; cela signifieque soit la stratification de la fumée doit être conservée intacte, laissant une zoneplus ou moins claire et respirable sous la couche de fumée (cela est préférable dansdes tunnels à circulation bidirectionnelle ou à circulation unidirectionnellecongestionnée) ; soit la fumée doit être totalement refoulée vers un côté de l’incendie(cela sera de préférence appliqué dans des tunnels à circulation unidirectionnellenon congestionnée lorsqu’il n’y a normalement aucun usager en aval de l’incendie).

2. Dans tous les cas, les usagers doivent pouvoir atteindre un lieu sûr en un temps etsur une distance suffisamment courts (voir chapitre I) ; par conséquent, des sortiesde secours ou des abris ventilés résistant au feu doivent être installés où cela estnécessaire (voir chapitre VI).

3. Le système de ventilation doit pouvoir maintenir les ouvrages non touchés parl'incendie libres de toute fumée (sorties de secours, deuxième tube d’un tunnel, etc.).

4. Le système de ventilation doit être capable d'assurer de bonnes conditions pour lalutte contre l’incendie.

5. En cas d’incendie d’essence, il faut éviter les explosions secondaires dues à unecombustion incomplète. Le système de ventilation doit alors pouvoir fournirsuffisamment d’air pour une combustion ou dilution complète des gaz explosifs. Il fautégalement un bon système de drainage afin de réduire la zone d’évaporation del’essence.

V.6 Recommandations sur la ventilation naturelleLa ventilation naturelle repose sur des phénomènes naturels et sur la circulation. Ce systèmede ventilation peut s’avérer très efficace pour la dilution des polluants (principalement pour lestunnels unidirectionnels) ; mais du point de vue sécurité, il n’est pas possible de se fier à cesystème. En fait, lors d’un incendie en tunnel, la circulation est généralement interrompue et laventilation provient uniquement de phénomènes naturels qui ne peuvent être que partiellementdéterministes (comme l’effet de cheminée) ; mais le principal composant de la ventilation resteinconnu (comme les composants météorologiques) et n'est, bien évidemment, pas fiable.

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V.4 New research results and physicsThe appendix of this section describes the experience of the Netherlands on heat resistance ofjet fans. Other interesting results are related with the issues discussed in sections III and IV.

Please refer to these sections for further details on new research on ventilation for fire andsmoke control.

V.5 Objectives of ventilation for fire and smoke controlFrom the point of view of safety in case of fire, the following criteria have to be applied in thedesign:

1. The purpose of controlling the spread of smoke is to keep people as long as possiblein a smoke-free part of the traffic room. This means that either the smoke stratificationmust be kept intact, leaving more or less clear and breathable air underneath thesmoke layer (this is applicable to bi-directional or congested unidirectional tunnels)or/and to completely push the smoke to one side of the fire (this should preferably beapplied to non-congested unidirectional tunnels where there are normally no peopledownstream of the fire).

2. People must, in any cases, be able to reach a safe place in a reasonably short timeand covering a reasonably short distance (see section I). Therefore facilities such asemergency exits or fireproof shelters should be provided whenever necessary (seesection VI).

3. The ventilation system must be able to keep clear of smoke the air in unharmedstructures (escape routes, twin traffic tube, etc.)

4. The ventilation system must be able to produce good conditions for fire fighting.

5. In case of a petrol fire, secondary explosions due to incomplete combustion have tobe avoided. The ventilation system must therefore be able to deliver enough air forthe complete combustion or dilution of explosive gases. A suitable drainage systemshould be provided in order to minimise the area where fuel evaporation takes place.

V.6 Recommendations on natural ventilationNatural ventilation relies on natural phenomena and traffic to renew the air in the tunnel. Thisventilation system can be very effective for the dilution of pollutants (especially for one-waytunnels), but it is not possible to rely upon the natural ventilation for safety purposes. In fact inthe event of a fire in the tunnel, the traffic will probably stop and the ventilation is only providedby natural phenomena that could be only partially deterministic (as chimney effect), but the maincomponent of the ventilation will be quite uncertain (as meteorological components) andtherefore unreliable.

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Pour cette raison, plusieurs pays ont publié des directives pour limiter l’application de laventilation naturelle. Quelques-unes d’entre elles sont présentées ci-après.

• Allemagne : les normes RABT de 1994 [50] estiment qu’un tunnel de 350 m de long(et jusqu’à 700 m) est suffisamment sûr en cas d’incendie sans sorties de secours niventilation mécanique.

• France : les tunnels sur le réseau national [89] nécessitent des mesures de contrôledes fumées au-delà des longueurs suivantes :

- tunnels urbains : 300 m- tunnels non urbains : 500 m (généralement)- tunnels non urbains : jusqu’à 800-1 000 m

(si trafic < 2 000 véh/jour par sens de circulation).

• Royaume-Uni : la longueur de tunnel avec ventilation naturelle peut atteindre 400 m,mais il faut apporter des justifications.

• Pays-Bas : les mesures sont décidées après analyse des risques.

• États-Unis : la ventilation naturelle peut être utilisée pour un tunnel de longueurmaximale de 240 m (800 ft) (directive NFPA 502).

Recommandations

En raison du nombre de paramètres qui interfèrent sur le choix de ventiler ou non un tunnel(longueur, situation, circulation, type de véhicules traversant le tunnel, etc.), il n’est paspossible à l’heure actuelle d’exprimer des recommandations universelles sur les limites de laventilation naturelle, tout spécialement la longueur admissible sans ventilation mécanique. Leslecteurs de ce rapport pourront utiliser comme référence les recommandations nationalesénumérées ci-dessus.

V.7 Recommandations sur la ventilation longitudinale

V.7.1 Généralités sur le désenfumage en ventilation longitudinale

Dans les systèmes de ventilation longitudinale utilisant des accélérateurs ou le systèmeSaccardo (c'est-à-dire des injecteurs d'air), un courant d'air longitudinal pousse tous les gaz del’entrée vers la sortie.

En cas d’incendie à l’intérieur du tunnel, la seule façon d’évacuer la fumée est de la pousser àtravers le tunnel en direction d’une des têtes. Cependant, la vitesse de l’air nécessaire à unetelle opération provoque des turbulences et influe sur la stratification de la fumée en aval del’incendie. Plus la vitesse de l’air est élevée, plus ce phénomène est évident. La stratification dela fumée peut également être perturbée par la pente longitudinale du tunnel (surtout lorsquel’air descend) et par les véhicules.

AIPCR •••• 154 •••• 05.05.B - 1999

For this reason several countries issued guidelines to limit the application of natural ventilation.Some of the above-mentioned guidelines are outlined hereafter.

• Germany: the RABT standards of 1994 [50] regard a tunnel length of 350 m (and upto 700 m) as safe enough in case of fire without emergency exits and mechanicalventilation.

• France: tunnels in the French national network [89] need smoke control measuresbeyond the following lengths:

- urban: 300 m- not urban: 500 m (generally)- not urban: up to 800-1000 m

(if traffic < 2000 veh/day per traffic direction).

• United Kingdom: the tunnel length with natural ventilation can reach 400 m, butrequires justification.

• Netherlands : the measures are decided by a risk analysis.

• United States : natural ventilation can be used for a tunnel length up to 240 m (800 ft)in the current NFPA 502 guideline.

Recommendations

Because of the number of different parameters which interfere in the choice to ventilate or not atunnel (length, location, traffic, type of vehicles using the tunnel, etc.), it is not possible at thismoment to express universal recommendations about the limits of the natural ventilation,especially the allowable length without mechanical ventilation. The reader of this document canuse the above-mentioned national recommendations as a reference.

V.7 Recommendations on longitudinal ventilation

V.7.1 Generalities on smoke control using longitudinal ventilation

In longitudinal ventilation systems, using jet fans or Saccardo system (i.e. air injectors), alongitudinal airflow sweeps all exhaust gases from the entrance to the exit portal.

In case of fire inside the tunnel, generally, the only feasible way to evacuate smoke is pushing itthrough the tunnel to the portal. However, the airflow velocity necessary for such operation isthe cause of turbulence and affects the smoke stratification downstream of the fire. Thisphenomenon is the more evident the higher the air velocity. The smoke stratification can also beupset by the longitudinal slope of the tunnel (especially when air flows downwards) and byvehicles.

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La fumée d’incendie dans un tunnel sans déclivité aura naturellement tendance à se propagerdans les deux directions en raison de la poussée hydrostatique. Si la ventilation est enfonctionnement, la fumée aura alors tendance à suivre la direction du courant d'air deventilation. A de faibles vitesses de l’air, le mouvement hydrostatique induit n’est pasentièrement maîtrisé et un peu de fumée s’écoulera en amont, ce qui est souvent appelé"remontée de fumée".

La distance de remontée des fumées peut être définie comme la distance de l’incendie àlaquelle la vitesse de la fumée en amont est annulée par le débit de ventilation du tunnel. Ainsi,une distance de remontée des fumées égale à zéro signifierait qu’il n’y a aucune fumée enamont. La vitesse de l’air nécessaire pour remplir cette condition est appelée “vitesse critique”.Une équation simple a souvent été utilisée pour définir la vitesse de l’air nécessaire pour éviterla remontée de fumée :

3/121 �

�

�

��

�

�

��

�

+

�

�=

∞∞

∞ TAVC

QAC

gHQKKV

cpp

c

ρρ

où VC est la vitesse critique, K1 et K2 sont des constantes, g est l’accélération de la pesanteur, Hest la hauteur du tunnel, Q est la puissance thermique de l'incendie, A est la sectiontransversale du tunnel, Cp la chaleur massique de l’air, ρ∞ et T∞ sont la masse volumique et latempérature de l’air ambiant.

La vitesse de l’air permettant d'éviter la remontée de fumée dépend donc de la puissance Q dela section A du tunnel et de la hauteur H. Cela est indiqué sur la figure 5.7.1 en fonction de Qpour des paramètres donnés. On peut voir que la vitesse augmente avec la taille de l’incendie,mais se stabilise à mesure que la puissance augmente.

0 20 40 600.5

1

1.5

2

2.5

Q (MW)

Ce comportement général a été confirmé par des simulations numériques [94] : certains desrésultats sont présentés à la figure 5.7.1 (prévisions). On peut constater qu’il existe unecertaine variation entre la simulation et l’équation empirique. Les analyses numériques en 3Dprennent en compte des facteurs comme la largeur de l’incendie, dont l’influence a étédémontrée.

Figure 5.7.1 - Predicted criticalvelocity (Vc). The formula is usedwith height = 4.2 m;section = 37.8 m²

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Smoke from a fire in a tunnel with no slope will naturally tend to propagate in both directionsdue to buoyancy effects. If the ventilation is in operation, then the smoke will tend to be drivenin the direction of the ventilation airflow. At low tunnel airflow speeds, the buoyancy inducedflow is not entirely overcome, and some smoke will flow upstream, which is often termed"backlayering".

The backlayering distance may be defined as the distance from the fire where the upstreamsmoke velocity is cancelled by the tunnel ventilation flow. Hence a backlayering distance of zerowould imply that no smoke flows upstream. The tunnel air velocity required to achieve thiscondition is termed the "critical velocity". A simple equation has often been used to determinethe tunnel air velocity required to prevent backlayering:

3/121 �

�

�

��

�

�

��

�

+

�

�=

∞∞

∞ TAVC

QAC

gHQKKV

cpp

c

ρρ

where VC is the critical velocity, K1 and K2 are constants, g is the acceleration due to gravity, His the tunnel height, Q is the fire heat release rate, A is the tunnel cross-sectional area, Cp thespecific heat of air, ρ∞ and T∞ are density and temperature of ambient air.

So the air velocity to prevent the backlayering depends on the fire heat release rate Q, thetunnel area A and height H. It is plotted in Figure 5.7.1 against variable Q for fixed tunnelparameters. It can be seen that the velocity increases with fire heat release rate, but levels offas the heat release rate increases.

0 20 40 600.5

1

1.5

2

2.5

Q (MW)

This general behaviour has been confirmed by computer simulation [94]: some of the resultsare also shown in Figure 5.7.1 ("prediction"). It can be seen that there is some variabilitybetween the simulation and the empirical equation. The three-dimensional computer ana-lysistakes into account factors such as the width of the fire, which is shown to have an influence.

Figure 5.7.1 - Vitesse critique prévue (Vc).La formule est utilisée dans le casd’une hauteur de 4,2 met d’une section de 37,8 m²

PIARC •••• 157 •••• 05.05.B - 1999

Récemment, des résultats très intéressants ont été obtenus à partir d’essais d’incendie réaliséssur maquettes [95] ou en vraie grandeur au Memorial tunnel [22]. Ils montrent qu’au-delà d’uncertain seuil de puissance thermique (dépendant probablement de la section transversale et dela déclivité du tunnel), la vitesse critique dépend moins de la puissance que dans l’équationmentionnée ci-avant.

Tous ces résultats tendent à montrer que pour une puissance ne dépassant pas 100 MW et unepente inférieure à 4 %, une vitesse de l’air de 3 m/s est suffisante pour empêcher la remontéede fumée.

Le dimensionnement et l’exploitation des systèmes de ventilation doivent tenir compte du faitque, en raison de la présence du courant d'air longitudinal, la zone en aval de l’incendie estexposée aux fumées et aux gaz de combustion, avec un danger de suffocation ou de brûlure siles usagers du tunnel se trouvent à cet endroit. Toute mesure destinée à faciliter la fuite desusagers de la zone dangereuse (en aval ou dans la zone d’incendie) doit être prise. Pour cetteraison, les recommandations formulées ici tiennent compte des cas suivants.

A) Tunnel unidirectionnel, non conçu pour les embouteillages (zone non urbaine)

Dans ce cas, la conception de la ventilation doit tenir compte de ce que les usagers en aval del’incendie pourront fuir avec leur propre véhicule alors que ceux qui se trouvent en amont ne lepourront pas. Les tunnels situés dans les zones non urbaines ne sont généralement pas sujetsà de fréquentes situations de congestion. Leur système de ventilation n’est donc pratiquementjamais conçu dans cette optique. Les tunnels non urbains, qui sont fréquemmentcongestionnés, doivent eux être dimensionnés en fonction des embouteillages (voir paragraphesuivant). Un incendie provoqué par un véhicule impliqué dans un accident avec d’autresvéhicules bloqués en aval est possible, mais sa probabilité est faible (voir chapitre II). Ce casn'est pratiquement jamais pris en compte lors du dimensionnement. Si nécessaire, le risqued’un tel événement peut être réduit par une détection automatique d’incident et par un systèmede contrôle de la circulation (voir chapitre VI).

B) Tunnel unidirectionnel, conçu pour les embouteillages (zone urbaine)

La conception de la ventilation doit tenir compte des personnes dans l’incapacité de fuir avecleur véhicule qui se tiendront vraisemblablement de chaque côté de l’incendie. Dans les zonesurbaines, il est courant de trouver des situations de bouchon ou de circulation saccadée ; cecas s’applique donc généralement aux tunnels urbains suffisamment longs.

C) Tunnel bidirectionnel

Dans le cas d’un tunnel circulé dans les deux sens, il faut penser que, en cas d’incendie, despersonnes ne pouvant fuir avec leur véhicule se trouveront généralement situées de part etd’autre de l’incendie.

AIPCR •••• 158 •••• 05.05.B - 1999

Recently very interesting results have also been obtained from fire tests performed in scalemodels [95] or in full size in the Memorial Tunnel [22]. These show that above a given level ofheat release (probably depending on tunnel cross-section and slope) the critical velocitydepends less on heat release rate than in the above equation.

All these results tend to show that for a heat release rate not exceeding 100 MW and a slopelower than 4%, an airflow velocity of 3 m/s is sufficient to prevent backlayering.

The design of the ventilation system and its operation must take into consideration that, due tothe presence of the longitudinal airflow, the zone downstream of the fire is exposed to smokeand hot combustion gases with the danger of suffocation or burning if tunnel users are in thiszone. Any possible design measure aiming at a safe fleeing of users from the dangeroussection (fire area or downstream) must be taken. For this reason the present recom-mendationstake into consideration the following cases:

A) Tunnel with one-way traffic not designed for queues (non-urban area)The ventilation design, in this case, can assume that drivers downstream of the fire are free toescape by their own cars whilst drivers upstream will not. Tunnels located in non-urban areasare generally not liable to frequent congestion situations. Therefore the relevant ventila-tion

systems are generally notdesi-gned for queues. Non-urban tunnels which are fre-quently congested haveinstead to be designed forqueues (see follo-wingparagraph). The event of afire ignited by vehiclesinvolved in a secondaryacci-dent in the pre-sence ofothers vehicles trappeddownstream is possible, butthe relevant probability islow (see section II); thiscase is nearly never taken

into account in the designphase. If necessary therisk of such an

occurrence can be reduced by an automatic incident detection and a traffic control system (seesection VI).

B) Tunnel with one-way traffic designed for queues (urban area)The ventilation design must take into consideration that people prevented from escaping withtheir own vehicles can likely stand on both sides of the fire. In urban areas it is quite usual tofind stop and go traffic situation, therefore this case applies generally to urban tunnels ofsufficient length.

C) Tunnel with two-way trafficIn case of tunnels used by vehicles running in both directions, it must be taken intoconsideration that, in the event of fire, people prevented from escaping with their own vehicleswill generally be located on both sides of the fire.

Figure 5.7.2 - Designassumptionfor the traffic

Figure 5.7.2 – Hypothèsesde circulation à étudier

PIARC •••• 159 •••• 05.05.B - 1999

V.7.2 Limites d’application et critères de dimensionnement de la ventilation longitudinale

En fonction de la taille de l’incendie de dimensionnement (voir chapitre II), le courant d’air doitêtre dimensionné de façon à exercer un contrôle suffisant de la fumée. La capacité desaccélérateurs nécessaire en exploitation normale peut ne pas suffire pour remplir les conditionsde maîtrise des fumées ; il est donc recommandé de dimensionner la puissance de ventilationafin de contrôler les fumées chaudes conformément aux paragraphes suivants.

Le niveau de risque à l’intérieur d’un tunnel, et donc la taille de l’incendie de dimensionnement,dépendent du type de circulation autorisé ; les différents cas sont (voir chapitre II.4) :

• véhicules particuliers autorisés seulement,• véhicules particuliers et camions - sans marchandises dangereuses- autorisés,• camions avec marchandises dangereuses autorisés.

Limites d’utilisation de la ventilation longitudinale

De nombreux pays n’appliquent pas de normes limitant l’usage de la ventilation longitudinale.Cependant, toutes les normes existantes mettent en avant que les tunnels bidirectionnelsdoivent avoir des limites plus sévères que les tunnels unidirectionnels. Des commentaires surquelques normes nationales sont présentés ci-après.

Autriche

Il n'y a pas de limitation générale quant à l'utilisation de la ventilation longitudinale. La décisions'appuie sur une analyse des risques qui prend en compte l'exploitation normale et lessituations d'incendie. Les principaux facteurs de cette analyse sont l'interdistance des issues desecours et le danger potentiel du tunnel. Si la ventilation longitudinale est utilisée avec unecirculation bidirectionnelle, les équipements suivants sont ajoutés pour la régulation etl'exploitation de la ventilation : contrôle de la direction et de la vitesse du courant d'air,détection incendie, circuit de télévision.

Allemagne

La ventilation longitudinale par accélérateurs est applicable pour les tunnels jusqu’à 2 km delong si la circulation est bidirectionnelle (dans ce cas, certains équipements et issues desecours sont obligatoires). Dans le cas d’une circulation unidirectionnelle, la ventilationlongitudinale peut être utilisée jusqu’à 4 km.

France

Pour les tunnels bidirectionnels non urbains, la ventilation longitudinale est autorisée jusqu’auxlongueurs suivantes :

• généralement 800 m,• 1 000 m si circulation ≤ 2 000 véh/jour par sens.

Pour les tunnels bidirectionnels urbains, la ventilation longitudinale est toujours interdite.

AIPCR •••• 160 •••• 05.05.B - 1999

V.7.2 Limits of application and design criteria of longitudinal ventilation

Depending on the design fire size (see section II), the airflow must be designed to achieve asufficient control of the smoke. The jet fan capacity required by normal operation may not besufficient to fulfil the requirements of smoke handling; it is therefore recommended to design theventilation power in order to control the hot smoke according to the following paragraph.

The level of risk within a tunnel, and therefore the design fire size, depend on the type of trafficallowed; the relevant cases (see II.4) are:

• passenger cars allowed only,• passenger cars and trucks allowed, only without dangerous goods,• trucks with dangerous goods allowed

Limitation in the use of longitudinal ventilation

Many countries have no standard which restricts the use of the longitudinal ventilation.However, all existing standards point out that two-way tunnels should have a stronger limitationthan one-way tunnels. comments on some national standards are reported hereafter.

Austria

There is no general limitation in the use of longitudinal ventilation. The decision is based on arisk analysis which takes into account normal operation and fire situations. The main factors forthe analysis are the distance between emergency exits and the potential danger of the tunnel. Iflongitudinal ventilation is used with two-way traffic, the following additional equipment isimplemented for the regulation and operation of ventilation: monitoring of the direction andvelocity of the airflow, fire detection, CCTV.

Germany

Longitudinal ventilation by jet fans is applicable to tunnels up to 2 km if the traffic is bi-directional (in this case a certain set of equipment and safety exits are required). In case of one-way traffic, longitudinal ventilation can be applied up to 4 km.

France

For two-way tunnels in non-urban areas, longitudinal ventilation is authorised up to the followinglengths:

• 800 m generally• 1000 m if traffic ≤ 2000 veh/day per direction.

For two-way tunnels in urban areas, longitudinal ventilation is always forbidden.

PIARC •••• 161 •••• 05.05.B - 1999

Pour les tunnels unidirectionnels, la ventilation longitudinale est autorisée jusqu’aux longueurssuivantes :

• zone non urbaine : 4 000 m• zone urbaine : 800 m

La longueur limite pour les tunnels unidirectionnels peut être dépassée si une extractionmassive est prévue tous les 4 000 m dans les tunnels non urbains et tous les 800 m dans lestunnels urbains.

États-Unis

Auparavant, aucun tunnel n’était ventilé longitudinalement aux États-Unis. Actuellement, cetteméthode est utilisée pour des tunnels inférieurs à 900 m.

Recommandations

Généralement, on s’accorde pour considérer que les systèmes de ventilation longitudinaledoivent être utilisés dans les conditions suivantes :

A)Tunnel unidirectionnel, non conçu pour les embouteillages (zone non urbaine)

La ventilation longitudinale peut toujours être utilisée, à condition que les véhicules circulant enaval de l’incendie puissent sortir du tunnel et que les véhicules bloqués en amont se trouventdans le courant d’air frais de la ventilation longitudinale.

B) Tunnel unidirectionnel, conçu pour les embouteillages (zone urbaine)

Lorsque le tunnel est situé en zone urbaine et/ou lorsqu’il est souvent embouteillé, leconcepteur de la ventilation doit prévoir que des usagers peuvent se trouver des deux côtés del’incendie ; ce cas nécessite le même type d’analyse, dans la phase de conception, qu’un tunnelbidirectionnel (voir le paragraphe suivant). L’exploitation peut cependant être différente, toutspécialement parce que la circulation n’est pas toujours congestionnée et qu'elle n'est presquejamais totalement arrêtée.

C) Tunnel bidirectionnel

La ventilation longitudinale peut être utilisée dans les tunnels bidirectionnels, si une analysemontre que le risque est compatible avec les normes nationales de sécurité. L’analyse durisque doit prendre en compte tous les facteurs de dimensionnement et les conditions limites, etau moins :

• le volume de circulation,• le type de trafic autorisé,• la géométrie du tunnel,• les facteurs de risques admis au niveau national.

AIPCR •••• 162 •••• 05.05.B - 1999

For one-way tunnels, longitudinal ventilation is authorised up to the following lengths:

• non-urban area: 4000 m• urban area: 800 m

The length limit for one-way tunnels can be overcome if massive extraction is provided at suchdistances (every 4000 m in non-urban tunnels and every 800 m in urban tunnels).

USA

In the past there was no tunnel longitudinally ventilated in the USA. Nowadays the application ofthis method is used with tunnels up to 900 m.

Recommendations

It is generally agreed that longitudinal ventilation systems should be used under the followingconditions:

A) Tunnel with one-way traffic not designed for queues (non-urban area)

Longitudinal ventilation is always applicable under the assumption that the traffic downstream ofthe fire site can leave the tunnel and the stopped traffic upstream is in the fresh air stream of thelongitudinal ventilation.

B) Tunnel with one-way traffic designed for queues (urban area)

When the tunnel is located in an urban area and/or when the tunnel is daily (or frequently)congested, the ventilation designer must assume that people can be on both sides of the fire;this case needs the same kind of analysis, in the design phase, as a bi-directional tunnel (seefollowing paragraph). The operation can, however, be different, especially because the traffic isnot always congested, and is hardly ever at a complete standstill.

C) Tunnel with two-way traffic

Longitudinal ventilation can be used in two-way tunnels, only if a suitable analysis shows thatthe risk is acceptable when compared with national safety standards. The risk analysis has totake into consideration all design factors and boundary conditions, but at least:

• design volume of traffic,• type of traffic allowed,• geometry of the tunnel,• admissible national risk factors.

PIARC •••• 163 •••• 05.05.B - 1999

Vitesse longitudinale de dimensionnement

Le système de ventilation doit pouvoir produire une vitesse minimale de l’air pour pousser lesfumées dans une direction (afin d’éviter la remontée de la fumée) durant la phase d’évacuationet de lutte contre l’incendie, et d’éliminer le risque d’explosion (en assurant une combustiontotale). Cette vitesse minimale de l’air dépendra du type de trafic admis dans le tunnel.

En 1987 [19], l’AIPCR mentionnait les vitesses de l’air suivantes pour refouler toutes les fuméesd’un côté de l’incendie : 1 à 2 m/s pour un incendie de véhicule particulier, 2 à 3 m/s pour unincendie d’autobus ou de camion, 5 à 8 m/s pour un incendie de camion citerne. Il étaitrecommandé que le système de ventilation puisse créer une vitesse longitudinale de l’aircomprise entre 3 et 6 m/s , cette valeur dépendant de la taille de l’incendie.

Le tableau 5.7.1 montre les vitesses de dimensionnement récemment recommandées parquelques pays à la suite de nouvelles études.

Tableau 5.7.1 - Exemples de vitesse longitudinale utilisée dans différents pays

Vitesse de dimensionnement de l’air [m/s]

Type de trafic Incendie (MW) France Pays-Bas Suède

véhicules particuliers 2,5 - 8 2 -

autobus et camions <100 3 3

camions citernes >100 4 5

pas de règlesgénérales(voir ci-après)

En Suède, il n’existe pas de règles générales relatives à la vitesse de l’air en cas d’incendie.Pour le boulevard périphérique de Stockholm, l’incendie de dimensionnement est de 100 MW etla vitesse correspondante de dimensionnement de l’air est fixée à 3 m/s. Le transport deliquides inflammables qui s’enflamment plus facilement que le gasole est limité dans cestunnels.

Recommandations

Durant l’incendie de dimensionnement, le système de ventilation doit pouvoir produire unevitesse longitudinale de l’air suffisante pour pousser toutes les fumées dans une direction (lesens de circulation dans le cas d’un tunnel unidirectionnel).

Une vitesse de dimensionnement de l’air de 3 m/s est recommandée pour tous les incendies quin’impliquent pas de poids lourds transportant des marchandises dangereuses trèsinflammables.

Il n’est pas possible aujourd’hui de donner des recommandations précises en ce qui concerneles incendies de camions citernes. Ceux-ci peuvent produire une puissance thermique deplusieurs centaines de mégawatts. Les vitesses de l’air recommandées par quelques pays etmentionnées ci-avant peuvent être utilisées comme références.

AIPCR •••• 164 •••• 05.05.B - 1999

Design longitudinal velocity

The ventilation system must be able to produce a minimum air velocity in order to push all thesmoke in one direction (preventing the backlayering of the smoke) during the evacuation andfire fighting phase, and to avoid a danger of explosion (ensuring complete combustion). Thisminimum air velocity will depend on the traffic allowed within the tunnel.

In 1987 [19], PIARC mentioned the following air velocities to push all smoke to one side of thefire: 1-2 m/s for a passenger car fire, 2-3 m/s for a bus or a truck, 5-8 m/s for a petrol tanker. Itrecommended that the ventilation system should be able to create a longitudinal air velocitybetween 3-6 m/s, the value depending on the assumed size of the fire.

Table 5.7.1 shows the design velocities more recently recommended by several countriesfurther to new research results.

Table 5.7.1 - Examples of longitudinal velocity used in different countries

Air design speed [m/s]

Type of traffic Fire (MW) France Netherlands Sweden

Passenger cars only 2.5 - 8 2 -

Buses and trucks <100 3 3

Petrol tanker >100 4 5

No generalrules(see below)

In Sweden, there are no general rules concerning air velocity in case of fire. For the StockholmRing Road the design fire is 100 MW and the corresponding air design velocity is set to 3 m/s.Transports of flammable liquids that are ignited more easily than diesel oil are restricted inthese tunnels.

Recommendations

During the design fire, the ventilation system must be able to produce a longitudinal airflowvelocity sufficient to push all smoke to one direction (the direction of traffic in the case of a one-way tube).

A design airflow velocity of 3 m/s is recommended for all fires which do not involve a heavygoods vehicle carrying very flammable dangerous goods.

It is not possible at present to give precise recommendations for the case of a petrol tanker firewhich can produce a heat release rate of several hundreds megawatts. The above-mentioneddesign velocities recommended by several countries can be used as a reference.

PIARC •••• 165 •••• 05.05.B - 1999

Hypothèses de dimensionnement

La vitesse longitudinale de dimensionnement doit être obtenue selon les hypothèses énoncéesci-après :

• paramètres météorologiques : les paramètres météorologiques ont une influencecertaine sur la performance des systèmes de ventilation, tout particulièrementlongitudinale. Le système de ventilation doit avoir une capacité suffisante pourproduire la vitesse de l’air requise, en dépit d'une pression fixée du vent. Ladifférence de pression peut être évaluée en utilisant l’équation simplifiée de Bernoullisuivante :

∆p k12

w= ρ 2

où ∆p représente la pression induite par le vent, ρ la densité de l'air, w la vitesse duvent, k un paramètre de dimensionnement qui dépend de la configuration des têtes.

L’orientation des deux têtes du tunnel, en ce qui concerne les vents dominants, estun paramètre très important ; en effet, la résistance effective du vent (ou poussée)est une fonction de l’angle entre la direction du vent et la direction du courant d’airentrant ou sortant du tunnel.

• trafic arrêté : en évaluant la poussée nécessaire en cas d’incendie, il faut envisagerqu’un certain nombre de véhicules peuvent être bloqués dans le tunnel et que leurprésence réduira l'efficacité de la ventilation. Le nombre de véhicules bloqués peutêtre évalué selon la composition du trafic (pourcentage de véhicules particuliers et depoids lourds), le niveau et l'efficacité du système d’exploitation routière et de contrôledu trafic utilisé dans le tunnel.

• effets de l’incendie sur le courant d’air : plusieurs aspects doivent être pris encompte :

- en cas d'incendie important, les hautes températures induisent un accroissementdu volume d’air et, par conséquent, de sa vitesse, et provoquent ainsi des pertesde charge croissantes par frottement de l’air ; la densité, en effet, baisse, lavitesse de frottement augmente et, au global, la perte de charge totale augmentelocalement ;

- l’effet de blocage de l’incendie sur le courant d'air longitudinal produit une pertede charge localisée supplémentaire ;

- selon la déclivité du tunnel, l’effet cheminée peut atteindre des valeurs notables ;

- la diminution de la densité de l’air conduit à une baisse de la poussée desaccélérateurs qui travaillent dans l’air chaud.

AIPCR •••• 166 •••• 05.05.B - 1999

Design hypotheses

The design longitudinal velocity must be obtained under the hypotheses discussed below:

• Meteorological parameters: meteorological parameters have an appreciable influenceon the performance of the ventilation systems, especially longitudinal. The ventilationsystem must have a sufficient capacity to produce the required air velocity against astated wind pressure. The difference of pressure can be evaluated using the followingsimplified equation of Bernoulli:

∆p k12

w= ρ 2

where ∆p represents the pressure induced by wind, ρ the air density, w the windspeed, k a design parameter which depends on the configuration of the portals.

The orientation of both tunnel portals with respect to the prevailing winds is a verysignificant parameter; in fact the effective wind resistance (or thrust) is a function ofthe angle between the direction of the wind and the direction of the air flowentering/exiting the tunnel.

• Standstill traffic: while evaluating the necessary thrust in case of fire, it must beassumed that a certain number of vehicles can be trapped in the tunnel and theirpresence reduces the performance of the ventilation system. The number of vehiclestrapped can be assessed according to the design mix of traffic (% of passenger carsand heavy vehicles), the level and the performance of the current road operation andtraffic control system available for the tunnel.

• Effects of fire on the air flow: several aspects must be taken into account:

- in the event of a big fire, the high temperature induces an increase of air volumeand therefore of air speed, as a result of which the air friction losses increase.The density, in fact, decreases, the friction velocity increases and, on balance, theoverall local losses increase;

- the blockage effect of the fire on the longitudinal airflow produces asupplementary local head loss;

- according to the grade of the tunnel, the chimney effect can raise to appreciablevalues;

- the decrease of air density results in the lowering of the driving force of theboosters that work in the hot air.

PIARC •••• 167 •••• 05.05.B - 1999

Réversibilité du système

La réversibilité du système peut être utile dans plusieurs situations durant la phase de luttecontre l’incendie, spécialement si le tunnel possède des accès de secours en plus des deuxtêtes.

Lorsque l’on prévoit la réversibilité, il faut tenir compte du fait qu’une telle opération peutprendre du temps (jusqu’à 10 mn), selon le système de ventilation, la géométrie du tunnel, letype d’accélérateurs utilisés et d’autres conditions limites. Par ailleurs, il faut observer que lesaccélérateurs n’ont pas toujours la même poussée en direction inverse. Par exemple, il existedes accélérateurs spécialement conçus pour une direction ; leur poussée dans la directioninverse peut être inférieure de 50 % à leur poussée nominale.

Dans le cas de tunnels bitubes, l’inversion du courant d'air dans le tunnel intact peut empêcherla recirculation des fumées évacuées par la tête de l'autre tube. Une telle recirculation de lafumée peut également être évitée par des travaux de génie civil (décalage entre les deux têtes,mur de protection entre les têtes, etc.).

Communications entre tubes parallèles

Dans le cas de tunnels bitubes, il est relativement facile de construire des communicationsfaisant office de sorties de secours. Toutes ces communications doivent être fermées par desportes, si possible faisant office de sas, afin d’empêcher la fumée de parvenir dans le tubeintact. Les portes ne peuvent être supprimées que si la surpression du tube intact est garantiedans tout scénario d’exploitation, mais ce système n’est en principe pas recommandé : il est eneffet peu fiable si des accélérateurs tombent en panne. Pour plus de détails sur lescommunications entre tubes, voir le chapitre VI.

V.7.3 Exigences en matière d’équipement

Le système de ventilation doit être conçu afin de répondre aux besoins énoncés ci-avant en casd’incendie. Pour la conception et le choix de tout équipement, il faut tenir compte de ce que lesfumées chaudes, qui traversent tout le tunnel, peuvent endommager très sérieusement lesinstallations (surtout si le tunnel possède une isolation thermique).

Les câbles, les boîtes de jonction et toutes les autres parties non protégées du système deventilation doivent présenter la même résistance au feu que les accélérateurs (pour plus dedétails sur la résistance au feu des équipements, se reporter au chapitre VII).

Résistance au feu des accélérateurs

Différents points doivent être considérés pour permettre le bon fonctionnement desaccélérateurs durant un incendie :

• la résistance d’une pale en aluminium chute rapidement à haute température ; celadépend du type d’alliage utilisé ; lorsque de fortes températures de l’air ne peuventêtre évitées, il faut choisir des pales en acier ;

AIPCR •••• 168 •••• 05.05.B - 1999

Reversibility of the system

The reversibility of the system can be helpful in several situations during the fire fighting phase,especially if the tunnel has emergency accesses other than the two portals.

When planning the reversing of the air, it must be taken into consideration that such operationcan take a long time (up to 10 minutes), depending on the ventilation system, the tunnelgeometry, the fans used and other boundary conditions. Besides it should be observed that fansdo not give the same thrust in the reversed direction. For instance there are jet fans speciallydesigned for one direction, whose thrust in the reversed direction may be lower than 50% of thenominal one.

In the case of twin tunnels the reversing of the flow in the unharmed tunnel can prevent thecirculation of smokes evacuated through the portal of the twin tunnel. Such circulation of smokecan also be prevented by civil engineering works (distance between the twin portals, protectionwalls between portals, etc.).

By-pass in twin tunnel

In the case of twin tunnels, it is relatively easy to build cross-connections working as escaperoutes. All cross-connections have to be closed by doors, if possible with a lock chamber, inorder to prevent the circulation of smoke to the unharmed tube. The doors can be dropped onlyif the over-pressure of the unharmed tube is guaranteed in any operational scenario, but it isgenerally not recommended because such a system is less reliable if fan breakdowns occur.For other details on by-passes see section VI.

V.7.3 Requirements on equipment

The ventilation system has to be designed in order to meet the previous requirements in case offire. For the design and choice of all equipment it has to be taken into account that the hotsmoke, travelling over the whole tunnel length, can seriously affect the installations (especially ifthe tunnel has a thermal insulation).

Cables, junction boxes and all other non-protected parts of the ventilation system should havethe same fire resistance as fans (for more details on fire resistance of other equipment, seesection VII).

Fire resistance of fans

Different points must be considered to permit the running of jet fans during a fire:

• the strength of a normal aluminium blade falls quickly at high temperatures. Itdepends on the type of alloy. When high air temperatures cannot be avoided, steelblades have to be chosen;

PIARC •••• 169 •••• 05.05.B - 1999

• sous températures élevées, les pales se dilatent en longueur plus rapidement que lecarter ; les pales tendent alors à bloquer la rotation ; on peut soit utiliser desextrémités de pales en matériau abrasif, soit ménager un plus grand espace entre lespales et le carter ;

• un moteur d’accélérateur doit être refroidi par l’air extérieur pour répondre auxexigences de refroidissement ; cependant, certains moteurs suffisamment résistantspeuvent fonctionner sans refroidissement extérieur ;

• tous les équipements auxiliaires, de même que le câblage des accélérateurs, doiventégalement remplir certaines exigences quant aux températures.

Pour toutes ces raisons, les ventilateurs doivent être conçus et construits afin de résister à defortes températures ; de nombreuses normes nationales existent pour la résistance au feu desaccélérateurs, de 250 °C pour 1h (Autriche, États-Unis, Pays-Bas, Royaume-Uni), 250 °C pour1h30 (France), 300 °C pour 1 h (Norvège, Suède), 400 °C pour 1h30 (France, Suisse).

Répartition des accélérateurs

Comme indiqué plus haut, la méthode d’installation la moins coûteuse consiste à regrouper lesaccélérateurs près des têtes. De cette façon, la longueur des câbles est la plus courte possible.

Si un incendie se déclare au voisinage d’une tête, et si les accélérateurs ont été regroupés àcet endroit, une batterie complète d’accélérateurs peut être mise hors service. Si la puissancemécanique d’un seul groupe d’accélérateurs est suffisante pour contrôler la fumée durantl’évacuation et la lutte contre l’incendie, cette conception peut être adoptée ; sinon, il estrecommandé de répartir les ventilateurs en plusieurs batteries tout le long du tunnel.

Dans le cas d’une distribution des accélérateurs tout le long du tunnel, il est recommandé queleur nombre soit légèrement surabondant ; cela peut éviter l’utilisation d’accélérateurs résistantau feu. En effet, en cas d’incendie, la température décroît rapidement dès que la distance àpartir du foyer augmente et il peut être plus économique d’admettre la destruction de quelquesappareils plutôt que de tous les protéger. Le tableau 5.7.2 donne quelques exemples decertains pays.

Tableau 5.7.2 - Directives sur la résistance au feu des accélérateurs dans certains pays

Résistance au feudes accélérateurs

Destruction de tous les accélérateurssur une distance de :

Pays TempératureDurée de

résistancesans marchandises

dangereusesavec marchandises

dangereuses

400 °C 1h30 70 m 200 m250 °C 1h30 100 m 400 m

FranceTunnel > 500 m

aucune protection 500 m (interdit)Pays nordiques[90]

250 °C 1 h150 - 300 m

en aval de l’incendie

Pays-Bas Voir annexe

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• the length of the blades grows quicker than the housing enlarges due to hightemperatures. The blade tips tend to block the rotation. Abrasive tips may beintroduced or a larger distance between blades and housing provided;

• a normal fan motor has to be cooled by outside air to meet the cooling requirements.However, there are motors available which have a very high resistance withoutexternal cooling;

• all the auxiliary equipment as well as the wiring of the fan have to meet the airtemperatures also.

For these reasons, fans must be designed and built in order to withstand high temperatures;there are several national standards for the heat resistance of fans ranging from 250 °C for 1hour (Austria, Netherlands, United Kingdom, USA), 250 °C for 1.5 hours (France), 300 °C for1 hour (Norway, Sweden), 400 °C for 1.5 hours (France, Switzerland).

Fans distribution

As mentioned above, the cheapest criterion for the installation is the concentration of fans nearportals. In this way the length of cables is in fact the shortest possible.

Should the fire take place in the portal area, and adopting the above-reported fan distribution, afull set of fans may be put out of order. If the mechanical power of a single group of fans issufficient to control the smoke during the evacuation and fire-fighting phases the above criterioncan be adopted, otherwise it is recommended to divide fans in several sets that will bedistributed all along the tunnel.

In case of fans distribution all along the tunnel, a limited fan redundancy is recommended andcan avoid the use of fireproof fans: in fact in case of fire the temperature decreases rapidlywhen the distance from the fire spot increases, and it may be cost-effective to envisage thedestruction of a few machines rather than protecting all the fans. Table 5.7.2 gives someexamples in different countries.

Table 5.7.2 - Guidelines on fire-proofing of jet fans in some countries

Fireproofing of jet fansDestruction of all jet fanson the following distance

Country Temperature Endurancewithout

dangerous goodswith

dangerous goods

400 °C 1.5 h 70 m 200 m250 °C 1.5 h 100 m 400 m

FranceTunnel > 500 m

no protection 500 m (forbidden)Nordic countries[90]

250 °C 1 h150 - 300 m

downstream of fire

Netherlands See appendix

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V.7.4 Directives sur la commande de la ventilation longitudinale

V.7.4.1 Définitions et critères généraux

Le régime de ventilation peut être activé par un système de détection automatique desincendies ou bien par un opérateur qui reçoit les alertes et les vérifie (par exemple à l’aide desystèmes de caméra vidéo). Dans tous les cas, la commande manuelle du système deventilation (par le personnel du tunnel ou les pompiers) doit être possible localement et/ou àpartir du centre de contrôle du tunnel (s’il existe).

L’exploitation du tunnel en cas d’incendie, depuis la mise à feu jusqu’à l’extinction, peut êtredécrite par les quatre phases suivantes (qui, généralement, se recouvrent) :

1. phase d'allumage : cette phase commence par l'allumage de l’incendie et comprend àla fois la détection (manuelle ou automatique) et l’intervention correspondante sur lerégime de ventilation.

2. première phase d’évacuation (évacuation individuelle) : pendant cette phase, lesusagers fuient par leurs propres moyens et les pompiers ne sont pas encore arrivéssur place.

3. seconde phase d’évacuation (évacuation assistée) : durant cette phase, les pompiersaident les blessés ou les personnes handicapées à s’échapper.

4. lutte contre l’incendie : pendant cette phase, la responsabilité de l’exploitation est,généralement, déjà passée de l’exploitant du tunnel aux pompiers ; ceux-ci ont déjàvérifié que tous les usagers ont pu évacuer la zone de l’incendie (ou ont déjà étésecourus : tous sont à l’extérieur du tunnel, en amont de l’incendie ou dans un autrelieu sûr).

La ventilation durant une phase d’évacuation doit assurer des conditions optimales pour lespersonnes en fuite dans le tunnel.

Lorsque la phase d’évacuation est terminée, la lutte contre l’incendie doit être facilitée par unegestion appropriée des fumées. La condition de base est qu’il reste un accès libre de toutefumée d’un côté de l’incendie. De préférence, la direction du flux de fumée ne doit pas êtremodifiée par rapport à la situation qui régnait pendant l’évacuation. Dans tous les cas, àl’arrivée des pompiers, on peut décider sur place de la meilleure commande des accélérateursqui doit être utilisée pour faciliter la lutte contre l’incendie.

V.7.4.2 Recommandations sur l’exploitation de la ventilation

Les recommandations de cette section s’appliquent à tous les tunnels existants, et donc aussiaux tunnels qui ne sont pas conçus selon les recommandations du paragraphe V.7.2.

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V.7.4 Guidelines on control of longitudinal ventilation

V.7.4.1 Definitions and general criteria

The ventilation regime can be activated by an automatic fire detection system or by an operatorwho receives the alarms and verifies them (e.g. through video camera systems). In any case,the manual operation of the ventilation system (by tunnel personnel or fire brigade) should beprovided locally and/or from the tunnel control centre (when existing).

The tunnel operation in case of fire, since the ignition to the extinction, can be characterisedusing the following four phases (that generally overlap):

1. ignition phase: this phase starts with the ignition of the fire and includes both thedetection (manual or automatic) and the consequent intervention on the ventilationregime;

2. evacuation phase 1 (self rescuing): during this phase the users are escaping from thefire area and the fire brigade is not yet on the spot;

3. evacuation phase 2 (assisted): during this phase the fire brigade assists injured orhandicapped users to escape from the fire area;

4. fire-fighting: during this phase the control of operation is (generally) already passedfrom the tunnel operator to the fire brigade; the fire brigade has already checked thatall users have already escaped (or have already been rescued) from the fire area (allof them are out of the tunnel, upstream of the fire or in other safe places).

The ventilation action during an evacuation phase must be such that optimal conditions for thefleeing person in the tunnel are established.

When the evacuation phase is concluded, fire fighting must be facilitated by proper smokehandling. A basic requirement is a smoke free access to the fire from one side. Preferably thedirection of smoke flow should not be changed from the situation during evacuation. In anycase, upon the arrival of the fire-fighting brigade, it can be decided on site which better fancontrol should be used to facilitate fire fighting.

V.7.4.2 Recommendations on the operation of ventilation

The recommendations of this paragraph apply to all existing tunnels, therefore also to tunnelsthat are not designed according to the recommendations of § V.7.2.

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L’inversion des accélérateurs n’est généralement pas recommandée durant la phased’évacuation, même si l’incendie est situé près de la tête d’entrée. Pendant le délai entre lamise à feu de l’incendie et l’inversion des accélérateurs, la fumée peut avoir déjà couvertplusieurs centaines de mètres. Si l'écoulement de la couche de fumée est inversé, elle serépandra dans toute la section transversale alors que, durant la phase d’évacuation desusagers, il est très important de maintenir de bonnes conditions de visibilité.

Ainsi une inversion de la direction de l’air est seulement possible lorsque tous les usagers sontsortis du tunnel. L’inversion peut être utilisée en cas d’embouteillage, mais elle doit êtredécidée par l’homme et ne doit, en aucun cas, être déclenchée automatiquement.

Le tableau suivant décrit les recommandations en matière d’exploitation de la ventilation en casd’incendie :

Ventilation longitudinale Phases d’évacuation Phase de lutte contre l'incendie

Un tubeavec circulationbidi rect ionnelle

La stratification de la fumée nedoit pas être perturbée :

- vitesse longitudinale de l’airrelativement faible,

- aucun accélérateur enfonctionnement dans la zoneenfumée.

La remontée de la fumée doitêtre évitée :

- vitesse longitudinale plus élevée,

- direction du courant d'airadaptable.

Deux tubesavec circulationunidi rect ionnelle

• Circulation fluide normale :

La remontée de la fumée doit être évitée : vitesse longitudinale del’air suffisante dans la même direction que la circulation.

• Circulation congestionnée, ou incendie en fin d’embouteillagederrière un accident, ou un tube utilisé de façon bidirectionnelle :

Identique à un tube avec circulation bidirectionnelle pour les deuxphases.

V.8 Recommandations sur la ventilation transversale et semi-transversale

V.8.1 Objectifs du désenfumage en ventilation transversale et semi-transversale

Le but du contrôle de la propagation de la fumée est de maintenir les usagers le plus longtempspossible dans un espace libre de toute fumée dans l’espace de circulation. Cela signifie que lastratification de la fumée doit être maintenue, en conservant une couche d’air plus ou moinsclaire et respirable sous la couche de fumée. La fumée stratifiée est extraite du tunnel par desouvertures situées au plafond ou en haut des piédroits.

V.8.2 Extraction de la fumée

Il est essentiel que toutes les gaines d'amenée d’air et d’extraction des fumées soient trèsétanches.

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The reversal of jet fans is generally not recommended during the evacuation phase, even if thefire is located near the entrance portal. In the period between the ignition of the fire and thereversal of the jet fans, the smoke can have travelled several hundreds metres already. Whenthe smoke layer flow is reversed, it will be spread over the whole cross section whilst during thephases of people evacuation it is important to maintain good visibility conditions.

So a possible reversal of the air flow direction should only take place when all people are out ofthe tunnel. The reversing can be evaluated in the case of traffic jam inside the tunnel, but itmust be a human choice, not an automatic configuration.

The following table sums up the recommended ventilation operation in case of fire:

Longitudinal ventilation Evacuation phases Fire-fighting phase

One tubewith two-way traffic

The smoke stratification must notbe disturbed:

- longitudinal air velocity quitesmall

- no jet fans working in smokezone

Avoid backlayering of smoke:

- higher longitudinal velocity

- direction of airflow adaptable

Two tubeswith one-way traffic

• Normal fluid traffic:

Avoid backlayering of smoke: sufficient longitudinal air velocity in thesame direction as traffic flow

• Congested traffic, or fire at the end of the queue behind anaccident, or one tube used bi-directionally:

Same as one tube with bi-directional traffic for the two phases.

V.8 Recommendations on transverse and semi-transverse ventilation

V.8.1 Objectives of smoke control with transverse and semi-transverse ventilation

The purpose of controlling the spread of smoke is to keep people as long as possible in asmoke-free part of the traffic room. This means that the smoke stratification must be kept intact,leaving more or less clear and breathable air underneath the smoke layer. The stratified smokeis taken out of the tunnel through exhaust openings located in the ceiling or at the top of thesidewalls.

V.8.2 Smoke extraction

First it is important to indicate that all supply air ducts and all extraction smoke ducts must bevery tight.

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Pour extraire une couche de fumée stratifiée de l’espace de circulation sans perturber lastratification, une méthode efficace est l’extraction continue par une gaine d'évacuation de l'air.Cependant, les conditions suivantes doivent être remplies :

• La vitesse longitudinale de l’air doit être inférieure à 2 m/s dans le tunnel, selon lesobservations faites lors des essais japonais en vraie grandeur. A des vitesses plusgrandes, la turbulence verticale à l'interface entre la fumée et l’air frais refroiditrapidement la couche supérieure et la fumée se mélange dans toute la sectiontransversale.

• Avec des vitesses longitudinales de l’air proches de zéro, la couche de fumée serépand des deux côtés de l’incendie. La fumée se propage sous forme stratifiéependant une durée qui peut aller jusqu'à 10 mn, même sans extraction. Après cettepremière phase, la fumée commence à se mélanger dans toute la sectiontransversale à moins que, à ce moment, le système d’extraction soit complètementopérationnel.

Avec une vitesse de l’air d’environ 2 m/s, la plupart des fumées d’un incendie detaille moyenne se répandent d’un côté de l’incendie (faible remontée de fumée) etcommencent à se mélanger dans la section transversale à une distance de 400 à 600m en aval du foyer. Ce mélange dans la section transversale peut être évité sil’extraction de la fumée commence suffisamment tôt.

• Les véhicules se tenant dans le courant d'air longitudinal accroissent fortement laturbulence verticale et favorisent le mélange vertical de la fumée.

• Dans un système de ventilation transversale, l’air frais injecté dans l’espace decirculation au niveau du sol provoque une rotation du courant d’air longitudinal, quitend à ramener la couche de fumée vers la chaussée. C’est pourquoi il estrecommandé de ramener le débit d’air frais à environ 1/2 - 1/3 du plein régime, celadépendant de la quantité initiale du jet d’air frais. Dans un espace enfumé, il ne fautpas injecter d’air frais à partir du plafond car cela augmenterait la quantité de fuméeet tendrait à détruire la stratification.

• Dans une ventilation semi-transversale réversible avec les gaines au plafond, l’airfrais, en fonctionnement normal de ventilation, est injecté par des ouvertures auplafond. Si un incendie se déclenche, tant que l’air frais est fourni par ces ouvertures,la quantité de fumée augmente dans les mêmes proportions et des jets puissantstendent à ramener la fumée vers la surface de la chaussée. Le passage de l'injectiond’air à l’extraction doit être réalisé aussi vite que possible.

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To remove a stratified smoke layer out of the traffic room without disturbing the stratification, acontinuous extraction into a return air duct is efficient. However, the following conditions mustbe fulfilled:

• The longitudinal velocity of the tunnel air must be below 2 m/s. These were theobservations in the Japanese full scale tests. With higher velocities the verticalturbulence in the shear layer between smoke and fresh air quickly cools the upperlayer and then the smoke mixes over the whole cross-section.

• With practically zero longitudinal air velocity, the smoke layer expands to both sidesof the fire. The smoke spreads in a stratified way during up to 10 minutes, evenwithout smoke extraction. After this initial phase smoke starts to mix over the wholecross-section unless by this time the extraction is in full operation.

With an air velocity around 2 m/s, most of the smoke of a medium size fire spreads toone side of the fire (little backlayering) and starts mixing over the whole cross sectionat a distance of 400 - 600 m downstream of the fire site. This mixing over the crosssection can also be prevented if the smoke extraction is activated early enough.

• Vehicles standing in the longitudinal air flow increase strongly the vertical turbulenceand encourage the vertical mixing of the smoke.

• In a transverse ventilation system, the fresh air jets entering the traffic room at thefloor level induce a rotation of the longitudinal airflow, which tends to bring the smokelayer down to the road. That is the reason for the recommendation to throttle the freshair rate to 1/2 - 1/3 of the full capacity, depending on the initial fresh air jetmomentum. No fresh air should be injected from the ceiling in a zone with smoke,because this increases the amount of smoke and tends to suppress the stratification.

• In a reversible semi-transverse ventilation with the duct at the ceiling, the fresh air isadded through ceiling openings in normal ventilation operation. If a fire occurs, aslong as fresh air is supplied through ceiling openings, the smoke quantity increasesby this amount and strong jets tend to bring the smoke down to the road surface. Thechangeover of the duct from supply to extraction must be done as quickly as possible.

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Extraction continue ou concentrée des fumées

La façon traditionnelle d'extraire la fumée est d'utiliser de petites bouches en plafond répartiesà intervalles courts tout le long du tunnel. Une autre manière efficace d’extraire rapidement lafumée de l’espace de circulation est d’installer de larges ouvertures avec des clapetstélécommandés. Normalement, ceux-ci sont dans une position où l’extraction est effectuée defaçon uniforme sur toute la longueur du tunnel. En cas d’incendie, la répartition de l'aspirationest adaptée à l'emplacement de l’incendie par télécommande individuelle des clapets dans lesgrandes ouvertures. De récents essais (CETU [71] et Memorial Tunnel [22]) ont démontré lesavantages de ce système. Pour faciliter l’entretien, il existe des systèmes en usage où lesgrands clapets sont maintenus en position fermée par un électro-aimant ; dans la zone del’incendie, les aimants ouvrent automatiquement les grands clapets par l’intermédiaire dedétecteurs d’incendie ; les clapets s’ouvrent alors par gravité. Cependant, ce dernier systèmene permet pas de fermer les ouvertures si un changement dans la ventilation déplace lepanache de fumée à un autre endroit.

Capacité d’extraction

Dès qu’un incendie de dimensionnement a été choisi, ainsi que son débit de production defumée, une longueur admissible sur laquelle la fumée peut se propager doit être fixée. Selon letype d'ouvertures (fixes ou télécommandées), la capacité d’extraction par mètre de longueur dutunnel dans la zone d’incendie est calculée. En général, un système d’extraction a besoin d’unmoindre volume global d'aspiration lorsqu’il y a des clapets télécommandés que lorsque lesouvertures sont fixes. Cependant, il faut tenir compte du fait que pendant la première phase,entre le début de la propagation de la fumée et le plein fonctionnement du système d’extractionavec de grands clapets, la fumée peut s’être propagée sur un kilomètre, et peut-être plus, àpartir du foyer de l’incendie. Il n’est donc pas suffisant d’ouvrir seulement quelques clapetsproches de l’incendie, mais un débit minimum d’extraction le long de toute la section deventilation est aussi recommandé. Une stratégie d’extraction doit être mise au point selon letype de tunnel et son système de ventilation.

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Continuous or concentrated smoke extraction

The traditional way to extract smoke is to use small ceiling openings distributed at shortintervals all along the tunnel. Another efficient way to remove smoke quickly out of the trafficroom is to install large openings with remote controlled flaps. Normally they are in a positionwhere equal extraction is taking place over the whole tunnel length. In case of fire the suctiondistribution is adapted to the fire location by remote control of the individual flaps in the largeopenings. Recent tests by CETU [71], and in the Memorial tunnel [22] proved the advantages ofthis system. To facilitate the maintenance, there are systems in use where the large flaps areheld by a magnet in closed position; in the fire zone the magnets release the large flapsautomatically via fire detectors, and the flaps then open by gravity force. However, this lastsystem does not make it possible to close the openings if a change in the ventilation moves thesmoke plume to another place in the tunnel.

Extraction capacity

Once a design fire and its amount of smoke production have been chosen, a permissible lengthover which the smoke may spread has to be fixed. Depending on the type of exhaust openings(fixed or remote-controlled), the extraction capacity per metre of tunnel length in the fire zone isderived. In general an extraction system needs less total exhaust volume when remote-

controlled flaps are installed thanwith fixed openings. However, it hasalso to be considered that in thefirst phase between start of thesmoke spreading and full operationof the exhaust system with largeflaps, the smoke may have spreadover 1 km and more from the firesite. Thus it is not sufficient to onlyopen a few exhaust openings nearthe fire, but a minimum exhaust ratealong the whole ventilation sectionis recommended also. A suctionstrategy has to be developeddepending on the type of tunnel andits ventilation system.

Photo 5.8.2.1 - Remote-controlledsmoke openingin a French tunnel

Photo 5.8.2.1 - Ouverture d'extractiontélécommandée

dans un tunnel français

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La capacité d’extraction sur la longueur où il est accepté que la fumée se propage, doit quelquepeu dépasser le débit de fumée généré par l’incendie, car les ouvertures ne vont pas seulementaspirer de la fumée, mais, inévitablement, également de l’air frais. Il semble que 80 m3/s soitune valeur trop faible pour des poids lourds sans marchandises dangereuses, mais il n’existepas de consensus pour recommander une nouvelle valeur.

Ouverture d’extraction ponctuelle

La propagation de la fumée dans tout le tunnel peut être retardée par une extraction importantede l’air directement à partir du tube de circulation, grâce à un placement adapté de l'ouvertured’extraction. Ce système fonctionne encore mieux lorsqu’il est combiné avec des accélérateurs.Il fait traditionnellement partie d'une ventilation longitudinale avec un ou plusieurs puitsd’extraction.

La capacité d’extraction et la vitesse longitudinale créée par les accélérateurs dans la portiondu tunnel emplie de fumée doivent être adaptées l'une à l'autre ainsi que contrôlées lors del’exploitation. Il importe peu de savoir si la fumée est stratifiée ou si elle s’est propagée danstoute la section transversale du tunnel. La valeur d’extraction recommandée est fondée sur leproduit section transversale x vitesse longitudinale. Il faut pouvoir obtenir un courant d’airlongitudinal de 3 à 4 m/s et, de plus, une faible vitesse de l’air dans la section suivante deventilation grâce à l’ouverture de l’extraction et ce, afin d’empêcher la propagation de la fuméeau-delà du point d’aspiration.

V.8.3 Apport d’air frais

En cas d’incendie, il est recommandé que les jets d’air frais pénètrent l’espace de circulation auniveau de la surface de la chaussée. Leur vitesse de sortie doit être faible, de même que ladistance entre chaque jet, afin d’obtenir une couche uniforme d’air frais au-dessus de lachaussée.

De cette manière, le mélange de la fumée et de la couche d’air frais est minime et lestourbillons de fumée qui se forment dans la couche d'air frais sont constamment dilués. Unincendie important génère de forts courants d’air longitudinaux qui lui procurent de l’oxygène.Grâce à une fourniture continue d’air frais le long du tunnel, cette vitesse longitudinale estréduite, ce qui encore une fois minimise le mélange de l’air et de la couche de fumée.

Les jets d’air frais à partir du plafond ne sont pas recommandés. Lorsque le jet d’air fraispénètre verticalement l’espace de circulation, il perce la couche de fumée, entraîne de la fuméeà sa suite et l’injecte ainsi dans la couche d’air frais. Un jet défectueux peut égalementprovoquer une rotation du volume global d’air du tunnel, ce qui tend à rabattre la couche defumée. C’est pourquoi la vitesse de sortie des jets installés au plafond doit être faible. Les jetsd’air frais à partir du plafond doivent être arrêtés immédiatement après déclenchement del’alarme incendie dans la section de ventilation où l’incendie est situé. Pour de longs tunnels, ilest recommandé de placer les bouches d’air frais près de la surface de la chaussée.

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The extraction capacity over the length which is permissible for smoke to spread mustsomewhat exceed the smoke rate generated by the fire, because the openings will not only sucksmoke but inevitably some fresh air too. It seems that 80 m3/s is too low for a heavy goodsvehicles without dangerous goods, but there is no consensus to recommend a new value.

Point exhaust opening

The spreading of smoke over the whole tunnel length can be hindered by a large extraction oftunnel air directly out of the traffic tube with a suitable position of the extraction opening. Thissystem works best in conjunction with jet fans. It is usually part of a longitudinal ventilation withone or several central exhaust shafts.

The exhaust capacity and the longitudinal velocity created by the jet fans in the tunnel sectionfilled with smoke have to be matched as well as controlled under operation. It does not matterwhether the smoke is stratified or spread over the whole tunnel cross section. Therecommended extraction value is based on cross-sectional area × longitudinal velocity. It mustbe able to take out a longitudinal airflow of 3 to 4 m/s and furthermore a small air velocity in thefollowing ventilation section towards the exhaust opening in order to prevent the spreading ofsmoke beyond the suction point.

V.8.3 Fresh air supply

It is recommended, during fires, that the fresh air jets enter the traffic room near the roadsurface. Their exit velocity should be small as well as the distances between the individual jetsin order to obtain a uniform fresh air layer above the road.

In this way the mixing of smoke into the fresh air layer can be minimised and the smoke eddiesbeing torn into the fresh air layer are continuously diluted. A large tunnel fire creates stronglongitudinal airflows to supply the oxygen to the fire. With a continuous fresh air supply alongthe tunnel this longitudinal velocity is reduced, which again minimises the air exchange with thesmoke layer.

Fresh air jets entering from ceiling openings are unfavourable. When they enter the traffic roomvertically, they pierce the smoke layer, induce smoke into the jet and thus pump smoke into thefresh air layer. A strong jet also induces a rotation of the whole tunnel air volume what tends tobring the smoke layer down. Therefore the exit velocity of such ceiling jets should be small.Fresh air jets entering from the ceiling should be stopped immediately after fire alarm in theventilation section where the fire is located. For longer tunnels it is recommended to position thefresh air outlets near the road surface.

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V.8.4 Résistance à la chaleur des ventilateurs

Un ventilateur situé en fin de gaine d’aspiration est soumis à un mélange d'air très chaudprovenant du voisinage immédiat de l’incendie, auquel s'ajoute de l’air plus frais provenant deszones plus éloignées de l’incendie. Ce mélange d’air chaud et frais se déplace ensuite dans lagaine du tunnel et se refroidit de plus en plus. Des essais dans le tunnel du Zwenberg enAutriche et dans le Memorial tunnel aux États-Unis ont révélé des températures de l’air, au droitd’un ventilateur, inférieures à 250 °C, même si l’incendie était proche de la station deventilation. Une résistance des ventilateurs à une température de 250 °C est donc suffisante.

La situation est très différente dans le cas d’un système ouvert où l’air est prélevé directementde l’espace de circulation par de grandes ouvertures d’extraction et où les ventilateurs sontsitués près de ces ouvertures. Lorsque ces ventilateurs sont placés à l'extrémité d'un puits, cedernier favorise le refroidissement.

V.8.5 Contrôle de la vitesse longitudinale

Afin de conserver intacte la stratification de la fumée, il est nécessaire d’avoir une faible vitesselongitudinale ; en même temps, cette vitesse doit être suffisamment importante pour repousserla fumée d’un côté de l’incendie.

On peut concilier les deux en installant des accélérateurs. Cependant, mettre en marche au bonmoment le nombre adéquat d’accélérateurs lorsque l’incendie s’est déclaré n’est pas une tâcheaisée. Ainsi, il est important qu’aucun accélérateur n’ait été mis en route à un endroit où il y ade la fumée ou proche de celle-ci, car cela détruirait immédiatement la stratification de lafumée.

Le meilleur moyen de contrôler la vitesse longitudinale est de prévoir plusieurs cantonsindépendants de ventilation. Lorsqu’un tunnel est ainsi équipé, une certaine vitesselongitudinale dans le secteur de l’incendie peut être assurée grâce à une exploitationconvenable des gaines d’air individuelles. En inversant le fonctionnement des ventilateurs, unegaine d’extraction de l’air pollué peut aussi être utilisée en tant que gaine d'amenée d’air frais,et inversement.

Quels que soient les moyens de contrôle de la vitesse longitudinale de l’air, leur exploitationdoit être préprogrammée en fonction de l'emplacement de l’incendie.

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V.8.4 Heat resistance of fans

A fan at the end of an exhaust air duct is exposed to a mixture of very hot air from the immediatesurrounding of the fire plus cooler air from further away from the fire. This mixture of hot andcooler air then travels in the concrete duct of the tunnel and gets cooled down furthermore.Tests in the Zwenberg tunnel in Austria or in the Memorial Tunnel in the USA gave airtemperatures at the fan below 250 °C even when the fire was very near the fan station. A fireresistance of the fans to 250 °C is then sufficient.

The situation is very different for an open system where tunnel air is taken directly out of thetraffic room by large exhaust openings and the fans are positioned near the extraction openings.In the case that such fans are placed at the end of a shaft, the shaft has a favourable coolingeffect.

V.8.5 Control of longitudinal velocity

To keep the stratification of the smoke intact a low longitudinal velocity is required and in orderto push the smoke to one side of the fire a minimal longitudinal air velocity is needed.

By installing jet fans in the tunnel, this could be achieved. However, to put the right number ofjet fans into operation within a few minutes after start of the fire is not an easy control task. Alsoit is important that no jet fan is switched on in or near a place where there is smoke, becausethis would immediately destroy the smoke stratification.

The most usual way to control the longitudinal velocity is to provide several independentventilation sections. When a tunnel has several ventilation sections, a certain longitudinalvelocity in the fire section can be obtained by a suitable operation of the individual air ducts. Byreversing the fan operation an exhaust air duct can also be used as supply air duct and viceversa.

Whatever the means of controlling the longitudinal air velocity are, their operation has to be pre-programmed according to the location of the fire in the tunnel.

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ANNEXE

L’expérience des Pays-Bas sur la résistance à l’incendie des accélérateursEn 1994, le Ministère des Transports a lancé une initiative dans laquelle un certain nombre d’essais ont été menésafin de déterminer si les accélérateurs existants remplissaient les conditions de résistance à des températures de250 °C pendant une heure. Il fut décidé de mener ces recherches à l’aide d’un essai qui recréerait une situationaussi proche que possible de la réalité.

Un deuxième objectif de cette recherche était de définir si les principes de calcul pour déterminer la capacité dusystème de ventilation étaient réalistes en cas d’incendie. Cela impliquait la mesure de la composition chimiquedes gaz de fumée et la poussée. De plus, la quantité et la vitesse des gaz de fumée devaient être mesurées.Durant la première série d’essais, il fut également recherché dans quelle mesure l’accélérateur dit standardrésisterait ou non à des températures supérieures à 250 °C.

Pourquoi est-il utile d’aller jusqu’à 400°C ?

L’idée qui sous-tend les essais d’incendie et la réalisation d’accélérateurs capables de résister à de hautestempératures est que les températures lors d’un incendie peuvent être considérablement plus élevées que 250 °Cet que le standard actuel des accélérateurs n’a pas encore été testé dans des conditions réelles d’incendie entunnel. Mais pourquoi est-il nécessaire de mener des recherches sur des températures plus élevées que cellesconsidérées « normales » jusqu’à présent ? On sait que les températures lors d’un incendie de quelconquemagnitude peuvent être très élevées et avoisinent certainement les 1 000 °C, que ce soit au cœur de l’incendie oudans les zones adjacentes. En supposant que la ventilation retenue est longitudinale (système généralement utiliséaux Pays-Bas), le refroidissement, en partie grâce aux entrées d’air frais, permet aux températures de décroître àquelque distance de l’incendie. Des essais d’incendie et des simulations sur ordinateur ont montré que lestempératures enregistrées entre 300 et 400 m de l’incendie ont chuté à des valeurs proches de 300 à 400 °C. Bienévidemment, cela dépend de la puissance thermique de l’incendie. Dans le cas d’un véhicule transportant un seulpassager, la température locale est relativement basse ; mais avec plusieurs véhicules ou camions aveccargaison, de telles températures sont atteintes. Plus précisément, si un camion citerne est impliqué dansl’incendie, les températures seront très élevées comme l’ont démontré les essais du Memorial Tunnel aux États-Unis. Pour une bonne exploitation du système, il est indispensable que la poussée totale des accélérateurs resteopérationnelle aussi longtemps que possible. La capacité du système de ventilation est le produit du nombred’accélérateurs par la poussée de chaque accélérateur. Le nombre néces-saire d’accélérateurs peut être réparti

tout le long du tunnel, bien qu’on utilise parfois unebatterie d’accélérateurs. Il arrive qu’un systèmed’injection soit placé à l’entrée du tunnel. En amont,les accélérateurs fonctionnent à températureambiante et densité normales, mais vers le cœurde l’incendie, ils fonctionnent dans les gaz chaudsde fumée qui ont une densité bien moindre, commeindiqué dans le tableau ci-contre.

La densité des gaz de fumée à 400 °C tombe à 43% de sa valeur à 20 °C. A des températures plusélevées, la densité est même réduiteproportionnellement à la poussée de l’accélérateur.Même s’il était possible de construire unaccélérateur résistant à des températures de 600-700 °C, cela n’aurait qu’un effet relatif surl’exploitation du système de ventilation, car lapoussée disponible décroît jusqu'à 25 % de celledisponible à 20 °C. En Amérique, on installe desaccélérateurs qui résistent à des températures

supérieures à 600 °C. Cela suppose des pales en acier et des dispositions techniques qui grèventconsidérablement le coût d’un accélérateur. Les accélérateurs utilisés aujourd’hui aux Pays-Bas ne peuventrésister qu’à des températures de 250 °C pendant une heure.

Réduction de la densité des gaz de fuméeen fonction de l’accroissement de température(* : valeurs extrapolées)

Températureen °C

Densité des gazde fumée en

kg/m

Densité réelleen % (arrondie)

20 1,2 0100 0,95 79200 0,75 62300 0,61 50400 0,52 43

500 * 0,45 * 37600 * 0,38 * 31700 * 0,30 * 25

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APPENDIX

The experience of the Netherlands on fire resistance of fansIn 1994, the Ministry of Transport introduced an initiative whereby a number of fire tests were carried out in order tobe able to determine whether the jet fans supplied complied with the temperature-resistance required of 250 °C for1 hour. It was decided to conduct this research by means of a test which would recreate the tunnel situation asclosely as possible.

A second objective of this research was to determine whether the calculation principles for the determination of thecapacity of the ventilation system would hold up in a fire. This involved measuring the chemical composition of theflue gases and the thrust during the research. Furthermore, the amount of the flue gas and the flue gas speed inthe test situation had to be measured. During this first series of fire tests, it was also simultaneously investigatedwhether and to what extent the fan supplied as "standard" is resistant against temperatures higher than the 250 °Crequired.

Why is it useful to go up to 400 °C?

The idea behind conducting fire tests and the development of fans able to perform a higher temperature resistance,is that temperatures occurring during a fire can be considerably higher than 250 °C, and that the present standardhas not yet been tested in a manner resembling a tunnel situation. The question arises of why it is necessary toconduct research at temperatures higher than required by the "standard" up to now? We know that thetemperatures which occur during a fire of some magnitude can be considerable and can certainly approach1000 °C either in the seat of the fire or in the closest area. Assuming the longitudinal ventilation system (generallyapplied in the Netherlands), cooling effects will occur, partly owing to the entry of fresh air, whereby thetemperature will decrease some distance from the fire. Fire tests and computer simulations have shown that thetemperatures occurring 300-400 m from the fire can have dropped by values close to 300-400 °C. Of course, thisdepends on the thermal power released as a result of the fire; in the case of one passenger car, the localtemperature will be relatively low, but with several cars or lorries with cargo, such temperature arise. Especially if atanker is involved in the fire, the temperatures occurring will be very high, as also demonstrated by the tests in theMemorial Tunnel in America. It is essential for the good operation of the system that as much total thrust remainsavailable as possible. The capacity of the ventilation system is the product of the number of fans and the thrustavailable per fan. The number of fans required could be divided along the length of the tunnel, although clustersare not uncommon. Sometimes an open injector is placed at the mouth of the tunnel. Upstream, the fans work inair at the normal ambient temperature and density, but toward the seat of the fire the fans work in the hot fluegases which have a much lower density, as indicated in the opposite table.

The density of the flue gases at 400 °C is still only43% of the value at 20 °C. At higher temperatures,the density is reduced even further in directproportion to the available thrust of the fan. Soeven if we were able to develop a fan suitable for600-700 °C, this would only have a slight effect onthe operation of the tunnel ventilation system, inview of the fact that the available thrust decreasesto 25% of the value at 20 °C. In America, fans arebeing installed which are suitable for temperaturesin excess of 600 °C. These require steel blades andkinds of technical provisions which heavily increasethe cost per fan. The fans installed to date in theNetherlands are only suitable for 250 °C for 1 hour.

Reduction in the density of flue gasesat an increasing temperature(*: extrapolated values)

Temperaturein °C

Flue gas densityin kg/m

Effective densityin % (rounded off)

20 1.2 0100 0.95 79200 0.75 62300 0.61 50400 0.52 43

500 * 0.45 * 37600 * 0.38 * 31700 * 0.30 * 25

PIARC •••• 185 •••• 05.05.B - 1999

La capacité finale d’un système de ventilation lors d’un incendie est déterminée par la localisation du cœur del’incendie. Les ventilateurs à jet à proximité de l’air frais fonctionnent parfaitement. Les accélérateurs en aval del’incendie cesseront de fonctionner selon la distance à laquelle ils se trouvent du cœur de l’incendie, sa durée et latempérature ambiante. On peut prévoir que les températures vers le cœur de l‘incendie seront si élevées qu’il seravirtuellement impossible de concevoir des accélérateurs suffisamment résistants et, de plus, cela serait inutilecomme mentionné précédemment.

Quand peut-il être intéressant d’avoir une meilleure résistance au feu ?

Aux Pays-Bas, les tunnels avoisinent fréquemment les 800 m ; il est donc particulièrement important d’avoir desaccélérateurs bien plus résistants à la chaleur. L’exemple suivant l’illustre parfaitement : un tunnel de 800 m delong, où le cœur de l’incendie est situé à un quart de cette longueur, c’est-à-dire à 200 m de l’entrée. Selon lapuissance de l’incendie, des températures supérieures à 300-400 °C peuvent être enregistrées sur une distance de300 à 400 m. Dans ce cas, les accélérateurs en aval de l’incendie ne peuvent être utilisés puisqu’ils résistentseulement à des températures de 250 °C. Cependant, si des accélérateurs résistent à de plus hautes températures,certains d’entre eux pourront continuer à fonctionner sur une longueur de 200 à 300 m, même avec une pousséeréduite.

Cet exemple montre bien que l’accroissement de la température étant dépendant de la distance, il est important,dans le cas de tunnels relativement courts, d’installer des accélérateurs qui peuvent continuer à fonctionner à destempératures de 400 à 500 °C, même si cela n’est nécessaire que durant une heure. On peut penser que, pendantce temps, les services d’urgence auront, soit réussi à circonscrire l’incendie, soit pu aider les usagers à s’échapper.Après l’incendie, les accélérateurs seront soit détruits, soit complètement remis en état. En fait, il faudrait axer lesrecherches sur de petites améliorations qui, à moindre coût, donnent une meilleure sécurité pour les usagers et lesservices d’urgence en cas d’incendie.

Les températures des extracteurs dépendent de leur position par rapport à l’incendie, de la structure du tunnel et dela vitesse de l’air dans le tube. Il existe diverses puissances d’incendie standard à partir desquelles on étudie lesscénarios d’incendie probables. Les recommandations KIVI [87] décrivent trois scénarios, un "petit" incendie de 2,1MW, un incendie de taille moyenne de 100 MW et un "grand" incendie de 300 MW.

L’évolution de la température n’est pas obtenue à la suite d’expériences, mais par calcul (par l’Organisationnéerlandaise de recherche scientifique appliquée – TNO), dans un tunnel type avec un grand incendie et un detaille moyenne, à l’aide du programme VESTA. Malheureusement, ce programme n’a toujours pas été validé et, enattendant, les résultats sont seulement supposés valides. Pour pouvoir également donner des indications sur latempérature en cas de « petit » incendie, le Ministère néerlandais propose de réduire les températuresproportionnellement à la puissance des incendies. Cependant, comme le montrent les tableaux ci-après, lesaccélérateurs rencontrent peu de problèmes de températures dans ce scénario ; par conséquent, aucune recherchesupplémentaire n’a été menée.

Les tableaux montrent que les températures se produisant après l’incendie sont fonction, pour une large part, de lavitesse de l’air de la ventilation. Par exemple, un incendie de 300 MW avec une vitesse de l’air de 10 m/sprovoquera des températures inférieures à 360 °C, alors qu’avec une vitesse de l’air de 5 m/s, les températurespourront atteindre jusqu’à 650 °C. Cela est montré dans le tableau suivant, où l’on considère une situationstationnaire et un temps de réchauffage de 10 mn. Pendant ce temps, l’incendie est complètement développé et sapuissance totale est au plus fort. Cette situation perdurera tant qu’il y aura suffisamment de carburant et d’oxygènepour alimenter l’incendie.

Température en °C selon la distance de l’incendie (en m)Capacité de l’incendie300 MW 0 50 100 200 300 400

10 - 350 360 350 300 < 300

7,5* - 500 480 425 350 < 350

5 - 650 600 500 400 < 400

3 - 1 000 800 550 400 < 400

Vitessedeventilationen m/s

2 - 1 200 900 550 400 < 400

NB : * valeurs interpolées

AIPCR •••• 186 •••• 05.05.B - 1999

The final capacity of the ventilation system during a fire is determined by the location of the seat of the fire. Thenumber of boosters in the vicinity of cool air works perfectly. The fans downstream of the fire will stop workingdepending on the distance to the seat of the fire, the duration of the fire and the ambient temperature. It should beexpected that the temperatures close to the seat of the fire will be so high that it will be virtually impossible to buildfans which can resist, and furthermore this would be pointless, as described above.

When could it be of interest to have a better fire resistance?

Bearing in mind the tunnel lengths common in the Netherlands of around 800 m, it is extremely important that wehave fans with an increased temperature-resistance at our disposal. This is clear from the following example.Imagine a tunnel 800 m long, with the seat of the fire a quarter of the way into the tunnel, at 200 m from the tunnelentrance. Depending on the fire capacity, temperatures in excess of 300-400 °C can be expected in a zone of 300-400 m long. In this situation, the fans downstream of the seat of the fire have no further role to play, as these areonly suitable for temperatures of 250 °C. However, if we have fans with a higher temperature-resistance, some ofthe fans installed will continue working over a length of 200-300 m, although with a reduced thrust.

This example demonstrates that in view of the fact that the temperature development depends on the distanceinvolved, it is important for relatively small tunnels to have fans which can remain working at temperatures of 400-500 °C, even if this is only considered necessary for 1 hour: it is assumed that during this hour the emergencyservices will either have succeeded or have had to give up. After the fire, the fans will be destroyed, or in any eventcompletely refurbished. What we should look for therefore are small improvements which, at a little extra cost, leadto greater safety for the public and the emergency services in the event of a fire in the tunnel.

The temperatures occurring depend on the seat of the fire, the tunnel construction and the speed of the air in thetunnel tube. There are various standard fire capacities whereby a fire scenario is considered likely. The KIVIRecommendations [87] describes 3 scenarios, namely a “small” fire of 2.1 MW, a “medium-sized” fire of 100 MWand a “large” fire of 300 MW.

The temperature evolution is not experimental, but computed (by the Netherlands Organisation for AppliedScientific Research - TNO) in a "standard" tunnel with the “large” and “medium-sized” fire using the VESTAprogram. Unfortunately, this programme has still not been validated, and until this is the case, it is assumed thatthe results are valid. In order to also be able to say something about the temperature course in the “small fire”scenario behind the fire, the Netherlands Ministry proposes reducing the temperatures in proportion to the firecapacity. However, as is evident from the tables below, in this scenario there are hardly any temperature problemsfor fans, so no further investigations have been undertaken.

The tables below demonstrate that the temperatures which occur behind the fire are determined to a great extentby the air speed of ventilation. For example, a 300 MW fire with a 10 m/s air speed gives temperatures lower than360 °C, but reducing the air speed to 5 m/s gives 650 °C as the maximum. This results in the following table,whereby a stationary situation and a heating-up time of 10 minutes is assumed. It is assumed that within this timethe fire is fully developed and the full power is being released. This situation will continue as long as the fire hasfuel and sufficient oxygen to burn.

Temperature in °C at meters from the seat of fireFire capacity300 MW 0 50 100 200 300 400

10 - 350 360 350 300 < 300

7.5* - 500 480 425 350 < 350

5 - 650 600 500 400 < 400

3 - 1000 800 550 400 < 400

Ventilationspeed in m/s

2 - 1200 900 550 400 < 400

NB: * interpolated values

PIARC •••• 187 •••• 05.05.B - 1999

Température en °C selon la distance de l’incendie (en m)Capacité de l’incendie100 MW 0 50 100 200 300 400

5 - 230 230 200 175 < 175

3 - 360 340 260 200 < 200

2 - 500 400 300 200 < 200

Vitessedeventilationen m/s 1 - 600 410 250 150 < 150

Les conclusions suivantes peuvent être tirées des tableaux :

Grand incendie (300 MW)1. Si les accélérateurs sont capables de résister à une température de 360 °C, il est possible que, même

dans le cas d’un incendie de très grande ampleur, tous les accélérateurs à plus de 50 m en aval ducœur de l’incendie puissent continuer à fonctionner à une vitesse de 10 m/s.

2. A une vitesse de ventilation de 7,5 m/s, tous les accélérateurs seront détruits sur une distance de250 m du cœur de l’incendie.

3. A une vitesse de ventilation de 5 m/s, les accélérateurs situés sur les premiers 300 m du cœur del’incendie seront détruits s’ils ne sont conçus que pour résister à des températures de 400 °C. Au-delàde 300 m, ils continueront à fonctionner.

4. Si les accélérateurs ne peuvent résister au-delà de 250 °C, tous les accélérateurs, à quelque distanceque ce soit, seront détruits, ce qui entraînera une réduction considérable de la sécurité dans le tunnel.

5. Si l’incendie se déclare au « bon moment et au bon endroit », c’est-à-dire lorsqu’il y a peu decirculation dans le tunnel, la vitesse de ventilation pourra facilement osciller entre 5 et 10 m/s. Uneestimation de la température à 7,5 m/s est obtenue par interpolation et indiquée par un * dans letableau.

6. En conclusion, pour ce cas extrêmement rare d’incendie, un fort degré supplémentaire de sécurité doitêtre atteint si les accélérateurs peuvent résister à des températures de 400 °C au lieu de 250 °C.

Incendie de taille moyenne7. Lors d’un incendie de taille moyenne et avec une vitesse de ventilation de 5 m/s, tous les

accélérateurs distants de 50 m du cœur de l’incendie continueront à fonctionner s’ils sont conçus pourdes températures supérieures à 230 °C.

8. Lors d’un incendie de taille moyenne et avec des vitesses de ventilation supérieures à 3 m/s, tous lesaccélérateurs distants de 50 m du cœur de l’incendie continueront à fonctionner s’ils sont conçus pourdes températures supérieures à 360 °C.

9. A des vitesses de ventilation inférieures à 2 m/s, la distance critique est de 100 m à des températuressupérieures à 410 °C ou 250 m pour des températures supérieures à 250 °C.

Combien d’accélérateurs seront-ils détruits ?

En supposant que les accélérateurs sont installés tous les 25 m, le nombre suivant d’accélérateurs se détérioreradurant un incendie, la longueur supposée de tunnel après le cœur de l’incendie étant de 300 m :

Nombre d’accélérateursdétruits selon leur

résistance à latempérature

Capacité del’incendie300 MW

250 °C 400 °C

10 12 1

7,5* 12 2

5 12 12

3 12 12

Vitesse deventilation

en m/s

2 12 12N.B : * valeurs interpolées

Nombre d’accélérateursdétruits selon leur

résistance à latempérature

Capacité del’incendie100 MW

250 °C 400 °C

5 12 1

3* 12 2

2 12 12

Vitesse deventilation

en m/s

1 12 12

N.B : * valeurs interpolées

AIPCR •••• 188 •••• 05.05.B - 1999

Temperature in °C at meters from the seat of fireFire capacity100 MW 0 50 100 200 300 400

5 - 230 230 200 175 < 175

3 - 360 340 260 200 < 200

2 - 500 400 300 200 < 200Ventilationspeed in m/s

1 - 600 410 250 150 < 150

The following conclusions can be drawn from the tables:

Main fire (300 MW)

1. In the event the fans are suitable for a temperature of 360 °C, it is possible even with a large-scale firethat all fans further than 50 m downstream from the seat of the fire can be kept going at a ventilationspeed of 10 m/s.

2. At a ventilation speed of 7.5 m/s, all fans will be lost over a distance of 250 m behind the seat of thefire.

3. At a ventilation speed of 5 m/s or lower, the fans along the first 300 m behind the seat of the fire will belost at a fan temperature-resistance of 400 °C. From 300 m and further, the fans will continue to work.

4. If the fans are suitable for 250 °C, all fans at greater distances away will be lost, which results in asignificant reduction in safety in the tunnel during the fire situation.

5. If the fire occurs at a favourable time and place, whereby there is little traffic in the tunnel tube, theventilation speed can easily be between 5 and 10 m/s. An estimate of the temperature occurring at 7.5m/s is obtained through interpolation and indicated with * in the table.

6. As a conclusion for this extremely rare instance of fire, an important extra degree of safety is achievedif the fans are suitable for 400 instead of 250 °C.

Medium-sized fire

7. With a medium-sized fire and at a ventilation speed of 5 m/s, all fans from 50 m behind the seat of thefire will remain in operation if these are suitable for temperatures > 230 °C.

8. With a medium-sized fire and ventilation speeds greater than 3 m/s, all fans from 50 m behind the seatof the fire will remain in operation if these are suitable for ambient temperatures > 360 °C.

9. At ventilation speeds below 2 m/s, the critical distance is 100 m at > 410 °C or 250 m at > 250 °C.

How many fans will be lost?

If we assume that the fans are placed with a centre-to-centre spacing of 25 m, the following numbers offans will break down during a fire; the assumed tunnel length behind the seat of the fire is 300 m:

Number of fans lostat a temperature

resistance ofFire capacity

300 MW250 °C 400 °C

10 12 1

7.5* 12 2

5 12 12

3 12 12

Ventilationspeedin m/s

2 12 12

Number of fans lostat a temperature

resistance ofFire capacity

100 MW250 °C 400 °C

5 12 1

3* 12 2

2 12 12

Ventilationspeedin m/s

1 12 12

N.B: * interpolated values

PIARC •••• 189 •••• 05.05.B - 1999

Utilisation de batteries d’accélérateurs

Une autre possibilité est d’installer les accélérateurs en batterie. Deux ou plusieurs accélérateurs sont placés côte àcôte au plafond de la section transversale.

Le nombre de batteries est généralement limité à deux ou trois. La conséquence d’une telle installation est que,dans le cas d’un incendie survenant juste en face d’une batterie, tous les accélérateurs la composant serontdétruits. Si la batterie suivante se trouve à moins de 300 m, ses accélérateurs se trouveront également enmauvaise posture. Prenons l’exemple de la ventilation du 2e tunnel du Bénélux, où il y a trois batteries comprenantchacune trois accélérateurs. La distance entre les batteries est de 340 ou 280 m. Si un incendie se déclare en facede la première, la batterie suivante sera détruite si sa résistance à la température n’excède pas 250 °C. Si elle estconçue pour résister à des températures de 400 °C, elle continuera à fonctionner. La température, au droit de labatterie suivante distante de 620 m, peut assurément avoir chuté à 250 °C, de telle manière que cette dernièrerestera en fonction. Dans cet exemple pourtant, les deux tiers des accélérateurs sont détruits si leur résistance à latempérature est de 250 °C. S’ils sont conçus pour résister à des températures de 400 °C, cette proportion tombe àun tiers. Si les accélérateurs sont installés individuellement le long du tunnel, l’interdistance est de 620 / 8 = 77,5m. Dans ce cas, le nombre d’accélérateurs détruits est de 300 / 77,5 = 3,8, environ 4 accélérateurs à 400 °C et 600/ 77,5 = 7,7, soit 8 accélérateurs. Avec des batteries plus espacées, il est évident que moins de batteries serontdétruites ; cette situation est donc favorable du point de vue de la sécurité. A des plus petites distances entregroupes, la différence d’accélérateurs détruits est moindre. L’exemple montre que, pour des distancescommunément utilisées aux Pays-Bas, l’utilisation d’accélérateurs en batterie est plus aléatoire que celled’accélérateurs isolés si leur résistance à la température n’est pas augmentée jusqu’à 400 °C.

Quelle est la situation par rapport aux exigences en matière de sécurité ?

Le principe appliqué actuellement aux Pays-Bas est que tous les accélérateurs à une distance au-delà de 300 m nesont pas pris en compte dans les calculs. En dessous de 300 m, ils le sont. Cette simplification devrait peut-êtreêtre révisée si les calculs sont effectués sur la base de la densité totale de l’air, ce qui en réalité n’est pas le cas.

Indépendamment de la question de savoir si 400 °C doivent être retenus ou non, Probvent5 devra être amélioré àcet égard. Il est proposé qu’un certain nombre de calculs soient faits en utilisant le programme Probvent avec desaccélérateurs résistant à 250 °C, et une deuxième série de calculs avec des accélérateurs résistant à 400 °C. Lescalculs seront effectués à une vitesse de ventilation de 2 m/s, et pour un même niveau de sécurité, cela impliqueraune différence dans le nombre d’accélérateurs à installer. Il est déjà possible de conclure, à partir des chiffresprésentés dans le cas d’un incendie de 300 MW à 2 m/s, qu’à environ 500 à 600 m à l’arrière de l’incendie, il peut yavoir des températures supérieures à 250 °C. Cela signifie que la condition actuelle retenue pour le programmeProbvent, c’est-à-dire 300 m, n’est pas satisfaite. Si l’on applique une résistance à une température de 400 °C, ladistance est de 280 m et, dans ce cas, la condition est satisfaite.

De quelle manière faut-il poursuivre les essais ?

Comme expliqué précédemment, le but des essais d’incendie est de déterminer la résistance à la température, lorsd’un incendie, des accélérateurs utilisés jusqu’à présent. A cette fin, un site d’essai, en partie financé par leMinistère des Transports, a été construit, dans lequel il est possible de reproduire, aussi précisément que possible,les conditions d’exploitation d’un tunnel en cas d’incendie.

La température et la vitesse des gaz de fumée peuvent être étudiées en situation d’essais. L’accélérateur à testerest exposé en exploitation à la température à tester. On essaie de déterminer combien de temps l’accélérateurcontinuera à fonctionner. La norme actuelle est de 250 °C pendant 1 heure, et rien n’est indiqué sur la méthoded’essai. Les essais menés à ce jour ont révélé que la façon dont ces essais sont conduits a une influenceimportante sur les résultats. A l’avenir, il faudra recommander de meilleures descriptions des méthodes d’essais.L’un des facteurs qui influent sur le résultat est la vitesse à laquelle l’accélérateur est amené à la températured’essai. Dans le cas d’un chauffage lent, l’accélérateur réagit un peu mieux que dans le cas d’un chauffage rapide.Il est donc nécessaire que le scénario d’incendie se rapproche autant que possible de la réalité.

AIPCR •••• 190 •••• 05.05.B - 1999

5 Probvent est un logiciel.

Application of clusters

Another possibility is that the fans are placed in clusters. Two or more fans are placed alongside one another on theceiling in cross-section.

The number of clusters is usually limited to two or three clusters. The consequence of such a construction methodis that, in the event of a fire immediately in front of a cluster, all the fans in this cluster are lost. And if the followingcluster is less than 300 m away, the fans here too will be in a critical temperature area. If we take the example ofthe ventilation of the 2nd Benelux tunnel, we see 3 clusters with 3 fans per cluster. The distance between theclusters is 340 or 280 m. In the event of a fire immediately in front of cluster 1, the next cluster will be lost if thetemperature-resistance is 250 °C. At a temperature-resistance of 400 °C the cluster remains in operation. It is to beexpected that the temperature at the following cluster at 620 m has dropped to below 250 °C, so this will remain inoperation. In this example therefore, 2/3 of the number of fans is lost at a temperature-resistance of 250 °C. At400 °C this becomes 1/3. If the fans are placed separately along the tunnel, the centre-to-centre distance is 620/8 =77.5 m. The number of fans which is lost in this situation is 300/77.5 = 3.8 ≈ 4 fans at 400 °C and 600/77.5 = 7.7 ≈8 fans. At larger cluster distances, it is clear that fewer clusters are lost, so the situation is more favourable from afire safety point of view. At smaller distances between the clusters, the difference between the number of fans lostwith each system is less. However, the example shows that, at the distances commonly applied in the Netherlands,the cluster situation is a little more vulnerable than the separate situation if the temperature-resistance is notincreased to 400 °C.

What is the situation in relation to safety requirements?

The safety philosophy presently applied in the Netherlands is that all fans over a distance of 300 m are left out ofthe calculation. After 300 m, the fans are included in the calculation. This simplification of the matter shouldperhaps be adjusted as the calculation is carried out on the basis of full air density, which is not in fact the case.

Irrespective of the question of whether 400 °C should be applied, or not, the software Probvent6 will have to beimproved in this respect. It is suggested that a number of calculations be made using the Probvent program withfans suitable for 250 °C, and a 2nd series of calculations made with fans suitable for 400 °C. The calculations willbe carried out at a ventilation speed of 2 m/s, and given the same degree of safety, this will indicate a difference inthe number of fans to be fitted. We can already conclude from the figures presented that in the case of a 300 MWfire at 2 m/s, 500 to 600 m behind the fire, temperatures in excess of 250 °C still occur. This means that the criteriawith which Probvent currently works, i.e. 300 m, is not fulfilled. If a temperature-resistance of 400 °C is applied, thedistance is 280 m, whereby the criteria are fulfilled.

How should fire tests continue?

As explained above, the objective of the fire tests is to determine the temperature-resistance in fire conditions ofthe fans used until now. To this end, a test site partly financed by the Ministry of Transport has been constructed,with which it is possible to reconstruct the operational conditions of a tunnel during a fire as accurately as possible.

The temperature and speed of the flue gases can be set in the test situation. The fan to be tested is exposed inoperation to temperature to be tested in the test situation. It is investigated how long the fan remains in operation.The present standard is 250 °C for 1 hour, and nothing is stated about the test method. Tests conducted to datehave revealed that the way in which the tests are carried out has a great influence on the results. In the futuretherefore, better descriptions will have to be given of the test methods. One of the matters which influences theresult is the speed with which the fan is brought to the temperature to be tested. In the case of slow heating, the fanperforms a lot better than at much faster heating, so we must try to approximate the fire scenario as closely aspossible.

PIARC •••• 191 •••• 05.05.B - 1999

6 Probvent is a software package

VI. SORTIES DE SECOURSET AUTRES EQUIPEMENTSDE SECURITE

VI.1 IntroductionCe chapitre traite des accès d’urgence pour l’évacuation et les secours, et des autreséquipements de sécurité nécessaires en cas d’incendie dans les tunnels. Ces installations fontpartie intégrante de tous les tunnels routiers modernes. Le type et la quantité d’équipementssont généralement fondés sur le type et la longueur du tunnel, le trafic, etc. De nombreux paysutilisent un système de classification des tunnels qui les catégorise en groupes, et qui spécifieles équipements de sécurité nécessaires pour chaque groupe. L’AIPCR a publié un rapportspécial sur ce sujet [96].

Les équipements de sécurité recouvrent toutes les installations nécessaires en cas d’incendieou d’autre accident. Au départ, un système est nécessaire pour détecter l'incendie ou l’accident(téléphone d’urgence, détection d’incident, télévision en circuit fermé, boutons d’alarme,détecteur d’incendie, etc.). Ce système alerte le personnel du tunnel qui, le cas échéant,prévient les équipes de secours ou les pompiers. La présence d’extincteurs est importante, carils permettent souvent de circonscrire rapidement un début d’incendie. Des conduites et despoteaux fournissent l’eau aux pompiers. De plus, des équipements doivent permettre de fermerle tunnel le plus rapidement possible et d’empêcher les automobilistes de pénétrer à l’intérieur.Dans les grands tunnels, les conducteurs peuvent être informés par transmission radio, haut-parleurs ou panneaux à message variable. Enfin, il doit y avoir des issues de secours, desgaleries de retournement, ou bien des accès directs à d'autres tubes ou à l’air libre. Lesméthodes utilisées varient bien sûr d’un tunnel à l’autre, et selon les pays.

Il est très important de développer une stratégie pour sauvegarder les usagers et protéger lastructure et les équipements du tunnel et, partant, de planifier les équipements, les mesures deprotection et les opérations de secours. Dans certains pays où le trafic est faible, la stratégieretenue est de construire des garages et des galeries de retournement afin de permettre auxconducteurs de faire demi-tour et de quitter le tunnel. Dans les tunnels urbains, il estgénéralement possible de permettre aux usagers de s'échapper directement à l’air libre ou pardes caves ou autres installations souterraines. Dans le passé, il arrivait fréquemment qu’unebrigade de pompiers soit affectée à un tunnel. Mais cela est onéreux et les nouveaux tunnelsdépendent généralement de la collaboration des brigades voisines.

Dans ce chapitre, sont résumés les expériences ou les guides de dimensionnement existant enAllemagne, Autriche, Belgique, États-Unis, France, Italie, Japon, Norvège, Pays-Bas, Suède,Suisse et Royaume-Uni. Tous ces pays possèdent de nombreux tunnels, courts ou longs, avecdifférents niveaux de circulation. Ils couvrent donc un éventail intéressant de tunnels.

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VI. EXITS AND OTHER SAFETYFACILITIES

VI.1 IntroductionThis section deals with emergency accesses for evacuation and rescue, and other safetyequipment necessary in case of fire in tunnels. These facilities are an integral part of all modernroad tunnels. The type and amount of equipment is usually based on tunnel type and length,traffic, etc. Many countries use a tunnel classification system that categorises tunnels intogroups, and specifies the necessary emergency equipment for each group. A special report hasbeen published by PIARC on this subject [96].

Safety equipment covers all facilities necessary in case of fire or some other accident. Initially, asystem is needed to detect the fire or accident (emergency telephone, incident detection, closedcircuit television, alarm buttons, fire detectors, etc.). This equipment will alert the tunnelpersonnel who will call upon the rescue teams or the fire brigade as necessary. Fireextinguishers are important, as many fires can easily be extinguished in their early stages.Hydrants and water mains will supply water to the firemen. Furthermore there should beequipment to close the tunnel as fast as possible and stop drivers before they enter the tunnel.In major tunnels drivers can be informed by radio transmissions, loudspeakers or variable textsigns. Then there should be emergency exits, turning galleries, or direct accesses to othertunnel tubes or the open. Methods used may vary from tunnel to tunnel, or from country tocountry.

It is very important to develop a strategy for saving people and protecting tunnel equipment andstructure, and consequently plan the equipment protection and rescue operations. In somecountries where the traffic is low, the chosen strategy is to build lay-bys and turning galleries soas to make drivers turn and drive out of the tunnel. In city tunnels it is usually possible to letpeople escape to the open directly or through cellars or other underground facilities. Earliertunnels often had their own fire-fighting brigade. This is costly and new tunnels usually dependon co-operation with nearby fire brigades.

In this section experience or design guides from Austria, Belgium, France, Germany, Italy,Japan, the Netherlands, Norway, Sweden, Switzerland, United Kingdom and the United Statesare summarised. All these countries have many tunnels both short and long, with varyingamounts of traffic. They should therefore cover an interesting spectrum of tunnels.

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La plupart de ces pays possèdent de nouvelles directives, ou des directives récemmentrévisées, sur les équipements de sécurité. Elles sont différentes selon les pays, maisconduisent souvent au même type d’équipement si l’on compare tunnel par tunnel. Il existecependant des différences importantes quant aux systèmes de détection d'incendie etd'extinction automatique. Cette différence peut être attribuée à des expériences spécifiques ouà des différences de réglementation.

Des recommandations détaillées sont données concernant les sorties de secours et leséquipements spécialement destinés à la sécurité incendie comme la détection des incendies,les extincteurs, l’alimentation en eau (poteaux) et les systèmes d'extinction automatique. Seulesdes recommandations générales sont données en ce qui concerne les téléphones d’urgence etles boutons d’alarme, les circuits fermés de télévision (CCTV), les haut-parleurs et les systèmesde radiocommunications puisqu’ils sont également destinés à d’autres utilisations.

VI.2 Sorties de secours et itinéraires d’évacuation

VI.2.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Le Comité des Tunnels routiers a publié des documents sur les sorties de secours et autreséquipements de sécurité dans ses rapports aux cinq derniers Congrès mondiaux de la Route,Vienne (1979) [26], Sydney (1983) [27], Bruxelles (1987) [19], Marrakech (1991) [18] etMontréal (1995) [17 ; 96]. Est présenté ci-après un court aperçu des recommandations de deuxde ces rapports.

Congrès de Vienne, 1979 [26]

Pour les tunnels courts, les têtes du tunnel représentent de bonnes issues de secours. Dans lestunnels plus longs, la longueur de l’itinéraire de secours dépend du type de circulation et dusystème de ventilation. Lorsque la zone de survie limitée et les mauvaises conditions devisibilité peuvent être diminuées par le système de ventilation, la fuite de l’usager se trouvefacilitée et l’intervalle entre les itinéraires de secours peut être augmenté. Dans de très longstunnels, lorsqu’il est difficile de limiter la zone dangereuse par des mesures opérationnelles, ilfaut envisager d’autres solutions de secours ou de protection :

• galeries transversales débouchant sur l’extérieur ou dans le tube adjacent pour lespiétons et/ou les véhicules,

• galeries transversales conduisant à des galeries de sécurité pour les piétons,• salles sûres spécialement équipées (abris, aussi appelés refuges),• galeries de retournement pour les véhicules.

Il n’a pas été possible de donner des recommandations générales sur la distance entre lessorties de secours. Cela doit être fixé au cas par cas, par une étude soigneuse des conditionsqui prévalent.

AIPCR •••• 194 •••• 05.05.B - 1999

Most of these countries have new or newly revised guidelines on safety equipment. Theguidelines are different but give almost the same type of equipment if compared tunnel fortunnel. There are however some major differences when fire detection systems and sprinklersare discussed. This difference can be due to special fire experience or differences inregulations.

Detailed recommendations are given concerning emergency exits and equipment speciallydevoted to fire safety such as fire detection, extinguishers, water supply (hydrants) andsprinklers. Only general recommendations are given as concerns emergency telephones andalarm push buttons, closed circuit television (CCTV), loudspeakers and radio communicationsystems since they are also designed for many purposes other than fires.

VI.2 Exits and evacuation routes

VI.2.1 Previous work by PIARC

The Committee on Road Tunnels has published material on exits and other safety facilities in itsreports for the last five World Road Congresses held in Vienna (1979) [26], Sydney (1983) [27],Brussels (1987) [19], Marrakech (1991) [18] and Montreal (1995) [17; 96]. Presented below is ashort summary of the recommendations from two of these Congresses.

Vienna 1979 Congress [26]

In short tunnels the portals are adequate as emergency exits. In longer tunnels the length of theescape route depends on the type of traffic and the ventilation system. When the zone withlimited survival and bad visibility conditions can be diminished by the ventilation system, theescape for the tunnel users becomes easier and the interval between emergency routes can beincreased. In very long tunnels, when it is difficult to limit the dangerous zone by operationalmeasures, possibilities of achieving rescue or protection must be examined, such as:

• cross connections leading to the open or to the adjacent tunnel tube for pedestriansand/or vehicles;

• cross connections into safety tunnels for pedestrians;• especially equipped safety rooms (shelters - also called refuges);• turning galleries for vehicles.

It was not possible to give general recommendations for the distance between escape exits.This must be decided for each individual case by a careful study of the prevailing conditions.

PIARC •••• 195 •••• 05.05.B - 1999

Congrès de Montréal, 1995 [17 ; 96]

Pour le Congrès de Montréal (1995), les groupes de travail 1 et 6 du Comité AIPCR desTunnels routiers ont préparé un document intitulé “Classification des tunnels, directives etexpériences existantes, recom-mandations” [96], qui traite des installations et équipements desécurité dans les tunnels. Les directives de treize pays sont regroupées dans ce document.Une appréciation générale a été éga-lement donnée dans ce rapport [96].

VI.2.2 Expérience existante

Sont résumés ici les résultats d’enquêtes menées auprès des pays représentés dans le groupede travail n° 6.

Les exploitants de tunnels du monde entier veulent avoir des tunnels aussi sûrs que possible.Ils donnent la priorité au secours aux usagers, action qui peut être nécessaire lorsqu’unvéhicule commence à brûler, après un accident ou s’il y a un accident impliquant desmarchandises dangereuses. Dans tous les cas, les personnes doivent être évacuées du tunnelaussi rapidement que possible.

Les incendies sont rares dans les tunnels. Mais il faut les prévoir et les possibilités d’évacuationdoivent être soigneusement étudiées durant la conception des tunnels. Lors des étudesd’évacuation, les tunnels bidirectionnels (un tube) et unidirectionnels (deux tubes) doivent êtretraités différemment.

Le tableau ci-après fournit un guide sur les mouvements de la fumée dans un tunnel sansventilation mécanique. Ces données proviennent des essais menés dans le Memorial Tunnel(États-Unis) qui a une déclivité de 3,2 %.

Mouvements de fumée caractéristiques dans les essaisde ventilation pour l'incendie du Memorial Tunnel,en ventilation naturelle

Typical smoke movement in the Memorial Tunnelfire ventilation tests

under natural ventilation

Puissance thermique

Essai n° nominale(MW)

atteinteen pointe

(MW)

La couche defumée commenceà descendre (mn)

La fumée remplitl'espace de

circulation (mn)

Vitessede pointe

de la fumée(m/s)

501 20 15,5 5+ 6+ 3,8502 50 52,1 3 4 5,2

Nominal(MW)

Actual Peak(MW)Test

Heat Release Rate

Smoke Layerbegins Descent

(mn)

Smoke FillsCarriageway (mn)

Peak SmokeVelocity (m/s)

Accès direct à l'air libre

Dans les tunnels à faible couverture (tranchée couverte par exemple), des communicationsavec l’extérieur peuvent être prévues selon le trafic ou la situation (tunnel urbain ou nonurbain). Par exemple, en France, ces communications sont prévues tous les 400 m dans untunnel non urbain et tous les 200 m dans un tunnel urbain. Les dimensions dépendent desrègles locales de sécurité.

Dans les tunnels immergés, ces accès sont situés aux têtes du tunnel et peuvent être équipésd’escaliers mécaniques ou d’ascenseurs.

AIPCR •••• 196 •••• 05.05.B - 1999

Photo 6.1 - Safety exitin a cut-and-coverin France

Photo 6.1 - Sortie de secoursdans une tranchée couverte

en France

Montreal 1995 Congress [17; 96]

For the Montreal Congress (1995), Working Groups No. 1 and 6 of the PIARC Committee onRoad Tunnels prepared a publication entitled “Classification of Tunnels, Existing Guidelines,Experiences, Recommendations” [96] which addresses safety facilities and equipment in roadtunnels. The document covers guidelines from 13 countries. A general statement was also givenin the report to the Congress [96].

VI.2.2 Existing Experience

Results of surveys conducted amongst themember countries of Working Group No. 6 aresummarised below.

Tunnel operators throughout the world want tomake tunnels as safe as possible. They givepriority to the rescue of persons, an action thatmay be necessary when vehicles start to burn,after a road accident or if there has been anaccident with dangerous goods. In all casespeople must be rescued out of the tunnel as fastas possible.

Fires are rare incidents in tunnels, but they dohappen and evacuation procedures must becarefully looked into during the planning oftunnels. When planning for evacuation, tunnelswith bi-directional (one tube) and unidirectional(two tubes) traffic should be evaluateddifferently.

The opposite table provides guidance on themovement of smoke in a tunnel withoutmechanical ventilation. This data is from thetests conducted in the Memorial Tunnel (USA)which has a 3.2% grade.

Direct access to the open

In tunnels with little cover (cut and cover tunnels for instance), connections can be provided withthe open depending on traffic or location (urban or non urban). For example, in France, theseconnections are provided every 400 m in a non-urban tunnel, and every 200 m in an urbantunnel. Their dimensions depend on local safety rules.

In underwater tunnels these accesses are located at the portals and may be equipped withescalators or lifts.

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Accès indirect à l'air libre

Dans les tunnels avec une forte couverture, les issues de secours sont :

• des galeries de service construites le long du tube du tunnel,• ou, dans le cas de deux tubes sans galerie de service, l'autre tube grâce à des

intercommunications.

Pour éviter de mettre l’usager en danger en raison de la circulation dans la voie la plus rapidedu tube adjacent, il est parfois d’usage de conserver close (par exemple, par verrouillageélectrique) la porte de communication entre deux tubes jusqu’à ce que la circulation soitinterrompue. D’autres pensent que le risque de piéger les usagers en bloquant la porte est tropgrand. Dans les deux cas, un sas dans la galerie entre les deux tubes est utile. Quelle que soitla solution adoptée, il faut que la procédure ait fait ses preuves et soit bien rodée pour parer àtoute éventualité.

Abris (aussi appelés refuges)

Dans de longs tunnels à un tube ne possédant aucune galerie parallèle de sécurité, certainspays installent à intervalles réguliers des chambres de sécurité ventilées, pour servir d’abrisdurant un incendie.

Dans quelques tunnels, une gaine prévue pour la ventilation artificielle en air frais estaménagée pour recevoir les usagers qui s'enfuient et leur fournir une protection temporaire encas d'incendie.

Aires d’atterrissage pour hélicoptères

Si le tunnel est long et s’il est difficile d’accès pour les services d’urgence, une aired’atterrissage d’hélicoptère doit être prévue à l’endroit le plus approprié. La chaussée elle-même peut parfois être utilisée à cet effet.

Protection des usagers dans l’autre tube

Lorsqu’une galerie transversale de communication est prévue entre les tubes, il estindispensable d’avoir une porte, de préférence deux, une à chaque extrémité, pour empêcher lafumée de passer d’un tube à l’autre.

VI.2.3 Recommandations

VI.2.3.1 Tunnels à circulation bidirectionnelle

On peut utiliser les possibilités d’évacuation suivantes :

• tunnel lui-même pour l’évacuation à pied (ou avec le véhicule dans les tunnels àfaible trafic) ;

• communication directe avec l’extérieur ;• couloir ou galerie séparée d'évacuation ;• abris (appelés aussi refuges ou cabines de sécurité).

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Indirect access to the open

In tunnels with deep cover, emergency exits use:

• service galleries constructed alongside the tunnel tubes,• or the other tube through cross passages in the case of two tubes with no service

gallery.

To avoid endangering the road user because of the traffic in the fast lane of the adjacent tube,some authorities keep the communicating door between the two tubes closed until the traffic isstopped (e.g., by electric lock). Others believe that the risk of trapping people by locking thedoor is too great. An airlock in the gallery between the two tubes is useful in both cases.Whatever solution is adopted there must be a well-tried and rehearsed procedure to deal withthe eventuality.

Shelters

In long one-tube tunnels with no parallel safety gallery, some countries provide ventilated safetyrooms at intervals, to be used as shelters during a fire.

In a few tunnels, a duct provided for artificial fresh air ventilation is fitted out to take in escapingusers and give them temporary protection in case of fire.

Landing pads for helicopters

If the tunnel is long and if it is difficult for emergency services to reach the area, a helicopterlanding pad should be provided in the most suitable location. The carriageway itself cansometimes be used for this purpose.

Protection of road users in the other tube

When a transverse gallery (cross passage) is provided between tubes, a door must beprovided, and preferably two, one at each end, to prevent smoke from passing from one tube tothe other.

VI.2.3 Recommendations

VI.2.3.1 Tunnels with bi-directional traffic

The following evacuation possibilities exist:

• tunnel tube on foot (or by car in low traffic tunnels);

• direct communication to the open;• escape corridor or separate escape gallery;• shelters (also called refuges, or safety boxes).

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L’évacuation des tunnels se fait généralement à pied. Dans certains tunnels, un service spécialde secours est mis en place pour les conducteurs bloqués.

12 - 24 m

3 m

Figure 6.2.1 - Exemple de garage Figure 6.2.1- Example of lay-by

Certains pays prévoient des galeries de retournement pour les véhicules dans les tunnels longs(plus de deux km) à faible circulation (moins de 2 000 à 3 000 véh/jour). Les véhiculesparticuliers peuvent faire demi-tour dans un garage traditionnel (3 m x 12 m) et les petitscamions dans un garage un peu plus grand (3 m x 24 m). Pour les poids lourds et les bus, desgaleries de retournement sont nécessaires. Elles font généralement 4 m x 17 m, parfois plus, etdoivent être situées tous les un à deux kilomètres. Dans les tunnels à fort trafic, le retournementdes véhicules pour l’évacuation n’est pas recommandé, car cela peut créer des difficultés decirculation pouvant provoquer une panique. Un pays prévoit ce genre d’installations uniquementpour les véhicules de secours.

Lorsqu’il n’y a pas de fumée, les usagers à pied préfèrent quitter le tunnel par le tube lui-même.

Dans les tunnels superficiels, spécialement dans les villes, lorsque la circulation est intense,des galeries d’évacuation vers l’extérieur doivent être construites. De telles galeries doiventpouvoir permettre de quitter le tunnel à intervalles réguliers, par exemple tous les 100 à 200 men ville. Ces galeries peuvent déboucher sur d’autres installations souterraines, comme desparcs de stationnement ou des caves.

Dans les tunnels profonds, des galeries d’évacuation séparées ne sont habituellement pasprévues en raison de leur coût élevé. Cependant, si elles ont été construites pour des raisonstechniques, elles doivent être équipées de manière à fournir un itinéraire sûr en cas d'urgence.

Les abris sont des enceintes spécialement équipées d’une alimentation spéciale etindépendante en air frais et d’un téléphone de secours. Les abris doivent résister auxtempératures qui règnent à proximité immédiate d’un incendie. Cependant, l’effet psychologiquesur les personnes s’y réfugiant n’est pas bien connu. Si les abris sont utilisés, ils doivent êtreplacés au niveau des garages et conçus de manière à accueillir les personnes jusqu’à l’arrivéedes équipes de secours (plusieurs heures). Ils doivent être suffisamment vastes pour accueillirle nombre maximum de personnes pouvant se trouver entre deux abris.

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Tunnels are usually evacuated on foot. In some tunnels a special rescue service is provided forblocked drivers.

Figure 6.2.2 - Example of turning gallery

4 m

17 m

Figure 6.2.2 - Exemple de galeriede retournement

Some countries provide turning bays for vehicles in long tunnels (more than 2 km) with lowtraffic (less than 2000-3000 vehicles per day). Private cars can turn in a regular lay-by (3 m by12 m) and smaller trucks in a larger lay-by (3 m by 24 m). For heavy goods vehicles and buses,turning galleries are needed. These are usually 4 m by 17 m or larger. When they are used,they should be placed every 1-2 kilometres. In tunnels with heavy traffic, the turning of vehiclesfor evacuation is not recommended, because of the possibility of creating traffic problems whichmay result in panic. A country provides turning facilities which can be used by safety vehiclesonly.

When there is no smoke, tunnel users on foot prefer to leave the tunnel through the tube itself.

In shallow tunnels, especially in cities, where the traffic is generally high, escape corridors tothe open should be built. Such corridors should give an exit possibility from the tunnel at regularintervals, for example 100 - 200 metres in cities. Such escape corridors may run into otherunderground premises, such as car parks or cellars.

In deep tunnels, separate escape tunnels are usually not built, because they are very costly.However, if they are built for technical reasons during the construction of the tunnel, they shouldbe equipped to provide a safe evacuation route during an emergency.

Shelters are specially equipped enclosures with a separate special fresh air supply and anemergency telephone service. Shelters should withstand the temperatures that exist very near afire. However, the psychological effect of making people use them is not well known. If sheltersare used, they should be placed at lay-bys and designed to hold people as long as needed bythe rescue team (several hours). They should be large enough to take in the number of personsexpected to be between two shelters.

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VI.2.3.2 Tunnels à circulation unidirectionnelle(deux tubes ou plus)

On peut utiliser les possibilités d’évacuation suivantes :

• tube du tunnel pour l’évacuation à pied ;• passage (galerie de communication transversale) entre les tubes du tunnel ;• communication directe avec l’extérieur ;• couloir ou galerie séparée d’évacuation.

L’itinéraire d’évacuation le plus fréquent dans les tunnels à deux tubes est une communicationtransversale entre les deux tubes. La distance entre les intercommunications dépendra de ladensité de la circulation et des scénarios de secours d’urgence, par exemple 100 à 200 m enville. Cette distance doit permettre aux usagers d’atteindre la plus proche sortie avant que lafumée ne réduise la visibilité. Lorsque de telles communications transversales sont utilisées,l’exploitant du tunnel doit prévoir que des personnes pénétreront dans le deuxième tube. Enconséquence, la circulation dans l’autre tube doit être immédiatement interrompue.

Des communications directes vers l’air libre sont également possibles dans les tunnelssuperficiels à deux tubes et les bretelles d'accès au tunnel. De longues bretelles doivent êtreéquipées de communications avec d'autres tubes ou avec l’extérieur.

Dans les ouvrages immergés et en tranchée couverte, un couloir spécial d’évacuation peut êtreplacé entre les deux tubes. Ce couloir de secours doit être éclairé et posséder un systèmespécial de ventilation.

VI.2.3.3 Signalisation et autres aides à l’évacuation

Il est très important de signaler tous les équipements de secours à l’aide de signaux normalisésau niveau international. Ces signaux doivent comporter le symbole international de sortie utilisédans les bâtiments et montrer la direction ainsi que la distance au point d’évacuation le plusproche. Ils doivent être éclairés de l’intérieur et reliés à une alimentation électrique secourue(UPS) ou posséder une batterie de secours.

Dans les tunnels à forte circulation, il doit au moins y avoir un éclairage minimal de sécuritérelié à une alimentation électrique secourue. Dans les tunnels à faible circulation sansalimentation électrique secourue, un luminaire sur trois ou quatre doit être muni d'une batteriede secours.

Dans les tunnels à trafic intense, il doit y avoir un système séparé de balisage lumineux desissues de secours (hublots de jalonnement). Ces feux doivent être placés aussi bas quepossible sur le piédroit (un mètre ou moins) et la distance entre les feux doit être au maximumde 25 m.

AIPCR •••• 202 •••• 05.05.B - 1999

Photo 6.2 - Turning bayin a low traffic tunnelin Norway

Photo 6.2 - Galerie de retournementdans un tunnel

à faible circulation en Norvège

VI.2.3.2 Tunnels with unidirectional traffic(two tubes or more)

The following escape possibilities can beused:

• tunnel tube on foot;• passage (cross-connection) bet-

ween tunnel tubes;• direct communication to the

open;• escape corridor or separate

escape gallery.

The most common escape route in two-tube tunnels is a connection (crosspassage) between the two tubes. Thedistance between connections shoulddepend on traffic density and emergencyrescue scenarios, for instance 100 - 200 min cities. This distance should be designedso that people can walk to the nearest exitbefore smoke reduces visibility. Whensuch cross-connections are used, thetunnel operator must consider that peoplewill walk into the second tube. As a

consequence the traffic in this othertube must be stopped immediately.

Direct communications to the open arealso possible in shallow two-tube

tunnels and tunnel ramps. Long ramps should have connections to other tubes or to the open.

In cut-and-cover and immersed structures, a special escape corridor can be placed between thetwo tubes. This emergency corridor should be lighted and have a special ventilation system.

VI.2.3.3 Signing and other helps for evacuation

It is very important to sign all emergency possibilities with internationally standardised signs.The signs should have the international exit symbol used in buildings and show direction as wellas distance to the nearest escape point. The signs should be internally lighted and connected toan UPS (Uninterrupted Power Supply) or have a battery backup.

In high traffic tunnels, there should be a minimum safety lighting connected to an UPS. In lowtraffic tunnels with no UPS, one of every three or four tunnel lights should be fitted with a batterybackup.

In tunnels with heavy traffic, there should also be a separate system of evacuation lights(marker lights). These lights should be placed as low as possible on the sidewall (1 metre orlower) and the distance between the lights should be 25 m or less.

PIARC •••• 203 •••• 05.05.B - 1999

Tous les systèmes d’évacuation doivent être maintenus éclairés pour rassurer lesautomobilistes et leur indiquer qu’ils sont en état de fonctionnement.

VI.2.3.4 Dispositions pour les personnes handicapées

Environ 5 % de la population sont affectés d'une forme ou d'une autre de handicap [97]. Prèsde la moitié utilisent des fauteuils roulants, des cannes, des béquilles, etc. La vitesse dedéplacement de ces personnes est d’environ 0,5 à 1 m/s. Tous les itinéraires d’évacuation etautres équipements doivent faire l'objet d'une étude permettant de décider s'ils doivent pouvoirêtre utilisés par les personnes handicapées sans aide extérieure. Si non, un plan d'évacuationde secours approprié doit être prévu et mis en œuvre.

VI.3 Autres équipements de sécurité

VI.3.1 Détection incendie

VI.3.1.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Congrès de Vienne, 1979 [26]

Les incendies peuvent être détectés par l’usager du tunnel, par un équipement spécial ou par lepersonnel d’exploitation. Des circuits fermés de télévision sont particulièrement utiles et ilspeuvent être complétés par des équipements comme une alarme activée par l’enlèvement d’unextincteur et, dans les grands tunnels, par une détection automatique d’incendie se déclenchanten fonction soit d'une température maximale, soit d'une vitesse d'élévation.

En outre, il existe habituellement des capteurs pour mesurer le trafic.

Congrès de Sydney, 1983 [27]

Il est de plus recommandé d’avoir une alarme sonore dans la salle de contrôle pour attirerl’attention sur l’usage d’un bouton d’alarme ou d’un extincteur.

Photo 6.3 - Sortie de secoursdans un garage au Japon

Photo 6.3 - Emergencyexitin a lay-by in a tunnel

in Japan

AIPCR •••• 204 •••• 05.05.B - 1999

All evacuation systems should be kept always lighted to educate drivers and show that thesystems are in working order.

VI.2.3.4 Planning for disabled persons

Around 5% of the population have one or another kind of disability [97]. Of these, around 2.5%use wheel chairs, sticks, crutches, etc. The speed of movement for these people will be about0.5 - 1.0 m/s. All evacuation routes and other facilities should be evaluated to decide whetherthey should be used by disabled persons without outside help. If not, an appropriate evacuationand rescue plan should be developed and implemented.

VI.3 Other safety facilities

VI.3.1 Fire detection

VI.3.1.1 Previous work by PIARC

Vienna 1979 Congress [26]

Fires may be detected by the tunnel user, by appropriate equipment or by the tunnel operationalstaff. Closed circuit television is particularly useful in this respect and it may be complementedby equipment such as an alarm activated by the removal of a fire extinguisher and, in longtunnels, by automatic fire detection through either maximum temperature or rate of rise.

In addition, there are usually instruments for measuring traffic flow.

Sydney 1983 Congress [27]

It is further recommended that there be a sound alarm in the control room to draw attention if analarm button or a fire extinguisher are used.

Photo 6.4 - Signingof emergency exitsin Japan

Photo 6.4 - Signalisationde sorties de secoursau Japon

PIARC •••• 205 •••• 05.05.B - 1999

L’incendie doit être détecté le plus tôt possible. Les recommandations suivantes sont faites pourdétecter un incendie :

• détecteurs de température- une alarme sonore se déclenche lorsque la température :

- dépasse une valeur prédéterminée,- s’élève plus rapidement que la normale ;

- pour réduire le risque de fausse alerte, l’alarme doit être située suffisammenthaut.

• détecteurs de fumée- une alarme sonore se déclenche lorsque la visibilité tombe en dessous d’un

niveau prédéterminé ; même de petits incendies peuvent produire des quantitésdangereuses de fumée.

• critères pour les détecteurs d’incendie- ils doivent pouvoir détecter la combustion de 20 litres d’essence.- ils doivent être installés dans les tunnels où circulent de nombreux poids lourds et

où le transit de marchandises dangereuses est autorisé.

• conclusions- il est important que l’installation des détecteurs couvre tout le tunnel.- bien que l’efficacité de ces détecteurs ne soit pas reconnue par tous les

exploitants, ils sont cependant généralement placés dans les grands tunnels àforte circulation.

- les deux types de détecteurs devraient être utilisés en combinaison et, pour éviterune fausse alerte, être reliés au circuit de télévision.

Congrès de Bruxelles, 1987 [19]

Les détecteurs d’incendie doivent être installés dans les tunnels où il existe un risque réel(tunnels connaissant une intense circulation de poids lourds, tunnels où le transit demarchandises dangereuses est autorisé, tunnels immergés).

Les détecteurs d’incendie sont conçus de manière à transmettre un signal au centre de contrôlelorsque la température dépasse un certain niveau, ou bien lorsqu’elle augmente à une vitessesupérieure à une valeur prédéterminée. Les détecteurs doivent pouvoir détecter 20 litresd’essence en combustion.

Un détecteur peut être constitué d’un tube de métal dans lequel l’air ou le gaz augmentent devolume à mesure que la température augmente (détecteur linéaire), ou bien d’équipementsindividuels espacés au maximum de 25 m (détecteurs isolés).

Congrès de Montréal, 1995 [17]

La détection automatique d’incidents connaît un large développement. Elle peut utiliser latélévision en circuit fermé pour détecter des incidents. Les systèmes de détection d’incendiepeuvent être installés dans les tunnels qui sont de grande longueur, de configuration complexeou empruntés par des véhicules transportant des marchandises dangereuses, où il estnécessaire d’être alerté rapidement ou de connaître de façon précise l’endroit où l’incendies’est déclaré.

AIPCR •••• 206 •••• 05.05.B - 1999

Early detection of a fire is required. The following recommendations are made to detect fires:

• Temperature activated detectors- An alarm sounds when the temperature:

- exceeds a predetermined value,- rises more quickly than normal.

- To minimise false alarms the set point of the alarm must be high enough.

• Smoke detectors- An alarm is sounded when the visibility falls below a predetermined level. Even

small fires can produce dangerous quantities of smoke.

• Criteria for fire detectors- Detectors should be able to detect the burning of 20 litres of petrol;- Detectors should be installed in tunnels with much heavy goods traffic, and where

dangerous materials are allowed.

• Conclusions- It is important that the detector installation covers the entire tunnel.- Although the effectiveness of these detectors is not recognised by all operators,

they are usually placed in long and heavily-trafficked tunnels.

- Both types of detectors should be used in combination and, to avoid false alarms,they should be linked to the television installation.

Brussels 1987 Congress [19]

Fire detector installations should be provided in tunnels where there are significant risks(tunnels carrying a lot of heavy goods traffic, tunnels where the transit of dangerous materials ispermitted, underwater tunnels).

Fire detectors are designed to transmit a signal to the control centre when the temperature risesabove a certain level, or increases at a rate in excess of a predetermined value. They should beable to detect the burning of 20 l of petrol.

The installed detector can consist of a metal tube in which the enclosed air or gas expands asthe temperature increases (distributed detector) or of individual devices spaced not more than25 m apart (isolated detectors).

Montreal 1995 Congress [17]

There is a large ongoing development with automatic incident detection. Detection can besimplified to detect incidents by means of close circuit television (CCTV) monitoring. Firedetection systems can be used in tunnels that are long, complicated or driven through byvehicles carrying dangerous goods, and where it is necessary to have a quick alarm or to knowexactly where the fire is.

PIARC •••• 207 •••• 05.05.B - 1999

Les détecteurs sont également très utiles dans les tunnels non surveillés pourvus d’uneventilation transversale ou semi-transversale car, si un incendie se déclare dans un tunnel dece type sans être détecté, les capteurs de CO et d’opacité utilisés pour la ventilation normaledéclenchent automatiquement le soufflage maximal d’air frais, alors que la réaction appropriéeest de réduire ou de stopper le soufflage d’air frais et de démarrer l’aspiration de la fumée. Detels systèmes sont actuellement utilisés dans de nombreux pays.

VI.3.1.2 Expérience existante

De nouveaux systèmes de détection automatique d’incendie, plus efficaces, ont été mis au pointau cours des dernières années. L’expérience montre qu’ils détectent plus d’incendies. Laplupart des détecteurs sont basés sur la chaleur et son taux d’augmentation. Une foisétalonnés, ces systèmes donnent rarement lieu à de fausses alertes. Les détecteurs basés surla fumée émettent très rapidement un signal, mais ils peuvent produire un plus grand nombrede fausses alertes en raison de la fumée émise par les véhicules diesel. De nombreux payssont encore sceptiques quant à l’usage des systèmes de détection automatique d’incendie etpensent que les fausses alertes peuvent être un problème majeur. Pour étudier cette questionet évaluer différents essais sur de nouveaux systèmes, un questionnaire a été envoyé aux paysmembres. Les pays suivants ont répondu à ce questionnaire : Autriche, Belgique, Danemark,France, Allemagne, Italie, Japon, Norvège, Suisse, Royaume-Uni, Pays-Bas, États-Unis.

AutricheTous les tunnels de plus de 1 500 m sont équipés d’un système de détection d’incendie.Généralement, une détection de chaleur linéaire est installée.

Des expériences en Autriche ont montré que la combinaison de détecteurs d’incendie et d’uncircuit fermé de télévision est très utile. Dans le cas où le système de détection émet unefausse alerte, celle-ci peut être vérifiée par le circuit de télévision.

BelgiqueDeux tunnels (Liefkenshoek et Tijsmans) sont équipés de détecteurs d’incendie. Ce sont desdétecteurs ponctuels qui détectent des variations anormales de température. Seuls les tunnelsempruntés par des transports de marchandises dangereuses possèdent des détecteurs. Cesderniers alertent la police qui déclenche les actions nécessaires.

DanemarkDans le tunnel de Guldborgsund, des détecteurs d’incendie sont situés au plafond tous les 10m. Le système est déclenché par la température. Les alarmes provoquent la fermeture dutunnel et les pompiers sont alertés. Les détecteurs d’incendie ne sont pas considérés aussiimportants que les alarmes d’incendie qui peuvent être activées à partir de panneaux d’urgencedans le tunnel, ou que les appels d’urgence des automobilistes par l’intermédiaire detéléphones mobiles.

FranceAucun tunnel en France n’est équipé de système de détection d’incendie. A l’heure actuelle, lesincendies sont détectés par des capteurs de CO et d’opacité qui déclenchent automatiquementle régime le plus fort de ventilation dès que la fumée les atteint. Les incendies sont égalementdétectés à l’aide de télévision en circuit fermé ou par téléphone d’urgence.

AIPCR •••• 208 •••• 05.05.B - 1999

Fire detectors are also very helpful in unmanned tunnels with transverse or semi-transverseventilation, because if a fire occurs in such a tunnel and is not detected, the CO and opacitysensors used for normal ventilation will automatically put maximum fresh air blowing intooperation whilst the proper measure is to reduce or stop fresh air and start smoke extraction.Such systems are currently used in many countries.

VI.3.1.2 Existing Experience

New and more effective automatic fire detection systems have been developed in the last years.Experiences show that they will detect most fires. Most detectors in use are based on heat andrate of heat increase. When calibrated, this type of system gives few false alarms. Detectorsbased on smoke give signal very early but have more false alarms because of smoke exhaustfrom diesel vehicles. Many countries are sceptical regarding the use of automatic fire detectionsystems and feel that false alarms would be a major problem. To study this problem, and toevaluate different tests on newly-developed systems, a questionnaire was distributed to themember countries. The following countries have answered the questionnaire: Austria, Belgium,Denmark, France, Germany, Japan, Italy, the Netherlands, Norway, Switzerland, UnitedKingdom, and United States.

AustriaAll tunnels with a length more than 1500 m are equipped with a fire detection system. Usually alinear heat detection is installed.

Experiences in Austria showed that a combination of fire detection and CCTV system is veryuseful. In case of false alarms of the detection system, it can be checked by the CCTV system.

BelgiumTwo tunnels (Liefkenshoek and Tijsmans) are equipped with fire detectors. The detectors arepoint detectors that detect abnormal temperature variations. Only tunnels that are designed tocarry dangerous goods have detectors. The detectors alert the police to take the necessaryactions.

DenmarkThe Guldborgsund Tunnel has fire detectors located in the ceiling every 10 m. The system is ofa temperature-activated type. Alarms will cause a closing of the tunnel and the fire departmentwill be alerted. Fire detectors are not considered as important as fire alarms which can beactivated from emergency panels in the tunnels and emergency calls from motorists in thetunnels using mobile telephones.

FranceNo tunnel in France is equipped with fire detection systems. Today fires are detected by COand opacity metres that automatically switch on the highest ventilation regime once smokereaches them. Fires are also detected by closed circuit television (CCTV) if any and byemergency telephones.

PIARC •••• 209 •••• 05.05.B - 1999

La France prévoit d’utiliser les détecteurs d’incendie dans des tunnels à ventilation semi-transversale qui ne sont pas surveillés 24 heures sur 24. Si des incendies sont détectés dansces tunnels, le système actuel souffle de l’air frais par le plafond et déstratifie la fumée. L’usagede détecteurs d’incendie est également envisagé dans des tunnels empruntés par destransports de marchandises dangereuses, spécialement si ce sont de longs tunnels à deuxvoies. Les détecteurs d’incendie localiseront l’incendie de telle façon que l’ouverturetélécommandée des bouches adéquates d’aspiration de la fumée soit activée.

Les systèmes de détection d’incendie doivent déclencher immédiatement le système dedésenfumage. Si le tunnel est surveillé, le personnel sera alerté par le système. Si le tunneln’est pas surveillé, les détecteurs devront déclencher la fermeture du tunnel et l’alerte despompiers.

AllemagneLes alarmes automatiques d’incendie sont utilisées dans tous les tunnels de plus de 350 m. Lesdétecteurs doivent pouvoir détecter la combustion de 20 litres d’essence.

ItalieEn Italie, certains tunnels possèdent des détecteurs d’incendie. Les tunnels sont équipés d’uncâble à résistance variable. Ce système est utilisé dans le tunnel du Fréjus et dans des tunnelssur la M5 et la M24. Les détecteurs d’incendie sont installés dans les longs tunnels à deuxvoies et dans les tunnels à deux voies plus courts, mais avec une circulation intense. Il estimportant que le système déclenche une séquence préprogrammée de ventilation.

Un système de détection par fibre optique a été testé dans une station souterraine de cheminde fer à Genoa-Principe.

JaponAu Japon, on utilise des détecteurs de flamme. Ils détectent une combustion à partir decaractéristiques de distribution spectrale et de fréquence variable qui sont typiques d’uneflamme. Les détecteurs sont utilisés dans tous les tunnels de plus de 10 000 m et dans destunnels plus courts à forte circulation. Lorsque les détecteurs sont activés, les exploitantsferment le tunnel, alertent le personnel et les pompiers, passent le système de ventilation enmode incendie et indiquent l’itinéraire d’évacuation aux usagers. Toutes les installations sonttestées avec un incendie de 0,5 m² d’essence dans un bac ouvert.

NorvègeAucun tunnel n’est équipé de détecteurs d’incendie ; ces équipements sont jugés trop coûteuxcompte tenu du faible volume de circulation dans les tunnels. Un système de détectiond’incendie est en cours d’évaluation pour le nouveau tunnel de Laerdal de 24 km.

SuisseLes tunnels longs sont équipés de détecteurs linéaires d’incendie. Le tableau 6.3.1 donne lesrésultats d’une étude portant sur six types de détecteurs d’incendie. L’essai a été conduit dansle tunnel de Mosi en Suisse (1992). Les huit tests ont couvert différentes superficies d’incendie,avec de l’alcool et de l’essence comme combustible.

AIPCR •••• 210 •••• 05.05.B - 1999

France contemplates using fire detectors in semi-transverse tunnels that are not manned 24hours a day. If fires are detected in such tunnels, today the system will start blowing fresh airfrom the ceiling and delayering the smoke. Fire detectors are also contemplated in tunnels withdangerous goods, especially if they are two-way long tunnels. The fire detectors will locate thefire so that the appropriate remote-controlled smoke openings can be activated.

Fire detection systems should start the smoke control system immediately. If the tunnel ismanned, the system should alert the personnel. If the tunnel is not manned, the detectorsshould close the tunnel and alert the fire brigade.

GermanyAutomatic fire alarms are required in all tunnels longer than 350 metres. Detectors must be ableto detect fire of 20 litres of petrol.

ItalySome tunnels in Italy have fire detectors. The tunnels are equipped with a cable with variableresistance. This system is used in the Frejus tunnel and tunnels on M5 and M24. Fire detectorsare installed in long two-way tunnels and shorter two-way tunnels with heavy traffic. It isimportant that the system activates a pre-set ventilation strategy.

The Italian railroads have tested an fibre optic detection system in the underground railwaystation in Genoa-Principe.

JapanIn Japan flame detectors are used. The detectors detect burning from the variable frequencyand spectral distribution characteristics that are typical of a flame. Detectors are required in alltunnels longer than 10000 m and in shorter tunnels with heavy traffic. When the detectors areactivated, the tunnel operators close the tunnel, alert the tunnel staff and the fire department,activate the ventilation system on fire mode and designate the evacuation route for people inthe tunnel. All installations are tested by using a 0.5 m² gasoline fire in an open pan.

NorwayNo tunnel has fire detectors. These systems have not been considered because of their highcost and the low traffic volume in tunnels. A system of fire detectors is being evaluated for thenew 24 km long Laerdal tunnel.

SwitzerlandLong tunnels are equipped with linear fire detectors. Table 6.3.1 shows the results from a test ofsix different types of fire detection systems. The test was made in the Mositunnel in Switzerland(1992). The eight tests cover different fire areas and include both alcohol and petrol as the firesource.

PIARC •••• 211 •••• 05.05.B - 1999

Tableau 6.3.1 - Tests sur détecteurs d’incendie dans le tunnel de Mosi (Suisse) :temps (mn/s) avant l’alarme dans des essais avec alcool (Alc) et essence

ESSAI no 7 8 9 10 11 12 13 14Combustible Alc Alc Alc Alc Essence Essence Essence Essence

Superficie de l’incendie(m²)

1 2 3 4 2 0,6 1 2

Détecteur ponctuelde température- pré-alarme 1:35 1:25 0:69 1:02 0:63 1:03 0:43 0:26- alarme – 5:15 1:68 1:61 0:53 – 1:33 0:33Détecteur de chaleurpar câble coaxial

– – – – 0:34 – 1:44 0:22

Capteur linéairede température

– 5:18 4:09 1:35 * 1:50 1:21 0:40

Câble linéairede détection de fumée

– 4:51 – 4:52 0:02 0:03 0:02 0:03

Capteur à fibre optique 3:34 4:50 1:10 1:08 0:42 1:05 0:52 0:33

* Les détecteurs étaient encore chauds de l’essai précédent.

Royaume-Uni / Pays-BasDans ces pays, il n’y a pas de détecteurs d’incendie dans les tunnels. En raison du coût dessystèmes de détection d’incendie et de leur manque de fiabilité, la surveillance vidéo en circuitfermé, les équipements de contrôle de la visibilité et les capteurs de trafic sont utilisés encombinaison pour détecter les incidents.

États-UnisLa détection d’incendie dans les tunnels routiers utilise un certain nombre d’équipements :surveillance vidéo en circuit fermé, capteurs de trafic et détecteurs d’incendie. Les capteurs detrafic identifient les modifications de la circulation, la vidéo en circuit fermé est ensuite utiliséepour vérifier un incident. Lorsque des détecteurs d’incendie sont utilisés, il s’agit de détecteurslinéaires.

VI.3.1.3 Recommandations

Un certain nombre de systèmes de détection d’incendie sont disponibles : détecteurs dechaleur (température et vitesse d’augmentation), de fumées, de flammes. De plus, il existe desdétecteurs ponctuels de chaleur et des détecteurs linéaires, ce dernier type étant préférable.Des questions se posent pour l’utilisation des détecteurs d’incendie vis-à-vis des faussesalarmes et des alarmes tardives. Ces dernières sont liées au temps nécessaire à un incendie àbord d’un véhicule pour avoir un impact sur l’environnement du tunnel.

Les systèmes de détection d’incendie peuvent être utiles dans les tunnels qui sont de grandelongueur, de configuration complexe, et plus spécialement lorsque le transit de marchandisesdangereuses y est autorisé, ou lorsque qu’il nécessaire de connaître de façon précise l’endroitoù l’incendie s’est déclaré. Les détecteurs sont également très utiles dans les tunnels nonsurveillés pourvus d’une ventilation transversale ou semi-transversale.

Les détecteurs d’incendie demandent un entretien régulier.

AIPCR •••• 212 •••• 05.05.B - 1999

Table 6.3.1 - Fire detector tests in the Mositunnel (Switzerland):time (mn:s) before alarm from tests with alcohol (Alc) and petrol fires

TEST no 7 8 9 10 11 12 13 14Fire source Alc Alc Alc Alc Petrol Petrol Petrol PetrolFire area(m²)

1 2 3 4 2 0.6 1 2

Temperature pointdetector- pre alarm 1:35 1:25 0:69 1:02 0:63 1:03 0:43 0:26- alarm – 5:15 1:68 1:61 0:53 – 1:33 0:33Coaxial heatdetector cable

– – – – 0:34 – 1:44 0:22

Linear temperaturesensor

– 5:18 4:09 1:35 * 1:50 1:21 0:40

Linear smokedetector cable

– 4:51 – 4:52 0:02 0:03 0:02 0:03

Optic fibre sensor 3:34 4:50 1:10 1:08 0:42 1:05 0:52 0:33

*Detectors were warm from previous test.

United Kingdom / NetherlandsThere are no fire detectors in tunnels in these countries. Due to the unreliable and expensivenature of fire detection systems, a combination of CCTV, visibility monitoring equipment andtraffic detectors are used to indicate when incidents have occurred.

United StatesFire detection in road tunnels utilises a number of systems including CCTV, traffic detectors andfire detectors. The traffic detectors identify the change in traffic flow; the CCTV is then used toverify an incident. Where fire detectors are employed, the linear type is used.

VI.3.1.3 Recommendations

There are a number of fire detection systems available. These include detectors of heat(temperature and rate of rise), smoke, and flame. In addition, there are spot and linear heatdetectors, the latter being preferable. There are concerns regarding the use of fire detectorsrelated to false alarms and delayed alarms. The delayed alarms relate to the time required for afire in the interior of a vehicle to have an impact on the tunnel environment.

Fire detection systems can be useful in tunnels that are long or complicated, especially whendangerous goods are allowed or when it is necessary to precisely determine the location of thefire. Detectors can also be helpful in unmanned tunnels with transverse or semi-transverseventilation.

Fire detectors in tunnels must be maintained on a regular basis.

PIARC •••• 213 •••• 05.05.B - 1999

De façon alternative, un système de détection automatique d'incident peut être utilisé pourdétecter rapidement un incendie. La détection automatique d'incident est de plus en plussouvent mise en œuvre dans les tunnels importants (de par leur circulation, leur longueur ou àcause de risques particuliers). Les installations récentes utilisent généralement les caméras detélévision du tunnel et un système de traitement dédié pour détecter les véhicules arrêtés, unecirculation ralentie, etc. Si une surveillance humaine de la télévision est assurée enpermanence, de tels systèmes assurent une détection indirecte très rapide des incendies : levéhicule qui brûle est détecté comme un incident de circulation dès qu'il s'arrête, la caméra detélévision est automatiquement montrée au centre de contrôle, et l'opérateur peut alorsfacilement reconnaître l'incendie.

VI.3.2 Extincteurs

VI.3.2.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Congrès de Vienne, 1979 [26]

Des extincteurs portables doivent être disponibles. De petits incendies sont généralementcirconscrits à l’aide d’extincteurs à main. A mesure que l’incendie augmente, la lutte devientinégale avec des extincteurs. Les flammes peuvent être éteintes, mais la température del’essence n’est pas suffisamment réduite. L’évaporation qui s’ensuit dégage des vapeurs, quipeuvent être charriées par un courant d’air longitudinal et propagées en différents endroits dutunnel.

Congrès de Sydney, 1983 [27]

Les extincteurs sont jugés très utiles pour les incendies de petits véhicules. Il faut cependantmentionner qu’avec une ventilation longitudinale, l’effet de la poudre peut être réduit car elle estentraînée par le courant d’air. Pour les automobilistes, l’extincteur portable représente lepremier équipement de lutte contre l’incendie. L’enlèvement d’un extincteur de son support doitprovoquer une alarme sonore au centre de contrôle. Cette alarme a deux objectifs : signaler levol éventuel d'un extincteur et signaler l'utilisation d'un extincteur pour un incendie.

Congrès de Bruxelles, 1987 [19]

La taille d’un incendie est toujours limitée au départ ; il peut alors être facilement circonscrit.C’est pourquoi une intervention rapide est de la plus haute importance. Les extincteurs sont lemeilleur moyen de maîtriser un incendie dès le départ.

L’expérience a montré que les usagers eux-mêmes savent utiliser un extincteur de manièreefficace. Deux extincteurs contenant 6 kg de poudre sont normalement installés dans chaqueniche de secours. Il faut s’assurer qu’un extincteur vide n’a pas été replacé sur son support.Seul le personnel d’exploitation du tunnel est autorisé à remplacer un extincteur vide par unplein. L'enlèvement d’un extincteur doit produire la transmission d’une alarme à la salle decontrôle.

Rapport AIPCR, 1995 [96]

Les extincteurs sont nécessaires, mais dans de nombreux pays, ils font souvent l’objet de vols,même dans les tunnels sous surveillance vidéo.

AIPCR •••• 214 •••• 05.05.B - 1999

An effective automatic incident detection system can be used as an alternative way to detectfires quickly. Automatic incident detection is more and more often implemented in importanttunnels (i.e. with high traffic, or length, or special risks). State-of-the-art equipment generallyuses the CCTV cameras and a devoted data-processing system to detect stopped vehicles,slow traffic, etc. If round the clock CCTV human surveillance is available, such systems ensurea very fast indirect detection of fires: the burning vehicle is detected as a traffic incident as soonas it stops, the corresponding CCTV camera is automatically displayed at the control center,and the operator can then recognise the fire easily.

VI.3.2 Fire extinguishers

VI.3.2.1 Previous work by PIARC

Vienna 1979 Congress [26]

Portable fire extinguishers should be provided. Small fires are usually dealt with by the handextinguisher. As the fire increases in size, fire-fighting with extinguishers becomes doubtful. Theflames may well be stopped but the temperature of the petrol is not sufficiently reduced. Fumesare given off by subsequent evaporation. They can be carried by a longitudinal airflow andexpelled at different points in the tunnel.

Sydney 1983 Congress [27]

Fire extinguishers are considered very useful in small car fires. It is, however, mentioned thatwith longitudinal ventilation the effect of the powder can be reduced because the powder iscarried away by the air stream. The portable fire extinguisher is the first aid fire-fightingequipment available to the motorists. Removal of the extinguisher from its support should soundan alarm in the central monitoring facility. This alarm serves two purposes, signalling thepotential theft of an extinguisher and signalling the use of an extinguisher on a fire.

Brussels 1987 Congress [19]

The size of a fire is always limited at the beginning with and while it is small it can easily beextinguished. Thus rapid intervention is most important. Fire extinguishers are the mostappropriate means for bringing a fire under control when it begins.

Experience has shown that even tunnel users know how to make an effective use of fireextinguishers. Two 6 kg powder fire extinguishers are normally installed in each emergencyrecess. Facilities must be provided to ensure that an empty fire extinguisher is not replaced inits holder. Only the tunnel operating personnel are allowed to fit a full fire extinguisher to itsholder in place of an empty one. The removal of an extinguisher should result in thetransmission of an alarm signal to the control room.

PIARC Report 1995 [96]

Fire extinguishers are necessary, but in many countries they are frequently stolen even intunnels with CCTV control.

PIARC •••• 215 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.2.2 Expérience existante

AutricheDeux extincteurs (6 kg) sont installés dans chaque niche de secours.

FranceDeux extincteurs (6 kg de poudre) sont installés dans les niches de secours tous les 200 m pourles tunnels de plus de 200 m (ou de plus de 500 m si le trafic est très faible).

AllemagneDes extincteurs (6 kg) sont installés dans chaque niche de sécurité dans tous les tunnels delongueur supérieure à 350 m. Lorsqu’un extincteur est retiré, une alarme se déclenche.

JaponTous les tunnels de plus de 1 000 m doivent être munis d’extincteurs. La distance standardentre les extincteurs est de 50 m. Chaque jeu d’extincteur est composé de deux extincteurs etest combiné à un poteau d’incendie.

Pays-BasDeux extincteurs à poudre (9 kg) sont placés tous les 50 m de chaque côté de la chaussée.

NorvègeTous les tunnels doivent être dotés d’extincteurs, situés dans des niches tous les 150 m.L’enlèvement d’un extincteur provoque une alarme.

Royaume-UniDans tous les tunnels, des coffrets de sécurité, situés à intervalles réguliers de 50 m,contiennent deux extincteurs de 3 kg de poudre sèche ou de 9 l de mousse AFFF, et 45 m detuyau de 19 mm de diamètre interne.

États-UnisDes extincteurs portables doivent être prévus dans les tunnels de 240 m ou plus. Des niches enpiédroit bien indiquées, distantes de moins de 90 m les unes des autres, doivent contenir aumoins un extincteur multifonctions de 9 kg de chaque côté du tunnel.

VI.3.2.3 Recommandations

Puisque la plupart des incendies de véhicule commencent par un feu de petite taille qui peutêtre facilement éteint à l’aide d’un extincteur portable, des extincteurs doivent absolument êtredisponibles dans les tunnels routiers. Les extincteurs portables doivent être situés dans descoffrets ou des niches très bien signalés à intervalles réguliers.

AIPCR •••• 216 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.2.2 Existing experience

AustriaTwo fire extinguishers (6 kg) are installed at all emergency call niches.

FranceTwo fire extinguishers (6 kg of powder) are installed in safety recesses every 200 m in tunnelslonger than 200 m (or longer than 500 m if the traffic is very low).

GermanyFire extinguishers (6 kg) are installed at everyemergency station in all tunnels longer than 350m. An alarm flashes when an extinguisher isremoved.

JapanAll tunnels over 1000 m must have fireextinguishers. Standard spacing for fireextinguishers is 50 m. Each fire extinguisher boxshould include two extinguishers and becombined with hydrant.

NetherlandsTwo powder extinguishers (9 kg) are providedevery 50 m on each side of the roadway.

NorwayFire extinguishers are required in all tunnels,located every 150 m in booths. Removal ofextinguishers should give alarm.

United KingdomFor all tunnels, emergency panels at about 50 mregular intervals contain 2 x 3 kg dry powderextinguishers or 9 litre AFFF foam, and 45 mhose of 19 mm internal diameter.

United StatesPortable fire extinguishers are required in tunnels of 240 m long or more. Each location musthave at least one 9 kg multipurpose fire extinguisher placed on both sides of the tunnel in well-marked cabinets at spacing of not more than 90 m.

VI.3.2.3 Recommendations

Since most vehicle fires start as a small fire which can be readily extinguished with a portablefire extinguisher, extinguishers should be provided in road tunnels. The portable fireextinguishers should be located in conspicuously marked boxes or recesses at uniformlyspaced intervals.

Photo 6.5 Photo 6.5A fire extinguisher box Coffret d’extincteurswith a push button fire alarm avec un bouton-poussoirin a tunnel in Japan dans un tunnel au Japon

PIARC •••• 217 •••• 05.05.B - 1999

L’enlèvement d’un extincteur de son support doit provoquer une alarme au centre de contrôle.

Les extincteurs doivent avoir une contenance minimale de 6 kg (lorsque la circulation estsurtout composée de véhicules particuliers) et une contenance maximale de 9 kg (lorsqu'il y ade nombreux poids lourds). Ils doivent pouvoir éteindre des incendies d’origines diverses :équipements électriques, graisses, liquides.

VI.3.3 Alimentation en eau

VI.3.3.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Congrès de Vienne, 1979 [26]

Des poteaux d’incendie avec des dérouleurs de tuyaux doivent être installés de façonpermanente à intervalles réguliers.

Congrès de Sydney, 1983 [27]

Les poteaux d’incendie doivent être reliés à une conduite d’eau ou à des citernes d’eau légère(une émulsion qui produit de la mousse recouvrant l’incendie et qui permet à l’eau qui se trouveen dessous de refroidir l’objet en combustion). La longueur de tuyau doit correspondre à ladistance séparant les poteaux. Les tuyaux peuvent être placés sur des dérouleurs dans lesniches de sécurité ou stockés ailleurs. Des véhicules spécialement équipés pour la lutte contrel’incendie, à l’usage de l’exploitant du tunnel, doivent être stationnés à côté du tunnel.

Congrès de Bruxelles, 1987 [19]

Les poteaux d’incendie doivent être situés dans les niches de sécurité ou à leur proximité. Ilsdoivent fournir de l’eau sous pression (1 000 à 1 200 l/mn à 0,6 MPa). La canalisation amenantl’eau doit être protégée contre le gel. L’eau doit être amenée à partir des deux têtes du tunnel.

Les poteaux ne doivent être utilisés que par l’exploitant du tunnel ou les pompiers. Ils peuventégalement servir à des travaux de nettoyage.

Un tuyau souple peut être fixé au poteau (tuyau permanent). La longueur d’un tel tuyau nedevra pas être inférieure à la distance d’un poteau à l’autre, de telle manière qu’il soit possiblede combattre un incendie à n’importe quel endroit du tunnel : durant l’incendie dans le tunnel deVelsen, un poteau situé en face de l’incendie n’a pu être utilisé.

Réciproquement, les poteaux peuvent ne pas être munis de tuyau à demeure et, dans ce cas,l’exploitant du tunnel ou les pompiers doivent, en cas d’incendie, fixer manuellement auxpoteaux un tuyau de longueur appropriée.

AIPCR •••• 218 •••• 05.05.B - 1999

The removal of a fire extinguisher from its holder should result in an alarm transmission to acentral monitored location.

The fire extinguishers should have a minimum content of 6 kg (when the traffic includes mainlypassenger cars) and a maximum of 9 kg (when heavy goods vehicles are numerous). Theyshould be rated for liquid, grease and electrical equipment fires.

VI.3.3 Water supply

VI.3.3.1 Previous work by PIARC

Vienna 1979 Congress [26]

Permanently installed wall hydrants with hose reels located at intervals should be provided.

Sydney 1983 Congress [27]

Hydrants are connected to the water main or to tanks of light water (an emulsion whichproduces a foam to cover the fire and enables the water underneath to cool the burning object).The hose length should cover the distance between hydrants. Hoses may be located on reels inthe emergency recesses or stored elsewhere. Specially equipped vehicles, including firefighting equipment, for use by tunnel operator may be provided at the tunnel site.

Brussels 1987 Congress [19]

Fire hydrants should be provided in the emergency recesses or in the vicinity of such recesses.They should be supplied with water under pressure (1000-1200 l/min at 0.6 MPa). The pipecarrying the water must be protected against freezing conditions. The water should be suppliedfrom both ends of the tunnel.

Fire hydrants should be used only by tunnel operators or fire station personnel. They can alsobe used for cleaning operation.

A flexible hose can be attached to the fire hydrant (permanent fire hose point). The length ofsuch a pipe should not be less than the distance from one fire hydrant to the next one so that itwould be possible to deal with a fire at all points along the tunnel: during the fire in the Velsentunnel, a hydrant located opposite to the fire could not be used.

Conversely, the fire hydrants may not be provided with permanently attached pipe and in thiscase the tunnel operator or fire station personnel must manually attach suitable type of pipes ofappropriate length to the hydrants when dealing with a fire.

PIARC •••• 219 •••• 05.05.B - 1999

Rapport AIPCR, 1995 [96]

Un accès à l’eau est nécessaire pour refroidir les véhicules après que l’incendie aura étécirconscrit. En effet, il faut éviter un nouvel incendie ou une explosion et il faut nettoyer leslieux. Les manières de fournir l’eau sont très nombreuses ; certains pompiers préfèrent uneciterne plutôt que des poteaux. Les poteaux et les canalisations d'eau peuvent représenter unproblème dans des tunnels soumis à des conditions hivernales rigoureuses.

VI.3.3.2 Expérience existante

Les pays interrogés possèdent différentes règles d’approvisionnement en eau dans les tunnels.

AutricheTous les tunnels d’une longueur supérieure à 1 000 m doivent avoir un système séparéd'alimentation en eau. Les normes autrichiennes fixent un débit de 1 200 l/mn et une pressioncomprise entre 0,6 MPa et 1,2 MPa. La quantité d’eau disponible doit être suffisante pour unpompage de 1 200 l/mn pendant une heure.

FrancePour les tunnels supérieurs à 200 m, il est recommandé que des poteaux d’incendie, installéstous les 200 m, soient capables de fournir de l’eau à raison de 1 000 l/mn à une pression de 0,6MPa. Si le tunnel est en pente, des variations en pression sont tolérées, entre 0,4 et 0,8 MPa.Les tuyaux ne sont pas disponibles dans les tunnels : ils sont apportés par les pompiers.

AllemagneTous les tunnels de plus de 1 050 m sont dotés d'alimentation en eau. Les normes allemandesfixent un débit de 1 200 l/mn et une pression comprise entre 0,6 MPa et 1 MPa.

JaponL’approvisionnement en eau est exigé pour des tunnels de plus de 1 000 m et pour des tunnelsplus courts mais à trafic élevé.

NorvègeDes conduites d’eau dans les tunnels sont installées en liaison avec les pompiers pour lestunnels supportant un trafic moyen journalier supérieur à 2 500 véhicules. D’autres solutionssont proposées : des poteaux d’incendie sont placés aux têtes du tunnel ou bien les pompiersont à leur disposition une citerne d’eau de 5 à 10 m3. Le débit est généralement de 1 200 l/mn àune pression de 0,5 MPa. Les poteaux doivent être placés à une interdistance d’environ 150 m.Les tuyaux font partie de l’équipement des pompiers et ne sont pas en permanence dans letunnel.

SuisseLes normes suisses fixent une pression de 0,6 MPa et un débit de 1 200 l/mn.

Royaume-UniPour tous les tunnels, des poteaux d’incendie sont installés à l’intérieur ou à l’extérieur destêtes. Pour les tunnels de plus de 300 m, il peut également y avoir des poteaux répartis dans letunnel à intervalles réguliers.

AIPCR •••• 220 •••• 05.05.B - 1999

PIARC Report 1995 [96]

Access to water is necessary to cool the vehicles after the fire is extinguished to prevent thestart of a new fire, to avoid an explosion and to clean up after a fire. How the water supply isarranged may vary; some fire brigades prefer a water tank instead of hydrants. Hydrants andwater mains can be a problem in tunnels with severe winter conditions.

VI.3.3.2 Existing experience

The countries polled have different rules concerning water supply in tunnels.

AustriaIn Austria all tunnels longer than 1000 m should have a separate water supply. Austrianstandards call for 1200 l/min and a pressure of not less than 0.6 MPa and not greater than 1.2MPa. Sufficient water shall be available for one hour when pumping at 1200 l/min.

FranceFor tunnels longer than 200 m, it is recommended that, every 200 m, fire hydrants be providedwith water under a pressure of 0.6 MPa and that they be capable of supplying water at a rate of1000 l/min. Variations in the water pressure between 0.4 and 0.8 MPa are acceptable if thetunnel has a slope. Hoses are not provided in the tunnels: they are brought by the fire brigade.

GermanyAll tunnels longer than 1050 m have water supply. German standards call for a rate of supply of1200 l/min and a pressure of not less than 0.6 MPa and not more than 1 MPa.

JapanWater supply is required in all tunnels over 10000 m and in shorter tunnels with heavy traffic.

NorwayWater mains through tunnels are evaluated with the fire brigade for tunnels with an averagedaily traffic higher than 2500. As an alternative to water mains through tunnels, hydrants havebeen placed at the portals or the fire brigade have been given a water tank of 5-10 m³. The flowrate of the water supply is usually 1200 l/min at a pressure of 0.5 MPa. Hydrants should beplaced with a distance of about 150 m. Hoses should be an equipment for the fire brigade andnot placed permanently in the tunnel.

SwitzerlandSwiss standards call for a pressure of 0.6 MPa and a rate of 1200 l/min.

United KingdomHydrants are normally provided either inside or outside of tunnel portal area for all tunnels.Tunnels longer than 300 m may have hydrants located at intervals within the tunnel.

PIARC •••• 221 •••• 05.05.B - 1999

Pays-BasDes poteaux d'incendie et des tuyaux installés en permanence et alimentés en mousse AFFFsont prévus sur le piédroit gauche tous les 50 m.

États-UnisTous les tunnels routiers de plus de 90 m doivent avoir une canalisation fixe d'alimentation eneau avec un poteau tous les 85 m. Ces systèmes de canalisations fixes sont conçus pourfournir 960 l/mn (16 l/s) à une pression résiduelle minimale de 0,45 MPa à la valve de tuyau laplus éloignée. Les canalisations peuvent être sèches ou humides.

VI.3.3.3 Recommandations

Il est recommandé que tous les tunnels routiers d’une longueur suffisante (200 à 1 000 m selonles cas) soient dotés d’une canalisation d'alimentation en eau sur toute la longueur du tunnel.Cette canalisation doit avoir un débit minimum de 1 000 l/mn à 0,5 MPa. Les canalisationspeuvent être sèches ou humides. Les poteaux doivent être placés à une interdistance de 100 à200 m.

VI.3.4 Systèmes d'extinction automatique (sprinklers)

VI.3.4.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Congrès de Sydney, 1983 [27]

Les dispositifs d’arrosage (systèmes d'extinction automatique) sont fixés au plafond ou sur lespiédroits ; ils sont destinés à refroidir instantanément la source d’un incendie dès qu’il sedéclare. Ils doivent pouvoir déverser de grandes quantités d’eau ou de mousse. Ceux installésdans les immeubles sont moins bien adaptés aux tunnels que ceux utilisés dans les hangarsd’aviation.

Les dispositifs d’arrosage présentent certaines difficultés :

• l’eau peut disperser le carburant en feu ;• le contact de l’eau avec certains matériaux peut provoquer des réactions

dangereuses ;• la vapeur produite peut réduire la visibilité ;• même si les flammes sont éteintes, les parties métalliques des véhicules ne

refroidissent pas rapidement ;• l’essence continue à s’évaporer et peut dégénérer en mélange explosif ;• les surfaces chaudes peuvent enflammer l’essence vaporisée ou le GPL.

En raison de ces facteurs défavorables, et même dangereux, l’installation de dispositifsd’arrosage n’est pas recommandée dans les tunnels routiers.

Congrès de Bruxelles, 1987 [19]

Les dispositifs d’arrosage sont installés le long du plafond ou des parois du tunnel. Ils sontconçus pour déverser une certaine quantité d’eau ou de mousse.

AIPCR •••• 222 •••• 05.05.B - 1999

NetherlandsHydrants and permanently installed water hoses with AFFF foam are provided at the left handwall every 50 m.

United StatesAll road tunnels longer than 90 m are recommended to have a water supply standpipe withhydrants spaced at 85 m. These standpipe systems are to be designed to provide 960 l/min (16l/s) at a minimum residual pressure of 0.45 MPa at the most remote hose valve connection.Standpipe systems may be wet or dry.

VI.3.3.3 Recommendations

It is recommended that all road tunnels of sufficient length (200 to 1000 m according to thecase) be provided with a water supply standpipe installed through the length of the tunnel. Thisstandpipe should have a minimum capacity of 1000 l/min at 0.5 MPa. The standpipes can beeither wet or dry. Hydrants should be placed at a spacing of 100 to 200 m.

VI.3.4 Sprinklers

VI.3.4.1 Previous work by PIARC

Sydney 1983 congress [27]

Sprinklers are fixed to the ceiling or the walls and are intended to cool the source immediatelywhen a fire starts. They must therefore be capable of discharging large quantities of water orfoam. The types installed in buildings are less suitable than those used in aircraft hangars.

The following problems with sprinkler systems are noted:

• water can disperse burning petrol;• with some materials, contact with water can produce dangerous reactions;

• the steam which is produced can reduce visibility;• even if the flames are extinguished, the metal in the vehicle does not cool quickly;

• petrol continues to vaporise and may produce an explosive mixture;• hot surfaces may ignite vaporising petrol or LPG gas.

In view of these adverse and even dangerous factors the installation of sprinklers is notrecommended in road tunnels.

Brussels 1987 Congress [19]

Sprinklers are installed along the roof or walls of the tunnel. They are designed to distribute acertain quantity of water or foam.

PIARC •••• 223 •••• 05.05.B - 1999

Cependant, en l'état des connaissances actuelles, l’utilisation de dispositifs d’arrosage dans lestunnels routiers n’est pas recommandée car :

• l’eau peut provoquer la dispersion de liquides combustibles sur une grande étendue ;

• l’eau peut occasionner des réactions dangereuses lorsqu’elle entre en contact aveccertains produits ;

• même si les flammes sont éteintes, les parties métalliques des véhicules nerefroidissent pas rapidement et les produits inflammables peuvent continuer àproduire des gaz, créant ainsi des mélanges explosifs ;

• l’eau (ou la mousse) qui est déversée, comme dans le cas d'un incendie de citerned'essence, peut ne pas suffire pour éteindre l’incendie d’un véhicule transportant unegrande quantité de carburant.

Congrès de Montréal, 1995 [17]

Aucun pays européen n’utilise des dispositifs d’arrosage de façon régulière. Au Japon, ils sontutilisés dans les tunnels de grande longueur ou à fort trafic, pour refroidir les véhicules en feu.

Les dispositifs d’arrosage ne sont généralement pas recommandés pour les raisons suivantes :

• l’entretien peut être coûteux,

• ils sont difficiles à manœuvrer manuellement,

• leur efficacité est faible sur les incendies à l’intérieur des véhicules,

• l’eau peut provoquer une explosion en présence d’essence et d’autres substanceschimiques si on ne lui ajoute pas des additifs appropriés,

• la vapeur d’eau peut blesser les personnes,

• la visibilité est réduite,

• la couche de fumée est refroidie et déstratifiée, si bien qu’elle peut recouvrirl’ensemble du tunnel,

• par conséquent, les dispositifs d’arrosage ne doivent pas être utilisés dans la zoned’incendie avant que toutes les personnes en aient été évacuées.

VI.3.4.2 Expérience existante

Un questionnaire sur l’utilisation des dispositifs d’arrosage (systèmes d'extinction automatique)a été envoyé aux pays membres. Les pays suivants ont répondu : Belgique, Danemark, France,Italie, Japon, Pays-Bas, Norvège, Suède, Royaume-Uni, États-Unis.

BelgiqueIl n’y a pas de dispositifs d’arrosage dans les tunnels.

DanemarkAucun tunnel n’est équipé de dispositif d’arrosage.

AIPCR •••• 224 •••• 05.05.B - 1999

Given our present knowledge of the subject, however, the use of sprinkler systems in roadtunnels is not recommended for the following reasons:

• the water can result in the dispersion of burning liquids over a large surface area;

• water can cause dangerous reactions when it comes into contact with certainproducts;

• even if the flames are extinguished, the metal parts of vehicles do not cool veryquickly and inflammable products can continue to give off gases leading to thepresence of explosive mixtures;

• the water (or foam) that is distributed may, as in the case of a petrol tanker fire, beinsufficient to extinguish the fire on a vehicle carrying a large quantity of fuel.

Montreal 1995 congress [17]

No European country uses sprinklers on a regular basis. In Japan, sprinklers are used intunnels with important length or traffic to cool down vehicles on fire.

Sprinklers are normally not recommended in road tunnels for the following reasons:

• maintenance can be costly,

• sprinklers are difficult to handle manually,

• the efficiency is low for fires inside vehicles,

• water can cause explosion in petrol and other chemical substances if not combinedwith appropriate additives,

• vaporised steam can hurt people,

• visibility is reduced,

• the smoke layer is cooled down and de-stratified, so that it may cover the wholetunnel,

• as a consequence, sprinklers must not be used in the fire area before all people havebeen evacuated.

VI.3.4.2 Existing experience

A questionnaire dealing with the use of sprinklers was distributed to the member countries. Thefollowing countries have answered: Belgium, Denmark, France, Italy, Japan, the Netherlands,Norway, Sweden, United Kingdom, United States.

BelgiumNo sprinklers are installed in road tunnels.

DenmarkNo tunnels are equipped with sprinklers.

PIARC •••• 225 •••• 05.05.B - 1999

FranceA ce jour, aucun tunnel n’est équipé de dispositif d’arrosage. Le seul argument pouvant modifiercette position serait la preuve que ces dispositifs peuvent sauver des vies. Or, jusque là, rienn’a été démontré. En France, la ventilation longitudinale est utilisée dans la plupart des tunnelsunidirectionnels. Le flux d’air protège alors de la fumée les usagers bloqués derrière l’incendie.Dans les tunnels à ventilation transversale ou semi-transversale réversible, la fumée estaspirée par des ouvertures au plafond ou en haut des piédroits. Dans ce cas, les dispositifsd’arrosage refroidiraient la fumée qui serait déstratifiée.

La France craint également les problèmes d’entretien causés par ces dispositifs.

ItalieAucun tunnel n’est équipé de dispositif d’arrosage.

JaponLes dispositifs d’arrosage sont préconisés pour tous les tunnels de plus de 10 000 m et pourceux de plus de 3 000 m qui supportent un fort trafic.

Au Japon, 82 tunnels sont équipés de dispositifs d’arrosage. Ils déversent généralement del’eau et sont constamment sous pression. Cependant, ils sont difficiles à gérer et la vaporisationd’eau peut rabaisser la fumée dans le tunnel. Avant d’enclencher l’arrosage, le personnel dutunnel doit s’assurer qu’il n’y a plus personne dans la zone concernée. Parfois, la visibilité est simauvaise qu’il est difficile d’être sûr que la zone est dégagée. Les principales raisons d’utiliserces dispositifs sont d’abaisser la température dans le tunnel, protéger la structure du tunnel etfournir de meilleures conditions pour l’évacuation.

Pays-BasLes dispositifs d’arrosage ne sont pas utilisés aux Pays-Bas, car leurs inconvénients sont plusnombreux que leurs avantages. De plus, les coûts d’installation et d’entretien sont élevés.

Mais le facteur qui joue le plus en leur défaveur est que leur fonction d’extinction estincontrôlable. Puisque le système est soit en marche, soit arrêté, la quantité d’eau déversée nepeut être régulée. Dans le cas d’un incendie provoqué par un liquide, cela peut aboutir à unesituation délicate quant à la propagation éventuelle de l’incendie.

NorvègeEn Norvège, deux tunnels sont équipés de dispositifs d’arrosage. Dans les deux cas, ils utilisentde l’eau et sont maintenus secs en raison du gel en hiver. Dans le tunnel de Vålreng (800 m,TMJA 37 000, deux tubes), ces dispositifs sont conçus pour arroser le revêtement du tunnel(polyuréthanne). Il y a eu des problèmes de fuites. Dans le tunnel de Fløyfjell (3,2 km, TMJA 26000, deux tubes), les pompiers ont proposé deux solutions aux autorités routières : recouvrir lerevêtement en éthaphome avec du béton projeté ou installer un dispositif d’arrosage. Elles ontchoisi la seconde solution, mais ont rencontré des problèmes de gel. Récemment, sur unepériode de six mois, le système d’arrosage a provoqué 70 fausses alertes.

Dans les directives norvégiennes, les dispositifs d’arrosage ne font pas partie des équipementsexigés pour les tunnels.

AIPCR •••• 226 •••• 05.05.B - 1999

FranceThere are no tunnels with sprinklers in France today. The only reason to change this policywould be if sprinklers could be proven to save lives. So far this has not been proven. In Francelongitudinal ventilation is used in most unidirectional tunnels. The airflow will then protect theusers jammed behind the fire from smoke. In tunnels with transverse or reversible semi-transverse ventilation, smoke is extracted through openings in the ceiling or at the top ofsidewalks. In this case sprinklers would cool the smoke so that it would not remain stratified.

France also notes that they would be afraid to depend on the sprinkler because of possiblemaintenance problems.

ItalyNo tunnels in Italy are equipped with sprinklers.

JapanSprinklers are required in all tunnels of length greater than 10000 m and in shorter tunnels(longer than 3000 m) if heavy traffic.

In Japan there are 82 tunnels equipped with sprinkler systems. The sprinklers normally usewater, and are standing with water under pressure. Sprinklers are, however, difficult to manageand the water spray causes the smoke to drop down in the tunnel. Before starting the sprinklersthe tunnel staff must be certain that there are no people in the water shower area. Sometimesthe visibility in the tunnel is so bad that it is difficult to be sure that no one is in the area. Themain reasons to use sprinklers are to lower the temperature inside the tunnel, protect the tunnelstructure and make the conditions for escaping persons more suitable.

NetherlandsSprinkler systems are not applied in tunnels in the Netherlands. The disadvantages of sprinklersystems are greater than the advantages. In addition the installation and maintenance costs arehigh.

The most important reason for not using sprinkler systems is that the extinguishing function isnot controllable. Since the system is either on or off the amount of water dispensed cannot beregulated. In the case of a liquid fire, this can result in undesirable situations regarding potentialspread of the fire.

NorwayIn Norway two tunnels are equipped with sprinklers. In both cases the sprinklers are kept drybecause of temperatures below zero during winter. Both systems use water. In the Vålrengtunnel (800 m, AADT 37000, two tubes) the sprinklers are designed to spray on the liningmaterial (polyurethane). There have been problems with leakage in the system. In the Fløyfjelltunnel (3.2 km, AADT 26000, two tubes) the Fire Department gave the road authorities twoalternatives, to cover the ethaphome lining with shotcrete or to sprinkle the tunnel. The roadauthorities decided to install sprinklers. There have been problems with freezing water in thesystem. During a recent six-month period there have been 70 false alarms registered from thesprinkler systems.

Sprinklers are not mentioned in the Norwegian guidelines for required tunnel equipment.

PIARC •••• 227 •••• 05.05.B - 1999

SuèdeA ce jour, des dispositifs d’arrosage ne sont utilisés que dans le tunnel de Tegelbacken.L’installation n’a servi qu’une seule fois et a bien fonctionné. Même avec un dispositifd’arrosage, le transit de marchandises dangereuses n’est pas autorisé dans ce tunnel. Cesdispositifs, actionnés par des détecteurs de chaleur, déversent l’eau en pluie diluvienne. Aucunproblème particulier d’entretien n’a été signalé.

Royaume-UniIl n’y a pas de dispositifs d’arrosage dans les tunnels.

États-UnisDe manière générale, il n’y a pas de tels dispositifs dans les tunnels routiers aux États-Unis.Cependant, des systèmes à mousse sont actuellement installés dans les tunnels de CANA, Mt.Baker Ridge et Mercer Island car il est prévu que le transit des marchandises dangereuses ysoit autorisé.

VI.3.4.3 Recommandations

Aucun pays européen n’utilise régulièrement de dispositifs d’arrosage (systèmes d'extinctionautomatique). Des dispositifs d’arrosage ont été utilisés dans certains tunnels, en Europe, dansdes buts particuliers. Au Japon, les dispositifs d’arrosage sont utilisés dans les tunnels degrande longueur ou à fort trafic pour refroidir les véhicules en feu. Aux États-Unis, seulsquelques tunnels autorisés aux marchandises dangereuses sont dotés d’un certain type desprinkler. La raison pour laquelle la plupart des pays n’utilise pas ces dispositifs dans lestunnels est que la majorité des incendies prennent naissance dans un compartiment fermé etque les dispositifs d’arrosage ne sont d’aucune utilité tant que l’incendie y reste confiné. Ilspeuvent cependant être utilisés pour refroidir les véhicules, empêcher le feu de se propager auxautres véhicules (c’est-à-dire réduire la zone d’incendie et les dommages provoqués sur lesbiens) ou pour stopper des incendies secondaires dans les tunnels à revêtement en matièreplastique. L’expérience du Japon montre que les dispositifs d’arrosage sont efficaces pourrefroidir la zone autour du foyer et rendre ainsi plus efficaces les opérations de lutte contre lefeu.

Cependant, l’usage des dispositifs d’arrosage pose un certain nombre de difficultés qui peuventêtre résumées comme suit :

• l’eau peut provoquer une explosion en présence d’essence et d’autres substanceschimiques si on ne lui ajoute pas des additifs appropriés,

• un risque existe que le feu soit éteint, mais que des gaz inflammables soient produitset provoquent une explosion,

• la vapeur d’eau peut blesser les personnes,• leur efficacité est faible sur les incendies à l’intérieur des véhicules,• la couche de fumée est refroidie et déstratifiée, si bien qu’elle peut recouvrir

l’ensemble du tunnel,• l’entretien peut être coûteux,• les dispositifs d’arrosage sont difficiles à manœuvrer manuellement,• la visibilité est réduite.

Par conséquent, les dispositifs d’arrosage ne doivent pas être utilisés dans la zone d’incendieavant que toutes les personnes en aient été évacuées.

AIPCR •••• 228 •••• 05.05.B - 1999

SwedenToday sprinklers are only used in the Tegelbacken tunnel. The installation has been used once,and performed well that time. Even if sprinklers are installed, no dangerous goods are allowedthrough the tunnel. The sprinklers use water and are of a deluge type that is activated by heatdetectors. There have been no special maintenance problems.

United KingdomThere are no sprinklers in tunnels within the United Kingdom.

United StatesIn general there are no sprinklers in road tunnels in the United States; currently, however, thereare foam suppression systems installed in the CANA, Mt. Baker Ridge and Mercer IslandTunnel due to the proposed authorised transport of hazardous goods through these tunnels.

VI.3.4.3 Recommendations

No European country uses sprinklers on a regular basis. In some tunnels in Europe sprinklershave been used for special purposes. In Japan sprinklers are used in tunnels with importantlength or traffic to cool down vehicles on fire. In the United States only a few tunnels carryinghazardous cargo have some form of sprinkler. The reason why most countries do not usesprinklers in tunnels is that most fires start in the motor room or in the compartment, andsprinklers are of no use till the fire is open. Sprinklers can be used, however, to cool downvehicles, to stop the fire from spreading to other vehicles (i.e. to diminish the fire area andproperty damage) and to stop secondary fires in lining materials. Experiences from Japan showthat sprinklers are effective in cooling down the area round the fire, so that fire fighting can bemore effective.

However, the use of sprinklers raises a number of problems which are summarised in thefollowing points:

• water can cause explosion in petrol and other chemical substances if not combinedwith appropriate additives,

• there is a risk that the fire is extinguished but flammable gases are still produced andmay cause an explosion,

• vaporised steam can hurt people,• the efficiency is low for fires inside vehicles,• the smoke layer is cooled down and de-stratified, so that it will cover the whole

tunnel,• maintenance can be costly,• sprinklers are difficult to handle manually,• visibility is reduced.

As a consequence, sprinklers must not be started before all people have evacuated.

PIARC •••• 229 •••• 05.05.B - 1999

Les dispositifs d’arrosage ne peuvent donc être considérés comme des équipements utiles poursauver des vies. Ils peuvent seulement servir à protéger le tunnel après l’évacuation. En netenant compte que de ce facteur économique (protection des biens et non sécurité), lesdispositifs d’arrosage ne sont généralement pas considérés comme rentables et ne sont pasrecommandés dans les tunnels courants.

Cependant, ils peuvent être utilisés, lorsque nécessaire, dans les salles annexes aux tunnels etdans d’autres installations.

VI.3.5 Téléphones de secours et boutons-poussoirs d'alarme

VI.3.5.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Congrès de Vienne, 1979 [26]

Dans les grands tunnels, des réseaux d’appel d’urgence et des alarmes incendie sontfréquemment installés.

Congrès de Sydney, 1983 [27]

Bien que très fiables, les téléphones sont rarement utilisés car les conducteurs essaient de sedépanner par leurs propres moyens et les incidents sont la plupart du temps détectés par latélévision.

Pour être utilisés, ces équipements doivent être attrayants. Ils doivent donc être bien entretenuset, si possible, encastrés dans un boîtier imperméable et hermétique à la poussière.

Tout comme la télévision, le téléphone est une pièce essentielle des équipements de sécuritédans un tunnel ; des téléphones doivent, à tout le moins, être installés aux entrées.

Congrès de Bruxelles, 1987 [19]

Lorsque l'utilisation de boutons-poussoirs d’alarme est envisagée, il est recommandé de n’eninstaller qu’un seul ; en effet, lorsque plusieurs sont disponibles avec des significationsdifférentes, de nombreuses personnes ont tendance à appuyer soit sur le mauvais bouton, soitsur tous à la fois.

Dans les tunnels à circulation bidirectionnelle, les téléphones d’urgence doivent être placés envis-à-vis sur les parois. Dans le cas de circulation unidirectionnelle, les téléphones sont fixésseulement du côté des arrêts d’urgence, c’est-à-dire sur la paroi adjacente à la voie réservée autrafic lent. Les téléphones d’urgence ne doivent pas se trouver à l’entrée ou à la sortie : despostes d’urgence doivent plutôt se trouver à l’extérieur du tunnel. Les téléphones d’urgence àl’intérieur du tunnel doivent être installés dans des cabines insonorisées ou dans des niches desecours éclairées et correctement signalées. L’ouverture de la porte de la niche doit provoquerun flash de couleur jaune au-dessus de la niche.

AIPCR •••• 230 •••• 05.05.B - 1999

Based on these facts, sprinklers cannot be considered as an equipment useful to save lives.They can only be used to protect the tunnel once evacuation is completed. Taking into accountthis exclusively economic aim (protection of property and not safety), sprinklers are generallynot considered as cost-effective and are not recommended in usual road tunnels.

However, sprinklers can be used in ancillary rooms in tunnels and other tunnel facilities, whereappropriate.

VI.3.5 Emergency telephones and push button alarms

VI.3.5.1 Previous work by PIARC

Vienna 1979 Congress [26]

In long tunnels, emergency call network and fire alarms are usually provided.

Sydney 1983 Congress [27]

Although very reliable, telephones are not much used because drivers try to help themselvesand are usually detected by television.

If it is to be used, the equipment must appear attractive. It must therefore be kept clean, and ifpossible enclosed in a water and dust tight box.

Like television, the telephone is an essential item of safety equipment in a tunnel; as a minimumtelephones should be provided at the tunnel portals.

Brussels 1987 Congress [19]

When alarm push buttons are installed, it is recommended to use one button only becausewhen several are provided with different meanings, many people push the wrong button or allbuttons.

In two-way traffic tunnels the emergency telephones should be placed on the tunnel wallsopposite one another. With one-way traffic the telephones are provided on the side ofemergency stops only, that is on the tunnel wall adjacent to the slow traffic lane. Emergencytelephones should not be in the entrance or exit zones: emergency posts should be providedoutside the tunnel instead. Emergency telephones inside tunnels should be installed in soundproof cabins or in illuminated and clearly designed emergency recesses. The opening of thedoor to the telephone recess should result in the flashing of a yellow light above the recess.

PIARC •••• 231 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.5.2 Expérience existante

Dans les tunnels routiers, la plupart des pays utilisent des téléphones d’urgence, et souvent desboutons-poussoirs d’alarme.

AutricheDes boutons-poussoirs d’alarme d’incendie sont requis à chaque point de secours et à chaquetête. Des équipements d’appel d’urgence doivent être installés dans les tunnels de plus de 500m de long à des intervalles compris entre 250 et 500 m.

FranceDans tous les tunnels de plus de 200 m (500 m si le trafic est très faible), des téléphonesd’urgence doivent être installés tous les 200 m.

JaponDes boutons-poussoirs d’alarme et des téléphones d’urgence sont prévus dans les tunnels deplus de 500 m et dans les tunnels plus courts à circulation dense.

Pays-BasDes téléphones d’urgence sont installés tous les 50 m des deux côtés de la chaussée.

NorvègeDes téléphones d’urgence sont prévus dans les tunnels supérieurs à 7 500 m et dans lestunnels plus courts à circulation dense.

SuèdeDes téléphones d’urgence sont installés dans tous les tunnels, des boutons-poussoirs d’alarmedans certains seulement.

SuisseDes téléphones de secours sont installés dans des niches espacées de 150 m.

Royaume-UniTous les tunnels sont dotés de téléphones d’urgence à intervalles de 50 m dans des garages etaux têtes sur la route d'accès.

États-UnisTous les tunnels routiers de plus de 240 m doivent posséder des systèmes d’alarme et decommunication de secours.

VI.3.5.3 Recommandations

Il est recommandé que tous les tunnels routiers, à partir d’une certaine longueur ou d’un certaintrafic, soient équipés d’un système de téléphones d’urgence le long du tunnel. Les boutons-poussoirs d’alarme sont facultatifs.

AIPCR •••• 232 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.5.2 Existing experience

Most countries use emergency telephone, and often push button alarms, in road tunnels.

AustriaFire push button alarms are required at every emergency point and at all tunnel portals.Emergency call devices should be installed in all tunnels longer than 500 m at intervals between250 m and 500 m.

FranceIn all tunnels longer than 200 m (500 m of the traffic is very low), emergency telephones areinstalled and spaced at 200 m intervals.

JapanPush button alarms and emergency telephones areinstalled in all road tunnels longer than 500 m and inshorter tunnels with heavy traffic.

NetherlandsEmergency telephones are spaced at 50 m on bothsides of roadway.

NorwayEmergency telephones are provided in all tunnels over7500 m and in shorter tunnels with heavy traffic.

SwedenEmergency telephones are provided in all tunnels and push button alarms in some tunnels.

SwitzerlandSOS telephones are installed in booths spaced every 150 m.

United KingdomAll tunnels have emergency telephones at 50 m intervals in lay-bys and at tunnel portals on theapproach road.

United StatesAll road tunnels longer than 240 m are recommended to have emergency communications andalarm systems.

VI.3.5.3 Recommendations

It is recommended that all road tunnels with a sufficient length or traffic be equipped with asystem of emergency telephones located through the length of the tunnel. Push button alarmsare optional.

Figure 6.6 - SOS station Figure 6.6 - Station de secoursincluding telephone comprenant un téléphoneand extinguisher et un extincteurin a tunnel in Norway dans un tunnel norvégien

PIARC •••• 233 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.6 Réseaux de surveillance par télévision

VI.3.6.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Congrès de Vienne, 1979 [26]

La télévision en circuit fermé est particulièrement utile pour détecter un incendie ; elle peut êtrecomplétée par des équipements tels qu’une alarme activée par l’enlèvement d’un extincteur, oud’autres dispositifs.

Congrès de Sydney, 1983 [27]

La télévision en circuit fermé permet une surveillance continue de la circulation, une détectionrapide de toutes les anomalies et une vérification de l’efficacité de toutes les dispositions prisespour améliorer la sécurité. Elle est reconnue comme l’équipement le plus utile dansl’exploitation des tunnels, et est le seul qui puisse donner une idée précise de la situation d’unincendie.

Les caméras doivent répondre à certaines caractéristiques :

• les caméras directionnelles munies de lentilles de 200 mm doivent être placées auxentrées ;

• à l’intérieur du tunnel, la distance entre caméras dépend de la stratégie retenue etdes caractéristiques du tunnel : il peut être approprié d’avoir une vision de toute salongueur ou seulement des endroits à risque (virage, bifurcation)

• pour une appréciation générale de la circulation, un espacement de 200 m suffit ;• pour avoir une vue plus détaillée des véhicules et même des conducteurs en difficulté

sur le trottoir, les caméras ne doivent pas être espacées de plus de 150 à 200 m ;• l'emplacement des caméras doit permettre une surveillance visuelle des points

d’urgence.

Congrès de Bruxelles, 1987 [19]

La télévision en circuit fermé est un dispositif très efficace pour observer les conditions decirculation liées à une urgence incendie.

Pour une bonne couverture du tunnel, l’espacement entre les caméras doit être de 150 à 200 m.Les caméras situées en dehors du tunnel (routes d’accès, plates-formes, stations de péage,entrées et sorties) doivent être équipées d’un zoom et doivent pouvoir être actionnées danstoutes les directions.

Congrès de Montréal, 1995 [17]

Le réseau de télévision doit couvrir la totalité du tunnel. L’usage de caméras et d’écranscouleurs permet de détecter très rapidement un incendie.

AIPCR •••• 234 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.6 Closed circuit television (CCTV)

VI.3.6.1 Previous work by PIARC

Vienna 1979 Congress [26]

Closed circuit television is particularly useful for fire detection and it may be complemented byequipment such as alarm activated by removal of a fire extinguisher and other devices.

Sydney 1983 Congress [27]

CCTV will give a continuous surveillance of the traffic flow, a rapid detection of all trafficabnormalities and a verification of the effectiveness of all actions taken to improve safety. CCTVis recommended as the most useful equipment in tunnel operations, and is the only one thatgives an accurate idea of a possible fire situation.

Some characteristics were given about cameras:

• cameras which are directional and fitted with 200 mm lenses should be installed atthe portals;

• inside the tunnel the distance between cameras depends on the strategy adopted,and on the character of the tunnel: it may be appropriate to have vision throughout itslength or merely at potential trouble spots (curves, bifurcation);

• for a general appreciation of the traffic, a spacing of more than 200 m will suffice;• for a detailed view of cars and perhaps drivers in difficulty on a footway, the spacing

should be no more than 150 m to 200 m;• the sitting of the cameras should permit visual surveillance of the emergency points.

Brussels 1987 Congress [19]

Closed circuit television is a very effective facility for observing traffic conditions as related to afire emergency.

The spacing between the closed circuit television cameras should be 150-200 m for the bestcoverage of the tunnel. Television cameras located outside the tunnel (access roads, platform,toll stations, entries and exits ) should be fitted with a zoom lens and with the means for pointingthe camera in any direction.

Montreal 1995 Congress [17]

The television network must cover the whole tunnel. The use of colour cameras and monitorsallows a fire to be detected very quickly.

PIARC •••• 235 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.6.2 Expérience existante

Les systèmes de télévision en circuit fermé sont principalement utilisés dans les tunnels urbainsou dans d’autres tunnels importants où les centres d’exploitation ou de contrôle sont ouverts24h sur 24. De telles installations sont onéreuses car elles doivent être surveillées enpermanence. Cependant, elles sont très utiles en cas d’accident, d’incendie ou d’un autreincident. Lorsqu’un système de télévision en circuit fermé est installé et fonctionne enpermanence, tous les incidents survenant dans le tunnel peuvent ainsi être contrôlés. Dans lesautres tunnels, de nombreux incidents passent inaperçus. Cela peut provoquer des situationsdangereuses, par exemple lorsque des usagers commencent à marcher dans le tunnel.

AutricheDes directives rendent obligatoires la télévision en circuit fermé dans les tunnels de plus de 1500 m ayant un centre de contrôle.

FrancePour juger de la nécessité d'un système de télévision en circuit fermé, une étude est menée, quitient compte, entre autres, de la longueur du tunnel, du trafic, du type d’itinéraire et du moded’exploitation.

AllemagneUn circuit de télévision est facultatif dans les tunnels de plus de 1 050 m. Les caméras doiventêtre placées à intervalles de 100 à 300 m.

JaponLa télévision en circuit fermé doit être installée dans les tunnels supérieurs à 3 000 m de long etdans les tunnels plus courts avec une circulation dense. Dans les tunnels à deux voies, lescaméras doivent être espacées de 200 m.

Pays-BasLa télévision en circuit fermé est obligatoire.

NorvègeUn circuit de télévision est facultatif dans les tunnels recevant un trafic moyen journalier de 10000 et plus, et dans les tunnels de plus de 2 500 m.

SuèdeUne étude est faite pour déterminer si un circuit de télévision est nécessaire.

Royaume-UniLa télévision en circuit fermé est installée dans tous les tunnels en tant que partie intégrante del’équipement de surveillance des incidents. Elle couvre 100 % de l’intérieur du tunnel et lesroutes d’accès.

États-UnisLes systèmes de détection doivent inclure des caméras de télévision et la surveillance de lacirculation.

AIPCR •••• 236 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.6.2 Existing experience

CCTV systems are mainly used in tunnels in cities or other important tunnels where there areoperation or monitoring centres open 24 hours a day. Such systems are costly because theyhave to be watched permanently. However, they can be very helpful in case of accidents, firesand other incidents. When CCTV is installed and watched 24 hours a day, all incidents in thetunnel can be monitored. In other tunnels many incidents will be undetected. This may causedangerous situations in the tunnel, for instance when people start walking in the tunnel.

AustriaAustria has guidelines that make CCTV mandatory in all tunnels longer than 1500 m with astaffed control centre.

FranceThe need for CCTV in a tunnel is based on a study taking into account among other factorstunnel length, traffic, route type and operation mode.

GermanyCCTV is optional in tunnels over 1050 m in length. Camera spacing is 100 to 300 m.

JapanCCTV should be installed for all tunnels beyond 3000 m in length and in shorter tunnels withheavy traffic. Spacing is 200 m in two-lane tunnels.

NetherlandsCCTV is required.

NorwayCCTV is optional in tunnels with an average daily traffic of 10000 and more, and in tunnelslonger than 2500 m with a lower traffic.

SwedenAn analysis is required to determine if there is a need for CCTV.

United KingdomCCTV is installed in all tunnels as part of the incident monitoring equipment. It ensures a 100%coverage of the tunnel interior and approach roads.

United StatesDetection systems should include TV cameras with traffic monitoring.

PIARC •••• 237 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.6.3 Recommandations

Il est recommandé que tous les grands tunnels routiers, qu’ils soient surveillés en permanenceou partiellement, soient dotés d’un réseau de surveillance par télévision couvrant l’intérieur dutunnel et ses têtes. Toute la longueur du tunnel doit être couverte, ce qui permet la détectionrapide et la vérification de tout incident de circulation et, plus spécialement, des incendies.

VI.3.7 Haut-parleurs

VI.3.7.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Congrès de Vienne, 1979 [26]

Les haut-parleurs sont généralement prévus dans les grands tunnels pour donner desinstructions aux automobilistes.

Congrès de Sydney, 1983 [27]

L’utilisation des haut-parleurs doit être envisagée pour conseiller un automobiliste en pannerepéré par téléphone. Les haut-parleurs ne peuvent fournir des informations que lorsque leconducteur se trouve en dehors de son véhicule, ou lorsque les vitres sont ouvertes. Il fautprévoir plus d’une langue. Les parois et le plafond du tunnel doivent être insonorisés par despanneaux d’absorption phonique. Il ne faut pas accorder une grande priorité aux haut-parleursdans les systèmes de sécurité. Ils doivent seulement être prévus si le tunnel est surveillé enpermanence et que fonctionne un système de télévision en circuit fermé.

Congrès de Bruxelles, 1987 [19]

Les haut-parleurs permettent à l'exploitant du tunnel de transmettre des informations et desinstructions à un usager ou à un groupe d’usagers. Selon les circonstances, les messagespeuvent être transmis au moyen d’un seul ou de plusieurs haut-parleurs. Les messagespeuvent également être préenregistrés sur bande magnétique.

Les haut-parleurs rencontrent cependant quelques limites ; ainsi, il faut prévoir les messagesen plusieurs langues si le tunnel peut être emprunté par des usagers de différentes nationalités.De plus, les conducteurs gardent souvent leurs vitres fermées. De fait, en raison d’unenvironnement bien plus bruyant qu’à l’extérieur du tunnel, on ne perçoit pas clairement lesmessages diffusés par les haut-parleurs.

De meilleurs résultats sont obtenus dans les tunnels insonorisés (panneaux d'absorptionphonique), mais même dans ce cas, il n’est pas toujours possible d’éviter des difficultés liées àla réflexion et aux perturbations des ondes sonores. L’importance d’un système de haut-parleurs pour la sécurité n’est pas insignifiante et des recherches sont en cours pour enaméliorer les performances, particulièrement sur la possibilité pour les automobilistesd’entendre à l’intérieur de leur véhicule.

AIPCR •••• 238 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.6.3 Recommendations

It is recommended that all important road tunnels that are manned full or part-time be providedwith closed circuit television coverage at the portals and inside the tunnel. The installationshould cover the whole tunnel length, which permits the rapid detection and verification of anytraffic incident, and especially fire emergencies.

VI.3.7 Loudspeakers

VI.3.7.1 Previous work by PIARC

Vienna 1979 Congress [26]

Loudspeakers are usually provided in long tunnels to give instructions to motorists.

Sydney 1983 Congress [27]

The use of loudspeakers should be considered to advise a stranded motorist located by atelephone. Loudspeakers will only give information to drivers outside their car, or when carwindows are open. More than one language should be provided. Walls and roof of tunnelshould be sound-proofed with absorbing panels. Loudspeakers are not given a high priority intunnel safety systems. Loudspeakers should only be considered if the tunnel is permanentlystaffed and there is an operating CCTV system.

Brussels 1987 Congress [19]

Loudspeakers enable a tunnel operator to transmit information and instructions to a tunnel useror a group of users. Depending on the circumstances, messages can be transmitted by meansof one or a number of loudspeakers. Also messages can be pre-recorded on a magnetic tape.

Loudspeaker installations do, however, have some limitations; thus the use of more than onelanguage is necessary in tunnels where the users can be of different nationalities. In addition tothis, drivers often proceed with all windows of their vehicle closed. Given an environment wherethe noise level is very much higher than it is outside the tunnel, the loudspeakers are not heardvery clearly.

Better results are obtained in tunnels where there has been some sound-proofing treatment(absorbing panels), but even in these cases it is not always possible to avoid difficulties due tothe reflection and interference of sound waves. The importance of a loudspeaker system withregard to safety is not insignificant and research is in progress with a view to improving theperformance of such a system, particularly as related to the ability of motorists to hear insidetheir vehicle.

PIARC •••• 239 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.7.2 Expérience existante

En matière de haut-parleurs, l’expérience varie selon les pays. Les Pays-Bas connaissent debons résultats, mais d’autres pays font état de difficultés avec les systèmes de haut-parleursdans les tunnels en raison de l’écho et du bruit provenant des véhicules et de la ventilation.

AutricheDe bons résultats ont été obtenus dans le tunnel de Bosvuck sur l’autoroute A9(Pyhrnautobahn).

FranceLes haut-parleurs ne sont pas recommandés en raison de leur inefficacité.

AllemagneLes haut-parleurs sont facultatifs dans les tunnels de plus de 1 050 m et sont habituellementutilisés dans les tunnels dotés d'un circuit fermé de télévision.

JaponLes haut-parleurs sont recommandés dans les tunnels de plus de 3 000 m et dans les tunnelsplus courts avec circulation intense.

Pays-BasOn y recommande les haut-parleurs. Ils sont utilisés en cas d'incident ou d'urgence.

SuèdeL’installation de haut-parleurs est conditionnée par une analyse spécifique.

Royaume-UniLes haut-parleurs ne sont pas conseillés en raison de leur inefficacité (écho, bruit desvéhicules, etc.). Pour le contrôle de la circulation sur les routes d’accès et à l’intérieur destunnels, on préfère utiliser les signaux visuels et les panneaux à messages variables.

États-UnisLes haut-parleurs ne sont pas utilisés dans les tunnels routiers.

VI.3.7.3 Recommandations

Un fort besoin existe en matière de fourniture d’informations aux usagers en cas d’urgencedans un tunnel. Cependant, les haut-parleurs ne sont en général pas recommandés dans lestunnels routiers à cause des difficultés suivantes :

• l’usage d’une seule langue peut être un problème pour les étrangers ;• la communication est normalement seulement possible dans les tunnels ayant reçu

un traitement acoustique ;• le bruit des véhicules et de la ventilation peut poser problème.

A partir du moment où ces difficultés sont résolues, il est possible d'utiliser des haut-parleurs.

AIPCR •••• 240 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.7.2 Existing experience

The experience with loudspeakers differs from country to country. The Netherlands have a goodexperience but other countries report problems with the loudspeaker systems in tunnelsbecause of echo-effect and noise from vehicles and ventilation systems.

AustriaThe Austrians refer to some good results obtained in the Bosvuck Tunnel on the A9 motorway(Pyhrnautobahn).

FranceLoudspeakers are considered as unadvisable because of their ineffectiveness.

GermanyIn Germany loudspeakers are optional in tunnels longer than 1050 m and are then usually usedin tunnels with CCTV.

JapanLoudspeakers are required in all tunnels longer than 3000 m and shorter tunnels with heavytraffic.

NetherlandsLoudspeakers are required. They are used in case of an incident or emergency.

SwedenLoudspeakers are optional in all tunnels based on a specific analysis.

United KingdomLoudspeakers are not the preferred option due to their ineffectiveness (echo, car noise, etc.).United Kingdom is looking at providing visual signs, variable message signs for controllingtraffic on approach roads and inside tunnels.

United StatesThere are no loudspeakers installed in road tunnels in the United States.

VI.3.7.3 Recommendations

There is a strong need to give information to people inside the tunnel in case of an emergency.However, loudspeakers are generally not recommended in road tunnels because of thefollowing problems:

• the use of a single language makes it difficult for foreigners;• communication is normally only possible in tunnels with acoustic treatment;

• the noise from the vehicles and fans can be a problem.

Whenever the above difficulties are overcome, it is possible to use loudspeakers.

PIARC •••• 241 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.8 Radiocommunications

VI.3.8.1 Travaux antérieurs de l’AIPCR

Congrès de Vienne, 1979 [26]

Dans les grands tunnels, les communications radio sont utilisées par le personnel du tunnel.

Congrès de Sydney, 1983 [27]

Il est tout à fait possible de fournir un système qui assure les retransmissions radio à l’intérieurd’un tunnel et la possibilité, pour le personnel de surveillance, de communiquer avec lesautomobilistes. Quelques limitations existent, notamment du point de vue linguistique,technique et légal.

Congrès de Bruxelles, 1987 [19]

Les signaux radio peuvent être fournis par des câbles émetteurs ou des antennes (tunnelscourts). Des panneaux peuvent informer les conducteurs sur les fréquences à écouter.

Rapport AIPCR 1995 [96]

Le premier objectif d’une retransmission des radiocommunications est la sécurité, le deuxièmeest d’accroître le confort de l’automobiliste. La diffusion radio dans le tunnel permettra àl’exploitant ou à l’équipe de secours de donner des instructions aux automobilistes lors d’uneurgence.

VI.3.8.2 Expérience existante

Les systèmes de radiocommunications sont utilisés dans les tunnels pour assurer lacommunication entre les services de secours et pour informer et alerter les conducteurs. De telssystèmes sont de plus en plus courants dans les grands tunnels en Europe. Pour lesautomobilistes, ils permettent de capter la radio à l’intérieur du tunnel et, parfois, d’utiliser lestéléphones mobiles ou cellulaires. Les exploitants du tunnel ont, eux, la possibilité detransmettre des messages aux conducteurs si leur radio est allumée. Pour les services desecours, il est très important de pouvoir communiquer avec leur QG ou le centre d’exploitation.

AutricheLes tunnels de plus de 1 000 m ou les tunnels à circulation dense doivent posséder unecommunication radio fournissant une réception permanente pour la chaîne d’information detrafic. Si possible, il doit y avoir le moyen de faire passer des messages aux conducteurs àpartir de la salle de contrôle.

AIPCR •••• 242 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.8 Radio communications

VI.3.8.1 Previous work by PIARC

Vienna 1979 Congress [26]

In long tunnels the radio communication is used between tunnel staff.

Sydney 1983 Congress [27]

It is feasible to provide a system which will ensure the retransmission of radio inside a tunneland the capability for control personnel to communicate with motorists. Some limitations existdue to language, technical and legal issues.

Brussels 1987 Congress [19]

Radio signals can be provided by radiating cables or antennas (short tunnels). Signs shouldprovide drivers with information regarding frequencies.

PIARC Report 1995 [96]

The first goal of radio rebroadcast is safety and the second goal is to increase the motoristscomfort. Radio rebroadcast in tunnels will enable the tunnel operator or the rescue team to giveinstructions to the motorists during an emergency.

VI.3.8.2 Existing experience

Radio communication systems are used in tunnels to ensure communication between rescueservices and to inform and alert drivers. Such systems are becoming more and more common inlong tunnels in Europe. For the motorists, these systems give radio coverage through tunnelsand sometimes a possibility to use cellular or mobile telephones. For the tunnel operators, suchsystems are useful to give messages to drivers if the car radio is on. For rescue services, it isvery important to be able to communicate with their head office or with the operation centre.

AustriaAll tunnels longer than 1000 m or tunnels with heavy traffic have radio communication providingcontinuous reception for the traffic information channel. If possible, a service that relaysmessages to drivers from the control room should be provided.

PIARC •••• 243 •••• 05.05.B - 1999

FranceDans les tunnels de plus de 800 m, il faut obligatoirement avoir un système permettant lescommunications entre tous les services d’urgence à l’intérieur du tunnel et avec leurs QG.Lorsque des stations radio grand public sont retransmises, il faut pouvoir les interrompre pourdiffuser des messages d’urgence, à condition qu'il existe un centre de contrôle avec présencehumaine.

AllemagneTous les tunnels de plus de 1 000 m doivent posséder leur système de radiocommunications.

JaponDes appareils de retransmission radio sont installés dans les tunnels de plus de 10 000 m danscertaines circonstances.

Pays-BasLes systèmes de retransmission radio sont recommandés.

NorvègeEn Norvège, les tunnels recevant un trafic moyen journalier annuel (TMJA) supérieur à 5 000 etles tunnels de plus de 2 500 m doivent être dotés de systèmes de radiocommunications.

Royaume-UniTous les tunnels sont munis d’installations de retransmission radio pour tous les services desecours. Rien n’est prévu pour les radios commerciales ou les téléphones mobiles, saufexception : les tunnels de Mersey sont équipés d'une retransmission pour téléphones mobiles.

États-UnisLa plupart des tunnels routiers américains sont équipés de systèmes de retransmission radio.

VI.3.8.3 Recommandations

Un système de radiocommunications est recommandé dans les tunnels importants (de grandelongueur ou à circulation dense). La première priorité est de permettre les communications desservices de secours et de l’exploitant. La retransmission des radios commerciales donne lapossibilité, en cas d’urgence, de transmettre des messages de sécurité aux automobilistes.Cependant, certaines difficultés doivent être prises en compte :

• l’usage d’une seule langue peut causer des problèmes aux étrangers ;• seuls les conducteurs dotés d’une radio et, parmi eux, seuls ceux qui l'ont allumée et

ont sélectionné les bonnes stations peuvent entendre les messages de sécurité ;• dans certains pays, l’utilisation de la radio sous cette forme peut présenter un

problème juridique.

AIPCR •••• 244 •••• 05.05.B - 1999

FranceIn tunnels longer than 800 m, a system is compulsory to ensure the communication of allemergency services inside the tunnel and with their headquarters. When radio channels arerebroadcast for the general public, it must be possible to interrupt them to give emergencymessages, provided that there is a manned control centre.

Germany: inGermany all tunnels

longer than about1000m have a radio

communi-cationsystem.

Japan: radiorebroadcast

apparatus is installedin tunnels longer than

10000 m in specialcircumstances.

Figure 6.7 - Equipment in a tunnelin France,including safety recesswith telephone and extinguishers(on the left) and radio leaky feeder(on the top of the right sidewall)

Figure 6.7 - Équipements d'un tunnel français,comprenant une niche de secours

avec téléphone et extincteurs (à gauche)et un câble de retransmission(en haut à droite du piédroit)

Norway: in Norway, tunnels with Average Annual Daily Traffic (AADT) over 5000 or tunnelslonger than 2500 m have radio communication systems.

United Kingdom: radio rebroadcast facilities for all emergency services are provided in alltunnels. There is no provision for commercial radio or mobile phones except in special cases,e.g. Mersey Tunnels have mobile phones transmitters.

United States: radio rebroadcast systems are installed in many road tunnels in the UnitedStates.

VI.3.8.3 Recommendations

A radio communication system is recommended in important tunnels (long or with much traffic).The first priority is to allow the communication of the emergency and operation services.Rebroadcasting commercial radios gives the opportunity to pass on safety messages to themotorists in case of an emergency. However, the following difficulties must be taken intoaccount:

• the use of a single language makes it difficult for foreigners;• only drivers who have a radio have switched it on and set to the proper channels can

listen to the safety messages;• in some countries the use of radio in this form may present a legal problem.

Netherlands:radio

rebroadcastsystems are

required.

PIARC •••• 245 •••• 05.05.B - 1999

VI.4 Besoins en rechercheLes dernières avancées en technologie de l’information et en électronique ouvrent grandes lesportes de l’amélioration de la sécurité dans les tunnels.

Des travaux en vue d’une détection toujours plus précoce des incidents sont d’un intérêt majeurpour la sécurité des tunnels. La détection des incendies est l’un des domaines où de plusamples connaissances sont nécessaires. Une idée séduisante serait d’utiliser l’analysed’images : à partir de la télévision en circuit fermé, des événements comme un incendie ou desfumées pourraient être évalués ; les exploitants et les pompiers pourraient ainsi être alertésbeaucoup plus rapidement.

Un autre besoin est de trouver de meilleurs moyens de communiquer avec les automobilistesen cas d’urgence et de leur faire savoir à quel moment ils doivent quitter leur véhicule, quelitinéraire d’évacuation ils doivent emprunter, etc.

Encore plus intéressante est la recherche en matière de comportement. Il nous faut mieuxconnaître les différents comportements des usagers lors d’une urgence :

• Comment les conducteurs et les passagers de voitures et d’autobus réagiront-ils encas d’incendie ou d’accident ?

• Tenteront-ils de s’échapper à pied ou essaieront-ils de fuir avec leur véhicule ?• S’ils choisissent de fuir à pied, utiliseront-ils les sorties de secours ou quitteront-ils le

tunnel par l’une de ses têtes ?• Dans la panique, penseront-ils à utiliser les abris (ou refuges) ?• Comment les exploitants du tunnel peuvent-ils les aider à atteindre l'air libre ou les

endroits sûrs du tunnel ?

Les réponses à certaines de ces questions doivent être trouvées pour rendre les tunnels aussisûrs que possible. Aujourd’hui, de nombreux pays investissent beaucoup pour accroître lasécurité dans les tunnels routiers, mais rien ne leur prouve que ces investissements sontrentables, ni qu’ils font le meilleur usage des moyens engagés.

Divers équipements et stratégies de secours ont été développés et utilisés en pratique. Unautre domaine intéressant de recherche serait de recueillir et d’évaluer les expériences en lamatière.

AIPCR •••• 246 •••• 05.05.B - 1999

VI.4 Need for research workNew developments in information technology and electronics provide great possibilities forenhancing safety in tunnels.

Work on early detection of incidents is of major interest for tunnel safety. Fire detection is one ofthese fields where further development is needed. A promising idea would be to use imageprocessing: from the CCTV, events like fire and smoke could be evaluated and early warningcould be given to tunnel operators and fire brigades.

Another need is to find better means to communicate with motorists during an emergency andlet them know whether they should leave their cars, which evacuation route they should use,etc.

Even more interesting is behavioural research. We need to know more about many aspects ofpeople behaviour during an emergency:

• How will drivers and passengers in cars and buses react to fires and other accidents?

• Will they evacuate the tunnel on foot or try to turn their car and drive out?• If on foot, will they use the emergency exits or walk in the tunnel towards the portal?

• Will people, often in panic, use shelters (or safety boxes)?• How can tunnel operators help them to reach the open or safe places in the tunnel?

These are some questions that should be answered to make tunnels as safe as possible. Todaymany countries invest large sums to increase the safety in road tunnels, but they are not surethat the investments have a favourable benefit/cost ratio and they make the best possible use ofthe money invested.

Different kinds of equipment and rescue strategies have been developed and used in practice.Another research field of great interest would be to collect and evaluate experiences with thesedifferent types of equipment and rescue strategies.

PIARC •••• 247 •••• 05.05.B - 1999

VII. REACTION ET RESISTANCE AU FEUDU TUNNEL

VII.1 IntroductionLes matériaux utilisés pour la construction des structures et des équipements d’un tunnel nedoivent, en cas d'exposition à un incendie, ni brûler, ni produire de grandes quantités de gazdangereux ou de fumée. Les structures doivent également ne pas s'effondrer alors que desusagers ou des pompiers sont à l’intérieur du tunnel. De plus, les principaux équipements desécurité doivent continuer à fonctionner jusqu’à ce que l’évacuation et la lutte contre l’incendiesoient terminées. Ces objectifs généraux sont caractérisés par la réaction au feu des matériauxet la résistance au feu des structures et des équipements :

• la réaction au feu d’un matériau est représentée par sa capacité à participer àl’incendie auquel il est soumis, y compris par sa propre décomposition (par exemple,combustion) ;

• la résistance au feu d’une structure ou d’un équipement caractérise sa capacité àcontinuer à remplir sa fonction en dépit du développement d'un incendie.

Le présent chapitre fournit des informations et des recommandations sur les deux sujets. Il estbien sûr intimement lié au chapitre II qui traite des incendies de dimensionnement.

Le concepteur d’un tunnel doit acquérir une connaissance des critères d’incendie à remplir parles structures et les équipements, pour pouvoir satisfaire aux exigences pratiques et desécurité. Ce chapitre peut également apporter des informations aux gestionnaires de tunnelsdans le domaine de l’entretien et de la maîtrise des grandes catastrophes. Enfin, les servicesde secours pourront aussi en tirer des informations intéressantes sur le comportement desstructures de génie civil et des équipements en cas d’incendie, et ajuster en conséquence leursméthodes de lutte contre les incendies.

La résistance au feu des ventilateurs utilisés pour la ventilation des tunnels a déjà été évoquéeau chapitre V (§ V.7.3 et V.8.4, et annexe au chapitre V).

VII.2 Travaux antérieurs de l’AIPCRDepuis longtemps, le Comité AIPCR des Tunnels routiers étudie les moyens de combattre lesincendies et de fournir aux usagers des itinéraires d’évacuation sûrs et clairement signalisés.Dans un premier temps, le Comité s’est plus particulièrement intéressé aux équipements desécurité et de lutte contre l’incendie ; depuis les années quatre-vingts, il a aussi étudié larésistance à l’incendie des structures et des installations, ainsi que l’utilisation de la ventilationpour maîtriser la chaleur et les fumées produites par un incendie [52].

Les rapports du Comité aux Congrès mondiaux de la Route contiennent de nombreusesrecommandations.

AIPCR •••• 248 •••• 05.05.B - 1999

VII. TUNNEL REACTION ANDRESISTANCE TO FIRE

VII.1 IntroductionThe materials used in the construction of the structure and equipment must not burn norproduce large quantities of dangerous gases and smoke if a fire occurs in a tunnel. In such anevent, the structures must not either collapse while users or firemen are inside the tunnel. Alsothe main safety equipment must go on working as long as evacuation and fire-fighting are notfinished. These general objectives are characterised by the reaction to fire of the materials andthe resistance to fire of the structures and equipment:

• the reaction to fire of a material characterises its ability to take part in a fire to which itis exposed, including by its own decomposition (e.g. combustion);

• the resistance to fire of a structure or a piece of equipment characterises its ability tokeep on fulfilling its function despite the development of a fire.

This section provides information and recommendations on both these subjects. It is of courselinked to the design fires studied under section II.

The designer of a tunnel should gain insight into the fire criteria to be fulfilled by civilengineering structures and equipment in order to comply with the safety and practicalrequirements. Tunnel managers too can gain information from this section in the area ofmaintenance and the control of major disasters. Finally, the emergency service departments willalso be able to obtain useful information on the behaviour of the civil engineering structure andthe equipment in the event of fire, and adjust their fire-fighting response accordingly.

The fire resistance of the fans used for tunnel ventilation are dealt with in section V (§ V.7.3 andV.8.4, and appendix to section V).

VII.2 Previous work by PIARCFor a long time the PIARC Committee on Road Tunnels has been engaged in means to fightfires and enable users to escape through safe and clearly indicated emergency routes. In theearly period, the Committee was more focused on the fire-fighting and safety equipment, whilefrom the eighties also the fire resistance of the structures and installations was considered, aswell as the use of the ventilation system to control the heat and smoke generated from a fire[52].

Most recommendations appear in the reports of the Committee to the successive World RoadCongresses.

PIARC •••• 249 •••• 05.05.B - 1999

XVe Congrès mondial de la Route, Mexico, 1975 [98]

La prévention et la lutte contre l’incendie sont étudiées. En plus de recommandations sur lesmoyens de protection des usagers, le rôle des responsables de tunnels durant un accident ouun incendie est également étudié.

XVIe Congrès mondial de la Route, Vienne, 1979 [26]

Dans le chapitre IV "Exploitation", on mentionne la résistance à l’incendie d’une structure :

• la température et sa variation dans le temps sont les seuls critères déterminants pourla résistance d’une structure à l’incendie ;

• pour la résistance au feu des éléments porteurs, les caractéristiques de résistancedes matériaux employés sont d’une importance décisive ; quelques exemples sontdonnés ;

• les résultats d'essais autrichiens sur de petits incendies sont présentés ;

• les températures dans les gaines d’air vicié sont prises en compte ;

• des recommandations sont données sur les éléments de construction, leséquipements électriques et mécaniques, et sur la détection et la lutte contre lesincendies.

XVIIe Congrès mondial de la Route, Sydney, 1983 [27]

Une attention particulière est portée à la prévention, la détection, la lutte et l’évacuation.Cependant, dans le chapitre V.2.6.2 "Protection du tunnel", un lien est établi entre le transportde marchandises dangereuses et l’accroissement du risque d’incendie. On recommande unrevêtement résistant au feu et un nombre plus important d’armatures pour réduire lesdommages causés par un incendie.

XVIIIe Congrès mondial de la Route, Bruxelles, 1987 [19]

Une conclusion intéressante est fournie dans ce rapport : “en réalité, dans les tunnels, toutconcourt à la sécurité". De plus, la recommandation suivante est faite : "Le même niveau desécurité doit donc être garanti pour les différentes structures et installations." Aucune autrerecommandation n’est donnée sur la résistance au feu des structures et des installations.

XIXe Congrès mondial de la Route, Marrakech, 1991 [18]

L’influence de la structure est démontrée à la fois dans les chapitres “Analyse des risques liésaux matières dangereuses” et “Exercices et essais d’incendie”. Aucune recommandationspécifique n’est donnée pour la résistance à l’incendie de la structure ou des installations.

XXe Congrès mondial de la Route, Montréal, 1995 [17]

Le chapitre IV.3.3 "Mesures pour limiter les conséquences d’un accident" (comprenant lesmarchandises dangereuses) contient de nombreuses recommandations, des mesures passiveset actives, sur la résistance à l’incendie des structures et installations. Le chapitre V.1 "Objectifsde la maîtrise des incendies et du désenfumage" décrit quelques types de structures etinstallations, et leur comportement lors d'un incendie.

AIPCR •••• 250 •••• 05.05.B - 1999

XVth World Road Congress, Mexico, 1975 [98]

The prevention and fighting of fire are considered. Besides recommendations on means ofprotection for the tunnel user, also the operations of the tunnel authorities during an accident orfire are examined.

XVIth World Road Congress, Vienna, 1979 [26]

In chapter IV "Operation", the structural fire resistance is mentioned:

• the temperature and its development is the only criterion for structural fire resistance;

• the temperature strength characteristics of the materials of the structural elementsare of decisive importance. Some examples are given;

• the results of an Austrian test with a small fire are shown;

• temperatures in the exhaust air duct are considered;

• recommendations for structural, electrical and mechanical equipment, fire detectionand fire-fighting are given.

XVIIth World Road Congress, Sydney, 1983 [27]

A lot of attention is given to fire prevention, detection, fighting and evacuation. However, inchapter V.2.6.2 "Protection of the tunnel itself" the relation between dangerous goods transportand the increased risk of fires is mentioned. A recommendation is given for a fire-resistant liningand an increased amount of reinforcement to reduce the damage generated by a fire.

XVIIIth World Road Congress, Brussels, 1987 [19]

An interesting conclusion is shown in this paper: "in practice everything in the tunnel cancontribute to safety". In addition the following recommendation is given: "Thus the same level ofsafety should be provided for the different structures and installations". No otherrecommendation on the fire resistance of the structures and installations is given.

XIXth World Road Congress, Marrakech, 1991 [18]

The link to the structure is recognised in both the chapters on "Analysis of the risk of hazardousmaterials" and "Fire tests and trial exercises". No specific recommendation is given on the fireresistance of the structure or installations.

XXth World Road Congress, Montreal, 1995 [17]

Chapter IV.3.3 "Provisions limiting the consequences of an accident" (involving dangerousgoods) contains various recommendations, passive and active provisions, on the fire resistanceof structures and installations. Chapter V.1 "Objectives of fire and smoke control" mentionscertain structure and installation items and their behaviour during a fire.

PIARC •••• 251 •••• 05.05.B - 1999

Article dans Routes/Roads, 1991 [51]

En outre, le Comité a publié en 1991 un article complet sur la protection des structures, descircuits électriques et des équipements. Il donne des informations sur les courbes température-temps les plus aptes à caractériser les incendies en tunnel (sujet traité dans le chapitre II duprésent rapport). Il recommande ensuite des objectifs de résistance au feu des structures selonle type de tunnel et les méthodes pour y parvenir. Des recommandations sont égalementdonnées sur la résistance au feu de l’alimentation électrique et de différents équipements.

VII.3 Réaction au feu des matériaux

VII.3.1 Généralités

Des conséquences très graves peuvent se produire si un matériau réagit de manièreinappropriée lors d’un incendie :

• la première, et la plus grave, est la propagation de l’incendie par le matériau en feu ;bien sûr, il n’est pas possible d’éviter tout dégât au tunnel à proximité d’un incendie ;il est cependant impératif d’éviter que les matériaux, en brûlant, ne propagent unincendie localisé vers une autre partie du tunnel ;

• une autre conséquence dangereuse est l’augmentation de la production de chaleurdue au matériau en combustion : les matériaux ne doivent pas produire une fortequantité de chaleur lorsqu’ils brûlent ;

• même si un matériau ne propage pas l’incendie, ni ne produit trop de chaleur, il peutgénérer des fumées dangereuses lorsqu’il brûle ou est exposé à la chaleur, et peutainsi faire peser des menaces sur les personnes présentes dans le tunnel, c’est-à-dire les usagers et les équipes de secours, sur la structure du tunnel (corrosionchimique) et sur l’environnement.

Les conséquences sur les personnes et la structure seront traitées dans les deux prochainsparagraphes. Celles sur l’environnement ne sont généralement pas prises en compte ; lesexigences en la matière sont en effet faibles, car un incendie est un événement rare, et il y apeu de différence pour l’environnement si l’incendie se déclare dans un tunnel ou à l’air libre.Les deux derniers paragraphes sont consacrés à des matériaux particuliers : matériaux dechaussée et peintures.

VII.3.2 Gaz de combustion dangereux pour l'être humain

Les gaz de combustion produits par un incendie ne peuvent être évités. Une cargaison dematériaux générant des produits dangereux lorsqu’ils brûlent est un risque supplémentaire encas d’incendie. Une telle situation ne peut être évitée. Le danger pour le public et le personneldes services de secours peut être réduit en prévoyant de bons itinéraires de secours permettantune évacuation rapide.

D'un autre côté, on peut parer le risque de production de substances dangereuses généréespar la combustion des matériaux utilisés pour la construction des tunnels. L’utilisation decertains matériaux, les matières plastiques en particulier, doit être considérée d’un œil critique.

AIPCR •••• 252 •••• 05.05.B - 1999

Article in Routes/Roads, 1991 [51]

Besides the aforementioned reports, a comprehensive article was published by the Committeein 1991 on the protection of structures, electrical circuits and equipment. It gives information onthe temperature-time curves best appropriate to characterise tunnel fires (dealt with in section IIof the present report). It then recommends fire resistance objectives for the structuresdepending on the type of tunnel, and methods to meet them. Recommendations are also givenon the fire resistance of power supply and various pieces of equipment.

VII.3 Fire reaction of materials

VII.3.1 General

Very prejudicial consequences may arise from the inappropriate reaction to fire of a tunnelmaterial:

• the first and worst one is the spreading of fire by the burning material: of course it isnot possible to avoid any damage to the tunnel in the vicinity of a serious fire,however, it is imperative that no tunnel material can burn in such a way that it bringsa local fire to other parts of the tunnel;

• another possible dangerous consequence is that the material combustion stronglyincreases the heat output of the fire: tunnel materials must not be able to produce asignificant amount of heat if they burn;

• even if the material does not spread the fire nor produce much heat, it may generatedangerous smoke when burning or strongly heated. This can raise several threats: tothe people present in the tunnel, i.e. evacuating users and rescue teams, to thetunnel structure by chemical corrosion, and to the environment.

The threats to people and the structure will be examined in the next two paragraphs. Theconsequences for the environment are generally not considered, because the correspondingrequirements are lower, taking into account that a fire is a rare and unwanted event and it doesnot make much difference for the environment if the same fire takes place in a tunnel ratherthan in the open. The last two paragraphs are devoted to particular materials: those used for theroad construction, and paints.

VII.3.2 Combustion gases dangerous for people

Combustion gases generated by a fire cannot be prevented. A cargo loaded with materialsgenerating harmful products when burning is an additional hazard when it is involved in a fire.Such a situation cannot be prevented. The danger to the public and the emergency servicepersonnel should be reduced by providing good escape routes enabling rapid evacuation.

On the other hand, the risk of hazardous substances being produced by the combustion of thematerials used in the tunnel construction can be prevented. The use of certain materials, andplastics in particular, must be looked at very critically.

PIARC •••• 253 •••• 05.05.B - 1999

En Norvège, par exemple, le polyuréthanne a été, jusqu’à fort récemment, utilisé commebarrière contre l’humidité dans les tunnels creusés dans la roche. Cependant, des essaisd’incendie ont montré que ce matériau présentait un risque inacceptable pour le public et lepersonnel des services de secours, car il produit des fumées toxiques.

A cet égard, il faut également prêter attention à l’application de matériaux de revêtement desparois pour l’architectonique, l’étanchéité ou l’éclairage. Les spécifications pour ces matériauxdoivent comprendre des exigences quant à leurs propriétés en cas d’incendie. L’aspectextérieur, la facilité d'entretien et la résistance à la corrosion sont habituellement recherchés,mais pas aussi souvent les propriétés vis-à-vis du feu. Il est indispensable de sélectionner unmatériau de revêtement de parois qui ne soit pas combustible ou, au moins, qui ne propage pasl’incendie, ni ne produise de grandes quantités de substances dangereuses lorsqu’il brûle. Lesmatériaux non combustibles comprennent les céramiques, les panneaux en acier émaillé, etc.

Bien entendu, il faut tenir compte de la quantité de matériaux utilisés. En effet, en raison d'unaccroissement possible des coûts, il n'y a pas d'interdiction systématique des matériauxpotentiellement dangereux.

VII.3.3 Corrosion chimique de la structure

Lorsque des matériaux brûlent, ils peuvent générer toutes sortes de substances toxiques etcorrosives. Cela ne crée pas seulement un danger direct pour les personnes, mais égalementun risque pour la structure. Si ces substances pénètrent dans le béton, elles provoqueront àlong terme une corrosion de l’armature et même du béton. Il est difficile de dire quoi que ce soitsur les dommages infligés sans connaître la nature exacte des substances impliquées. Mais onpeut agir sur le choix des matériaux lors de la construction d’un tunnel. C’est là que lescomposants produits durant la combustion seront pris en compte. Si ces composants sontcorrosifs et produits en grande quantité, alors le matériau ne sera de préférence pas retenu.Toutefois, lors de l'examen de l'utilisation de tels matériaux, la quantité qui sera présente dansle tunnel sera également prise en compte.

Un exemple de composant corrosif pouvant être généré lors d’un incendie est l’acidechlorhydrique (HCl). Cet acide est produit par la combustion du PVC, un matériau très souventutilisé pour l’isolation des câbles. L’acide chlorhydrique est très corrosif et l’inhalation de sesvapeurs est très nocive pour les êtres vivants. L’inhalation a un effet immédiat, mais lecomportement corrosif de HCl a des effets à long terme sur les structures. C'est pourquoicertains pays exigent que, dans les tunnels, les câbles ne soient pas isolés avec un matériaucontenant du PVC. D’autres pays pensent que la seule condition importante est que les câblesne propagent pas l’incendie : s’ils satisfont cette exigence, la quantité de HCl produite par lacombustion des câbles est jugée quantité négligeable par rapport aux gaz corrosifs produits parun véhicule en feu.

Il est également déconseillé d’utiliser des enduits qui forment des vapeurs corrosives ou de lafumée en cas d'incendie. La quantité de matériaux utilisés doit bien évidemment être prise encompte. L’interdiction systématique de certains matériaux n’est pas recommandée, car il peuten résulter un accroissement inutile des coûts.

AIPCR •••• 254 •••• 05.05.B - 1999

For instance polyurethane was used until very recently for the moisture barriers in rock tunnelsin Norway. However, fire tests have shown that this resulted in unacceptable risks for the publicand the emergency service personnel, due to the generated poisonous fumes.

In this respect, attention must also be drawn on the application of wall-covering materials forarchitectural, waterproofing or lighting purposes. The specifications set for such materialsshould also include requirements concerning their properties in the event of a fire. Externalappearance, maintenance and resistance to corrosion are usually looked at, but not sofrequently the properties with respect to fire. It is necessary to choose a wall-covering materialwhich is not combustible or at least will not spread fire nor produce hazardous substances inappreciable quantities when burning. Non-combustible materials include tiles, enamelled steelpanels, etc.

Of course, the quantity of material used must be considered. There is no point prohibitingpotentially dangerous materials indiscriminately, as this increases the costs unnecessarily.

VII.3.3 Chemical corrosion of the structure

All kinds of chemically corrosive and toxic substances can be generated when materials areburnt. This not only creates a direct danger to people but means also a risk to the structure. Ifthese substances penetrate the surface of the concrete, in the long run the reinforcement andeven the concrete itself can corrode. It is difficult to say anything about the damage inflictedwithout knowing the exact substances involved. But what can be controlled is the choice of thematerials. When choosing materials for the tunnel construction, the compounds which areproduced during combustion should be taken into account. If these compounds are corrosiveand produced in appreciable quantity, then this material should preferably not be used. Whileconsidering the use of these materials, the amount that will exist in the tunnel has to be takeninto account as well.

An example of a corrosive compound which can be produced during a fire is hydrochloric acid(HCl). It is for instance produced by the burning of PVC, a material very often used in power andcontrol cable insulation. Hydrochloric acid is very corrosive and the inhalation of its vapours isdangerous to living creatures. Inhalation has an immediate effect, but the corrosive behaviour ofHCl shows its effect on the structures in a longer period. Therefore countries require that cableinsulation containing PVC should not be used in tunnel installations. Other countries considerthat the only important condition is that the cables should not spread fire: if they meet thiscriteria, the quantity of HCl released by the cables local combustion is deemed to be negligiblecompared to the corrosive gases released by the vehicle which burns.

It is also not advisable to use coatings which form corrosive vapours or smoke in the event of afire. Of course, the amount of the materials to be applied must be considered. Theindiscriminate banning of certain materials is not advisable and can result in an unnecessaryincrease in costs.

PIARC •••• 255 •••• 05.05.B - 1999

Il faut tout de même attirer l’attention sur les matériaux transportés par les usagers. Cesmatériaux sont bien évidemment hors du contrôle du concepteur et de l’exploitant du tunnel.Cela signifie que ces derniers ne peuvent prévoir l’effet, sur la structure, de la fumée et desvapeurs produites par la combustion d’un de ces matériaux.

VII.3.4 Incendie et effets sur / de la chaussée

Trois matériaux peuvent être utilisés pour la chaussée d’un tunnel :

• béton de ciment,• enrobé bitumineux dense classique,• enrobé drainant, qui est utilisé pour stocker l’eau de pluie sous la surface afin de

réduire les éclaboussures et/ou de réduire le bruit.

Le béton de ciment est le seul qui ne soit pas combustible et qui ne présente aucune difficultéd’utilisation dans les tunnels.

L’enrobé bitumineux classique peut s’enflammer à de très fortes températures. Il produitégalement des fumées et des gaz chauds dangereux car la quantité d’enrobé en feu augmentela production de chaleur de l’incendie. Cependant, comparativement au feu d’origine, cesproductions supplémentaires sont la plupart du temps ignorées ; l’enrobé bitumineux classiquepeut donc être utilisé.

L’enrobé drainant n’est pas recommandé dans les tunnels car une fuite de carburant, que cesoit en conditions normales de circulation ou lors d’accidents ou d’incendies, sera stockée sousla surface. Ce stockage entraînera une plus large propagation de l'incendie, et il faudra plus detemps pour pomper le carburant. Un autre désavantage de l’enrobé drainant est le suivant : encas de fuite, une surface plus importante est atteinte par le liquide, dont les vapeurs, en raisonde leur combustion incomplète, risquent de provoquer une explosion à l'extérieur de la zone del’incendie. En outre, la structure granulaire de ce type d’enrobé augmente la surfaced’évaporation.

VII.3.5 Utilisation de la peinture

La peinture utilisée comme revêtement brûle à partir d’une température d’environ 200 °C. Elles’écaille et la couche sous-jacente est exposée.

Lors du choix du type de peinture et de protection anticorrosion, il faut tenir compte del’éventualité de corrosion et de production de vapeurs dangereuses en cas d’incendie.Cependant, les quantités de gaz dangereux pouvant être générées par la combustion de lapeinture doivent être comparées à celles produites par l’incendie d’un véhicule, avant d'éliminerdes peintures qui pourraient être avantageuses sur d’autres plans. En tout cas, il faut s’assurerque la peinture choisie ne peut pas propager l’incendie.

AIPCR •••• 256 •••• 05.05.B - 1999

A general remark has to be made in relation to the materials passing through the tunnel in theusers' vehicles. These materials are outside the control of the tunnel designers and operators.That means as well that no prediction can be made of the effect on the structure of the smokeand vapour produced during a burning of these materials.

VII.3.4 Fire and the effects on/of the road surface

The pavement of the tunnel can consist of three materials:

• cement concrete,• common compact asphalt,• very open asphalt which is used to store the rain below the road surface in order to

reduce the splashing effect on the traffic, and/or to reduce noise.

Of these, cement concrete is the only one which is not combustible and does not raise anyquestion as to its use in tunnels.

The normal asphalt can be ignited by a high temperature fire. Some additional dangeroussmoke and hot gases will be produced while the amount of burning asphalt will increase the fireburning rate. However, seen in comparison with the initial fire, these additional outputs are mostgenerally ignored, so that normal asphalt can be used in any case.

The open asphalt is not advisable in tunnels as a fuel spillage, occurring during normal traffic,accident or fire situations, will be stored below the road surface. The fire area will be spreadmore by this storage volume, which also takes more time to be removed. Another disadvantageof the open asphalt is the fact that the spillage creates a larger liquid area from which vapourscan easily generate an explosion danger outside the direct fire spot due to the not-completeburnt vapours. Besides the larger area, also the granular structure of this type of asphaltenlarges the surface of evaporation.

VII.3.5 Use of paint

Paint applied as a coating will be burned off at a temperature of approximately 200°C. The paintwill peel off, hence the underlying surface will be exposed.

The possible corrosive and dangerous vapours released during a fire situation should beconsidered while selecting the type of paint and anti-corrosion protections. However, thequantities of dangerous gases possibly released by the combustion of paint should becompared with those produced by the vehicle fire before rejecting paints that would beotherwise advantageous. In any case it must be checked that the chosen paint cannot spreadfire.

PIARC •••• 257 •••• 05.05.B - 1999

VII.4 Résistance au feu des structures

VII.4.1 Généralités

La résistance au feu d’une structure peut être définie par le temps qui s’écoule entre le débutd’un incendie et le moment où elle ne peut plus assurer sa fonction en raison d’une déformationinacceptable ou d'une rupture.

Conformément aux objectifs généraux de la maîtrise des incendies et des fumées énoncés auchapitre I (§ I.5), les objectifs de résistance au feu des structures des tunnels sont de :

• permettre l’évacuation des usagers,• permettre les opérations de secours et de lutte contre l’incendie,• limiter les dommages sur le génie civil du tunnel, sur ses équipements et sur les

bâtiments voisins.

Les deux premiers objectifs sont liés à la sécurité, le troisième à la protection de l’ouvrage. Unobjectif supplémentaire, fortement lié au troisième, est de :

• limiter le temps de fermeture à la circulation pour les travaux de réfection consécutifsà un incendie.

En ce qui concerne le délai toléré avant la défaillance de la structure d’un tunnel, la manièredont ces objectifs généraux sont traduits en exigences précises dépend des conséquencesd’une défaillance : plus elles sont importantes, plus les exigences seront élevées. Enconséquence, ces exigences dépendent :

• du type de tunnel (certains tunnels, comme par exemple, les tunnels immergés, lestunnels urbains peu profonds ou les tunnels dans des sols meubles ou boulants,seront bien plus affectés par une rupture localisée que d’autres, comme les tunnelscreusés dans la roche) ;

• du type de structure et de son rôle pour la sécurité et la protection des biens (parexemple, la dalle séparant le tunnel d’un immeuble proche doit être mieux protégéequ’une sortie de secours à l’air libre qui, de toute façon, ne peut pas être utilisée s’il ya des températures élevées à son entrée) ;

• du type de circulation autorisé dans le tunnel (selon qu’il n’y a que des véhiculesparticuliers, ou également des poids lourds, ou aussi des transports de marchandisesdangereuses, la courbe température-temps utilisée pour vérifier la résistance au feusera différente –voir chapitre II-, mais aussi l’incendie durera plus longtemps et peutnécessiter une durée plus longue avant rupture).

L’exigence de base est qu’une rupture localisée ne doit pas entraîner des effets généralisés àtout le tunnel. Des applications spécifiques de ce principe sont décrites dans les paragraphesqui suivent, mais, dans tous les cas, il y a deux conséquences :

• un effondrement en chaîne doit être évité, ce qui signifie que la défaillance d’unepartie ne doit pas transférer de sollicitations à une partie proche et conduisant à larupture de celle-ci, et ainsi de suite jusqu’à provoquer une réaction en chaîne ;

AIPCR •••• 258 •••• 05.05.B - 1999

VII.4 Fire resistance of structures

VII.4.1 General

The fire resistance of a structure can be characterised by the time which elapses between thestart of a fire and the time when the structure does not ensure its function any longer, due tounacceptable deformation or collapse.

In accordance with the general aims of fire and smoke control stated in section I (§ I.5), theobjectives for fire resistance of tunnel structures are:

• to allow the evacuation of users,• to make rescue and fire-fighting operations possible,• to limit damage to tunnel structure and equipment, and to surrounding buildings.

The first two objectives relate to safety, the third one to the protection of property.A supplementary objective, strongly linked to the third one, is the following:

• to limit the time during which traffic will be disrupted due to the repairs after a fire.

The way these general objectives are translated into precise requirements concerning theaccepted time before failure of tunnel structures depends on the consequences of a failure: thelarger the consequences, the higher the requirements will be. As a consequence, theserequirements will depend on:

• the type of tunnel (certain types of tunnels - as e.g. immersed tunnels, shallow urbantunnels or tunnels in soft or running ground - will be much more affected by a localcollapse than other ones - as e.g. rock tunnels);

• the type of structure and its role for safety and protection of property (e.g. the slabseparating the tunnel from a nearby building requires a stronger protection than anemergency exit to the open which cannot be used anyway when there are hightemperatures at its entry in the tunnel);

• the type of traffic allowed in the tunnel (if only passenger cars, or also heavy goodsvehicles, or also dangerous goods are allowed, the temperature-time curve to beused to check the fire resistance will be different - see section II - but also theduration of the fire will be longer and may require a longer time before failure).

The basic requirement is that a local collapse should not lead to generalised consequences inthe tunnel. Specific applications of this principle are described in the following paragraphs, buttwo consequences apply in all cases:

• progressive collapse must be prevented, which means that the failure of a part mustnot transfer the stress to a nearby part in such a way that this part will fail andtransfer the stress farther away, and so on;

PIARC •••• 259 •••• 05.05.B - 1999

une rupture localisée ne doit pas couper un équipement longitudinal essentiel comme unealimentation électrique ou un câble de communication, une gaine nécessaire lors d’un incendie,etc. ; s’il n’est pas jugé nécessaire de protéger la totalité de la structure, alors ces équipementsdoivent être situés à un endroit où ils seront toujours à l’abri, par exemple dans une tranchéeprotégée sous le revêtement.

Les deux paragraphes qui suivent donnent des informations sur la résistance au feu desdiverses structures et sur l’écaillage. Des recommandations sont ensuite données sur larésistance au feu de la structure principale et des autres éléments de génie civil.

VII.4.2 Diverses structures de tunnel

Différents matériaux sont utilisés en structure de tunnel et requièrent diverses précautions enmatière de protection incendie.

Dans beaucoup de tunnels au rocher, le revêtement est en béton non armé. En cas d'incendie,il peut être endommagé en raison d'une mauvaise qualité, d'une formulation inadaptée, d'uneépaisseur variable, etc.

Dans de nombreux autres cas, le soutènement en béton projeté est laissé apparent. Il peut êtrearmé par un treillis métallique ou par divers types de fibres en acier ou en polymères. Destravaux complémentaires sont nécessaires pour acquérir une meilleure connaissance ducomportement au feu de tels matériaux.

Mieux connu est le béton armé qui est utilisé dans les tunnels creusés au tunnelier, lestranchées couvertes, les structures immergées, etc.

En raison de la forte intensité de la chaleur générée lors d’un incendie important, le béton arméutilisé dans les structures des tunnels peut perdre sa fonction de support. La résistance dubéton armé dépend pour une grande part de la température. Ce matériau perd rapidement sarésistance à une température de 400 °C. En particulier, un acier à haute adhérence possède demauvaises caractéristiques vis-à-vis de la température.

L’augmentation de la température dans l'armature est retardée par la couverture de béton. Dansle passé, il était courant d’avoir une couverture de béton assez importante (jusqu'à 5 cm) surdes aciers doux. Aujourd’hui, on préfère utiliser des aciers à haute adhérence avec une plusfaible couverture de béton. La conjugaison des deux facteurs, faible couverture de béton etacier à haute adhérence, est un inconvénient en cas d’incendie.

Les armatures précontraintes peuvent être utilisées pour de grandes portées. Les gaines deprécontrainte sont installées aussi bas que possible dans la structure, c’est-à-dire proches de lasurface qui peut être chauffée par un incendie.

Dans tous les cas, une isolation thermique résistant au feu peut être appliquée pour éviter desdégradations précoces de la structure. Il est alors nécessaire de considérer la résistance au feude l’ouvrage dans sa totalité (type et profondeur des aciers, protection supplémentaire, etc.).

AIPCR •••• 260 •••• 05.05.B - 1999

a local collapse must not cut off a vital longitudinal system such as an electrical supply orcommunication cable, a duct necessary during a fire, etc. If it is not deemed necessary toprotect the structure, then this vital longitudinal equipment must be located in such a place thatit is protected in any case, for instance in an insulated trench under the pavement.

The next two paragraphs give information on fire resistance of various structures and spalling.Then recommendations are given on the fire resistance of the main and some other structures.

VII.4.2 Various tunnel structures

Various materials are used in tunnel structures and involve different precautions for fireprotection.

In many rock tunnels, the lining is made of unreinforced concrete. In case of fire, it can sufferdamage due to poor quality, inappropriate mix design, varying thickness, etc.

In a number of other cases, shotcrete support is left visible. It can be reinforced with steel meshor various kinds of steel or polymer fibres. Further work is necessary to gain better knowledge inthe fire behaviour of such materials.

Better known is reinforced concrete which is used in TBM driven tunnels, cut-and-covers,immersed structures, etc.

Due to the high intensity of the heat generated during a major fire, the reinforced concrete usedin tunnel structures can lose its supporting function. The strength of the reinforced concretelargely depends on the temperature. This material quickly loses its strength at a temperature of400°C. The high-grade steel in particular has a poor temperature characteristic.

The increase in temperature of the reinforcement is delayed by the concrete cover. In the past,it was common practice to have a rather thick (up to 5 cm) of concrete cover in combination withlow-grade types of steel. At present, most often high-grade steel with a thinner cover of concreteis applied. Both facts, namely the thinner cover of concrete and the high-grade of the steel are adisadvantage in the event of a fire.

Prestressed reinforcement can be used for large spans. The prestressing ducts are fitted as lowas possible in the structure, which means close to the surface which can be heated by a fire.

In all cases, an insulating fire-resistant protection can be applied to prevent early damage to thestructure. It is then necessary to consider the fire resistance of the total construction (type anddepth of reinforcement/prestressing, additional protection, etc.).

PIARC •••• 261 •••• 05.05.B - 1999

VII.4.3 Écaillage

Des écarts de température et de dilatation à l'intérieur du béton et avec l’armature éventuellepeuvent provoquer l’écaillage du béton, dès que la température en surface atteint 200 °C. Celapeut être dangereux pour l’armature qui se trouve ainsi plus facilement exposée à destempératures élevées. Comme indiqué dans le chapitre I (§ I.5), l’écaillage n’apparaissant pasavant une température et un délai donnés, il n’y a généralement pas de risques pour lesusagers en fuite, mais cela peut s’avérer dangereux pour les pompiers.

Bien qu’il ne puisse être complètement évité en raison des températures élevées lors d’unincendie, le risque d’apparition de l’écaillage et ses effets peuvent être réduits par uneprotection résistant au feu. Si aucune protection n’est prévue, il y aura inévitablement un risqueplus élevé d’effondrement du tunnel en cas d’incendie.

Le risque d’écaillage est accru par les opérations d’extinction. Il peut survenir lorsque l’eauutilisée pour l’extinction refroidit trop rapidement la structure. Pour plus de détails, voir leparagraphe VII.5.4 “Utilisation des équipements d’extinction des incendies”.

VII.4.4 Résistance au feu de la structure principale selon le type de tunnel

Tunnels immergés, tunnels non immergés

Il faut distinguer les tunnels immergés (sous l’eau) et les tunnels "terrestres" (les autres).

Dans un tunnel immergé, une rupture localisée peut provoquer l’inondation totale du tunnel,avec des conséquences catastrophiques pour les personnes et l’ouvrage. Ce type de tunnelétant généralement construit en béton armé, il ne sera pas possible de le réparer après unerupture. Et même si cela était possible, cela prendrait beaucoup de temps et serait trèsonéreux. De plus, la perte économique résultant de l’interruption de circulation sur une grandepériode est très importante. Par conséquent, une protection complète est préconisée vis-à-visde la durée totale de l'incendie le pire. Il est recommandé d’installer une isolation ignifugée surcertaines parties de la structure, là où l’armature est en traction, au plafond et en haut despiédroits. Il faut compter environ 50 euros/m² pour de telles installations.

Dans un tunnel "terrestre", une rupture localisée aura généralement de moindres conséquencessur la sécurité et l’ouvrage. Les dégâts pourront la plupart du temps être plus facilementréparés et dans un délai plus court, de telle sorte qu'une résistance au feu plus limitée peutsuffire.

Toutefois, un certain nombre de tunnels "terrestres" peut conduire à des conséquencessemblables à celles d'un tunnel immergé si un effondrement local se produit. Par exemple, larupture d'un tunnel dans un sol meuble ou boulant avec une nappe phréatique haute peut êtredésastreuses pour l'évacuation des personnes. De la même façon, des tunnels peu profonds ensite urbain, dont l'effondrement peut affecter et mettre significativement en danger des réseauxstructures situés au-dessus, méritent aussi des précautions importantes.

AIPCR •••• 262 •••• 05.05.B - 1999

VII.4.3 Spalling

Differences in temperature and expansion inside the concrete and with the possiblereinforcement can cause a spalling of the concrete. This may start already at a surfacetemperature of 200 °C. It causes a danger for the reinforcement which is more easily exposed tohigh temperatures. As stated in section I (§ I.5), due to the temperature and time needed to startspalling, it will generally not be a danger for evacuating people, but it may be dangerous forfiremen.

A fire-resistant protection can be used to reduce the risk and the effects of spalling, although itnever can be completely prevented due to the occurring high temperatures. If no protection isinstalled, this will automatically result in a higher risk of tunnel collapsing in the event of a fire.

The danger of spalling is increased by the fire-extinguishing activities. It may occur when thewater used for fire-fighting cools down the structure too quickly. For more details on this subjectplease refer to paragraph VII.5.4 "Use of the fire extinguishing equipment".

VII.4.4 Fire resistance of the main structure according to the type of tunnel

Immersed tunnels versus land tunnels

A distinction must be made between immersed tunnels (under water) and land tunnels (underland).

In an immersed tunnel, a local collapse can cause the whole tunnel to be flooded withcatastrophic consequences on people and construction. As such a tunnel is generally built ofreinforced concrete, it will not be possible to repair it after a collapse, or if it is possible, it willtake a lot of time and money. The additional economic loss of the lack of availability of thetunnel connection for a long period of time is very large. As a consequence, a completeprotection is advisable during the total time of the worst fire. It is recommendable to install a fire-resistant insulation on those parts of the structure where the reinforcement is under strain oftension, the ceiling and a section at the top of the wall. The cost of such installation is around50 euros/m2.

In a land tunnel, a local collapse will generally have much smaller consequences on safety andproperty. It will often be repaired more easily and in a shorter time so that a more limited fireresistance can be sufficient.

However, a number of land tunnels can lead to consequences similar to an immersed tunnelshould a local collapse occur. For example, the collapse of a tunnel in soft or running groundconditions with a high water table can be disastrous in terms of evacuation of people. Similarlyshallow tunnels in urban situations, where their collapse can also affect and endanger overlyingservices and structures to a significant degree, also deserve high precautions.

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Tunnels en tranchée couverte, tunnels creusés

Une rupture localisée dans une tranchée couverte peut n’avoir que des conséquences limitéessur la sécurité, si la portion concernée du tunnel peut être facilement évacuée en casd’incendie. Il est généralement possible d’effectuer les réparations dans des temps et à descoûts raisonnables. La durée acceptable de réparation est déterminée par la perte économiquedue à l’interruption temporaire de liaison. Si le tunnel représente un axe important, le délai deréparation doit être le plus court possible, alors que s’il se trouve sur un itinéraire moinsimportant, on pourra admettre une période de réparation plus longue. Cela est déterminantdans le choix de protéger ou non une structure contre l’incendie.

Dans la plupart des tunnels creusés, une rupture localisée de la structure principale n’aura pasde trop graves conséquences sur la sécurité, à condition que les équipements longitudinaux lesplus importants soient situés de telle façon qu’ils soient protégés en toute circonstance.Cependant, bien que ce ne soit pas impossible, la réparation ou le remplacement de certainesparties du tunnel s’avèrent souvent difficiles en raison de la profondeur. Cela dépend desconditions du sol. Il peut arriver qu’une réparation à partir de l’extérieur soit indispensable enraison de l’infiltration de la nappe phréatique dans le tunnel. Cette méthode de réparation estextrêmement longue et fort coûteuse. La protection contre l’incendie doit être adaptée à cesenjeux.

Tunnels creusés dans la roche

Ces tunnels présentent un très faible risque de rupture totale, mais le fait que certaines partiesde la voûte puissent tomber doit être envisagé. Cela peut être dangereux pour les usagers etles équipements du tunnel, ainsi que pour les services de secours et leurs équipements.Néanmoins, personne ne peut survivre en un lieu où la température est suffisamment élevéepour conduire à une rupture : le principal risque est que d’importantes installations de sécurité,comme les câbles d’alimentation et de communication, soient détruites ; il faut donc que cesinstallations soient protégées.

Ce qui est indiqué plus haut sur les tunnels immergés ne s’applique pas aux tunnels sous-marins creusés dans la roche, comme les tunnels norvégiens et japonais. De tels ouvrages secomportent comme les tunnels au rocher décrits dans le présent paragraphe.

VII.4.5 Gaines de ventilation

Il faut porter attention à la résistance au feu des systèmes de ventilation. Les ventilateurs sontexaminés au chapitre V. Cette section traite des gaines qui sont nécessaires pour les systèmesde ventilation semi-transversale et transversale.

Dans les tunnels creusés, les gaines de ventilation sont la plupart du temps séparées par unfaux plafond dans le tunnel. Le haut de la section transversale est alors utilisé pour fournir ouextraire de l’air. Comme ce plafond est exposé à de fortes températures lors d’un incendie, il y aun risque de rupture du plafond et de coupure de l’alimentation et de l’extraction de l’air,lesquelles sont vitales lors d’un incendie. En conséquence, le risque d’un plus grand nombre deblessés peut accroître rapidement.

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Cut-and-covers versus excavated tunnels

A local collapse in a cut-and-cover may have very limited consequences on safety if the zoneabove the tunnel can be easily evacuated during a fire. It is generally possible to repair thestructure within reasonable cost and time. This time is determined by the economic damagegenerated by the lack of the tunnel connection. If the connection is important, the repair periodneeds to be short, whereas in the case of less important connections, a longer repair period canbe accepted. This will determine how much the structure needs to be protected against a fire.

In most excavated tunnels, a local collapse of the main structure will not have a major impact onsafety, provided that vital longitudinal systems are located so that they are protected in anycircumstances. However, a repair or replacement of parts of driven tunnels is often very difficult,due to the deep positions of these tunnels, but it is not impossible. It strongly depends on thesoil conditions. Situations could arise in which, as a result of ground water penetration filling thetunnel, repair from the outside is essential. This leads to an extremely long repair time, andtherefore high costs. The fire protection must be adapted to these stakes.

Rock tunnels

In rock tunnels, the risk of a total collapse is very low, but the fact that parts of the vault can falldown should be considered. This can constitute a danger to the people and equipment presentin the tunnel, such as emergency service personnel and their equipment. However, nobody cannormally survive near a place where the temperature is high enough to cause a collapse: themain risk is that important safety facilities such as supply or communication cables are cut off,which means that these should be protected.

What has been stated above about immersed tunnels does not apply to underwater tunnels builtin rock, such as the undersea tunnels in Norway and Japan. Such structures behave as rocktunnels as described in this paragraph.

VII.4.5 Ventilation ducts

Attention must be given to the fire resistance of the ventilation system. The fans are discussedin Section V. This paragraph deals with the ducts which are necessary with semi-transverse andtransverse ventilation systems.

In excavated tunnels, the ventilation ducts are frequently formed by a "false" ceiling in thetunnel tube. The top of the cross section is therefore used for the supply and/or extraction of theventilation air. As this ceiling is exposed to high temperatures during a fire, there is a risk thatthe ceiling collapses and cuts off the supply and extraction of the air which is so vital during afire situation. As a result of this, the risk of a large number of casualties may increase quickly.

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Il est donc nécessaire d’examiner les conséquences d’une rupture localisée de gaine en casd’incendie. Lorsque les conséquences peuvent être sérieuses, telles que la perte de contrôle ducourant d'air longitudinal ou l'interruption de l'alimentation d’air frais dans une partie du tunneloù cela est indispensable, la gaine doit être protégée durant la période nécessaire auxopérations de secours et de lutte contre l’incendie. Dans d’autres cas, par exemple lorsque leseul risque d'une rupture localisée est de faciliter l'entraînement de la fumée dans une gaine,aucune mesure spéciale n’est nécessaire en termes de sécurité (s’il n’y a aucun risqued'effondrement en chaîne). La durée d'interruption de la circulation nécessaire aux réparationsaprès un incendie important peut cependant justifier une protection.

Quand les gaines de ventilation sont situées sous la chaussée, la situation est plus favorablequant à la résistance à l’incendie, puisque la dalle est moins exposée à l’incendie. Cependant,cette conception présente aussi des inconvénients comme le poids des véhicules et lesdangers présentés par les substances inflammables et/ou explosives s’infiltrant dans les gainesde ventilation. Si l’incendie se propage aux gaines de ventilation, ou si une explosion a lieudans une gaine, les effets seront catastrophiques.

Les aspects de sécurité doivent être intégrés dans le processus de dimensionnement le plus enamont possible, de telle manière que les risques soient déjà pris en compte dans les étudespréliminaires. En tenant compte des aspects de sécurité liés aux incendies dès le choix du typede tunnel et des équipements, beaucoup de temps et d’argent ne seront pas investis aposteriori pour améliorer la sécurité.

VII.4.6 Itinéraires d'évacuation

Les itinéraires d'évacuation ne sont utilisés que durant la première phase de l’incendie, pour lafuite des usagers pris au piège. Ces itinéraires doivent rester accessibles pendant au moins 30mn. Dans les cas où ils sont également empruntés par les équipes de secours et les pompiers,la période peut être plus longue. Cependant, il n’est pas nécessaire que ces itinéraires soientprotégés contre des conditions auxquelles les pompiers ne peuvent résister à leur arrivée dansle tunnel.

La protection des itinéraires d'évacuation implique que la fumée et les autres produits toxiquesgénérés par l’incendie ou l’accident ne doivent pas polluer l'air de ces issues. De plus, latempérature à l'intérieur de ces issues ne doit pas être trop élevée. Leur structure ne doit enaucun cas être affectée par la situation (accident important, incendie, fortes températures) quiprévaut à l’intérieur du tunnel lui-même.

VII.4.7 Structures suspendues et autres systèmes attachés au plafond ou aux parois

Utilisation de chevilles et d’ancrages

Tous les dispositifs utilisés pour fixer les équipements aux structures doivent être envisagés parrapport à une situation d’incendie. Cela signifie que l’utilisation des chevilles traditionnelles enplastique et équipements similaires doit être interdite. Ce matériau, en se ramollissant ou enfondant, provoquera la chute de l’équipement. Cela peut même se produire à des endroits quine sont pas directement exposés aux flammes. Des recherches complémentaires doivent êtremenées pour voir dans quelle mesure un plastique spécial peut être utilisé pour la fixationd’équipements à l’intérieur d’un tunnel.

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Therefore it is necessary to examine the consequences of a local collapsing of a duct in case offire. Whenever the consequences may be serious, such as the loss of control of the longitudinalairflow or the disruption of fresh air supply in a tunnel part where it is necessary, the duct shouldbe protected for the time necessary for rescue and fire-fighting operations. In other cases, forinstance when the only risk is to enlarge the smoke extraction opening to an exhaust duct by alocal collapse, no special measure is necessary for safety (provided that there is no risk ofprogressive collapse). The duration of traffic disruption necessary for the repairs after a majorfire may, however, justify a protection.

When the ventilation ducts are located under the road surface, the situation is better concerningthe fire resistance, as the separation is not so much exposed to fire. However, there are alsodisadvantages attached to this design, such as traffic load, and the danger caused byflammable and/or explosive substances seeping into the ventilation ducts. If the fire spreads intothe ventilation ducts, or an explosion occurs in this duct, the effects may be disastrous.

Safety considerations should be integrated in the design process at an early project phase, sothat such risks are already taken into account in the preliminary design. By considering thesefire and safety aspects while determining the tunnel type and systems in an early stage, a lot oftime and money will not be spent in a later phase to change these principles in order to improvethe tunnel safety.

VII.4.6 Escape routes

Escape routes are only used during the first phase of the fire for the escape of trapped people.It must be possible to use such routes for a period of at least 30 minutes. In cases where theseroutes are also used by the rescue and fire teams, the period may be longer. However, it is notnecessary that these routes are protected against conditions which firemen cannot withstand attheir entry in the tunnel.

Protection of escape routes means that the air in the route has to be free of smoke and othertoxic products generated by the fire or accident. In addition, the temperature inside this areamust not be too high. The structure must not be affected by the situation (major accident, fire,high temperatures) which may exist inside the tunnel itself.

VII.4.7 Suspending structures and other systems attached to the ceiling or walls

Use of plugs and anchors

All the fittings used for the fixing of equipment to the structures should be considered in relationto the fire situation. This means that use of the usual plastic plugs and similar devices should beprohibited. This material will either soften or melt at high temperatures, resulting in falling downof the equipment. This can even occur at places which are not directly exposed to the flames.Further research will have to demonstrate to what extent special plastic is suitable for fixingequipment inside the tunnel.

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Le comportement des chevilles en acier et des ancrages doit aussi être contrôlé en situationd’incendie. La résistance à la traction diminue à haute température. Le calcul des ancrages doitêtre fondé sur les températures maximales auxquelles l’ancrage doit continuer à se comportercorrectement.

Une distinction doit être établie entre les équipements majeurs, qui doivent continuer àfonctionner en cas d’urgence, et les équipements dont le fonctionnement n’est pasindispensable pendant ou après une catastrophe importante.

Dans tous les cas, comme indiqué au chapitre I (§ I.5), l’exigence minimale est que les groséquipements ne doivent pas tomber lors de l’évacuation des usagers ou lorsque le personnelde secours est encore dans le tunnel. Cela signifie qu’aucun équipement lourd ne doit tomberen dessous de températures de 400 - 450 °C durant le temps requis pour la lutte contrel'incendie (dans un tunnel, de telles températures produisent un niveau de rayonnement de5 kW/m², ce qui est le maximum tolérable pour les pompiers).

Usage de l’aluminium

Comme l’aluminium perd sa résistance à une température d'environ 550 °C, il est recommandéd’envisager son utilisation avec prudence. Les matériaux de remplacement sont l’acier ou l’acierinoxydable.

VII.5 Résistance au feu des équipements

VII.5.1 Généralités

En plus du fait que l’attention doive porter sur les qualités de support de la structure, larésistance à l’incendie d'autres éléments doit être prise en compte. Ce sont les portes desecours, les niches de sécurité et les équipements situés entre deux tubes de circulation, ouentre le tunnel et un itinéraire d’évacuation, ou situés sur les parois ou au plafond. Ceséquipements doivent être suffisamment résistants au feu. Dans le cas contraire, l’incendie peutse propager à l’autre tube ou à l’itinéraire d’évacuation, ou provoquer la défaillance del’équipement.

VII.5.2 Portes résistant au feu

Les portes de secours entre le tube de circulation et l’itinéraire ou la galerie d’évacuation, ou unabri, ou un autre tube de circulation, doivent résister au feu.

Les services de secours peuvent utiliser les itinéraires d’évacuation à la fois pour les opérationsde lutte contre l’incendie et pour porter secours aux usagers. Il est donc très importantd’empêcher l’incendie et la fumée de se propager dans ces itinéraires. La porte de secours etson environnement immédiat, y compris le cadre de la porte, doivent résister au moins à 30 mnd’exposition à la courbe température–temps. Une porte située entre deux tubes de circulationdoit résister plus longtemps : 1 à 2 heures. La porte d’un abri doit tenir encore plus longtemps,entre 2 et 4 heures.

Deux types de portes sont utilisés, coulissantes ou battantes.

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Also steel plugs and anchors should be checked for their behaviour during a fire situation. Thetensile stress reduces at high temperatures. The calculation of these anchors should be basedon the maximum temperatures at which the anchoring should be still properly working.

A distinction must be made between major equipment, which should remain in function duringan emergency situation, and equipment whose functions may not be needed during or after amajor disaster.

In all cases, as stated in section I (§ I.5), the minimum requirement is that heavy equipmentshould not fall down when evacuating users or rescue personnel are in the tunnel. This meansthat no heavy item must fall under exposure to temperatures of 400 - 450 °C during the timenecessary to fight fire (in a tunnel, such temperatures can produce a radiation level of about5 kW/m², which is the maximum tolerable value for firemen).

Use of aluminium

As aluminium loses its strength at a temperature of approximately 550°C, it is recommended tocarefully consider the use of aluminium materials in a tunnel critically. Alternative materials aresteel or stainless steel.

VII.5 Fire resistance of equipment

VII.5.1 General

Besides the fact that attention must be paid to the supporting qualities of the structure, otheritems must also be considered in relation to their fire resistance. These items are theemergency doors, emergency recesses and other equipment located between two traffic tubes,or between the tunnel and an escape route, or placed on the tunnel walls or ceiling. Theseitems should be sufficiently fire-resistant. If this is not the case, the fire may spread into theother tube or into the escape route, or the equipment fail.

VII.5.2 Fireproof doors

The emergency doors between the traffic tube and an escape corridor or gallery, or a shelter, oranother tunnel tube, should be fireproof.

The emergency services may use escape routes for their attack as well as rescue. It is veryimportant that fire and smoke be prevented from spreading into them. The whole emergencydoor and surrounding construction, including the door frame, should resist fire for at least a 30minute-exposure to the fire temperature-time curve. For a door between two traffic tubes, amuch longer resistance is required, for instance 1 - 2 hours. The door to a shelter requires a stilllonger fire resistance, for instance 2 - 4 hours.

Two types of doors can be used, the slide-type and the swing-type.

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L’un des inconvénients d’une porte battante est sa sensibilité à la surpression à l’intérieur del’itinéraire d’évacuation. Si la pression est trop forte, la porte est dure à ouvrir, ou bien peutprésenter un risque pour la personne qui cherche à l’ouvrir. Ce type de porte gênera toujourspartiellement le passage.

La porte coulissante présente moins d’inconvénients : elle est plus facile à ouvrir en cas desurpression et ne provoque pas de blocage de l’itinéraire d’évacuation. Ce type de portes a ététesté aux Pays-Bas en conditions combinées de résistance au feu et de surpression ; il enrésulte que ces portes sont appropriées et sont moins sensibles à la surpression. Elles sont,entre autres, utilisées au Japon et aux Pays-Bas dans certains tunnels et sont recommandéesdans les nouveaux tunnels.

Après ouverture, les portes doivent se refermer automatiquement afin d’empêcher l’air pollué depénétrer à l’intérieur de l’itinéraire d’évacuation.

VII.5.3 Niches de sécurité

En cas d’incendie, la situation autour d’une niche de sécurité dépend essentiellement de sonemplacement.

Aux Pays-Bas, un habitacle de secours, abritant une bouche d’incendie, un extincteur et unbouton-poussoir d’alarme, est installé dans la paroi en béton entre le tube de circulation etl’itinéraire d’évacuation. La façade de cet habitacle est fermée par une porte en verre, ce quipermet au public de bien le reconnaître et d’utiliser les extincteurs. Le type de verre utilisé pourcette porte doit être également étudié vis-à-vis du feu et de la sécurité. On peut penser quedans le cas où un tel habitacle est proche de l’incendie, il ne sera pas utilisé et qu’il n’est doncpas utile que le verre résiste au feu.

Le mur séparant l’habitacle de l’itinéraire d’évacuation doit bien évidemment résister au feu ;derrière l’habitacle, le revêtement doit également être ignifugé. Il faut couper la route àl’incendie.

Dans d’autres pays, lorsque les niches de sécurité ne sont pas utilisées comme passage versun itinéraire d’évacuation, aucune exigence en matière de résistance au feu n’est imposéepuisque la niche ne sera pas utilisée si elle est proche de l’incendie.

VII.5.4 Utilisation des équipements d'extinction des incendies

La première priorité des pompiers est de sauver les personnes. Leur préoccupation suivante estde préserver les ouvrages. Dans un environnement normal, en surface, cela est bien sûr plusfacile que dans une zone souterraine comme un tunnel.

En particulier, la manipulation de jets d’eau est très importante. Afin d’empêcher l’écaillage dubéton, les parois et le plafond ne doivent pas recevoir de projections intenses en provenanced’un canon à eau ou un jet, ce qui provoquerait un refroidissement trop rapide. L’effet sur lesmatériaux rocheux est que des fragments de pierre sont projetés et peuvent blesser lespersonnes se trouvant à cet endroit. Si la structure est construite en béton armé, il peut seproduire de l’écaillage. Cela signifie que de grands morceaux de la structure peuvent êtredétruits, engendrant ainsi un risque de rupture.

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A disadvantage of the swing door is its sensitivity to the level of the overpressure inside theescape corridor. If this pressure is too high the door is difficult to open, or can be dangeroustowards the person who tries to open the door. This type of door will always block a part of thepassage.

The slide door has less disadvantages, is easier to open in relation to the overpressure andcauses no blockage of the escape route. These slide doors have been tested in the Netherlandsfor the combined conditions of fire resistance and overpressure, and were found to be suitableand less sensitive to the overpressure. Among others slide doors have been used in Japan andthe Netherlands in some tunnels and are recommended in the new ones.

After opening, the doors must close automatically, in order to prevent polluted air from enteringinto the escape corridor.

VII.5.3 Emergency recesses

The situation around an emergency recess depends strongly on its specific situation.

In the Netherlands an emergency cabinet, housing a fire hydrant, fire extinguisher and alarmpush button is positioned in the concrete wall between the traffic tube and an escape corridor.The front of this cabinet is fitted with a glass door to make it easier for the public to recogniseand use the fire extinguishers. The type of glass should be considered in relation to the fireresistance and safety. It can be assumed that in case a cabinet is close to the fire it will not beused, hence there is no need to use fire-resistant glass.

As its wall separates the cabinet from the escape corridor, the fireproof requirement of the wallbetween the tunnel tube and the escape corridor has to be fulfilled with an additional fireprooflining behind the emergency cabinet. A fire cross-over must be prevented.

In other countries, when the emergency recesses are not used as a passage to an escaperoute, there is no fire resistance requirement for the same reason as above: the cabinet will notbe used if it is close to the fire.

VII.5.4 Use of the fire extinguishing equipment

The fire brigade's first consideration is to rescue people. Their secondary interest is to preservestructures. In a normal ground level environment, this is somewhat easier than in an enclosedunderground area such as a tunnel.

In particular, the manipulation of jets of water is very important. To prevent spalling of concrete,the walls and ceiling should not be reached by a jet of water from a water-cannon or nozzlewhich would cool them down too quickly. The effect on stony materials is that bits of the stonefly off and this can cause injury to people in the area. If the structure is made of reinforcedconcrete, then spalling occurs. This means that large pieces of the supporting structure can bedestroyed as a result of what a risk of collapse can even arise.

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VIII. GESTION DE L'INTERVENTIONEN CAS D'INCENDIE

VIII.1 IntroductionUn incendie important dans un tunnel peut entraîner des accidents corporels ou des décès, degraves dommages aux biens et une interruption de la circulation entraînant des retardsexceptionnels. Il est donc indispensable de mettre en place une procédure claire d’interventionafin que des actions immédiates soient prises. Ce chapitre décrit les principaux éléments etpoints à prendre en compte dans un tel plan.

VIII.2 Travaux antérieurs de l’AIPCRDeux rapports [18 ; 100], présentés au XIXe Congrès mondial de la Route à Marrakech, traitentde la gestion des interventions en cas d’incendie.

Le rapport général sur la Sécurité [100] insiste sur le fait que les services de secours doiventêtre bien organisés et sur les principaux éléments d’un système de secours : premiers secours,appel d’urgence, services de secours et assistance clinique. Ce rapport a également mis enévidence qu’une insuffisance dans l’un de ces éléments ne peut en aucun cas être palliée parle bon fonctionnement d’un autre.

Plus précisément, le rapport du Comité des Tunnels routiers [18] présente des directivesd'établissement de consignes en cas d’incendie. Les principaux points en sont :

• une planification en amont est nécessaire pour établir des consignes claires en casd’incendie, que ce soit pour les responsables de l’exploitation du tunnel ou pour lesservices de secours ;

• il est indispensable que la coordination entre les différentes interventions de secoursse mette en place le plus rapidement possible ;

• les directives doivent être prêtes avant la mise en service d’un tunnel et mises à jourà la suite des enseignements tirés d'exercices et d’incidents réels.

Les actions prioritaires, indiquées en [18], qui forment la base des plans de gestion del’intervention en cas d’incendie, sont :

• la sauvegarde des vies humaines,• l’intervention la plus rapide possible des services de secours sur les lieux,• la mise en place d’une coordination efficace entre les différents services de secours

(pompiers, police, personnel d’exploitation du tunnel, etc.),• le maintien des communications entre la salle de contrôle et le lieu de l’accident.

Les consignes doivent tenir compte du système de ventilation, mais aussi des caractéristiquesdu tunnel : longueur, circulation uni- ou bidirectionnelle, système de ventilation, nature desinstallations d’alarme et de secours, situation en zone urbaine ou rurale, existence d’un postede commande, difficultés d’accès et d’intervention des secours.

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VIII. FIRE RESPONSEMANAGEMENT

VIII.1 IntroductionA major fire incident in a tunnel will raise the possibility of personal injury or loss of life, seriousdamage to property and disruption to the traffic flow with consequent exceptional delay. A clearresponse procedure needs to be in place so that immediate action can be taken. This sectiondescribes the main elements and points to be considered in such a plan.

VIII.2 Previous work by PIARCTwo reports [18; 100] presented at the XIXth World Road Congress in Marrakech are relevant tofire response management.

The General Report on Safety [100] emphasises the need for organisation of rescue servicesand the important elements of a rescue system: first aid, emergency call, rescue services andclinical help. This report also remarked that a weakness in any one element could not becompensated for by a strength in another.

More specifically, the report of the Committee on Road Tunnels [18] presented guidelines forthe preparation of instructions on how to deal with fire. The major points made were as follows:

• advance planning is required to create clear instructions on how to deal with a fire forthose responsible for the operation of the tunnel, including emergency services;

• these plans must ensure that co-ordination of the various emergency responsestakes place in the shortest time;

• instructions should be prepared before commissioning the tunnel and amended in thelight of lessons learned during trial exercises and actual incidents.

Priority actions, noted in reference [18], and which must form the basis of emergency responseplans, must be:

• to save human lives,• to ensure the rapid intervention of emergency services at the scene of the fire,• to create the smoothest possible co-ordination between the various emergency

services (firemen, police, tunnel operation staff...),• to maintain communications between the control room and scene of the accident.

Instructions must take into account the method of ventilation and the characteristics of thetunnel e.g. length, one-way or two-way traffic, ventilation system, nature of the alarm andemergency equipment, urban or rural location, existence of a control room, problems of accessand difficulties for the intervention of emergency services.

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Des essais et des exercices doivent être conduits pour tester le plan de gestion del’intervention. Le rapport [18] fournit quelques suggestions quant aux procédures à adopter.

VIII.3 Expérience existanteLe type de gestion dépend du type de tunnel. Les exemples suivants de consignes fournissentun aperçu des divers cas.

Grand tunnel urbain autoroutier

Lors d’un incident, il faut tout d’abord essayer, à l'aide du réseau de télévision, de définir lescirconstances de l’incident et de localiser l’incendie (tube, voie, canton géographique, cantonde ventilation, etc.). L’équipe de secours et le responsable de l’exploitation du tunnel doiventêtre prévenus. L’exploitant du tunnel doit ensuite interrompre la circulation en amont del’incendie et aux entrées, enclencher la procédure de désenfumage, ouvrir les issues desecours (dans le cas où elles seraient closes en exploitation normale), mettre l’éclairage aumaximum, prévenir les personnes d’astreinte de son service, s’assurer que tout fonctionnecomme prévu et, à défaut, prendre les mesures nécessaires. A l’arrivée du responsable despompiers, c’est normalement ce dernier qui prend la conduite des opérations.

Grand tunnel bidirectionnel de montagne

Il faut en tout premier lieu arrêter la circulation en amont de l’incendie et en tête du tunnel ou, lecas échéant, à la barrière de péage, aux moyens de feux tricolores ou de feux d’exploitation, etallumer les différents panneaux (de danger par exemple) ou les panneaux à message variable.Les véhicules en aval de l’incendie s’évacuent normalement du tunnel.

L’éclairage est réglé à son régime maximal et le personnel d'astreinte alerte la police, le serviceincendie, l’équipe de sécurité chargée de fournir des moyens lourds et, si nécessaire, lespersonnes travaillant dans le tunnel (locaux techniques, gaines, tunnel).

La ventilation doit être automatiquement mise en marche suivant des modes opératoirespréétablis. On peut ensuite passer au contrôle manuel si ce dernier peut permettre unemeilleure évacuation ou de meilleures conditions de lutte contre l’incendie.

Il doit exister des consignes spécifiques en cas d’incendie dans les locaux techniques.

Plusieurs tunnels avec un seul poste de commande

Dans le cas d’une alerte incendie, la personne de permanence doit disposer, soit d’unecommande globale qui lui permet de réagir rapidement, soit d’un système d’aide à la décisionproposant des solutions à partir desquelles elle peut sélectionner la mieux appropriée.

Une attention particulière sera portée à la gestion de la circulation ; la fermeture d’un ouvragepeut entraîner des difficultés sur le tronçon amont comportant d’autres tunnels. Si ces dernierssont rapprochés, des précautions sont nécessaires pour éviter que la fumée passe d’un tubedans l’autre.

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To test the plan, fire tests and trial exercises should be carried out. Reference [18] providessome suggestions for the procedures to be adopted.

VIII.3 Existing ExperienceThe response will vary depending on the type of tunnel. The following examples of fireinstructions provide some insights into these special circumstances.

Long motorway urban tunnel

In any incident it is first necessary to try and establish the circumstances of the incident bymeans of the closed circuit TV and confirm the location of the fire (tube, lane, geographicalsection, ventilation section, etc.). The rescue teams and the person responsible for tunneloperation should be informed. The tunnel operator must stop the traffic upstream of the fire andthe portals, activate the smoke removal procedure, open emergency escapes (if closed undernormal operation), switch on tunnel lighting to maximum, inform the intervention staff in hisorganisation, ensure that all equipment is operating as planned, and take all necessarymeasures to overcome difficulties. When the firemen arrive, the senior officer normally takesover control of operations.

Long bi-directional mountain tunnel

Priority actions are to stop traffic upstream of the fire and at the tunnel portal or toll barriers ifany by means of traffic lights or tunnel operation signs, and switch on the various signs (dangersigns for example) or the variable message signs. The vehicles downstream of the fire leave thetunnel in the normal way.

Lighting is set to maximum levels, staff must inform the police, the fire emergency service, thesafety team responsible for assisting with means of heavy rescue and if necessary, personnelworking inside the tunnel (technical rooms, ducts, tunnel).

The ventilation system must be automatically started up according to pre-planned procedures.Later manual control can be used if this can provide better evacuation or fire-fighting conditionsin the tunnel.

Specific instructions for various fire scenarios must be available in the tunnel technical rooms.

Tunnels with joint control room

In the event of a fire alarm, the operator must either rely on a total control system whichprovides immediate response or a decision making sequence which proposes solutions, fromwhich the most appropriate will be selected.

Consideration needs to be given to traffic management, since closing a tunnel may lead todifficulties on the upstream section of the approach road and the other tunnels. If tunnels are atshort intervals, precautions are necessary to avoid that smoke can be transferred from one tubeto another.

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Tunnel sans poste de commande, mais avec système d’alarme automatique

Dans la plupart des cas, l’alarme est transmise à un organisme qui assure la permanence(police, pompiers, etc.). L’équipe qui intervient dans ce cas contrôle la situation (éclairage,ventilation, signalisation) à partir d’une commande locale.

Tunnel sans personnel

Les remarques précédentes impliquent que le tunnel est surveillé et que les systèmescorrespondants de surveillance sont disponibles. Dans le cas d’un tunnel non surveillé, on nepeut compter que sur les usagers pour donner l’alerte en cas d’incident.

Le tunnel doit au minimum posséder des niches de sécurité, sans télécommande, mais avec untéléphone et un équipement simple de lutte contre l’incendie. Des consignes claires pour lesprocédures d’urgence doivent être indiquées, y compris les numéros de téléphone et l’ordre despriorités.

Actions supplémentaires

En plus des actions de base citées auparavant, d'autres actions sont nécessaires. Leur ordrede priorité dépendra du type d’incident et des caractéristiques du tunnel, de son exploitation etde son environnement.

Pendant l’incident

• Le personnel doit pouvoir opérer dans une zone libre de toute fumée.

• Personne ne doit évoluer dans le tunnel sans que le responsable du contrôle n’aitvérifié les conditions de circulation et d’enfumage.

• Le poste de contrôle doit rester libre, excepté pour le personnel impliqué dans lesopérations.

• Aux points de contrôle des entrées, une “voie libre” doit être conservée, ainsi que desvoies d’accès pour permettre aux véhicules de secours de rouler éventuellement àcontresens.

• Le responsable du contrôle de la circulation doit suivre l'évolution de l’incident sur lesécrans de télévision, estimer la nature et la gravité de l’incident, et prendre lesmesures appropriées.

• Du personnel supplémentaire de police et d'entretien doit se tenir prêt à intervenir sinécessaire.

• Le gestionnaire du tunnel doit être tenu informé.

• Un service de restauration doit être prévu pendant toute la durée des interventions.

• Le responsable du contrôle de la circulation doit donner au personnel les instructionsnécessaires pour aider à l’évacuation des usagers.

• Le personnel doit s'assurer que les clés de contact sont restées dans les véhicules etque les portes sont closes, mais non verrouillées.

• Si besoin, un message d’évacuation doit être radiodiffusé.

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Tunnel without a control room but with an automatic alarm system

In most cases the alarm is transmitted to the staff on duty (police, firemen, etc.) and the staffconcerned control the emergency (lighting, ventilation, signing) from a local control centre.

Unmanned Tunnel

The above remarks imply that the tunnel is manned and suitable surveillance systems areavailable. In the event of an unmanned tunnel then reliance will have to be placed on membersof the public to report the occurrence of incidents.

As a minimum, the tunnel should have emergency stations without remote control but withtelephone and rudimentary fire-fighting equipment. Clear instructions as to the emergencyprocedures should be provided, including telephone numbers and order of priorities.

Additional Actions

In addition to the basic actions set out above, the additional actions listed below may benecessary. Their order of priority will depend on the type of incident and the characteristics ofthe tunnel, its operation and environment.

During the incident

• Ensure investigating personnel proceed into the tunnel in smoke free area and notinto dense smoke.

• Ensure that nobody proceeds into the tunnel without first receiving assurances fromthe traffic controller regarding traffic and smoke.

• Maintain control point clear except for personnel involved in the operation of theincident.

• Instruct the portal control points to maintain a "clearway" including crossover lanesfor possible contra-flow for emergency vehicles.

• The traffic controller will monitor the incident on the TV monitors and assess thenature and seriousness of the incident, and take further action as appropriate.

• Arrange for additional uniformed and maintenance staff as considered necessary toreport for duty.

• Advise management.

• Arrange additional canteen facilities to be available for the duration of theemergency.

• The Traffic Controller should instruct staff to assist in the evacuation of persons in thetunnel.

• Advise staff to ensure that ignition keys are left in the cars, doors unlocked butclosed.

• If appropriate broadcast "Evacuate" message.

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• Selon la nature et l'ampleur de l’incident, les services de secours peuvent demanderque soient prévus :a) un endroit pour accueillir les blessés,b) un point de rassemblement pour l’évacuation,c) un point de rassemblement des victimes décédées.

• La liaison avec les services de secours doit être maintenue pour les aider dans lessoins aux blessés graves.

Lorsque l’incident est clos

• Un code précis de fin d'alarme incendie doit être diffusé, par radio, aux responsablesde la circulation.

• Les conducteurs et les passagers doivent être raccompagnés à leurs voituresabandonnées sur le lieu de l’incident.

• Il faut mettre en place, selon le cas, une circulation alternée sur une voie restantutilisable ou une circulation à contresens dans le tunnel non touché par l'incendie.

• Dès que les circonstances le permettent, il faut revenir progressivement à desconditions normales de circulation.

• Les informations doivent être inscrites dans le journal de bord du poste de contrôle.

• Un rapport complet doit ensuite être préparé et diffusé.

VIII.4 Recommandations

VIII.4.1 Planification de l'intervention

Les aspects liés à l'incendie lui-même sont de la responsabilité des pompiers sous le contrôledu responsable le plus gradé. Les installations du tunnel doivent être exploitées par lepersonnel du tunnel, qui connaît bien le tunnel et ses installations, sous la direction, selon lecas, de la police ou du responsable des pompiers.

Les remarques précédentes prouvent à l’évidence qu'une planification soigneuse de la gestiondes interventions de secours est indispensable. Les directives existantes pour les plansd'intervention d’urgence sont fondées sur des actions logiques qui doivent être menées pourchaque cas particulier à l’intérieur d’un cadre conçu pour éviter la confusion ou un manque declarté dans les responsabilités. Le plan doit donc prendre en compte les points suivants :

• désignation du responsable de l’intervention et définition des responsabilités desdifférentes équipes ;

• moyen de transmission le plus rapide de l’alarme au poste de commande etinformation permanente des équipes d’intervention sur l’importance et la localisationde l’incendie, ainsi que sur les possibilités d’accès au lieu du sinistre ;

• déclenchement d’un programme automatique ou manuel de gestion de la circulationet d’évacuation des véhicules ;

AIPCR •••• 278 •••• 05.05.B - 1999

• Depending on the nature and the scale of the incident, the following facilities may berequired by the emergency services:a) casualty collection point,b) evacuation assembly point,c) mortuary collection point.

• Maintain liaison with emergency services to assist in dealing with the injured persons.

After the incident is over

• Broadcast in internal fire alarm clear code by radio to traffic officers.

• Guide the drivers and passengers to abandoned cars at the scene of the incident.

• Establish tidal-flow in unaffected lane or contra-flow in the unaffected tunnel, asappropriate.

• As and when circumstances permit progressively return to normal traffic flow.

• Enter details in control point log.

• Prepare and submit full report.

VIII.4 Recommendations

VIII.4.1 Fire response planning

During a fire incident the fire aspects of the incident are the responsibility of the fire brigadeunder the control of the most senior fire officer present. Tunnel plant should be operated bytunnel personnel, familiar with the tunnel and its plant, under the direction of the police or fireincident officer, as appropriate.

Expanding on the above remarks it is evident that the emergency response management isbased on careful planning. Existing guidelines for emergency response plans are based onlogical actions which need to be taken for the particular case within a framework which isdesigned to avoid confusion or unclear responsibilities. The plan should therefore consider thefollowing:

• appointment of the person in charge of the intervention, and description of therespective responsibilities of the various teams;

• quickest means of transmitting alarms to the control room and reliable information tothe intervention teams regarding the severity and location of the fire and thepossibilities for gaining access to its location;

• start-up of the automatic or manual programme to manage the traffic and evacuatethe vehicles;

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• mise en marche automatique du régime approprié de désenfumage dans la phaseinitiale en tant que partie intégrante des consignes ; d'autres scénarios defonctionnement de la ventilation peuvent être mis en place par la personne depermanence, en fonction de la spécificité de l’urgence et de ce qui apparaît comme lameilleure façon de maîtriser la fumée aussi rapidement que possible ;

• confirmation du déroulement convenu des opérations de secours suivant un planélaboré après des exercices d’incendie dans le tunnel avec la participation de toutesles équipes d’intervention ;

• les consignes doivent être simples, faciles à lire et à mémoriser ; elles sont destinéesau personnel de l’exploitation et des services de secours, et peuvent être complétéespar des tableaux affichés ; des instructions destinées aux usagers sur la conduite àtenir en cas d’incendie devraient être préparées, soit sous forme de messagesrédigés à l’avance et destinés aux réponses par téléphone, soit sous forme demessages préenregistrés à diffuser par le système radio du tunnel.

L’exigence la plus importante pour une gestion réussie des urgences est l'entraînement régulierdu personnel concerné, ce qui permet de perfectionner le plan de gestion. L’organisationd’essais d’incendie représente une part importante de cette formation.

VIII.4.2 Essais d’incendie

Il est recommandé que des essais d’incendie en vraie grandeur soient menés avant l’ouvertured’un tunnel pour vérifier les procédures d’urgence. De tels essais permettent de tester lesconditions de détection et de transmission de l’alerte, d’évaluer les délais d’intervention, demettre au point les consignes concernant la ventilation et, d’une manière plus générale, lesconsignes en cas d’incendie. Il est également recommandé d’effectuer, en cours d’exploitation,quelques essais de ce type de façon plus ou moins complète, afin de familiariser les servicesavec cette situation et de mettre à jour les consignes.

Cette partie traite en détail des essais pour vérifier les procédures de maîtrise des fumées. Desrecommandations complémentaires sont données au chapitre IV (§ IV.3.2).

Méthode d’essai

Les essais doivent être menés selon le mode opératoire d'urgence spécifique au tunnel ; celainclut la désignation d'un responsable général de la coordination des interventions. Lespompiers doivent être prêts à maîtriser l'incendie avec les équipements disponibles aux pointsde secours. Une motopompe doit être également disponible en cas de défaillance deséquipements du tunnel ou de la procédure durant les essais.

L'instrumentation doit comprendre la mesure de la vitesse de l'air, la mesure de la températureà 5 m, 10 m, 20 m, 50 m et 100 m de l'incendie dans les deux directions au niveau de lachaussée, à 1,5 m au-dessus de la chaussée, et au niveau des câbles d'éclairage et des autreséquipements vulnérables dans les 3 m supérieurs de la section transversale. La températureambiante et la vitesse de l'air doivent être mesurées avant et après l'essai. Les données detempérature et les mesures fournies par les capteurs habituels du tunnel de CO doivent êtreenregistrées pendant toute la durée de l'essai. Il faut également prendre des photographies,réaliser un reportage vidéo ou tout autre enregistrement du développement de la fumée.

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• start-up of the appropriate automatic smoke control ventilation regime at the initialstage, to be made part of the standing instructions. Alternative operational modes ofthe system can be implemented by the operator in the light of the specific emergencyand what is deemed to be a more appropriate manual response to achieve smokecontrol as quickly as possible;

• confirmation of the agreed emergency operation sequences according to schedulesset up after fire trials in the tunnel with the participation of all intervention teams;

• the text of the instructions must be simple, easy to read and remember. They must beaimed at the operation and emergency response staff, and may be supplemented bydisplay panels. Instructions to the users about appropriate behaviour in case of fireshould be prepared either as messages written in advance and used in telephoneresponses or as pre-recorded messages to be broadcast by the tunnel radio systemin case of fire.

The most important requirement for successful emergency response is regular training ofrelevant staff and the subsequent refinement of the response plan. An important part of thistraining is the organisation of fire tests.

VIII.4.2 Fire tests

It is recommended that full-scale fire tests are carried out prior to opening a tunnel to verify theemergency procedures. Such exercises will allow the testing of fire detection and alarmtransmissions, evaluation of the emergency services response time, confirmation of instructionson use of ventilation and more general instructions relating to the response to fire. It isrecommended that once the tunnel is in operation more or less complete tests are undertaken atregular intervals so that the intervention staff can remain accustomed to the situation andinstructions and training be updated.

This section discusses in detail the tests to verify the smoke control procedures.Complementary recommendations appear in section IV (§ IV.3.2).

Test method

Tests should be conducted using the draft emergency operating procedure for the tunnel whichwill include appointing somebody with the overall responsibility for co-ordinating theintervention. Firemen should be ready to control the fire using the equipment available at thetunnel emergency points. A fire appliance should also be in attendance in case of any failure ofthe tunnel equipment or procedures during the tests.

Instrumentation should include air velocity measurement, temperature measurement at 5 m, 10m, 20 m, 50 m and 100 m from the fire in both directions at the road level, at 1.5 m above theroad and at the level of lighting cables or other vulnerable equipment in the top 3 m of thetunnel cross-section. Ambient temperature and air velocity should be measured before and afterthe test. Temperature data and the output from the tunnel normal CO, smoke and air velocitymeasuring equipment should be continuously recorded during the test. Photographic and videoor other recording of the smoke development should be made.

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Sources de chaleur et de fumée

Les générateurs de fumée froide ne sont pas recommandés car la fumée qu'ils produisent n’apas un comportement réaliste. On peut obtenir un incendie convenable :

• en faisant brûler un mélange de 25 l d'essence, 5 l de gazole et des morceaux depneumatiques dans un bac métallique de 4 m3 placé sur la chaussée,

• en faisant brûler une épave de voiture,• en faisant brûler du gazole ou de l'heptane ; cette solution permet une meilleure

répétabilité ; la surface du bac est adaptée pour obtenir une puissance thermiqueacceptable (quelques MW).

D'après l'expérience, il est peu probable que les incendies de cette taille provoquent des dégâtsau tunnel s'ils sont correctement placés par rapport aux équipements vulnérables. Si on utiliseune épave de voiture, le réservoir doit être complètement vidé de son carburant et rempli d'eaupour éviter une explosion.

Précautions à prendre

Pour protéger la chaussée, le foyer doit être placé sur des tôles ondulées, ou bien sur un lit desable de 20 cm d'épaisseur, ou encore sur des cales et en arrosant la chaussée durant l'essai.L'essai doit être conduit avant que le plafond ou la voûte soient peints ou traités du point de vuede l'acoustique. L'expérience a montré que des essais d'incendie de quelques MWn'endommageront pas le plafond si la ventilation fonctionne. Cependant, un grand feu,équivalent à un poids lourd, peut provoquer des dégâts au plafond. Les piédroits et autreséquipements ne seront vraisemblablement pas endommagés, mais, à titre préventif, on peutrecouvrir de plaques les piédroits sur une longueur de 8 m, l'éclairage sur 10 m et les câblessur 20 m.

Compte rendu d'essai

Le compte rendu doit décrire le personnel ayant participé à l'essai, le but, les conditions et laméthode de l'essai, l'état initial, l'instrumentation, la description de l'évolution de l'incendie, ycompris le mouvement des fumées, les données mesurées et leur analyse, l'évaluation de lapuissance de l'incendie, et les enseignements à en tirer.

VIII.5 Besoins en travaux de rechercheLa simulation numérique et les essais d'incendie sur maquette et en vraie grandeur, présentésau chapitre IV de ce rapport, fournissent tous des informations précieuses aux concepteurs desplans de gestion d'urgence. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour valider lesmodèles et déterminer leur précision globale.

AIPCR •••• 282 •••• 05.05.B - 1999

Heat and smoke sources

Cold smoke generators are not suitable because the smoke they produce does not have thecorrect buoyancy. A suitable fire can be produced:

• by burning a mixture of 25 litres of petrol, 5 litres of gas oil and pieces of car tyre in a4 m3 steel tank placed on the road surface,

• by burning an old car,• by burning diesel oil or heptane. This solution permits a better repeatability. The tank

surface is adapted to obtain an acceptable heat release rate (a few megawatts).

Experience shows that fires of this size are unlikely to damage the tunnel if carefully sited inrelation to vulnerable equipment. If an old car is used the petrol tank must be emptied of petroland must then be filled with water to prevent explosion.

Useful precautions

To protect the carriageway, the fire should be placed on corrugated iron sheets or a 20 cm thickbed of sand or blocks with the carriageway watered during the test. The test should be carriedout before the ceiling or vault is painted or any acoustic treatment applied. Fire experiencesuggests that test fires of a few megawatts will not damage the ceiling provided the ventilation isoperated. However, a large fire, equivalent to an HGV, can be expected to damage the ceiling.Sidewall equipment is not likely to be affected, but plastered plates covering the sidewalls for alength of 8 m, the lighting for 10 m and cables for 20 m can be employed as a precaution.

Test report

The test reportshould record theattending person-nel, the object,conditions andmethod of the tests,the initial condition,instrumentation,description of thedevelopment of thefire including thesmoke movement,measured data andanalysis, evalua-tionof the fire intensityand les-sons to bedrawn.

Figure 8.1 - Test of alertness at a tunnelin Norway

Figure 8.1 - Exercice d’alertedans un tunnel en Norvège

VIII.5 Needs for research workComputer simulation, model and full-scale tests of fire events, discussed in section IV of thisreport, all provide valuable information to the designer of the emergency response plan. Furtherwork is required to validate models and to determine their overall accuracy.

PIARC •••• 283 •••• 05.05.B - 1999

IX. REFERENCES[1] BARRAUSKAS ET AL, A new approach to fire toxicity data for hazard evaluation. Fire Journal,

March/April 1987.[2] BSI, DD 180 : 1989, Guide for the assessment of toxic hazards in fire in buildings and transport.

Draft for development.[3] DANIELSON, Människans fysiska tålighet vid brand, värmeupplagring. FOA-report C54055, May

1984, Stockholm.[4] ERIKSSEN, Forprosjekt Brannkatastrofer - bedre brannømmingsmodeller. Huvedrapport SINTEF,

Trondheim 1991.[5] FARDELL ET AL, A study of life threat in bus fires. Interflam 1993.[6] FUJIMURA ET AL, Practical test of emergency ventilation combined with bus firing at the Kan-

Estu tunnel. 6th international symposium on the aerodynamics and ventilation of vehicle tunnels,September 1988.

[7] HYMES, The Physiological And Pathological Effects of Thermal Radiation. Health and SafetyExecutive, UK, September 1983.

[8] ISO/TC 92/SC 3N, 38, Toxic hazards in fire, CD 13344, Determination of the lethal toxic potencyof fire effluents..

[9] KLOTE, MILKE, Design of smoke management systems. ASHRAE, 1993.[10] MELAND ET AL, Smoke hazard in offshore platform fires. STF 25 A 91007, SINTEF, Trondheim.[11] ONDRUS, Brandförlopp. Lund Technical University, 1990.[12] PURSER [1], Interactions between behaviour patterns and physiological impairment in escape

from fire. Interflam 1993.[13] PURSER [2], Modelling Toxic and Physical Hazard in Fire. Interflam 1993.[14] PURSER [3], The effects of Fire Products on Escape Capability in Primates and Human Fire

Victims. Fire Safety Science, First international symposium 1985.[15] PURSER [4], Modelling Time to Incapacitation and Death from Toxic and Physical Hazard in

Aircraft Fires. Aircraft fire safety, Conference, Proceedings No.467, AGARD.[16] STENSAAS, Toxicity, visibility and heat stress of the fire effluents-human tenability limits.

SINTEF, Trondheim 1991.[17] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XXth World Road Congress, Montreal

(Canada-Québec), September 1995 (ref. 20.05.B) / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS,rapport au XXe Congrès mondial de la Route, Montréal (Canada-Québec), septembre 1995 (réf.20.05.B)

[18] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XIXth World Road Congress, Marrakesh(Morocco), September 1991 (ref. 19.05.B) / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapportau XIXe Congrès mondial de la Route, Marrakech (Maroc), septembre 1991 (réf. 19.05.B)

[19] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XVIIIth World Road Congress, Brussels(Belgium), September 1987 (ref. 18.05.E) / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapportau XVIIIe Congrès mondial de la Route, Bruxelles (Belgique), septembre 1987 (réf. 18.05.F).

[20] STUDIENGESELLSCHAFT STAHLANWENDUNG E.V. : "EUREKA-Project EU 499 Firetun: Firesin transport tunnels; Report on full-scale tests", Verlag und Vertriebsgesellschaft, Düsseldorf,November 1995

[21] CETU, "Abstracts on breakdowns, accidents and fires in the tunnels: Fourvière (Lyon), CroixRousse (Lyon), Fréjus (Alpes)", Bron (France), 1993

[22] MASSACHUSSETTS HIGHWAY DEPARTMENT AND FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION:"Memorial Tunnel Fire ventilation test program; Test report", (United States), November 1995

AIPCR •••• 284 •••• 05.05.B - 1999

IX. REFERENCES[1] BARRAUSKAS ET AL, A new approach to fire toxicity data for hazard evaluation. Fire Journal,

March/April 1987.[2] BSI, DD 180 : 1989, Guide for the assessment of toxic hazards in fire in buildings and transport.

Draft for development.[3] DANIELSON, Människans fysiska tålighet vid brand, värmeupplagring. FOA-report C54055, May

1984, Stockholm.[4] ERIKSSEN, Forprosjekt Brannkatastrofer - bedre brannømmingsmodeller. Huvedrapport SINTEF,

Trondheim 1991.[5] FARDELL ET AL, A study of life threat in bus fires. Interflam 1993.[6] FUJIMURA ET AL, Practical test of emergency ventilation combined with bus firing at the Kan-

Estu tunnel. 6th international symposium on the aerodynamics and ventilation of vehicle tunnels,September 1988.

[7] HYMES, The Physiological And Pathological Effects of Thermal Radiation. Health and SafetyExecutive, UK, September 1983.

[8] ISO/TC 92/SC 3N, 38, Toxic hazards in fire, CD 13344, Determination of the lethal toxic potencyof fire effluents..

[9] KLOTE, MILKE, Design of smoke management systems. ASHRAE, 1993.[10] MELAND ET AL, Smoke hazard in offshore platform fires. STF 25 A 91007, SINTEF, Trondheim.[11] ONDRUS, Brandförlopp. Lund Technical University, 1990.[12] PURSER [1], Interactions between behaviour patterns and physiological impairment in escape

from fire. Interflam 1993.[13] PURSER [2], Modelling Toxic and Physical Hazard in Fire. Interflam 1993.[14] PURSER [3], The effects of Fire Products on Escape Capability in Primates and Human Fire

Victims. Fire Safety Science, First international symposium 1985.[15] PURSER [4], Modelling Time to Incapacitation and Death from Toxic and Physical Hazard in

Aircraft Fires. Aircraft fire safety, Conference, Proceedings No.467, AGARD.[16] STENSAAS, Toxicity, visibility and heat stress of the fire effluents-human tenability limits.

SINTEF, Trondheim 1991.[17] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XXth World Road Congress, Montreal

(Canada-Québec), September 1995 (ref. 20.05.B) / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS,rapport au XXe Congrès mondial de la Route, Montréal (Canada-Québec), septembre 1995 (réf.20.05.B)

[18] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XIXth World Road Congress, Marrakesh(Morocco), September 1991 (ref. 19.05.B) / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapportau XIXe Congrès mondial de la Route, Marrakech (Maroc), septembre 1991 (réf. 19.05.B)

[19] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XVIIIth World Road Congress, Brussels(Belgium), September 1987 (ref. 18.05.E) / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapportau XVIIIe Congrès mondial de la Route, Bruxelles (Belgique), septembre 1987 (réf. 18.05.F).

[20] STUDIENGESELLSCHAFT STAHLANWENDUNG E.V. : "EUREKA-Project EU 499 Firetun: Firesin transport tunnels; Report on full-scale tests", Verlag und Vertriebsgesellschaft, Düsseldorf,November 1995

[21] CETU, "Abstracts on breakdowns, accidents and fires in the tunnels: Fourvière (Lyon), CroixRousse (Lyon), Fréjus (Alpes)", Bron (France), 1993

[22] MASSACHUSSETTS HIGHWAY DEPARTMENT AND FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION:"Memorial Tunnel Fire ventilation test program; Test report", (United States), November 1995

PIARC •••• 285 •••• 05.05.B - 1999

[23] PERARD M., BROUSSE B.: "Full size tests before opening two French tunnels", 8th InternationalConference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, BHR Group Conference Series,Publication No. 12, Mechanical Engineering Publications Ltd., London, July 1994

[24] HACAR F., ABELLA A., GARCIA-ARANGO I.: "Incendios en tuneles", Ediciones Paraiso S.L.,Muñoz Degrain, Oviedo (Spain), 1993

[25] SWISS COMMITTEE FOR SAFETY IN ROAD TUNNELS : "Final Report on the Fire Tests in theOfenegg Tunnel", (Switzerland), 1965.

[26] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XVIth World Road Congress, Vienna(Austria), September 1979 / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapport au XVIeCongrès mondial de la Route, Vienne (Autriche), septembre 1979

[27] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XVIIth World Road Congress, Sydney(Australia), October 1983 / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapport au XVIIeCongrès mondial de la Route, Sydney (Australie), octobre 1983

[28] LACROIX D.: "PIARC Activities on Fire and Smoke Control in Road Tunnels", 8th InternationalConference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, BHR Group Conference Series,Publication No. 12, Mechanical Engineering Publications Ltd, London, 1994

[29] PERARD M.: "Statistics on breakdowns, accidents and fires in French road tunnels", FirstInternational Conference on Tunnel Incident Management, Korsor (Denmark), May 1996

[30] "Statistics on the traffic in the Elbtunnel from the year 1975 to the year 1992", BaubehördeHamburg (Germany), Tiefbauamt

[31] LACROIX D.: "Smoke control in road tunnels in case of fire - issues and current methods", RevueGénérale des Routes et des Aérodromes, n. 723, November 1994

[32] RUCKSTUHL F.: "Accident statistics and accident risks in tunnels", reports on the OECD-seminaron road tunnel management, p. 346-349, Lugano (Switzerland), November 1990

[33] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS: "Road Safety in Tunnels", ref. 05.04.B, 1995 /COMITÉ AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS "Sécurité routière dans les tunnels", réf. 05.04.B,1995

[34] HAACK A.: "Fire protection in traffic tunnels - Initial findings from large-scale tests", Tunnellingand Underground Space Technology, vol. 7, no. 4, p. 363-375, 1992

[35] LINGELSER S.: "Données sur les incendies importants de poids lourds dans les tunnels routiers",internal paper of the French Centre d'Etudes des Tunnels and the Direction de la Sécurité Civile,Lyon (France), september 1995, not published

[36] CETU: "remarks on fire risks", January 1996[37] MINISTRY OF CONSTRUCTION, PUBLIC WORK RESEARCH INSTITUTE: "State of the Road

Tunnel Equipment Technology in Japan -ventilation, Lighting, Safety Equipment", Technical note,Vol. 61, September 1993

[38] Werkhof Göschenen: Reports on the Gotthard-truck fire from July 5th, 1994[39] ROTH R.: "Brand eines Lastzuges im Gotthard-Straßentunnel", PVT 1995, no. 2, p. 49-53[40] AMT DER VORARLBERGER LANDESREGIERUNG, DEPT. OF ROAD CONSTRUCTION:

"Brandkatastrophe im Pfändertunnel bei Bregenz am 10. April 1995", Bregenz (Austria), May 1995[41] SOCIETA INIZIATIVE NAZIONALI AUTOSTRADALI (SINA): "Press reports about the fire in the

tunnel :Isola delle Femmine", Milano (Italy), April 1996[42] ROYAL INSTITUTE OF ENGINEERS (KIVI): "Ventilation of Road Tunnels", Netherlands,

November 1993[43] SWEDISH NATIONAL TESTING AND RESEARCH INSTITUTE: "Proceedings of the International

Conference on Fires in Tunnels", Børas, October 1994

AIPCR •••• 286 •••• 05.05.B - 1999

[23] PERARD M., BROUSSE B.: "Full size tests before opening two French tunnels",8th International Conference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels,BHR Group Conference Series, Publication No. 12, Mechanical EngineeringPublications Ltd., London, July 1994

[24] HACAR F., ABELLA A., GARCIA-ARANGO I.: "Incendios en tuneles", Ediciones Paraiso S.L.,Muñoz Degrain, Oviedo (Spain), 1993

[25] SWISS COMMITTEE FOR SAFETY IN ROAD TUNNELS : "Final Report on the Fire Tests in theOfenegg Tunnel", (Switzerland), 1965.

[26] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XVIth World Road Congress, Vienna(Austria), September 1979 / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapport au XVIeCongrès mondial de la Route, Vienne (Autriche), septembre 1979

[27] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Report to the XVIIth World Road Congress, Sydney(Australia), October 1983 / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapport au XVIIeCongrès mondial de la Route, Sydney (Australie), octobre 1983

[28] LACROIX D.: "PIARC Activities on Fire and Smoke Control in Road Tunnels", 8th InternationalConference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, BHR Group Conference Series,Publication No. 12, Mechanical Engineering Publications Ltd, London, 1994

[29] PERARD M.: "Statistics on breakdowns, accidents and fires in French road tunnels", FirstInternational Conference on Tunnel Incident Management, Korsor (Denmark), May 1996

[30] "Statistics on the traffic in the Elbtunnel from the year 1975 to the year 1992", BaubehördeHamburg (Germany), Tiefbauamt

[31] LACROIX D.: "Smoke control in road tunnels in case of fire - issues and current methods", RevueGénérale des Routes et des Aérodromes, n. 723, November 1994

[32] RUCKSTUHL F.: "Accident statistics and accident risks in tunnels", reports on the OECD-seminaron road tunnel management, p. 346-349, Lugano (Switzerland), November 1990

[33] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS: "Road Safety in Tunnels", ref. 05.04.B, 1995 /COMITÉ AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS "Sécurité routière dans les tunnels", réf. 05.04.B,1995

[34] HAACK A.: "Fire protection in traffic tunnels - Initial findings from large-scale tests", Tunnellingand Underground Space Technology, vol. 7, no. 4, p. 363-375, 1992

[35] LINGELSER S.: "Données sur les incendies importants de poids lourds dans les tunnels routiers",internal paper of the French Centre d'Etudes des Tunnels and the Direction de la Sécurité Civile,Lyon (France), september 1995, not published

[36] CETU: "remarks on fire risks", January 1996[37] MINISTRY OF CONSTRUCTION, PUBLIC WORK RESEARCH INSTITUTE: "State of the Road

Tunnel Equipment Technology in Japan -ventilation, Lighting, Safety Equipment", Technical note,Vol. 61, September 1993

[38] Werkhof Göschenen: Reports on the Gotthard-truck fire from July 5th, 1994[39] ROTH R.: "Brand eines Lastzuges im Gotthard-Straßentunnel", PVT 1995, no. 2, p. 49-53[40] AMT DER VORARLBERGER LANDESREGIERUNG, DEPT. OF ROAD CONSTRUCTION:

"Brandkatastrophe im Pfändertunnel bei Bregenz am 10. April 1995", Bregenz (Austria), May 1995[41] SOCIETA INIZIATIVE NAZIONALI AUTOSTRADALI (SINA): "Press reports about the fire in the

tunnel :Isola delle Femmine", Milano (Italy), April 1996[42] ROYAL INSTITUTE OF ENGINEERS (KIVI): "Ventilation of Road Tunnels", Netherlands,

November 1993[43] SWEDISH NATIONAL TESTING AND RESEARCH INSTITUTE: "Proceedings of the International

Conference on Fires in Tunnels", Børas, October 1994

PIARC •••• 287 •••• 05.05.B - 1999

[44] BUNDESMINISTERIUM FÜR BILDUNG, Wissenschaft, Forschung und Technologie,Studiengesellschaft Stahl e.V., iBMB der TU Braunschweig, STUVA e.V.: "Proceedings of theInternational Conference on Fire Protection in Traffic Tunnels", Dresden, September 1995

[45] BUNDESMINISTER FÜR VERKEHR: "ZTV-Tunnel - Zusätzliche technische Vertragsbedingungenund Richtlinien für den Bau von Straßentunneln, Teil 1: Geschlossene Bauweise(Spritzbetonbauweise)", Bund/Länder-Fachausschuß, Bonn, 1995

[46] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDISATION : "Eurocode 1: Basis of design and actionson structures, Part 2-2: Actions on structures exposed to fire", ENV 1991-2-2, 1994

[47] LACROIX D.: "Research Advancement in France on Road Tunnel Safety", Conference onProtection from fire of rail and road tunnels, Rome (Italy), June 1996

[48] CHASSE P.: "EUREKA 499 - Caractérisation des feux de véhicules routiers", internal paper of theFrench Centre d'Etudes des Tunnels and the Direction de la Sécurité Civile, Lyon (France), 1995,not published

[49] BLUME G.: "Smoke and hot gas movements during tunnel fire tests with realistic fire loads",Tunnel 1995, no. 2, p. 90-99

[50] RICHTLINIEN FÜR DIE AUSSTATTUNG UND DEN BETRIEB VON STRAßENTUNNELN(RABT), "Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen", Cologne (Germany), Issue1994.

[51] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Working Group on Operation-Maintenance-Management, 'Fire in road tunnels: Protection for civil ingineering structures, electrical circuits andequipment' / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, Groupe de travail « Exploitation,Entretien, Gestion », « Incendies dans les tunnels – Protection du génie civil, des circuitsélectriques et des équipements », Routes/Roads, No. 275, ΙΙΙ-1991, pages 55-68

[52] LACROIX D.: "PIARC Activities on fire and smoke control in road tunnel", 8th InternationalSymposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, pp. 345-355, Liverpool (UK),July 1994

[53] KOMMISSION FÜR SICHERHEITS MASSNAHMEN IN STRASSENTUNNELN: "Schlussberichtder Versuche in Ofenegg Tunnel vom 17. bis 31, Mai 1965", (Switzerland), 1965

[54] FEDERAL MINISTRY OF CONSTRUCTION AND TECHNOLOGY: "Fire tests in a tunnel, Part 1and 2", Road Research, Volume 50; (Austria), 1976.

[55] BURGESS D.; HERTZBERG M.: "Heat Transfer in Flames", Chapter 27. John Wiley & SonsPublishers, New York , (United States), 1974.

[56] FEDERAL MINISTRY OF CONSTRUCTION AND TECHNOLOGY: "Thermodynamic Investigationof Tunnel Fires", Road Research, Volume 78, (Austria), 1977.

[57] PUCHER K.: Fire in the 7 km long Pfänder Tunnel, Lecture given at the International Conferencefor Tunnel incident management, Korsor (Denmark), May 1996

[58] BRANDAUER R.: Ausbreitung der Schadstoffe bei einem Waggonbrand in einem Tunnel,Diplomarbeit, Institut f. Verbrennungskraftmaschinen u. Thermodynamik, Graz TechnicalUniversity, 1995

[59] HAERTER A.: "Fire tests in the Ofenegg tunnel in 1965", International Conference on Fires inTunnels, Borås (Sweden), October 1994

[60] FEIZLMAYR A.H.: "Research in Austria on tunnel fires", 2nd International Symposium onAerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, paper J2, 1976

[61] PUBLIC WORKS RESEARCH INSTITUTE: "State of the Road Tunnel Equipment Technology inJapan -ventilation, Lighting, Safety Equipment", Technical note, Vol. 61, September 1993

[62] HAACK A.: "Fire protection in traffic tunnels - Initial recognitions from large-scale tests", FirstInternational Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, Basel (Switzerland), November1992

[63] LUCHIAN S.F., BENDELIUS A.G.: "West Virginia Memorial Tunnel fire test program",International Conference on Fires in Tunnels, Borås (Sweden), October 1994

[64] CASALE E.: "Heptane fire test in EUREKA 499", 2nd International Conference on Safety in Roadand Rail Tunnels - Seminar on Physical and Numerical Modelling of Fires in Tunnels, Granada(Spain), April, 1995

AIPCR •••• 288 •••• 05.05.B - 1999

[44] BUNDESMINISTERIUM FÜR BILDUNG, Wissenschaft, Forschung und Technologie,Studiengesellschaft Stahl e.V., iBMB der TU Braunschweig, STUVA e.V.: "Proceedings of theInternational Conference on Fire Protection in Traffic Tunnels", Dresden, September 1995

[45] BUNDESMINISTER FÜR VERKEHR: "ZTV-Tunnel - Zusätzliche technische Vertragsbedingungenund Richtlinien für den Bau von Straßentunneln, Teil 1: Geschlossene Bauweise(Spritzbetonbauweise)", Bund/Länder-Fachausschuß, Bonn, 1995

[46] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDISATION : "Eurocode 1: Basis of design and actionson structures, Part 2-2: Actions on structures exposed to fire", ENV 1991-2-2, 1994

[47] LACROIX D.: "Research Advancement in France on Road Tunnel Safety", Conference onProtection from fire of rail and road tunnels, Rome (Italy), June 1996

[48] CHASSE P.: "EUREKA 499 - Caractérisation des feux de véhicules routiers", internal paper of theFrench Centre d'Etudes des Tunnels and the Direction de la Sécurité Civile, Lyon (France), 1995,not published

[49] BLUME G.: "Smoke and hot gas movements during tunnel fire tests with realistic fire loads",Tunnel 1995, no. 2, p. 90-99

[50] RICHTLINIEN FÜR DIE AUSSTATTUNG UND DEN BETRIEB VON STRAßENTUNNELN(RABT), "Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen", Cologne (Germany), Issue1994.

[51] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, Working Group on Operation-Maintenance-Management, 'Fire in road tunnels: Protection for civil ingineering structures, electrical circuits andequipment' / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, Groupe de travail « Exploitation,Entretien, Gestion », « Incendies dans les tunnels – Protection du génie civil, des circuitsélectriques et des équipements », Routes/Roads, No. 275, ΙΙΙ-1991, pages 55-68

[52] LACROIX D.: "PIARC Activities on fire and smoke control in road tunnel", 8th InternationalSymposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, pp. 345-355, Liverpool (UK),July 1994

[53] KOMMISSION FÜR SICHERHEITS MASSNAHMEN IN STRASSENTUNNELN: "Schlussberichtder Versuche in Ofenegg Tunnel vom 17. bis 31, Mai 1965", (Switzerland), 1965

[54] FEDERAL MINISTRY OF CONSTRUCTION AND TECHNOLOGY: "Fire tests in a tunnel, Part 1and 2", Road Research, Volume 50; (Austria), 1976.

[55] BURGESS D.; HERTZBERG M.: "Heat Transfer in Flames", Chapter 27. John Wiley & SonsPublishers, New York , (United States), 1974.

[56] FEDERAL MINISTRY OF CONSTRUCTION AND TECHNOLOGY: "Thermodynamic Investigationof Tunnel Fires", Road Research, Volume 78, (Austria), 1977.

[57] PUCHER K.: Fire in the 7 km long Pfänder Tunnel, Lecture given at the International Conferencefor Tunnel incident management, Korsor (Denmark), May 1996

[58] BRANDAUER R.: Ausbreitung der Schadstoffe bei einem Waggonbrand in einem Tunnel,Diplomarbeit, Institut f. Verbrennungskraftmaschinen u. Thermodynamik, Graz TechnicalUniversity, 1995

[59] HAERTER A.: "Fire tests in the Ofenegg tunnel in 1965", International Conference on Fires inTunnels, Borås (Sweden), October 1994

[60] FEIZLMAYR A.H.: "Research in Austria on tunnel fires", 2nd International Symposium onAerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, paper J2, 1976

[61] PUBLIC WORKS RESEARCH INSTITUTE: "State of the Road Tunnel Equipment Technology inJapan -ventilation, Lighting, Safety Equipment", Technical note, Vol. 61, September 1993

[62] HAACK A.: "Fire protection in traffic tunnels - Initial recognitions from large-scale tests", FirstInternational Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, Basel (Switzerland), November1992

[63] LUCHIAN S.F., BENDELIUS A.G.: "West Virginia Memorial Tunnel fire test program",International Conference on Fires in Tunnels, Borås (Sweden), October 1994

[64] CASALE E.: "Heptane fire test in EUREKA 499", 2nd International Conference on Safety in Roadand Rail Tunnels - Seminar on Physical and Numerical Modelling of Fires in Tunnels, Granada(Spain), April, 1995

PIARC •••• 289 •••• 05.05.B - 1999

[65] EUREKA 499 Report: "Fires in transport tunnels, Report on full scale tests", Edited byStudiengesellschaft Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, April 1996

[66] PERARD M.: "Organisation of fire tests in an operated road tunnel", First International Conferenceon Safety in Road and Rail Tunnels, Basel (Switzerland), November 1992

[67] CASALE E., MOULET J.M.: "Essais incendie au tunnel du Puymorens", Tunnels et OuvragesSouterrains, N 127, pp 45-56, January / February 1995

[68] KOSEKI H., HAYASAKA H.: "Estimation of thermal balance in heptane pool fire", J. of FireSciences, Vol. 7, pp 237-250, July/August 1989

[69] SCETAUROUTE DTTS: "Essais d'incendie au tunnel de Chamoise - Rapport scientifique",February 1996 (Unpublished)

[70] SALAÜN-PENQUER G., GUILLAUME R., COLLINI P.: "Comportement du Halon 1301 dans leswagons-navettes (feux de sièges et feux de chassis)", Rapport d'études Env XXXIII pourTRANSMANCHE-LINK, June 1989

[71] LACROIX D., CHASSE P., MULLER T.: "Small scale study of smoke trap door systems", 8thInternational Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Liverpool (UK), pp.409-438, July 1994

[72] VAUQUELIN O.: "Caractérisation expérimentale de l'apparition d'une nappe de retour", CompteRendu à l'Académie des Sciences de Paris, t. 321, Série II b, pp 15-18, 1995

[73] LACROIX D.: Smoke control in road tunnels in case of fire: issues and current methods researchways, CETU publication, November 1994, March 1995

[74] GUELZIM A., SOUIL J.M., VANTELON J.P., DOAN KIM SON, GABAY D., DALLEST D.:"Modelling of a reverse layer of fire induced smoke in a tunnel", 4th International Symposium onFire Safety Science, Ottawa, Ontario (Canada), June 1994

[75] SAITO N., YAMADA T., SEKIZAWA A., YANAI E., WATANABE Y., MIYAZAKI S.: "Experimentalstudy on fire behaviour in a wind tunnel with a reduced scale model", 2nd International Conferenceon Safety in Road and Rail Tunnels, Granada (Spain), April 1995

[76] CORDIER H., VAUQUELIN O., BERTRAND E., CASALE E., OUAZZANI J.: "Experimental andnumerical study of reduced scale model tunnel fires", First European Symposium on Fire SafetyScience, Zürich (Switzerland), August 1995

[77] KUMAR S. & COX G.: "Mathematical modelling of fires in road tunnels", 5th InternationalSymposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Lille (France), May 1985

[78] BIOLLAY H.: "Projet EUREKA 499: Simulations numériques de l’essai d’heptane H32", Journée deprésentation de résultats de recherche, Arche de la Défense, Paris, January 1996

[79] BIOLLAY H. & CHASSE P.: "Validating and optimizing 2D and 3D computer simulations for theOfenegg tunnel fire tests", 8th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation ofVehicle Tunnels, Liverpool (UK), July 1994

[80] BIOLLAY H.: "Contribution à la simulation numérique d’un incendie en tunnel par un modèle dechamp", PhD thesis, Lyon1 University (France), March 1997

[81] KAWABATA N., OHASHI H., KATO Y.: "Numerical simulation of fire fume propagation along theceiling of a down-grade tunnel", 7th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilationof Vehicle Tunnels, Brighton (UK), November 1993

[82] SIMCOX S., WILKES N.S., IONES L.P.: "Computer simulation of the flows of hot gases from thefire at King’s Cross underground station", Fire Safety Journal, Vol. 18, pp 49-73, 1992

[83] WOODBURN B.: "CFD simulations of fires in tunnels: a sensitivity study", First EuropeanSymposium on Fire Safety Science, Zürich, August 1995

[84] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS: "Road Tunnels: Emissions, Ventilation, Environment",ref. 05.02.B,1995 / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS : "Tunnels routiers : émissions,ventilation, environnement", réf. 05.02.B, 1995

[85] JAPAN ROAD ASSOCIATION: "Tunnel ventilation design guidelines", Japan, 1985[86] PUBLIC WORKS RESEARCH INSTITUTE (PWRI): "Road Tunnel Technology in Japan",

Technical Memorandum of PWRI n° 3023, Japan, October 1991

AIPCR •••• 290 •••• 05.05.B - 1999

[65] EUREKA 499 Report: "Fires in transport tunnels, Report on full scale tests", Edited byStudiengesellschaft Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, April 1996

[66] PERARD M.: "Organisation of fire tests in an operated road tunnel", First International Conferenceon Safety in Road and Rail Tunnels, Basel (Switzerland), November 1992

[67] CASALE E., MOULET J.M.: "Essais incendie au tunnel du Puymorens", Tunnels et OuvragesSouterrains, N 127, pp 45-56, January / February 1995

[68] KOSEKI H., HAYASAKA H.: "Estimation of thermal balance in heptane pool fire", J. of FireSciences, Vol. 7, pp 237-250, July/August 1989

[69] SCETAUROUTE DTTS: "Essais d'incendie au tunnel de Chamoise - Rapport scientifique",February 1996 (Unpublished)

[70] SALAÜN-PENQUER G., GUILLAUME R., COLLINI P.: "Comportement du Halon 1301 dans leswagons-navettes (feux de sièges et feux de chassis)", Rapport d'études Env XXXIII pourTRANSMANCHE-LINK, June 1989

[71] LACROIX D., CHASSE P., MULLER T.: "Small scale study of smoke trap door systems", 8thInternational Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Liverpool (UK), pp.409-438, July 1994

[72] VAUQUELIN O.: "Caractérisation expérimentale de l'apparition d'une nappe de retour", CompteRendu à l'Académie des Sciences de Paris, t. 321, Série II b, pp 15-18, 1995

[73] LACROIX D.: Smoke control in road tunnels in case of fire: issues and current methods researchways, CETU publication, November 1994, March 1995

[74] GUELZIM A., SOUIL J.M., VANTELON J.P., DOAN KIM SON, GABAY D., DALLEST D.:"Modelling of a reverse layer of fire induced smoke in a tunnel", 4th International Symposium onFire Safety Science, Ottawa, Ontario (Canada), June 1994

[75] SAITO N., YAMADA T., SEKIZAWA A., YANAI E., WATANABE Y., MIYAZAKI S.: "Experimentalstudy on fire behaviour in a wind tunnel with a reduced scale model", 2nd International Conferenceon Safety in Road and Rail Tunnels, Granada (Spain), April 1995

[76] CORDIER H., VAUQUELIN O., BERTRAND E., CASALE E., OUAZZANI J.: "Experimental andnumerical study of reduced scale model tunnel fires", First European Symposium on Fire SafetyScience, Zürich (Switzerland), August 1995

[77] KUMAR S. & COX G.: "Mathematical modelling of fires in road tunnels", 5th InternationalSymposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Lille (France), May 1985

[78] BIOLLAY H.: "Projet EUREKA 499: Simulations numériques de l’essai d’heptane H32", Journée deprésentation de résultats de recherche, Arche de la Défense, Paris, January 1996

[79] BIOLLAY H. & CHASSE P.: "Validating and optimizing 2D and 3D computer simulations for theOfenegg tunnel fire tests", 8th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation ofVehicle Tunnels, Liverpool (UK), July 1994

[80] BIOLLAY H.: "Contribution à la simulation numérique d’un incendie en tunnel par un modèle dechamp", PhD thesis, Lyon1 University (France), March 1997

[81] KAWABATA N., OHASHI H., KATO Y.: "Numerical simulation of fire fume propagation along theceiling of a down-grade tunnel", 7th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilationof Vehicle Tunnels, Brighton (UK), November 1993

[82] SIMCOX S., WILKES N.S., IONES L.P.: "Computer simulation of the flows of hot gases from thefire at King’s Cross underground station", Fire Safety Journal, Vol. 18, pp 49-73, 1992

[83] WOODBURN B.: "CFD simulations of fires in tunnels: a sensitivity study", First EuropeanSymposium on Fire Safety Science, Zürich, August 1995

[84] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS: "Road Tunnels: Emissions, Ventilation, Environment",ref. 05.02.B,1995 / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS : "Tunnels routiers : émissions,ventilation, environnement", réf. 05.02.B, 1995

[85] JAPAN ROAD ASSOCIATION: "Tunnel ventilation design guidelines", Japan, 1985[86] PUBLIC WORKS RESEARCH INSTITUTE (PWRI): "Road Tunnel Technology in Japan",

Technical Memorandum of PWRI n° 3023, Japan, October 1991

PIARC •••• 291 •••• 05.05.B - 1999

[87] ROYAL INSTITUTE OF ENGINEERS (KIVI): "Ventilation of Road Tunnels", Netherland, July 1991[88] CENTRE D’ETUDES DES TUNNELS (CETU): "Dossier pilote des tunnels - Document

équipements - Section ventilation", France, to be published[89] LACROIX D. : "New French recommendations for fire ventilation in road tunnels", 9th International

Conference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Aosta (Italy), October 1997[90] FORSCHUNGSGESELLSCHAFT FUR DAS VERKEHR UND STRASSENWESEN (FVS) - RVS

9261; 9262, " Design guidelines tunnel ventilation", Austria, 1997[91] NORDISK VEJTEKNISK FORBUND (NVF) - Sub Committee 61- : "Ventilation of road tunnels",

Report n°6: 1993, English translation 1995[92] PUBLIC ROADS ADMINISTRATION: "Norwegian design guide - Road Tunnels", Norway,

December 1990[93] SWEDISH NATIONAL ROAD ADMINISTRATION: "Tunnel 95 - General Technical Specification",

Publ. 1995:32E, Sweden, 1996[94] RHODES N.: "Smoke Modelling", Proceedings of the One Day Seminar on Smoke and Critical

Velocity in Tunnels, Organised and sponsored by Independent Technical Conferences Ltd.,London (UK), April 1996.

[95] OKA Y., ATKINSON G. : "Control of Smoke Flow in tunnel fires", Fire Safety Journal, Vol. 25, pp.305-322, 1995

[96] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS: "Classification of tunnels, Existing guidelines andexperiences, Recommendations", 1995, ref. 05.03.B / COMITE AIPCR DES TUNNELSROUTIERS: "Classification des tunnels, directives et expériences existantes, recommandations",1995, réf. 05.03.B

[97] SHIELDS T.J., BOYCE K.E., “Emergency egress capabilities of people with mixed abilities”, FireSERT, Univ. of Ulster, 2nd International Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, Granada(Spain), April 1995.

[98] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, report to the XVth World Road Congress, Mexico City,1975 / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapport au XVe Congrès mondial de la Route,Mexico City, 1975

[99] ROYAL INSTITUTE OF ENGINEERS (KIVI) : "Ventilation of Road Tunnels, Recommendations1991", Department of Tunnel Technology and Underground Engineering Works, (Netherlands),printed February 1994

[100] PIARC: Safety - General Report to the XIXth World Road Congress, Marrakesh, September 1991,ref. 19.34.B / AIPCR : Sécurité – Rapport général au XIXe Congrès mondial de la Route,Marrakech, septembre 1991, réf. 19.34.B

AIPCR •••• 292 •••• 05.05.B - 1999

[87] ROYAL INSTITUTE OF ENGINEERS (KIVI): "Ventilation of Road Tunnels", Netherland, July 1991[88] CENTRE D’ETUDES DES TUNNELS (CETU): "Dossier pilote des tunnels - Document

équipements - Section ventilation", France, to be published[89] LACROIX D. : "New French recommendations for fire ventilation in road tunnels", 9th International

Conference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Aosta (Italy), October 1997[90] FORSCHUNGSGESELLSCHAFT FUR DAS VERKEHR UND STRASSENWESEN (FVS) - RVS

9261; 9262, " Design guidelines tunnel ventilation", Austria, 1997[91] NORDISK VEJTEKNISK FORBUND (NVF) - Sub Committee 61- : "Ventilation of road tunnels",

Report n°6: 1993, English translation 1995[92] PUBLIC ROADS ADMINISTRATION: "Norwegian design guide - Road Tunnels", Norway,

December 1990[93] SWEDISH NATIONAL ROAD ADMINISTRATION: "Tunnel 95 - General Technical Specification",

Publ. 1995:32E, Sweden, 1996[94] RHODES N.: "Smoke Modelling", Proceedings of the One Day Seminar on Smoke and Critical

Velocity in Tunnels, Organised and sponsored by Independent Technical Conferences Ltd.,London (UK), April 1996.

[95] OKA Y., ATKINSON G. : "Control of Smoke Flow in tunnel fires", Fire Safety Journal, Vol. 25, pp.305-322, 1995

[96] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS: "Classification of tunnels, Existing guidelines andexperiences, Recommendations", 1995, ref. 05.03.B / COMITE AIPCR DES TUNNELSROUTIERS: "Classification des tunnels, directives et expériences existantes, recommandations",1995, réf. 05.03.B

[97] SHIELDS T.J., BOYCE K.E., “Emergency egress capabilities of people with mixed abilities”, FireSERT, Univ. of Ulster, 2nd International Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, Granada(Spain), April 1995.

[98] PIARC COMMITTEE ON ROAD TUNNELS, report to the XVth World Road Congress, Mexico City,1975 / COMITE AIPCR DES TUNNELS ROUTIERS, rapport au XVe Congrès mondial de la Route,Mexico City, 1975

[99] ROYAL INSTITUTE OF ENGINEERS (KIVI) : "Ventilation of Road Tunnels, Recommendations1991", Department of Tunnel Technology and Underground Engineering Works, (Netherlands),printed February 1994

[100] PIARC: Safety - General Report to the XIXth World Road Congress, Marrakesh, September 1991,ref. 19.34.B / AIPCR : Sécurité – Rapport général au XIXe Congrès mondial de la Route,Marrakech, septembre 1991, réf. 19.34.B

PIARC •••• 293 •••• 05.05.B - 1999

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AIPCR •••• 16 •••• 05.05.B - 1999

I.4.1 Les différents types de risques

L’incendie produit des températures élevées, des rayonnements de chaleur, de bassesconcentrations d’oxygène, une faible visibilité et divers gaz toxiques mortels et/ou corrosifs.Tous ces phénomènes physiques, dont certains peuvent être calculés avec une certaineprécision, sont dangereux pour l’homme, les ouvrages, les équipements et les véhicules.

I.4.2 Rayonnement

Le rayonnement est créé par la température et peut être exprimé comme suit pour une coucheinfinie de fumée dans laquelle la température est constante :

248 /1067,5 mWTE rf ×××= − ε éq. [1.4.2.1]

où εr est l’émissivité résultante et T la température de la fumée (en degrés kelvins).

Le niveau du rayonnement dépend de la température et de l’émissivité de la fumée. Lorsque latempérature à l’intérieur de la couche de fumée n’est pas constante, une intégration estnécessaire pour calculer le niveau de rayonnement.

Le rayonnement est produit par l’incendie lui-même et par la couche de fumée chaude(figure 1.4.2.1).

La ligne continue sur la figure 1.4.2.2 montre le rayonnement touchant une personne en fuite,calculé à partir d’une couche infinie de fumée à température constante dans toute la couche. La

ligne pointillée correspond àun tunnel de 8 m de large et6 m de haut dans lequel lafumée est descendue à 3 mau-dessus du niveau de lachaussée. Dans les deuxcas, une valeur de 0,8 estprise pour εr. Près du foyerde l’incendie, il faut en outreprendre en compte lacontribution des flammes.

Figure 1.4.2.1 - Rayonnementsur les usagers en fuite

Figure 1.4.2.1 - Radiationat escaping people

PIARC •••• 17 •••• 05.05.B - 1999

corresponds to an infinite layer ––––– correspond à une couche infiniecorresponds to a tunnel 8 m wide,6 m high and smokeat 3 m above floor

----------correspond à un tunnel de 8 m de large,

6 m de haut et de la fuméeà 3 m au-dessus du sol

Figure 1.4.2.2 - Heat radiation at floor level Figure 1.4.2.2 - Rayonnement de chaleurau niveau du sol

I.4.1 Different kinds of threat

Fire produces high temperatures, heat radiation, low concentration of oxygen, low visibility anddifferent lethal toxic and/or corrosive gases. All these physical phenomena, some of which canbe calculated with some accuracy, can be dangerous to people, construction, equipment andvehicles.

I.4.2 Radiation

Radiation is created by temperature and may be expressed as follows for an infinite layer ofsmoke in which the temperature is constant:

248 /1067.5 mWTE rf ×××= − ε eq. [1.4.2.1]

where εr is the resulting emissivity and T the temperature of the smoke (in kelvins).

The level of radiation depends on the temperature and the emissivity of the smoke. When thetemperature within the smoke layer is not constant an integration is necessary to calculate theradiation level.

The radiation is produced by the fire itself and by the hot smoke layer (figure 1.4.2.1).

The continuous line infigure 1.4.2.2 shows thecalculated radiationaffecting escapingpeople from an infinitesmoke layer with aconstant temperature inthe whole layer. Thedashed linecorresponds to a tunnel8 m wide and 6 m highin which the smokelayer

has descended to 3 mabove road level. Avalue of 0.8 is assumedfor εr in both cases.Near the fire site acontribution from theflames should beadded.

AIPCR •••• 18 •••• 05.05.B - 1999

La figure 1.4.2.3, d’après Hymes [7], montre la durée de résistance avant blessure par brûlurepour différents flux de chaleur, jusqu’à une durée d’exposition de 100 s. Par exemple, pour unedurée d’exposition de 100 s, 11 kW/m² provoquent 50 % de décès.

Figure 1.4.2.3 - Durée de résistance à la brûlure Figure 1.4.2.3 - Tolerance times to burn injury

Purser [13] montre, dans la figure 1.4.2.4, qu’il existe une limite d’intensité relativementévidente de 2,5 kW/m2 pour la résistance à une chaleur rayonnée constante. Dans cette figure,les lettres "a" à "e" correspondent à différentes valeurs observées dans la bibliographie et lesrecherches.

A la figure 1.4.2.5, Danielsson [3] montre le moment où la douleur apparaît à différents niveauxde rayonnement constant. P est un facteur sécurité pour différents vêtements : P = 1correspond à la peau nue et P = 26 correspond à des vêtements de pompier.

PIARC •••• 19 •••• 05.05.B - 1999

In figure 1.4.2.3, Hymes [7] shows tolerance times to burn injury levels for various incident heatfluxes up to an exposure time of 100 s. For example at a 100 seconds exposure time, 11 kW/m²creates 50% lethality.

Figure 1.4.2.4 - Time to severe skin painfor exposure to radiant heat

Figure 1.4.2.4 - Résistance à la douleuraprès exposition à une chaleur rayonnée

Purser [13] shows in figure 1.4.2.4 that there is a fairly obvious intensity limit fortolerance of constant radiant heat at 2.5 kW/m2. In this figure letters "a" to "e"correspond to different observed values in literature and investigations.

In figure 1.4.2.5 Danielsson [3] shows time until pain occurs at different constant radiationlevels. P is a safety factor for different clothes: P = 1 corresponds to naked skin and P = 26corresponds to a fire-fighter clothes.

AIPCR •••• 20 •••• 05.05.B - 1999

I.4.3 Température, chaleur convectée

Purser [13] montre, dans lafigure 1.4.3.1, une courbedonnant la durée derésistance à une températureconstante apportée par l’airconvecté. Les lettres "a" à "d"cor-respondent à diffé-rentesvaleurs rele-vées dans labiblio-graphie. La durée derésistance est définie par ladouleur de l’épiderme oul’hyper-thermie. Par exemple,il est possible de résister àune tempé-rature de 80 °Cpendant 15 mn en conditionshumides.

Figure 1.4.2.5 - Résistance à ladouleur pour différents niveaux deradiationet différents facteurs de sécurité

Figure 1.4.2.5 - Time to painfor different radiation levelsand safety factors

L’équation 1.4.3.1 décrit les conditions d’une situation humide :

Tin (mn) = (temps de mise en incapacité) = e5.1849-0.0273T éq [1.4.3.1]où T est la température en °C.

Si la température n’est pas constante, comme dans une situation normale, le concept de “dose”est introduit. Puisque la durée de résistance prend la forme d’une courbe exponentielle, il estpossible de considérer la victime comme ayant absorbé une “dose” de chaleur convectée. Parconséquent, il est possible d’utiliser le concept d’une dose fractionnaire de chaleur absorbéechaque minute du point de vue de la mise en incapacité :

Flh =

15 1849 0 0273e T. .−

éq. [1.4.3.2]

où T est la température en °C durant cette minute. Lorsque la dose cumulée est supérieure à 1,la survie est menacée.

PIARC •••• 21 •••• 05.05.B - 1999

I.4.3 Temperature, convected heat

Purser [13] shows in figure 1.4.3.1 a curve giving the tolerance time to a constant temperaturebrought by convected air. Letters "a" to "d" correspond to different observed values mentionedin literature. The tolerance time is defined by skin pain or hyperthermia. For instance atemperature of 80 °C can be withstood for 15 minutes in humid conditions.

Figure 1.4.3.1 - Tolerance time to convected heat Figure 1.4.3.1 - Durée de résistance à la chaleur convectée

Equation 1.4.3.1 describes the conditions in a humid situation:

Tin (min) = (time to incapacitation) = e5.1849-0.0273T eq [1.4.3.1]where T is the temperature in °C.

If the temperature is not constant, as in a normal situation, the "dose" concept is introduced.Since the tolerance time takes the form of an exponential curve, it is feasible to consider thevictim as taking up a "dose" of convected heat. Thereafter it is possible to use the concept of afractional incapacitating dose of heat acquired during each minute as follows:

Flh =

15 1849 0 0273e T. .−

eq. [1.4.3.2]

where T is the temperature in °C during that minute. When the cumulative fractional doseexceeds unity, life threatening conditions have occurred.

PIARC •••• 31 •••• 05.05.B - 1999

I.4.6 Escape time

I.4.6.1 Walking speed

There is a lot of information on walking speed during different conditions in for examplebuildings and underground stations. These show that the walking velocity in a smoke-freeenvironment varies between 1.0 and 2.0 m/s. In figure 1.4.6.1 the walking speed is shown for

non-irritating and irrita-tingsmoke.

There is no data on theevacuation speed in a roadtunnel but a good guess isthat it may be of the order of0.5-1.5 m/s depen-ding onvisibility in the smoke,illumi-nance and design ofexit signs among otherthings.

Figure 1.4.6.1 - Walking speedin irritating andnon-irritating smoke

Figure 1.4.6.1 - Vitesse de marcheen présence de fumée irritante

et non irritante

I.4.6.2 Time before starting walking

As mentioned earlier, it is necessary to add the times for detection and alerting, and the times toreact and leave the vehicle, to the walking time to a safe place, in order to know if people canescape the fire safely.

The sum of detection and alerting times depends on the type of fire detection and how theinformation of a fire is given to people in the cars. This time therefore can be of the order of 2-5minutes in manned tunnels, maybe much more in non-manned tunnels.

The sum of the times to react and leave the vehicle is also difficult to estimate and is longer forexample for people in a bus than in a car. The sum of these times may therefore vary between0.5 and 5 minutes.

I.5 RecommendationsIn order of importance, the aims of fire and smoke control in tunnels are:

• to save lives by making users evacuation possible,• to make rescue and fire fighting operations possible,• to avoid explosions,• to limit damage to tunnel structure and equipment and to surrounding buildings.

PIARC •••• 41 •••• 05.05.B - 1999

Most fires, however, are generated by the traffic passing through a tunnel and not by tunnelequipment or maintenancework. So-me of the mostserious fires known yet starteddue to accidents (e.g. front-back-collisions).

Photo 2.1 - Fire following anaccident in the Velsen Tunnel(Netherlands) in 1978

Photo 2.1 - Incendie à la suite d’unaccident dans le Tunnel de Velsen(Pays-Bas) en 1978

In theory the frequency oftunnel fires is related to itemslike tunnel length, traffic

density, speed control and slope of the road. This has to be accounted for when comparingdifferent tunnels. Therefore the frequency of fire is rated not only by number per tunnel but alsoby number per vehicles x kilometres to include the gross effects of tunnel length and trafficdensity.Although many fires in tunnels are known there are only limited statistics covering a timeinterval (e.g. a calendar year) completely. Number of occurrences and fire rates from 45 tunnelsare given in tables 2.3.1 and 2.3.2 as far as available.

Rates are calculated according to the example given beneath for the Elb Tunnel [30]:• observation period 2 years• tunnel length (with ramps) 3.3 km• number of vehicles passing the tunnel 37 106 veh./year• portion of heavy good vehicles 15%• number of events with passenger vehicles

in the observation period 13• number of events with heavy good vehicles

in the observation period 9From these data the rates of fire expressed as cases of fire per vehicle x kilometre werecalculated for the Elb Tunnel in Hamburg, Germany:

• passenger vehicles

PV13

2 37 10 (1 0.15) 3.3.

casesveh. km6=

× × × − × ×PV = 6.3 cases per 108 veh. x km

• heavy vehicles

HGV9

2 37 10 0.15 3.3cases

veh. km6=× × × ×

××

HGV = 24.6 cases per 108 veh x km

• all vehicles together

PV HGV13 9

2 37 10 3.3cases

veh. km6+ = +× × ×

××

PV + HGV = 9.0 cases per 108 veh x km

AIPCR •••• 56 •••• 05.05.B - 1999

Photo 2.2 - Incendie de poids lourd Photo 2.2 - Heavy GoodsVehicles (HGV) fire

lors des essais d’incendie EUREKA in the EUREKA fire tests

Il faut souligner que tous les résultats EUREKA dépendent bien évidemment des conditionsd’essais. Celles-ci incluent de basses vitesses de l’air durant la plupart des essais et unesection transversale sensiblement plus petite que dans les tunnels routiers habituels, ce qui

surévalue le rayon-nement thermiquerenvoyé par lesparois. L’essai avecun poids lourd, parailleurs, a été faitspécialement avecune vitesse longi-tudinale de l’air de6 m/s en avant del’incendie pendant les15 premières mi-nutes, ce qui donnaiten moyenne environ13 m/s autour duvéhicule : une tellevitesse est significa-

tivement supérieure àce qui est généra-

lement rencontré dans les tunnels routiers et elle produit également une combustion plusintense. En conséquence, les essais EUREKA donnent des indications précieuses sur lesconditions durant un incendie, mais ils peuvent difficilement fournir par eux-mêmes denouvelles valeurs réalistes de dimensionnement. Aucune donnée nouvelle n’est disponible ence qui concerne les incendies de marchandises dangereuses.

II.4.1 Températures maximales aux parois du tunnel

Les essais EUREKA ont confirmé les températures maximales présentées dans le rapport deBruxelles [19 ; 20]. Les essais eux-mêmes (figures 2.4.1 et 2.4.2) ont donné des résultatslégèrement supérieurs pour les véhicules particuliers (jusqu’à 500 °C selon le type) et le car(800 °C) en raison de la petite zone de section transversale et la faible vitesse de l’air (0,3 m/set 0,5 m/s). Les essais d’incendie ont également montré que les incendies dus aux poids lourdspeuvent produire des températures allant jusqu’à 1 000 °C au niveau du plafond et des piédroits(figures 2.4.1 et 2.4.2). Le rapport de Bruxelles indique cette même température pour un camionciterne contenant de l’essence. Pour les grands camions citernes (environ 50 m³ d’essence), lesrègles néerlandaises spécifient qu’il est possible d’atteindre des températures de 1 400 °C([42], mais que cela dépend fortement du débit de la fuite d’essence et de la capacité dusystème de drainage du tunnel ([43], voir également le paragraphe II.4.3 ci-après sur lapuissance thermique). Ainsi, cette haute température ne doit être considérée qu’en cas decirconstances exceptionnelles, par exemple dans un tunnel immergé où la rupture d’unequelconque partie du toit provoquerait une catastrophe. Cette très haute température peutégalement être utilisée si la fermeture d’un tunnel risque d’avoir des conséquences fâcheusessur toute la région.

PIARC •••• 57 •••• 05.05.B - 1999

It must be emphasised that all the EUREKA results are of course dependent upon the testconditions. These include low air velocities during most of the tests and a cross-sectionsignificantly smaller than usual for road tunnels, which overestimates the heat radiation comingback from the walls. The test with a Heavy Goods Vehicle (HGV) on the other hand wasspecifically conducted with a longitudinal air velocity of about 6 m/s ahead of the fire during thefirst 15 minutes, which gave about 13 m/s on average around the vehicle: such a velocity issignificantly higher than what is normally encountered in road tunnels and also produces a moreintense combustion. As a consequence the EUREKA tests give valuable hints about theconditions during a fire event, but they can hardly provide new realistic design values on theirown. No new experimental data is available concerning dangerous goods fires.

II.4.1 Maximum temperatures at the tunnel wall

The EUREKA tests confirmed the maximum temperatures as quoted in the Brussels report [19;20]. The tests themselves (figures 2.4.1 and 2.4.2) gave slightly higher results for the passengercars (up to 500 °C, depending on type) and the coach (800 °C) because of the small crosssection area and the low air velocity used (0.3 m/s and 0.5 m/s). The fire tests also showed thatfires due to HGV can produce temperatures up to 1000 °C at the tunnel ceiling and side walls(figures 2.4.1 and 2.4.2). This is the same temperature as quoted by PIARC in the Brusselsreport for a petrol tanker. For large petrol tankers (about 50 m³ of petrol) Dutch regulationsimply that temperatures up to 1400 °C may be reached [42], but there is a strong dependenceon the rate of petrol leakage and the capacity of the drainage system of the tunnel ([43], seealso chapter II.4.3 below dealing with heat release). So, this high temperature should only beconsidered if special circumstances are given, for instance immersed tunnels where thecollapse of any part of the roof will result in a catastrophe. Also if the closing of a tunnel couldharm the entire region, this extremely high temperature could be used.

Figure 2.4.1 - Maximum temperaturesin the cross-section of the tunnelduring tests with road vehicles [20]

Figure 2.4.1 - Températures maximalesdans la section transversale du tunnel

lors d’essais avec des véhicules routiers[20]

Poids lourd (HF1)Autobus (B11)Voiture en matière plastique(C21)Véhicule particulier (C11)

AIPCR •••• 58 •••• 05.05.B - 1999

Comme le montre la figure 2.4.2 dans les essais EUREKA, des températures potentiellementdangereuses pour les armatures du béton ont été enregistrées jusqu’à environ 100 m en avalde l’incendie et, en raison de la remontée de fumées, jusqu’à environ 30 m en amont. L’étenduede cette zone peut être sensiblement différente selon les tunnels, en raison notamment de laventilation, de la déclivité du tunnel, de la rugosité de la surface et des revêtements résistant aufeu. Une nouvelle évaluation des résultats d’EUREKA est nécessaire pour parvenir à desspécifications plus globales des zones menacées.

Figure 2.4.2 - Températures maximalesau niveau du plafond du tunnellors d'essais avec des véhicules routiers [20]

Figure 2.4.2 - Maximum temperaturesin the ceiling area of the tunnel

during tests with road vehicles [20]

Dans l’ensemble, les températures maximales suivantes au niveau des parois ou du plafonddoivent être considérées en ce qui concerne la structure du tunnel et les réglementations dutrafic poids lourds pour des tunnels spéciaux :

• voiture particulière 400 °C• autobus/petit camion 700 °C• poids lourd (HGV) avec matières combustibles

(sauf essence ou autres marchandises dangereuses) 1 000 °C• camion citerne d’essence (cas général)

1 200 °C• camion citerne d’essence (cas extrêmes :

par exemple, aucun bénéfice tiré du drainage du tunnelet d'un débit de fuite limité ; grande citerne ;éviter l’inondation d’un tunnel immergé) 1 400 °C

* : plus élevée si les flammes touchent la paroi.

II.4.2 Température en fonction du temps

De nombreux incendies réels, de même que les incendies EUREKA (figure 2.4.3), se sontdéveloppés très rapidement durant les 5 à 10 premières minutes (parfois 15). L’augmentationde température est plutôt rapide et l’émission de chaleur et de fumée très importante. Entre 7 et10 minutes après le début de l’incendie, il faut tenir compte de l’embrasement (voire dans undélai plus court pour une voiture particulière).

Poids lourd (HF1)

Autobus (B11)

Voiture en matière plastique(C21)

Distance de l'incendie (m)

PIARC •••• 59 •••• 05.05.B - 1999

As can be seen by figure 2.4.2 in the EUREKA tests, temperatures which can be dangerous tothe steel reinforcement of concrete were found till about 100 m downstream of the fire andbecause of back-layering till about 30 m upstream of the fire. The extension of this region invarious road tunnels can be quite different from these values due to e.g. the ventilation, tunnelinclination, surface roughness and fire-resistant coatings. For a more general specification ofendangered regions a further evaluation of the EUREKA results is necessary.

On the whole the following maximum temperatures at the tunnels wall or ceiling should beconsidered with regard to the tunnel structure and the cargo-traffic-regulations for specifictunnels:

• passenger car 400 °C *• bus/small lorry 700 °C *• heavy lorry (HGV) with burning goods

(not petrol or other dangerous goods) 1 000 °C• petrol tanker (general case) 1 200 °C• petrol tanker (extreme cases: e.g. no benefits due to

tunnel drainage and limited leakage rate; large tanker;avoidance of the flooding of an immersed tunnel) 1 400 °C

*: Higher if flames touch the walls.

II.4.2 Temperature versus time

Many known real tunnel fires and also the EUREKA fires (figure 2.4.3) showed a very fastdevelopment during the first 5 to 10 (sometimes 15) minutes. The gradient of temperature israther steep and the emission of heat and smoke very important. Between 7 and 10 minutesafter the fire incident starts a flash-over has to be taken into account (even sooner in the case ofa passenger car).

Figure 2.4.3 - Time dependency of temperaturesin Eureka tunnel firesand standard curves used in regulationsupon fire protection [43; 44; 45]

Figure 2.4.3 - Températures en fonction du tempsdans les incendies de tunnel Eureka

et courbes standard utilisées dans les réglementationspour la protection contre les incendies [43 ; 44 ; 45]

AIPCR •••• 62 •••• 05.05.B - 1999

Depuis, des progrès ont été réalisés. En regroupant les essais d’incendie EUREKA en Norvègeet en Finlande, les données AIPCR de Bruxelles et les récentes propositions du CETU(France), on peut faire apparaître les données approximatives suivantes de puissancethermique pour une durée significative d’un incendie dans un tunnel [19 ; 20 ; 36] (exemple :figure 2.4.4, camion citerne d’essence : voir tableau 2.4.2) :

• 1 petite voiture particulière : 2,5 MW• 1 grande voiture particulière : 5 MW• 2-3 voitures particulières : 8 MW• 1 camionnette : 15 MW• 1 autobus : 20 MW• 1 camion avec matières combustibles (cas général) : 20-30 MW

Les poids lourds plus importants transportant des matières combustibles, et plus spécialementdes marchandises dangereuses, peuvent produire de fortes puissances thermiques. Les essaisd’incendie EUREKA sur poids lourd ont révélé une puissance maximale d’environ 100 à 120MW, mais seulement sur une très courte période.

Les puissances maximales réelles peuvent s’écarter de ces valeurs car elles dépendent du typede véhicule, du type de cargaison, de la ventilation, des vitesses de combustion, etc. Pour lescamions citernes d’essence, les fuites provoquées par un accident et la capacité du système dedrainage du tunnel ont également une grande influence.

Figure 2.4.4 - Puissance thermique durant l’essai Eureka surune voiture en matière plastique [20]

Figure 2.4.4 - Heat release during the Eureka testof a plastic passenger car [20]

En ce qui concerne la construction du tunnel, les scénarios KIVI [42] tiennent compte d’unincendie de 300 MW pour les tunnels immergés. Une proposition française préconise unincendie de 200 MW si un camion citerne d’essence est impliqué [47]. Une analyse de risquepour le tunnel d’Oresund [43] considère la possibilité d’une fuite de carburant à partir debrèches de diamètre équivalent à 15, 35 et 50 mm. Cela représente une défaillance potentielled’un tuyau de carburant de petit diamètre ou un léger dégât sur une collerette de tuyau, mais nereprésente pas la rupture complète d’un tuyau de livraison, ce qui équivaudrait à un orifice de100 mm de diamètre. Le débit de la fuite dépend du diamètre de l’orifice et de la pression duliquide. Pour les orifices considérés, les débits massiques sont respectivement de 0,5, 2,7 et5,6 kg/s.

Pui

ssan

ceth

erm

ique

(MW

)et

débi

td'é

nerg

ie

Puissance thermique

Débit d'énergie

Temps après mise à feu (mn)

PIARC •••• 63 •••• 05.05.B - 1999

Since then further advances have been achieved. In summarising the EUREKA fire tests inNorway and Finland, the PIARC data from Brussels and recent CETU proposals in France thefollowing approximate maximum calorific power outputs may occur for a significant durationduring fire events in tunnels [19; 20; 36] (example: figure 2.4.4; petrol tanker: see table 2.4.2):

• 1 small passenger car: 2.5 MW• 1 large passenger car: 5 MW• 2 - 3 passenger cars: 8 MW• 1 van: 15 MW• 1 bus: 20 MW• 1 lorry with burning goods (general case): 20-30 MW

Larger vehicles (HGV) with burning goods and especially with dangerous goods may causehigher calorific power outputs. The EUREKA HGV fire test indicated a peak power output ofapprox. 100 to 120 MW, but during a very short period only.

Real peak powers will differ from the values given above because they depend on the type ofvehicle, type of cargo, ventilation, burning rates, etc. For petrol tankers there is also a greatinfluence due to the leakage opening produced by an accident and the capacity of the tunneldrainage system.

Table 2.4.2 - Effect of leakage diameterand drainage rateon the fire size of petrol tankers [43]

Tableau 2.4.2 - Effet du diamètre de la fuiteet du taux de drainage sur la taille d’un incendie

dû à un camion citerne d’essence [43]

Calorific power [MW]

Drainage mass flow of petrolEquivalentdiameter

of leakage [mm]

Leakage massflow

of petrol[kg/s]

0 kg/s 1 kg/s 2 kg/s 5 kg/s

15 0.5 22 - - -

35 2.7 120 76 33 -

50 5.6 245 201 158 27

0 kg/s 1 kg/s 2 kg/s 5 kg/sDiamètreéquivalent

de la fuite [mm]

Débit massiquede la fuite

d’essence [kg/s] Débit massique de drainage de l’essence

Puissance thermique [MW]

With regard to the tunnel construction, KIVI scenarios [42] take a 300 MW fire for immersedtunnels into account. A French proposal claims a 200 MW fire if a petrol tanker is involved [47].A risk analysis for the Oresund tunnel [43] considers the possibility of fuel leakage from rupturesof 15, 35, and 50 mm equivalent diameter. These represent the potential failure of smalldiameter fuel lines or a small damage of a delivery hose flange. They do not represent thecomplete rupture of a delivery hose which would give a hole diameter of 100 mm. The leakageflow depends on the diameter of the hole and the fluid pressure at the hole. For the holesconsidered the mass flows are 0.5, 2.7 and 5.6 kg/s respectively.

AIPCR •••• 78 •••• 05.05.B - 1999

Schweiger [56] a réalisé une évaluation thermodynamique des essais du tunnel du Zwenbergpour une quantité de combustible de 200 l d’essence ordinaire. Pour une flaque de 7 m2,l’énergie totale disponible était de 6 410 MJ. Une combustion stœchiométrique supposée celaaboutit à une masse totale de produit de combustion (fumée) de 2 322 kg (besoins en air et enessence pour la combustion). Une combustion stœchiométrique est le résultat de la combustionde l’essence avec le minimum d’air nécessaire. Pendant l’incendie du tunnel, il n’y avait pasune combustion stœchiométrique.

Photo 3.1 - Exemple de développement de fuméependant un essai d’incendie dans un tunnel près de Monaco

Photo 3.1 - Example of smoke developmentduring a fire test in a tunnel near Monaco

En plus des composants CO2 et H2O résultant d’une combustion stœchiométrique, se sontégalement formés du CO et du NOx. Cependant, la quantité de ces derniers était faible (enconcentration), ce qui signifie qu’il n’est pas nécessaire de les prendre en compte lors del’équilibre thermodynamique. L’évaluation était ensuite fondée sur l’hypothèse qu’il ne pouvait yavoir de condensation de vapeur d’eau dans la fumée.

La figure 3.4.1 montre la production par combustion stœchiométrique (CO2, H2O et N2 nonbrûlé) dans le tunnel en fonction de la durée de l'incendie pour 200 l d’essence ordinaire. Onpeut observer que la totalité de l’essence brûle en 10 mn environ. Au début, les produits decombustion montrent un accroissement linéaire rapide. Après 400 secondes, 2 100 kg de fuméeont été produits. Ensuite, la production de fumée décroît fortement, et après 620 secondes,l’essence est totalement brûlée. Durant les 400 premières secondes, la puissance thermiqueétait d'environ 15 MW.

L‘évolution de cet incendie était pour l'essentiel indépendante du type de ventilation(transversale, transversale sans apport d’air frais, semi-transversale, longitudinale avec unevitesse de l’air de 2 m/s). Le système de ventilation était conçu pour fournir 30 m3/s d’air frais etaspirer 30 m3/s d’air vicié sur une longueur de 400 m. Ainsi, dans le cas de la ventilationtransversale, il était possible d’extraire de l’espace de circulation la totalité de la fumée sur unedistance d’environ 200 m.

PIARC • 79 • 05.05.B - 1999

Schweiger [56] made a thermodynamic evaluation of the fire tests in the Zwenberg tunnel for afuel mass of 200 l of regular petrol. In a 7 m2 pool area the total available fuel energy was 6410MJ. Based on an assumed stoichiometric combustion, this results in a total combustion product(smoke) amount of 2322 kg (fuel and air requirements for combustion). A stoichiometriccombustion product amount is the result of the complete combustion of fuel with the necessaryminimum amount of air. During the tunnel fire there was no stoichiometric combustion.

In addition to thecompo-nents CO2 andH2O resulting from astoichiometric com-bustion, CO and NOx

were formed as well.However, the amountof these componentswas small (within theppm range), whichmeans that they can beneglected in thethermodynamicbalance. Theevaluation was furtherbased on theassumption that nocondensation of thewater vapour containedin the smoke tookplace.

Figure 3.4.1 shows thestoichiometriccombustion productmass (CO2, H2O andunburned N2) in the

tunnel depending on the duration of the fire for 200 l of regular petrol. It can be seen that thecomplete fuel mass is burned within approx. 10 minutes. At the beginning, there is a rapid linearincrease in the combustion product mass. After 400 seconds, 2100 kg of smoke have beenproduced. Then the production of smoke decreases greatly, and after 620 seconds the fuel iscompletely burned. During the first 400 seconds the thermal output amounted to approx. 15MW.

The progress of this fire was essentially independent of the type of ventilation (transverseventilation, transverse ventilation without fresh air supply, semi-transverse ventilation, andlongitudinal ventilation with an air velocity of 2 m/s). The ventilation system was designed tosupply 30 m3/s of fresh air and to withdraw 30 m3/s of exhaust air over a length of 400 m. Thus itwas possible in the case of the transverse ventilation to withdraw the complete amount of smokeproduced from the traffic space within a distance of approx. 200 m.

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AIPCR •••• 80 •••• 05.05.B - 1999

Pour convertir les masses de fumée en volumes, il est nécessaire de connaître la températurede la fumée. Les températures théoriques de combustion stœchiométrique de l’essenceordinaire sont d’environ 2 000 °C. Les températures réelles en cas d’incendie sontgénéralement plus faibles, principalement parce que la combustion n’est pas stœchiométrique,ou parce que la fumée se mélange à l’air.

Les essais réalisés dans les tunnels de l’Ofenegg et du Zwenberg ont montré que lestempératures maximales le long du plafond au-dessus du foyer de l’incendie variaient entre 800et 1 200 °C.

La figure 3.4.2 montre la distribution générale de la température dans le tunnel en fonction dutemps dans le cas d’une ventilation longitudinale avec une vitesse longitudinale de 2 m/s. Latempérature est la moyenne de toutes les mesures de température effectuées sur une sectiontest.

Figure 3.4.2 – Distribution de latempérature mesurée le long du tunnelà une vitesse longitudinale de 2 m/s

Figure 3.4.2 - Temperatureprogression measured along the

tunnel lengthat a longitudinal velocity of 2 m/s

La figure 3.4.3 montre la situation avec une vitesse longitudinale un peu plus élevée (4 m/s).

Il est difficile de comparer directement les deux résultats, puisque l’évolution de la températureest seulement disponible à des laps de temps différents (ramener les chiffres aux mêmes tempsn’est pas possible).

De plus, le facteur suivant doit être pris en compte : dans le cas de vitesses longitudinales plusbasses, les flammes ne sont que modérément redirigées dans le sens du courant d'air. On peutnoter une légère remontée des fumées le long du plafond, à contre-courant du flux principal.Cependant, dans le cas de vitesses longitudinales plus grandes, les gaz de fumée sonttotalement redirigées dans la direction du courant d'air. En général, on peut dire que lestempératures des fumées jusqu’à une distance d’environ 200 m sont plus élevées dans le casde vitesses longitudinales de 4 m/s que dans le cas de vitesses longitudinales plus basses. Apartir d’une distance de 200 m, cependant, les températures sont plus faibles en raison de lavitesse longitudinale élevée et de l’effet de l’échange thermique avec la paroi.

Longueur du tunnel (m)Site de l'incendie Sortie nord

Tem

péra

ture

(°C

)

PIARC •••• 81 •••• 05.05.B - 1999

In order to convert the smoke masses produced to smoke volumes it is necessary to know thesmoke temperatures. The theoretical stoichiometric combustion temperatures of regulargasoline are about 2000 °C. The real fire temperatures are usually much lower, mainly becausethe combustion is not stoichiometric, or because the smoke mingles with air.

The fire tests performed in the Ofenegg tunnel and in the Zwenberg tunnel showed that themaximum local temperatures along the ceiling above the fire site were between 800 °C and1200 °C.

Figure 3.4.2 shows the main temperature distribution in the tunnel relative to time in the case ofa longitudinal ventilation with a longitudinal velocity of 2 m/s. The temperature is the mean valueof all temperature measurements performed in one measuring cross-section.

Figure 3.4.3 - Temperature progression measured along thetunnel lengthat a longitudinal velocity of 4 m/s

Figure 3.4.3 - Distribution de la température mesurée le long dutunnel

à une vitesse longitudinale de 4 m/s

Figure 3.4.3 shows the conditions with a slightly higher longitudinal velocity of 4 m/s.

It is not possible to directly compare the two measurement results with each other, since thetemperature distribution is only available for different times (converting the figures to the sametimes is not possible).In addition, the following fact must be considered as well: in the case of lower longitudinalvelocities, the flames are being redirected into the flow direction only to a small extent. There isstill a minor backlayering of the flue gases along the ceiling, which is directed against the mainflow. In the case of higher longitudinal velocities, however, the flue gases are completelyredirected toward the flow direction. In general it can therefore be said that the flue gastemperatures up to a distance of approximately 200 m are higher in the case of higherlongitudinal velocities of 4 m/s that in the case of lower longitudinal velocities. As of a distanceof 200 m, however, temperatures decrease due to the higher longitudinal velocity and theresulting improvement in the heat transition into the rock.

AIPCR •••• 92 •••• 05.05.B - 1999

• expériences PWRI (Japon, 1980) [61] : les essais japonais en vraie grandeurutilisèrent une galerie de 700 m de long construite par l’Institut de Recherche desTravaux publics (PWRI) et un tunnel de 3 300 m de long. Seize expérimentationsfurent réalisées dans la galerie et huit dans le tunnel. On utilisa comme foyers desbacs d’essence (dix essais avec 4 m², deux essais avec 6 m²), des véhiculesparticuliers (six essais) et des autobus (six essais). Les conditions physiquesmesurées dans le tunnel furent corrélées aux capacités de secours. L’influence de lavitesse longitudinale de l’air fut démontrée.

• tunnel de Repparfjord (Norvège, 1990-1992) [62] : ces essais furent conduits dansune ancienne galerie minière d’une longueur de 2,3 km (parois non revêtues etsection transversale allant de 30 à 40 m²). Ils rassemblèrent neuf pays européens et

constituèrent la base duprojet EUREKA 499"Firetun". Un total de21 essais fut mené sur deswagons de train et de métro,des véhicules particuliers,des poids lourds et des feuxcalibrés (bacs d’heptane etpalettes en bois). Près de400 capteurs furent installésle long du tunnel et àl’intérieur des foyers. Lesmesures por-taient sur latempérature de l’air et desparois, la vitesse, l’opacité,la concentration des gaz, lemouvement des fumées (parvidéo), etc.

Photo 4.3.1 - Essai d’incendiedans le tunnel de Repparfjord

Photo 4.3.1 - Fire testin Repparfjord tunnel

• Memorial tunnel (États-Unis, 1993-1995) [63] : ce programme fut financé par laFederal Highway Administration et l’État du Massachusetts pour le projet detunnel/artère centrale de Boston. Les expériences furent réalisées dans un tunnelroutier désaffecté de 850 m de long en Virginie occidentale. Près de 91 essais furentmenés avec des bacs de gasole. Les puissances thermiques obtenues variaient de10 MW (4,5 m²) à 100 MW (44,4 m²). Les systèmes de ventilation transversale etlongitudinale furent testés. 1 450 capteurs furent installés dans le tunnel, fournissantainsi près de 4 millions de données par essai.

Les récents programmes de recherche sont fondés sur des systèmes complets de mesures. Lescapteurs sont nombreux et sont organisés en réseaux tout à fait semblables à ceux utilisés dansles simulations numériques par modèle de champ.

PIARC •••• 93 •••• 05.05.B - 1999

• PWRI experiments (Japan, 1980) [61]: the Japanese full scale test programmesused a 700 m long gallery built by the Public Works Research Institute (PWRI) and a3300 m long road tunnel. 16 experiments were performed in the gallery and 8 in thetunnel. The fire sources were fuel pools (10 tests with 4 m², 2 tests with 6 m²),passenger cars (6 tests) and buses (6 tests). The physical conditions measured inthe tunnel during the fires were connected with the emergency capacities. Theinfluence of the longitudinal airflow velocity was shown.

• Repparfjord tunnel (Norway, 1990-1992) [62]: these experiments were performed inan abandoned 2.3 km long mining gallery (rough wall surfaces and cross-sectionvarying from 30 to 40 m²). They gathered 9 European countries (these experimentswere the base of the EUREKA 499 "Firetun" project). A total of 21 tests wereperformed using rail and metro vehicles, passenger cars, heavy goods vehicles andcalibrated fires (heptane pools and wood cribs). About 400 captors were installedalong the tunnel and inside the fire loads. The measurements dealt with air and walltemperature, velocity, opacity, gases concentration, smoke motion (video network),etc.

• Memorial tunnel (USA, 1993-1995) [63]: this programme was financed by theFederal Highway Administration and the Commonwealth of Massachusetts for theBoston Central Artery Tunnel project. The experiments were performed in anabandoned 850 m long road tunnel located in West Virginia. About 91 tests were

performed with dieseloil pool fires. Theobtained heat releaserates vary from10 MW (4.5 m²) to100 MW (44.4 m²).The transverse andlongitudinal venti-lation configurationswere tested. 1450captors were installedin the tunnel,providing about 4 mil-lions data perexperiment.

Photo 4.3.2 - Measuring equipmentin the Memorial tunnel

Photo 4.3.2 - Équipement de mesuredans le Memorial tunnel

The recent research programmes are based on complete measurement systems. The captorsare numerous and they are organised in networks quite similar to the mesh used in CFDmodels.

AIPCR •••• 94 •••• 05.05.B - 1999

Figure 4.3.1 – Front de la remontée Figure 4.3.1 - Front of backlayeringde fumée lors d'un essai during a rail vehicleavec un wagon de métro experiment in EUREKA 499(EUREKA 499)

IV.3.1.3 Résultats

L’une des caractéristiques de ces expériences estqu’il n’y a pas d’accès au site de l’incendie. Aucuneobservation visuelle n’est possible (sauf si unecaméra vidéo est installée sur le site). Dans certainscas, les opérateurs pouvaient être présents dans lessections situées en amont de l’incendie (figure4.3.1). Cet emplacement ne peut permettre une vued’ensemble de l’expérience.

Dans ces conditions, le grand nombre de données recueillies est utile pour construire desinterpré-tations concernant les phénomènes se développant lors d’un incendie (figure 4.3.2). Lalocalisation des capteurs sur un maillage 3D apparaît fondamentale pour l’analyse.

Si certains phénomènes peuvent être correctement identifiés, il est plus difficile de déduire deslois générales à partir des expériences en vraie grandeur. Cela est dû au peu d’expériencesconduites dans chaque programme. Il faut noter que leur objectif n’est pas d’aboutir à des loisgénérales. Par exemple, les essais japonais ont été en partie réalisés pour recueillir desinformations qualitatives sur les sorties de secours sous différentes conditions de vitesse del’air. Ce but ne semble pas être compatible avec l’utilisation des résultats dans des modèlesscientifiques.

L’une des caractéristiques des essais EUREKA 499 est l’utilisation de vrais véhicules routiers etferroviaires comme charge combustible. Comme la puissance thermique de tels incendies estl’un des paramètres du risque encore inconnus, les opérateurs ont saisi cette occasion pourréaliser les mesures correspondantes. Le confinement de la chaleur semblait accroître les tauxde combustion. En réalité, les interprétations des résultats obtenus avec des méthodesdifférentes conduisent à des résultats différents [65].

En raison des incertitudes des résultats de mesure, les interprétations concluent généralementque la puissance thermique calculée est liée à la méthode utilisée pour son évaluation.Néanmoins, certaines des conclusions tirées des essais sur les incendies de poids lourds(essai EUROTUNNEL) semblent en relative contradiction avec les informations disponiblesdans les précédentes recommandations de l’AIPCR. Dans le rapport de Bruxelles [19], onmentionnait 20 MW pour la puissance thermique d’un poids lourd en flammes. Les résultatsEUREKA montrent des valeurs plus élevées : certaines dépassent 100 MW pendant quelquesminutes.

PIARC •••• 95 •••• 05.05.B - 1999

IV.3.1.3 Results

One of the characteristics of these experiments is the fact that no access is possible in the firearea. No visual observation is then possible (except when a video camera is installed in thatzone). In some cases, operators could be present in the sections located upstream from the fire(Figure 4.3.1). This situation cannot provide an overview of the experiment.

In these conditions, the great number of recorded data is helpful to build interpretationsconcerning the phenomena developed during the fire (Figure 4.3.2). The location of the captorson 3D mesh appears fundamental for this analysis work.

If some phenomena can be correctly identified, it is more difficult to deduce general laws fromthe full scale experiments. This is due to the relatively low number of experiments performed ineach programme. It is to be noticed that their aim is not the research of such relations. Forexample, the Japanese tests were partly planned to give qualitative information about theescape routes in different air velocity control conditions. This target does not appear to becompatible with the use of the results in scientific models.

A characteristic of the EUREKA 499 experiments is the use of real road and rail vehicles as fireloads. As the heat release rate of such fires is one of the unanswered questions concerning therisks, the operators took this opportunity to perform the corresponding measurements. The heatconfining seemed to increase the burning rates. Actually, the interpretations of resultsperformed with different methods show different results [65].

Figure 4.3.2 - Two vortices (induced by the combination ofbuoyancy and fire drag effects) can be deduced from theisothermal curves calculated from the measurements(cross-section located 20 m downstream the fire inEUREKA 499 heptane test H32, [64])

Because of the uncertainties on the measurement results, the interpretations generally concludethat the calculated heat release rate is linked to the method used for its evaluation.Nevertheless, some of the conclusions drawn from the heavy goods vehicle fire (EUROTUNNELtest) appear in a relative opposition with the information available in previous PIARCrecommendations. In the Brussels report [19], the heat release rate of a burning HGV wasmentioned as 20 MW. The EUREKA results show higher peak values: some were found above100 MW during a few minutes.

Figure 4.3.2 - Deux tourbillons (dus à la conjugaison dela force hydrostatique et de la traînée de l’incendie)peuvent être déduits des courbes isothermes calculéesà partir des mesures (section transversale située à 20m en aval de l’incendie lors de l’essai à l’heptane H32,EUREKA 499 [64])

-3 -2 -1 0 1 2 3Largeur - Width (m)

0

1

2

3

4

5

Hau

teur

-H

eigh

t(m

)

60

60

80

80

100100

120

120 120

140

140

160 160

PIARC •••• 105 •••• 05.05.B - 1999

Photo 4.4.1 - Small scale modelused to study ceiling trap doors

Photo 4.4.1 – Maquette à échelle réduiteutilisée pour étudier les trappes

d’aspiration en plafond

IV.4 Small scale experiments

IV.4.1 Objectives

IV.4.1.1 Tunnel project application

Small scale experiments can be designed to represent a fire in a planned tunnel. This method isbased on similarity laws which are actually the link between the full scale situation and themodelled one.

The objective of such experiments is to represent the phenomena which develop during a fireoccurring inside the tunnel. Compared with full scale tests, this method allows great savings oftime and money. One of its aims is also to be demonstrative because it is possible to visualisesmoke using laser light or coloured flows for instance.

However, very few examples of suchapplication of reduced scale modelsto tunnel design can be mentioned[70].

IV.4.1.2 Research

Research works can also use smallscale models for scien-tific reasons. Ifsome specific behaviours have to becharac-terised, the best solution canbe to show them using totallycontrollable methods. Comple-mentary tests may be perfor-med with

full scale facilities. Theknowledge of the lawsobtained with the models is

useful to plan the full scale experiments.

Small scale models have been used to characterise the efficiency of ceiling trap doors forsmoke extraction [71] or to determine of the non-dimensional laws governing the existence ofbacklayering [72].

IV.4.2 The similarity theory

The similarity laws are the fundamental link between the model and the corresponding full scalesituation [73]. If this link is not demonstrated to be strong, the study results cannot beconsidered as representative of the full scale situation. Actually, in a more general manner, theexperiments validity has to be considered as relative to the used similarity law. As aconsequence, it depends on the small scale model technique.

The situation observed during a fire inside a tunnel appears as the result of a conflict betweentwo major motions:

• the longitudinal motion induced by natural or mechanical effects. It is characterisedby the air velocity obtained upstream the fire: U,

• the buoyancy forces developed in the fire plume; they are induced by the gasesexpansion resulting from the high temperature; the fundamental characteristic isgiven by the density difference between the air and the hot gases: ∆ρ.

AIPCR •••• 112 •••• 05.05.B - 1999

IV.5.1.1 Simulations numériques par modèle de champ

L’outil le plus adéquat pour étudier les incendies de tunnel est actuellement la “simulationnumérique par modèle de champ” (généralement désignée en anglais par CFD : ComputerFluid Dynamics). Cette technique consiste à diviser le tunnel en petites mailles à l’intérieurdesquelles les équations fondamentales de la thermodynamique des fluides sont résolues aumoyen de la méthode des éléments finis ou, plus souvent, des volumes finis. Les résultatsobtenus dans chaque maille sont la vitesse de l’air, la température et la concentration de fumée.

La figure 4.5.1 montre le maillage longitudinal et transversal d’un modèle 3D qui représente untunnel de 450 m de long, 6 m de large et 5,3 m de haut [78].

Figure 4.5.1 – Coupes longitudinale et transversaled’un maillage 3D

Figure 4.5.1 - Longitudinal and transversal viewsof a three-dimensional mesh

Ce chapitre traite principalement des simulations numériques par modèle de champ, bien qu’ilexiste d’autres simulations pouvant être utilisées pour étudier les incendies, comme lesmodèles de zone ou les modèles unidimensionnels.

IV.5.1.2 Modèles de zone

Ces modèles sont rarement utilisés pour étudier la propagation des fumées et de la chaleurdans les tunnels, mais ils sont couramment utilisés pour les bâtiments. Ils considèrentgénéralement une pièce ou un couloir comme une zone homogène où une couche d’air frais estsurmontée par une couche de fumée, chacune d’elle ayant des caractéristiques constantes –ycompris leur épaisseur- sur toute la zone. L’incendie, les échanges entre les couches et leszones voisines sont régis par des équations partiellement empiriques.

De tels modèles, relativement souples, peuvent être utilisés sur ordinateurs personnels et sontbien adaptés à l'étude du mouvement des fumées et de la chaleur dans un système complexede salles communicantes. Malheureusement, ils ne sont pas bien adaptés à l’étude desincendies dans les tunnels, où la principale difficulté est de prévoir l’évolution du panache defumée à l’intérieur d’une zone importante, en outre soumise à un courant d’air longitudinal, dontl’influence est prépondérante. Ces modèles ont donné lieu à peu de validations et leursrésultats ne semblent pas encore probants pour les incendies en tunnel.

IV.5.1.3 Modèles unidimensionnels

Les modèles unidimensionnels représentent un autre type d’outils destinés aux calculstransitoires des réseaux. Tout comme pour les simulations numériques par modèle de champ,les équations fondamentales de la thermodynamique des fluides sont résolues, mais une seuledimension est prise en compte. Cela signifie que toutes les conditions sont homogènes dans lasection transversale.

PIARC •••• 113 •••• 05.05.B - 1999

IV.5.1.1 CFD models

At present the adequate tools for tunnel fires are the field models, also called ComputationalFluid Dynamics (CFD) codes. This technique leads to divide the tunnel volume into small cellsinside which the fundamental equations of fluid thermodynamics are solved using the finiteelements method or, more frequently, the finite volumes method. The results are obtained ineach cell. They concern air velocity, temperature, smoke concentration.

Figure 4.5.1 shows the longitudinal and transversal mesh of a three-dimensional model whichcorresponds to a tunnel 450 m long, 6 m wide and 5.3 m high [78].

Figure 4.5.2 - Temperature field calculated with a CFD modelfor a tunnel with smoke exhaust shafts

Figure 4.5.2 – Champ de température calculé à l'aide d'unmodèle de champ pour un tunnel doté de puits d'extraction

This chapter will be mainly focused on CFD codes, even though there are also other modelswhich can be used to study fire situations in tunnel, as zone models or one-dimensional models.

IV.5.1.2 Zone models

Zone models are seldom used to study the spread of smoke and temperature in tunnels, butthey are commonly used in buildings. They generally describe a room or a corridor as ahomogeneous zone where a fresh air layer lies under a smoke layer, each of them havingconstant characteristics - including their thickness - on the whole zone. The fire, the exchangesbetween the layers and between the neighbouring zones are governed by partially empiricalequations.

Such models - relatively flexible - can be investigated on a desk top computer and are welladapted to investigate the smoke and heat propagation in a complex system of communicatingrooms. Unfortunately they are not well adapted to studying fires in tunnels, where the mainproblem is to predict the evolution of the smoke plume inside a large zone, moreover submittedto a longitudinal airflow, whose influence is determining. Few validations have been performedwith such models and their success still seems uncertain for tunnel fires.

IV.5.1.3 One-dimensional models

One-dimensional models are another family of tools which are designed for the transientcalculation of networks. As for CFD codes, the fundamental equations of fluid thermodynamicsare solved, but only one dimension is considered. That means all the conditions arehomogeneous in the cross-section.

AIPCR •••• 136 •••• 05.05.B - 1999

V. VENTILATION POUR LA MAITRISEDES INCENDIES ET DES FUMEES

La conception des systèmes de ventilation des tunnels doit conduire au meilleur choix pourfaire face aux problèmes suivants :

• dilution des polluants (à l'intérieur du tunnel),• respect de l'environnement (à l'extérieur du tunnel),• maîtrise des fumées en cas d'incendie.

La figure 5.1 montre un diagramme possible pour la conception de la ventilation.

Figure 5.1 - Diagramme possible de conceptionde la ventilation

Figure 5.1 - Possible logical flow of the ventilation design

Ce chapitre donne des définitions et des critères pour l’évaluation des niveaux de sécurité et ledimensionnement des systèmes de ventilation selon les critères de maîtrise des incendies etdes fumées.

Un système de ventilation conçu uniquement à partir des critères environnementaux et dedilution donnera souvent des résultats insatisfaisants du point de vue de la maîtrise desfumées.

De plus, les normes environnementales forcent les constructeurs de véhicules, aujourd’hui plusqu’hier et probablement de plus en plus à l’avenir, à améliorer la technologie de réduction desémissions des véhicules ; ainsi, le débit d’air requis pour le critère de dilution est de plus deplus réduit, de même que la puissance électrique nécessaire. Puisque la maîtrise des fuméesest indépendante des améliorations technologiques, ses critères seront à l’avenir décisifs pourun nombre toujours croissant de projets (voir figure 5.2).

PIARC •••• 137 •••• 05.05.B - 1999

V. VENTILATION FOR FIREAND SMOKE CONTROL

The design of tunnel ventilation systems aims at the best actual choice in order to face thefollowing problems:

• dilution of air pollutants (inside tunnels),• environmental issues (outside tunnel),• smoke control in case of fire.

Figure 5.1 shows a possible logical flow of ventilation design.

This section aims at giving the definitions and criteria for the assessment of the safety levels,and for the dimensioning of the ventilation system according to fire and smoke control criterion.

A ventilation system designed only according to dilution and environmental criteria will often beunsatisfactory from the smoke control point of view.

Furthermore the environmental standards force new vehicle producers (now more than in thepast and more and more, probably, in the future) to upgrade their technology to reduce theemissions of the new vehicles; consequently the air flow required to meet the dilution criterion ismore and more reducing, and therefore also the required mechanical power. As smoke controlis independent of the aforementioned technological upgrading, the smoke control criterion willbe, in the future, the decisive one for an increasing number of projects (see figure 5.2).

Figure 5.2 - Trends in design of ventilation systems Figure 5.2 - Tendances dans le dimensionnementdes systèmes de ventilation

AIPCR •••• 142 •••• 05.05.B - 1999

Du point de vue du critère de dilution, la ventilation est considérée satisfaisante lorsque lesystème est capable de maintenir la concentration de polluants dans le tunnel en dessous decertains seuils, qui sont évidemment inférieurs aux niveaux nocifs pour les usagers quitraversent le tunnel ou qui sont contraints d'y rester arrêtés pendant un certain temps.

Un système de ventilation conçu uniquement en fonction du critère de dilution pourrait suffire dupoint de vue de la maîtrise des fumées, mais cela s’avère insuffisant la plupart du temps. Leprojet doit alors être complété afin de prendre en compte les critères de maîtrise des fuméesénumérés au § V.7.2.

Figure 5.1.1 - Mouvement de la fuméeavec une ventilation longitudinale

Figure 5.1.1 - Smoke movementwith longitudinal ventilation

Dans les tunnels à ventilation longitudinale, la concentration en substances nocives s’accroîtdans la direction du flux d’air et diminue avec le débit d’air pur. La concentration maximaleaugmente selon la longueur du tunnel. Dans tous les cas, la production de polluants varie avecle volume de circulation, sa vitesse, la déclivité de la chaussée et l’altitude du tunnel. Ainsi, encalculant le débit nécessaire pour la ventilation de deux tunnels ayant le même trafic, ontrouvera le débit le plus élevé pour le plus long tunnel et pour celui avec la plus grande penteascendante.

La vitesse longitudinale de l’air possède une limite supérieure pratique ; par conséquent, pourune circulation et une déclivité données, la longueur du tunnel pour laquelle une ventilationlongitudinale est possible est également limitée. En première estimation, la limite supérieurepeut être évaluée par la connaissance de la section transversale du tunnel et de la vitessemaximale de l’air (aujourd’hui d’environ 8 à 10 m/s 1), qui est rentable et ne perturbe pas lesvéhicules et le personnel travaillant à l’intérieur du tunnel. De plus, la puissance mécanique dusystème de ventilation augmente en réalité avec la puissance trois de la longueur du tunneldans les tunnels à circulation bidirectionnelle.

Pour les tunnels qui nécessitent un courant d’air supérieur aux seuils déjà cités, la ventilationlongitudinale est toujours possible, mais elle doit être complétée par des puits assurant deséchanges massifs entre air vicié et air pur.

1 Par exemple, les autorités françaises recommandent une vitesse maximale de l’air de 8 m/s pour des tunnels bidirectionnelset 10 m/s pour des tunnels unidirectionnels.

PIARC •••• 143 •••• 05.05.B - 1999

From the point of view of the dilution criterion, the ventilation is considered satisfactory whenthe system is able to keep the concentration of pollutants in the tunnel air below certainthresholds, which are obviously under the noxious levels for people who travel throughout thetunnel or who are forced to be stationary within for a while.

A ventilation system designed only according to the above-exposed dilution criterion, could besatisfactory also from the smoke control point of view, but is often not; thus the project has to beverified to take into account the smoke control criteria exposed in § V.7.2.

In tunnels with longitudinal ventilation, the concentration of noxious substances increases in thedirection of the airflow and decreases with the fresh air rate. The maximum concentrationincreases according to the tunnel length. In any cases, the production of pollutants varies withthe traffic volume, its velocity, the roadway gradient and the tunnel altitude. Therefore, if wecompute the required airflow for the ventilation of two tunnels with the same (flowing) traffic, wewould find the greater flow rate for the longer one and for the tunnel with the greater upwardslope.

The longitudinal airflow velocity has a practical upper limit; consequently, for a given traffic andslope of the roadway, the tunnel length for which longitudinal ventilation is possible has amaximum limit too. As a first estimate, this upper limit could be evaluated knowing the cross-sectional area of the tunnel and the maximum air velocity (today considered

2to be about 8 to 10

m/s) which is cost effective and does not disturb vehicles and the staff operating within thetunnel. Moreover, the mechanical power of the ventilation system increases, in fact, with thethird power of the tunnel length in tunnels used bi-directionally.

For tunnels that requirean overall airflow overthe aforementionedthreshold, thelongitudinal ven-tilation isstill possible, but it has tobe supplemented withshafts for massiveexchange of exhaust withfresh air.

Photo 5.1.2.1 - Jet fans in a tunnel in Japan Photo 5.1.2.1 - Accélérateurs dans un tunnelau Japon

2 For instance, the French authorities recommend a maximum air velocity of 8 m/s for two-way tunnels and 10 m/s for one-way tunnels.

PIARC •••• 147 •••• 05.05.B - 1999

Such flow is perturbed by other factors (differences in wind pressure on tunnelopenings, atmospheric pressure differences, traffic, fire in the tunnel, etc.) whichcreate a longitudinal airflow. This means that, in practice, a flow which is purelytransverse to the longitudinal axis of the tunnel will hardly ever occur. A secondaspect which attracts the attention is that the longitudinal airflow is difficult to controleven if the transverse ventilation system has a large capacity because there are nocompensating forces present in the longitudinal direction. The most usual way to getsome control on this longitudinal airflow is to create successive independentventilation sections in which fresh air injection and/or exhaust air extraction can beoperated separately.

The concentration of pollution in the air is constant all over the tunnel (if there is nolongitudinal airflow). This system is therefore suitable for application in long tunnels.In principle there is no limit to the tunnel length as far as the pollution removal isconcerned; but of course technical and economic restrictions apply.

The ventilating air is generally supplied and extracted through purpose built air ducts.The total volume of ventilating air required is considerable, especially in long tunnels.As a result the ducts are large and therefore expensive. The air velocity in the ductsdetermines the required capacity of the fans to a significant extent. In long tunnelsthe ducts system is therefore longitudinally divided into sections and the air issupplied at various places in order to restrict the air speed in the various sections.Speeds of 15 to 25 m/s in the air ducts under full load conditions are usual. Asalready mentioned, creating several independent ventilation sections also provides ameans to have some control on the longitudinal airflow. The fans are usually installednear the tunnel portals in order to be easy to reach, or in underground plants.

In case of a fire, the exhaust air duct in the fire area is turned on to full exhaust andthe neighbouring ventilation sections are controlled in such a way that a longitudinalair velocity in the fire zone can move the smoke in a suitable way. However,experience shows that, in short tunnels and under the influence of the wind andchimney effect of the hot smoke, it is not easy to control the air direction and speed inthe fire zone.

Normal operation Exploitation normale Fire Incendie

Figure 5.1.2 - Example of a transverse ventilation system(without secondary supply ducts to pavement level)

Figure 5.1.2 - Exemple d’un système de ventilation transversale(sans carneaux descendant au niveau du sol)

PIARC •••• 159 •••• 05.05.B - 1999

Recently very interesting results have also been obtained from fire tests performed in scalemodels [95] or in full size in the Memorial Tunnel [22]. These show that above a given level ofheat release (probably depending on tunnel cross-section and slope) the critical velocitydepends less on heat release rate than in the above equation.

All these results tend to show that for a heat release rate not exceeding 100 MW and a slopelower than 4%, an airflow velocity of 3 m/s is sufficient to prevent backlayering.

The design of the ventilation system and its operation must take into consideration that, due tothe presence of the longitudinal airflow, the zone downstream of the fire is exposed to smokeand hot combustion gases with the danger of suffocation or burning if tunnel users are in thiszone. Any possible design measure aiming at a safe fleeing of users from the dangeroussection (fire area or downstream) must be taken. For this reason the present recom-mendationstake into consideration the following cases:

A) Tunnel with one-way traffic not designed for queues (non-urban area)The ventilation design, in this case, can assume that drivers downstream of the fire are free toescape by their own cars whilst drivers upstream will not. Tunnels located in non-urban areasare generally not liable to frequent congestion situations. Therefore the relevant ventila-tion

systems are generally notdesi-gned for queues. Non-urban tunnels which are fre-quently congested haveinstead to be designed forqueues (see follo-wingparagraph). The event of afire ignited by vehiclesinvolved in a secondaryacci-dent in the pre-sence ofothers vehicles trappeddownstream is possible, butthe relevant probability islow (see section II); thiscase is nearly never taken

into account in the designphase. If necessary therisk of such an

occurrence can be reduced by an automatic incident detection and a traffic control system (seesection VI).

B) Tunnel with one-way traffic designed for queues (urban area)The ventilation design must take into consideration that people prevented from escaping withtheir own vehicles can likely stand on both sides of the fire. In urban areas it is quite usual tofind stop and go traffic situation, therefore this case applies generally to urban tunnels ofsufficient length.

C) Tunnel with two-way trafficIn case of tunnels used by vehicles running in both directions, it must be taken intoconsideration that, in the event of fire, people prevented from escaping with their own vehicleswill generally be located on both sides of the fire.

Figure 5.7.2 - Designassumptionfor the traffic

Figure 5.7.2 – Hypothèsesde circulation à étudier

PIARC •••• 179 •••• 05.05.B - 1999

Continuous or concentrated smoke extraction

The traditional way to extract smoke is to use small ceiling openings distributed at shortintervals all along the tunnel. Another efficient way to remove smoke quickly out of the trafficroom is to install large openings with remote controlled flaps. Normally they are in a positionwhere equal extraction is taking place over the whole tunnel length. In case of fire the suctiondistribution is adapted to the fire location by remote control of the individual flaps in the largeopenings. Recent tests by CETU [71], and in the Memorial tunnel [22] proved the advantages ofthis system. To facilitate the maintenance, there are systems in use where the large flaps areheld by a magnet in closed position; in the fire zone the magnets release the large flapsautomatically via fire detectors, and the flaps then open by gravity force. However, this lastsystem does not make it possible to close the openings if a change in the ventilation moves thesmoke plume to another place in the tunnel.

Extraction capacity

Once a design fire and its amount of smoke production have been chosen, a permissible lengthover which the smoke may spread has to be fixed. Depending on the type of exhaust openings(fixed or remote-controlled), the extraction capacity per metre of tunnel length in the fire zone isderived. In general an extraction system needs less total exhaust volume when remote-

controlled flaps are installed thanwith fixed openings. However, it hasalso to be considered that in thefirst phase between start of thesmoke spreading and full operationof the exhaust system with largeflaps, the smoke may have spreadover 1 km and more from the firesite. Thus it is not sufficient to onlyopen a few exhaust openings nearthe fire, but a minimum exhaust ratealong the whole ventilation sectionis recommended also. A suctionstrategy has to be developeddepending on the type of tunnel andits ventilation system.

Photo 5.8.2.1 - Remote-controlledsmoke openingin a French tunnel

Photo 5.8.2.1 - Ouverture d'extractiontélécommandée

dans un tunnel français

AIPCR •••• 196 •••• 05.05.B - 1999

Congrès de Montréal, 1995 [17 ; 96]

Pour le Congrès de Montréal (1995), les groupes de travail 1 et 6 du Comité AIPCR desTunnels routiers ont préparé un document intitulé “Classification des tunnels, directives etexpériences existantes, recom-mandations” [96], qui traite des installations et équipements desécurité dans les tunnels. Les directives de treize pays sont regroupées dans ce document.Une appréciation générale a été éga-lement donnée dans ce rapport [96].

VI.2.2 Expérience existante

Sont résumés ici les résultats d’enquêtes menées auprès des pays représentés dans le groupede travail n° 6.

Les exploitants de tunnels du monde entier veulent avoir des tunnels aussi sûrs que possible.Ils donnent la priorité au secours aux usagers, action qui peut être nécessaire lorsqu’unvéhicule commence à brûler, après un accident ou s’il y a un accident impliquant desmarchandises dangereuses. Dans tous les cas, les personnes doivent être évacuées du tunnelaussi rapidement que possible.

Les incendies sont rares dans les tunnels. Mais il faut les prévoir et les possibilités d’évacuationdoivent être soigneusement étudiées durant la conception des tunnels. Lors des étudesd’évacuation, les tunnels bidirectionnels (un tube) et unidirectionnels (deux tubes) doivent êtretraités différemment.

Le tableau ci-après fournit un guide sur les mouvements de la fumée dans un tunnel sansventilation mécanique. Ces données proviennent des essais menés dans le Memorial Tunnel(États-Unis) qui a une déclivité de 3,2 %.

Mouvements de fumée caractéristiques dans les essaisde ventilation pour l'incendie du Memorial Tunnel,en ventilation naturelle

Typical smoke movement in the Memorial Tunnelfire ventilation tests

under natural ventilation

Puissance thermique

Essai n° nominale(MW)

atteinteen pointe

(MW)

La couche defumée commenceà descendre (mn)

La fumée remplitl'espace de

circulation (mn)

Vitessede pointe

de la fumée(m/s)

501 20 15,5 5+ 6+ 3,8502 50 52,1 3 4 5,2

Nominal(MW)

Actual Peak(MW)Test

Heat Release Rate

Smoke Layerbegins Descent

(mn)

Smoke FillsCarriageway (mn)

Peak SmokeVelocity (m/s)

Accès direct à l'air libre

Dans les tunnels à faible couverture (tranchée couverte par exemple), des communicationsavec l’extérieur peuvent être prévues selon le trafic ou la situation (tunnel urbain ou nonurbain). Par exemple, en France, ces communications sont prévues tous les 400 m dans untunnel non urbain et tous les 200 m dans un tunnel urbain. Les dimensions dépendent desrègles locales de sécurité.

Dans les tunnels immergés, ces accès sont situés aux têtes du tunnel et peuvent être équipésd’escaliers mécaniques ou d’ascenseurs.

PIARC •••• 197 •••• 05.05.B - 1999

Photo 6.1 - Safety exitin a cut-and-coverin France

Photo 6.1 - Sortie de secoursdans une tranchée couverte

en France

Montreal 1995 Congress [17; 96]

For the Montreal Congress (1995), Working Groups No. 1 and 6 of the PIARC Committee onRoad Tunnels prepared a publication entitled “Classification of Tunnels, Existing Guidelines,Experiences, Recommendations” [96] which addresses safety facilities and equipment in roadtunnels. The document covers guidelines from 13 countries. A general statement was also givenin the report to the Congress [96].

VI.2.2 Existing Experience

Results of surveys conducted amongst themember countries of Working Group No. 6 aresummarised below.

Tunnel operators throughout the world want tomake tunnels as safe as possible. They givepriority to the rescue of persons, an action thatmay be necessary when vehicles start to burn,after a road accident or if there has been anaccident with dangerous goods. In all casespeople must be rescued out of the tunnel as fastas possible.

Fires are rare incidents in tunnels, but they dohappen and evacuation procedures must becarefully looked into during the planning oftunnels. When planning for evacuation, tunnelswith bi-directional (one tube) and unidirectional(two tubes) traffic should be evaluateddifferently.

The opposite table provides guidance on themovement of smoke in a tunnel withoutmechanical ventilation. This data is from thetests conducted in the Memorial Tunnel (USA)which has a 3.2% grade.

Direct access to the open

In tunnels with little cover (cut and cover tunnels for instance), connections can be provided withthe open depending on traffic or location (urban or non urban). For example, in France, theseconnections are provided every 400 m in a non-urban tunnel, and every 200 m in an urbantunnel. Their dimensions depend on local safety rules.

In underwater tunnels these accesses are located at the portals and may be equipped withescalators or lifts.

AIPCR •••• 200 •••• 05.05.B - 1999

L’évacuation des tunnels se fait généralement à pied. Dans certains tunnels, un service spécialde secours est mis en place pour les conducteurs bloqués.

12 - 24 m

3 m

Figure 6.2.1 - Exemple de garage Figure 6.2.1- Example of lay-by

Certains pays prévoient des galeries de retournement pour les véhicules dans les tunnels longs(plus de deux km) à faible circulation (moins de 2 000 à 3 000 véh/jour). Les véhiculesparticuliers peuvent faire demi-tour dans un garage traditionnel (3 m x 12 m) et les petitscamions dans un garage un peu plus grand (3 m x 24 m). Pour les poids lourds et les bus, desgaleries de retournement sont nécessaires. Elles font généralement 4 m x 17 m, parfois plus, etdoivent être situées tous les un à deux kilomètres. Dans les tunnels à fort trafic, le retournementdes véhicules pour l’évacuation n’est pas recommandé, car cela peut créer des difficultés decirculation pouvant provoquer une panique. Un pays prévoit ce genre d’installations uniquementpour les véhicules de secours.

Lorsqu’il n’y a pas de fumée, les usagers à pied préfèrent quitter le tunnel par le tube lui-même.

Dans les tunnels superficiels, spécialement dans les villes, lorsque la circulation est intense,des galeries d’évacuation vers l’extérieur doivent être construites. De telles galeries doiventpouvoir permettre de quitter le tunnel à intervalles réguliers, par exemple tous les 100 à 200 men ville. Ces galeries peuvent déboucher sur d’autres installations souterraines, comme desparcs de stationnement ou des caves.

Dans les tunnels profonds, des galeries d’évacuation séparées ne sont habituellement pasprévues en raison de leur coût élevé. Cependant, si elles ont été construites pour des raisonstechniques, elles doivent être équipées de manière à fournir un itinéraire sûr en cas d'urgence.

Les abris sont des enceintes spécialement équipées d’une alimentation spéciale etindépendante en air frais et d’un téléphone de secours. Les abris doivent résister auxtempératures qui règnent à proximité immédiate d’un incendie. Cependant, l’effet psychologiquesur les personnes s’y réfugiant n’est pas bien connu. Si les abris sont utilisés, ils doivent êtreplacés au niveau des garages et conçus de manière à accueillir les personnes jusqu’à l’arrivéedes équipes de secours (plusieurs heures). Ils doivent être suffisamment vastes pour accueillirle nombre maximum de personnes pouvant se trouver entre deux abris.

PIARC •••• 201 •••• 05.05.B - 1999

Tunnels are usually evacuated on foot. In some tunnels a special rescue service is provided forblocked drivers.

Some countries provide turning bays for vehicles in long tunnels (more than 2 km) with lowtraffic (less than 2000-3000 vehicles per day). Private cars can turn in a regular lay-by (3 m by12 m) and smaller trucks in a larger lay-by (3 m by 24 m). For heavy goods vehicles and buses,turning galleries are needed. These are usually 4 m by 17 m or larger. When they are used,they should be placed every 1-2 kilometres. In tunnels with heavy traffic, the turning of vehiclesfor evacuation is not recommended, because of the possibility of creating traffic problems whichmay result in panic. A country provides turning facilities which can be used by safety vehiclesonly.

When there is no smoke, tunnel users on foot prefer to leave the tunnel through the tube itself.

In shallow tunnels, especially in cities, where the traffic is generally high, escape corridors tothe open should be built. Such corridors should give an exit possibility from the tunnel at regularintervals, for example 100 - 200 metres in cities. Such escape corridors may run into otherunderground premises, such as car parks or cellars.

In deep tunnels, separate escape tunnels are usually not built, because they are very costly.However, if they are built for technical reasons during the construction of the tunnel, they shouldbe equipped to provide a safe evacuation route during an emergency.

Shelters are specially equipped enclosures with a separate special fresh air supply and anemergency telephone service. Shelters should withstand the temperatures that exist very near afire. However, the psychological effect of making people use them is not well known. If sheltersare used, they should be placed at lay-bys and designed to hold people as long as needed bythe rescue team (several hours). They should be large enough to take in the number of personsexpected to be between two shelters.

Figure 6.2.2 - Example of turning gallery

4 m

17 m

Figure 6.2.2 - Exemple de galeriede retournement

PIARC •••• 203 •••• 05.05.B - 1999

Photo 6.2 - Turning bayin a low traffic tunnelin Norway

Photo 6.2 - Galerie de retournementdans un tunnel

à faible circulation en Norvège

VI.2.3.2 Tunnels with unidirectional traffic(two tubes or more)

The following escape possibilities can beused:

• tunnel tube on foot;• passage (cross-connection) bet-

ween tunnel tubes;• direct communication to the

open;• escape corridor or separate

escape gallery.

The most common escape route in two-tube tunnels is a connection (crosspassage) between the two tubes. Thedistance between connections shoulddepend on traffic density and emergencyrescue scenarios, for instance 100 - 200 min cities. This distance should be designedso that people can walk to the nearest exitbefore smoke reduces visibility. Whensuch cross-connections are used, thetunnel operator must consider that peoplewill walk into the second tube. As a

consequence the traffic in this othertube must be stopped immediately.

Direct communications to the open arealso possible in shallow two-tube

tunnels and tunnel ramps. Long ramps should have connections to other tubes or to the open.

In cut-and-cover and immersed structures, a special escape corridor can be placed between thetwo tubes. This emergency corridor should be lighted and have a special ventilation system.

VI.2.3.3 Signing and other helps for evacuation

It is very important to sign all emergency possibilities with internationally standardised signs.The signs should have the international exit symbol used in buildings and show direction as wellas distance to the nearest escape point. The signs should be internally lighted and connected toan UPS (Uninterrupted Power Supply) or have a battery backup.

In high traffic tunnels, there should be a minimum safety lighting connected to an UPS. In lowtraffic tunnels with no UPS, one of every three or four tunnel lights should be fitted with a batterybackup.

In tunnels with heavy traffic, there should also be a separate system of evacuation lights(marker lights). These lights should be placed as low as possible on the sidewall (1 metre orlower) and the distance between the lights should be 25 m or less.

PIARC •••• 217 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.2.2 Existing experience

AustriaTwo fire extinguishers (6 kg) are installed at all emergency call niches.

FranceTwo fire extinguishers (6 kg of powder) are installed in safety recesses every 200 m in tunnelslonger than 200 m (or longer than 500 m if the traffic is very low).

GermanyFire extinguishers (6 kg) are installed at everyemergency station in all tunnels longer than 350m. An alarm flashes when an extinguisher isremoved.

JapanAll tunnels over 1000 m must have fireextinguishers. Standard spacing for fireextinguishers is 50 m. Each fire extinguisher boxshould include two extinguishers and becombined with hydrant.

NetherlandsTwo powder extinguishers (9 kg) are providedevery 50 m on each side of the roadway.

NorwayFire extinguishers are required in all tunnels,located every 150 m in booths. Removal ofextinguishers should give alarm.

United KingdomFor all tunnels, emergency panels at about 50 mregular intervals contain 2 x 3 kg dry powderextinguishers or 9 litre AFFF foam, and 45 mhose of 19 mm internal diameter.

United StatesPortable fire extinguishers are required in tunnels of 240 m long or more. Each location musthave at least one 9 kg multipurpose fire extinguisher placed on both sides of the tunnel in well-marked cabinets at spacing of not more than 90 m.

VI.3.2.3 Recommendations

Since most vehicle fires start as a small fire which can be readily extinguished with a portablefire extinguisher, extinguishers should be provided in road tunnels. The portable fireextinguishers should be located in conspicuously marked boxes or recesses at uniformlyspaced intervals.

Photo 6.5 Photo 6.5A fire extinguisher box Coffret d’extincteurswith a push button fire alarm avec un bouton-poussoirin a tunnel in Japan dans un tunnel au Japon

PIARC •••• 233 •••• 05.05.B - 1999

VI.3.5.2 Existing experience

Most countries use emergency telephone, and often push button alarms, in road tunnels.

AustriaFire push button alarms are required at every emergency point and at all tunnel portals.Emergency call devices should be installed in all tunnels longer than 500 m at intervals between250 m and 500 m.

FranceIn all tunnels longer than 200 m (500 m of the traffic is very low), emergency telephones areinstalled and spaced at 200 m intervals.

JapanPush button alarms and emergency telephones areinstalled in all road tunnels longer than 500 m and inshorter tunnels with heavy traffic.

NetherlandsEmergency telephones are spaced at 50 m on bothsides of roadway.

NorwayEmergency telephones are provided in all tunnels over7500 m and in shorter tunnels with heavy traffic.

SwedenEmergency telephones are provided in all tunnels and push button alarms in some tunnels.

SwitzerlandSOS telephones are installed in booths spaced every 150 m.

United KingdomAll tunnels have emergency telephones at 50 m intervals in lay-bys and at tunnel portals on theapproach road.

United StatesAll road tunnels longer than 240 m are recommended to have emergency communications andalarm systems.

VI.3.5.3 Recommendations

It is recommended that all road tunnels with a sufficient length or traffic be equipped with asystem of emergency telephones located through the length of the tunnel. Push button alarmsare optional.

Figure 6.6 - SOS station Figure 6.6 - Station de secoursincluding telephone comprenant un téléphoneand extinguisher et un extincteurin a tunnel in Norway dans un tunnel norvégien

PIARC •••• 245 •••• 05.05.B - 1999

FranceIn tunnels longer than 800 m, a system is compulsory to ensure the communication of allemergency services inside the tunnel and with their headquarters. When radio channels arerebroadcast for the general public, it must be possible to interrupt them to give emergencymessages, provided that there is a manned control centre.

Germany: inGermany all tunnels

longer than about1000m have a radio

communi-cationsystem.

Japan: radiorebroadcast

apparatus is installedin tunnels longer than

10000 m in specialcircumstances.

Figure 6.7 - Equipment in a tunnelin France,including safety recesswith telephone and extinguishers(on the left) and radio leaky feeder(on the top of the right sidewall)

Figure 6.7 - Équipements d'un tunnel français,comprenant une niche de secours

avec téléphone et extincteurs (à gauche)et un câble de retransmission(en haut à droite du piédroit)

Norway: in Norway, tunnels with Average Annual Daily Traffic (AADT) over 5000 or tunnelslonger than 2500 m have radio communication systems.

United Kingdom: radio rebroadcast facilities for all emergency services are provided in alltunnels. There is no provision for commercial radio or mobile phones except in special cases,e.g. Mersey Tunnels have mobile phones transmitters.

United States: radio rebroadcast systems are installed in many road tunnels in the UnitedStates.

VI.3.8.3 Recommendations

A radio communication system is recommended in important tunnels (long or with much traffic).The first priority is to allow the communication of the emergency and operation services.Rebroadcasting commercial radios gives the opportunity to pass on safety messages to themotorists in case of an emergency. However, the following difficulties must be taken intoaccount:

• the use of a single language makes it difficult for foreigners;• only drivers who have a radio have switched it on and set to the proper channels can

listen to the safety messages;• in some countries the use of radio in this form may present a legal problem.

Netherlands:radio

rebroadcastsystems are

required.

PIARC •••• 283 •••• 05.05.B - 1999

Heat and smoke sources

Cold smoke generators are not suitable because the smoke they produce does not have thecorrect buoyancy. A suitable fire can be produced:

• by burning a mixture of 25 litres of petrol, 5 litres of gas oil and pieces of car tyre in a4 m3 steel tank placed on the road surface,

• by burning an old car,• by burning diesel oil or heptane. This solution permits a better repeatability. The tank

surface is adapted to obtain an acceptable heat release rate (a few megawatts).

Experience shows that fires of this size are unlikely to damage the tunnel if carefully sited inrelation to vulnerable equipment. If an old car is used the petrol tank must be emptied of petroland must then be filled with water to prevent explosion.

Useful precautions

To protect the carriageway, the fire should be placed on corrugated iron sheets or a 20 cm thickbed of sand or blocks with the carriageway watered during the test. The test should be carriedout before the ceiling or vault is painted or any acoustic treatment applied. Fire experiencesuggests that test fires of a few megawatts will not damage the ceiling provided the ventilation isoperated. However, a large fire, equivalent to an HGV, can be expected to damage the ceiling.Sidewall equipment is not likely to be affected, but plastered plates covering the sidewalls for alength of 8 m, the lighting for 10 m and cables for 20 m can be employed as a precaution.

Test report

The test reportshould record theattending person-nel, the object,conditions andmethod of the tests,the initial condition,instrumentation,description of thedevelopment of thefire including thesmoke movement,measured data andanalysis, evalua-tionof the fire intensityand les-sons to bedrawn.

Figure 8.1 - Test of alertness at a tunnelin Norway

Figure 8.1 - Exercice d’alertedans un tunnel en Norvège

VIII.5 Needs for research workComputer simulation, model and full-scale tests of fire events, discussed in section IV of thisreport, all provide valuable information to the designer of the emergency response plan. Furtherwork is required to validate models and to determine their overall accuracy.