Brandschutz im Gotthard-Basistunnel

Tunnelbrandschutz: Um ein Höchstmaß an Sicherheit in Tunneln zu erreichen, müssen dort potenzielle Gefahren so früh wie möglich erkannt werden. Dabei helfen integrierte technische Lösungen: Video- und Radarsysteme in Kombination mit Brandschutz- und Evakuierungssystemen gewährleisten eine lückenlose Ereignisdetektion und eine rasche Reaktion. Prominentes Beispiel für einen gut gesicherten Tunnel ist der Gotthard-Basistunnel.

Tunnelbrandschutz: Gut geschützt durch den Berg
Abb. 1: Die Sicherheitstechnik im Gotthard-Basistunnel umfasst u.a. ein integriertes Brandmeldesystem mit Wärmebildkameras, Rauchmeldern und Wärmemeldesystem. (Foto: Siemens)

Dezember 2016 / Von Jürgen Poslovski. Die Tunnel in Europa werden sicherer. Auf europäischer Ebene wurden Konsequenzen aus den teils schweren Brandunfällen der Vergangenheit gezogen und gesetzliche Vorschriften zur Tunnelsicherheit deutlich verschärft. So verabschiedete die EU-Kommission 2004 die EU-Tunnelrichtlinie. Sie regelt die Mindestanforderungen an die Sicherheit der Tunnel im transeuropäischen Straßennetz. In Deutschland sind diese Vorschriften in den 2006 ergänzten Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) umgesetzt.
Die EU-Tunnelrichtlinie fordert, Strom-, Mess- und Steuerkreise so auszulegen, dass ein Teilausfall, z.B. wegen eines Brandes, unbeschädigte Systemteile unbeeinträchtigt lässt. Zudem muss der Grad der Feuerfestigkeit von Tunnelbetriebseinrichtungen auf die Aufrechterhaltung der erforderlichen Sicherheitsfunktionen im Brandfall abzielen. Ähnlich formuliert das Eisenbahnbundesamt die Vorgaben an die Funktionsfähigkeit der auf elektrischen Strom angewiesenen Systeme in der Richtlinie Anforderungen des Brand- und Katastrophenschutzes an den Bau und den Betrieb von Eisenbahntunneln. Diese müssen im Brandfall für mindestens 90 Minuten funktionstüchtig bleiben und der Ausfall einzelner Komponenten darf das Gesamtsystem nicht beeinträchtigen.

Mit Videotechnologie immer im Bild

Die größte Gefahr für Personen und Infrastruktur geht im Tunnel von einem Brand aus. Nur sehr selten sind dabei Störungen der technischen Infrastruktur für ein Feuer verantwortlich; fast immer sind Fahrzeuge die Verursacher von Tunnelbränden. Ein kleiner Motorbrand mit Rauchentwicklung kann sich innerhalb weniger Minuten zu einem offenen Feuer entwickeln. Ist dabei Kraftstoff ausgetreten, vergehen möglicherweise nur Sekunden bis zu einem Vollbrand, bei dem sich giftige Rauchgase und extreme Temperaturen entwickeln.
Um potenzielle Gefahren so früh wie möglich zu erkennen, sind moderne Videosysteme optimal geeignet. Sie erlauben eine lückenlose Ereignisdetektion und lassen z.B. die Rauchentwicklung bei einem Brand im Tunnel erkennen. Ihr volles Potenzial entfalten sie in Kombination mit zeitgemäßen Brandschutz- und Evakuierungssystemen.

Infokasten: Der Gotthard-Basistunnel

  • Streckenlänge: 57,1 km
  • Stromsystem: 15 kV, 16,7 Hz
  • Höchstgeschwindigkeit: 250 km/h
  • Züge/Tag: 200 bis 260 Güterzüge, 65 Personenzüge
  • Transportleistung (Güterzüge): 40 Mio. Tonnen/Jahr
  • Fahrgeschwindigkeit:
    - Güterzüge: 100 bis 160 km/h
    - Personenzüge: 200 bis 250 km/h
  • bewegte Gesteinsmasse: 28,2 Mio. Tonnen
  • Baukosten (Stand Juni 2010): 12 Mrd. CHF

Automatische Brandmeldesysteme beschleunigen das Alarmmanagement

Im Brandfall ist Schnelligkeit gefragt. Wo befindet sich der Brandherd? Wie groß ist das Feuer? In welche Richtung bewegt es sich? Diese Fragen müssen sofort beantwortet werden. Denn nur so ist es möglich, die richtigen Rettungsmaßnahmen einzuleiten. Ein automatisches Brandmeldesystem für Tunnel muss daher in der Lage sein, den Brandherd exakt zu lokalisieren und automatisch einer Alarmzone zuzuordnen. Luftströmungen dürfen das Detektionsergebnis dabei nicht beeinträchtigen. Ferner ist es notwendig, dass das System zusätzlich die Ausbreitungsrichtung des Feuers erfasst.
Hat das System einen Brand detektiert, muss die Sicherheitszentrale schnellstmöglich reagieren. Von der korrekten und schnellen Detektion des Brandmeldesystems hängt das gesamte Alarmmanagement ab. Bei bestätigtem Alarm müssen das automatische Tunnellöschsystem ausgelöst, automatische Verkehrsleitungsschritte eingeleitet, die Tunnelbelüftung dem Brandherd gemäß gesteuert und die Evakuierung der Personen im Tunnel per Sprachalarmierung geleitet werden. Zugleich erfolgt die Alarmierung der Feuerwehr sowie weiterer Interventionskräfte. Die vom automatischen Brandmeldesystem zur Verfügung gestellten Informationen ermöglichen den Einsatzkräften dann eine rasche taktische Einsatzplanung und eine eindeutige Festlegung der Angriffsrichtung.

Tunnelbrandschutz: Gut geschützt durch den Berg (Abbildung 2)
Abb. 2: Tausende Kilometer Glasfaserkabel sorgen im Gotthard-Basistunnel für den schnellen Datenverkehr zwischen den Sicherheitssystemen. (Foto: Siemens)

Im Gotthard-Basistunnel sind Video- und Radarüberwachungstechniken kombiniert

Vor dem Hintergrund des hohen Verkehrsaufkommens im Alpenraum wurde in der Schweiz der Gotthard-Basistunnel geplant und nach 17 Jahren Bauzeit am 1. Juni 2016 eröffnet. Mit gut 57 km ist er der bislang längste Eisenbahntunnel der Welt. Nach einer Testphase beginnt ab Dezember 2016 der reguläre Fahrbetrieb. Nach endgültiger Inbetriebnahme sollen täglich bis zu 260 Güterzüge und 65 Personenzüge die Strecke nutzen – im Hochgeschwindigkeitsverkehr mit bis zu 250 km/h (s. Infokasten).
Im Mittelpunkt der Sicherheitsmaßnahmen im Gotthard-Basistunnel stehen Branddetektion und -management. Daher entschieden sich die Betreiber für ein integriertes Brandmeldesystem. Dabei ist ausschlaggebend, dass der gesamte Tunnel von der Ein- bis zur Ausfahrt einsehbar ist. Dies verlangt Systeme, die über die Videoüberwachung hinaus zuverlässige Informationen über die Situation im Tunnel und vor dem Tunnelportal liefern. Zu diesem Zweck wurde Videoüberwachungstechnik mit Radartechnik kombiniert. Die besten dieser Systeme nutzen Algorithmen, die potenzielle Störquellen selbstständig identifizieren können. Dadurch wird das Überwachungspersonal entlastet und die Erkennung von Störfällen automatisiert.
Erfahrungsgemäß können Menschen beim Monitoring von Überwachungssystemen Fehler unterlaufen. Eine automatische Störfallerkennung (Automated Incident Detection – AID), die bei Video- und Radarsystemen angewendet wird, ist dagegen in der Lage, verschiedenste Ereignisse, die in einem Tunnel zu schwerwiegenden Folgen führen können, automatisch zu erkennen – etwa eine Rauchentwicklung. Bei Verwendung einer intelligenten Zoneneinteilung und virtueller Barrieren kann automatisch ein Alarm ausgelöst werden, wenn die Kamera oder der Radar einen oder mehrere Störfälle detektiert. Sofortiges Einschreiten verhindert eine Eskalation des Vorfalles.
Teil dieser Sicherheitsinfrastruktur im Gotthard-Basistunnel ist das Wärmemeldesystem FibroLaser von Siemens (s. Abbildung 1). Es erlaubt das Ansteuern von Brandalarmen und Lüftern, das Lokalisieren von Hotspots zur Aktivierung der Löschung sowie ein adäquates Reagieren auf kritische Zustände (Voralarm) und eine schnelle Alarmierung mit entsprechender Steuerung im Brandfall (Alarm). Die genaue Lokalisierung eines Brandherdes wird durch eine Ortsauflösung von bis zu einem halben Meter ermöglicht.

Der Artikel ist im FeuerTRUTZ Spezial Band 8 – Sicherheitssysteme (September 2016) erschienen.
Weitere Informationen zum FeuerTRUTZ Spezial Sicherheitssysteme

Schutz- und Sicherheitssysteme sind redundant ausgelegt

Tunnelbrandschutz: Gut geschützt durch den Berg (Abbildung 3)
Abb. 3: Durch einen Käfig geschützter Rauchmelder (Foto: Siemens)

Die internationalen Eisenbahnrichtlinien schreiben nur für Stationen und Notstationen in Bahntunneln die Installation eines automatischen Störfallerkennungs- bzw. Branderkennungssystems vor. Züge müssen über ein unabhängiges Branderkennungssystem verfügen. Studien zeigen jedoch, dass ein ganzheitlicher Schutz- und Sicherheitsansatz auf der ganzen Länge von Tunneln bessere Ergebnisse bringt.
Im Gotthard-Basistunnel sind beide Röhren alle 300 m durch Querschläge verbunden, sodass im Brandfall die Zugpassagiere in die jeweils andere Röhre flüchten können. Sollte ein schwerwiegender Störfall eintreten, ist an den beiden je 600 m langen Nothaltestellen pro Tunnelröhre eine Evakuierung von bis zu 1.000 Personen möglich. Damit es gar nicht erst dazu kommt, wurde die gesamte Tunnelanlage mit sehr vielen Sensoren, Überwachungseinrichtungen und Steuerungen bestückt, die über tausende von Kilometern Glasfaserkabel mit den beiden Control-Centern am Nord- und am Südportal verbunden sind. Im Abstand von wenigen Millisekunden werden die Überwachungsdaten von der Steuerung überprüft.
In den vier Nothaltestellen erfolgt die Brandorterkennung mit drei unterschiedlichen Detektionssystemen. Redundant ist auch die Installation der Branderkennungstechnik in den Tunnelröhren ausgelegt: Nicht nur an der Decke wurde ein FibroLaser-Kabel montiert, sondern auch am Boden, denn auch ein feststehendes Rad am Zug oder austretende Flüssigkeit kann z.B. in Brand geraten. Dabei waren speziell armierte Kabel für die Verlegung am Boden nötig, um sie vor Spritzwasser und mechanischen Beanspruchungen zu schützen (s. Abbildung 2). An der Decke mussten die notwendigen Kabel ohne Metall verwendet werden, damit es nicht zu elektromagnetischen Interferenzen mit der 15-kV-Fahrleitung kommt.
Ergänzt wurde das Wärmemeldesystem durch Wärmebildkameras und Rauchmelder, die ständig Temperatur und Luft auf Rauchpartikel prüfen. Um diese vor den rauen Tunnelbedingungen zu schützen, wurden sie in Käfige verpackt (s. Abbildung 3) – auch diese sind eine Spezialanfertigung für den Gotthard-Basistunnel, dessen Sicherheitssysteme in puncto Ausfallsicherheit höchste Anforderungen erfüllen. Alles ist auf Züge ausgerichtet, die mit 270 km/h fahren können; die vorgeschriebene Höchstgeschwindigkeit liegt aber bei 250 km/h. Etwas Luft nach oben haben die Ingenieure also eingeplant.

Daten als Sicherheitsressource

Um die Sicherheit von Tunneln weiter zu steigern, hat in jüngster Zeit nicht zuletzt das Data Mining eine immer größere Bedeutung erlangt. Die digitale Erfassung, Verknüpfung und Verwertung von Daten hilft, die Angemessenheit von Sicherheitsmaßnahmen und -systemen zu überprüfen, und unterstützt einen zuverlässigen und optimalen Verkehrsfluss. Die kontinuierliche Verfügbarkeit und Sicherheit von Tunneln wird mit Data Mining weiter erhöht.

Infokasten: Weitere Tunnelprojekte

Die Schutz- und Sicherheitssysteme in Tunneln sind dank der Bündelung einer Vielzahl modernster technischer Lösungen inzwischen hoch entwickelt. So kommt es nicht von ungefähr, dass sich die Planungsstäbe an immer ambitioniertere Projekte wagen.

Weitere Weltrekord- Tunnelplanungen sind auf dem Weg:

  • Der im Bau befindliche Brenner-Basistunnel soll mit 64 km nach seiner Fertigstellung der längste Eisenbahntunnel der Welt werden.
  • Der geplante Fehmarnbelt-Tunnel zwischen der deutschen Ostseeinsel Fehmarn und der dänischen Insel Lolland soll mit einer Länge von fast 18 km der weltweit längste Absenktunnel für den kombinierten Schienen- und Straßenverkehr werden.

Tunnelbrandschutz: Gut geschützt durch den Berg (Abbildung 4)
Abb. 4: Trotz modernster Sicherheitstechnik: Auch ganz unten im Berg kann Beistand von oben nicht schaden. Die heilige Barbara ist die Schutzpatronin der Bergleute und Mineure. Ihre Statue hat einen festen Platz in einer Nische des Gotthard-Basistunnels. (Foto: Siemens)

Fazit

Eine der Prioritäten beim Betrieb von Tunneln ist das Verhindern von Bränden. Bei den Betriebsabläufen steht deshalb ein Höchstmaß an Sicherheit im Vordergrund. Mit einem integrierten Ansatz, bei dem alle potenziellen Störfälle überwacht und automatisch gemeldet werden, ist es möglich, frühzeitig einzugreifen und eine Ausbreitung von Feuer und Rauch zu verhindern. Darüber hinaus ist bei einem größeren Störfall eine effektive koordinierte Reaktion gewährleistet.

Autor

Jürgen Poslovski: staatlich geprüfter Techniker mit Fachrichtung Elektrotechnik, Schwerpunkt Datenelektronik; bei Siemens tätig als Senior Vertriebsbeauftragter Solution Safety & Security und innerhalb des Siemens-Kompetenzzentrums Tunnel im Team Deutschland-Süd zuständig für Brandmeldesysteme im Tunnel

Der Artikel ist im FeuerTRUTZ Spezial Band 8 – Sicherheitssysteme (September 2016) erschienen.
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