RIZIKA SPOJENÁ S EXISTENCÍ PODZEMNÍCH STAVEB

Ing. Karel Klouda, CSc., M.B.A. Státní úřad pro jadernou bezpečnost, Praha

Josef Suldovský Český báňský úřad, Praha

Ing. Petr Šarboch Hlavní báňská záchranná stanice, Praha

RIZIKA SPOJENÁ S EXISTENCÍ PODZEMNÍCH STAVEB

1. ÚVOD Z hlediska ekologie má největší negativní dopad na životní prostředí kromě exhalací a emisí chemického, metalurgického a elektrárenského průmyslu postupné zabírání pozemků a volných ploch pro realizaci nejrůznějších investičních stavebních záměrů. Tato skutečnost nabývá na mimořádné důležitosti zejména v souvislosti s rychle pokračující výstavbou městských aglomerací či jejich rozšiřováním. Prostor pod povrchem terénu (vedle těžby surovin) umožňuje umístit činnosti, které lze jen obtížně umístit a provozovat na povrchu. Důvodů je řada, např. technické, environmentální a ekonomické. Připomínáme některé důvody ve prospěch realizace podzemních staveb: - nedostatek prostoru na povrchu území, - sdružování podzemních sítí do podzemních kolektorů, - zachování povrchové zástavby a ochrana historických památek, - zvýšení kapacity a rychlosti hromadné dopravy, - oddělení jednotlivých druhů dopravy křížením, zvýšení bezpečnosti a plynulosti dopravy, - překonání přírodních překážek (členitý terén, vodní toky), - skladování výrobků a hmot (využití vhodného horninového prostředí pro skladování plynů a ropy), - ochrana krajiny, přírody a zvýšení kvality životního prostředí na povrchu. Mnohé z výše uvedených důvodů se vyznačují ekologickým přínosem (nezabírají zemědělskou půdu, lesy, snižují znečištění, hluk, vibrace, úspora energie apod.). Podzemní díla jsou často situována do míst, kde působí negativní přírodní prostředí (agresivní podzemní voda, deformace hornin, tlaky), vliv vlastního provozu v podzemním díle a časový faktor. To může způsobit: - porušení stability podzemního díla, - zhoršení až kolaps izolačních vlastností podzemního díla. Na tyto procesy je nutno reagovat pravidelně prováděným monitoringem a diagnostikou poruch podzemních konstrukcí, projektováním údržby, 1

rekonstrukcí a včasnou realizací těchto opatření (injektáže, izolace, kotvení, stříkané betony, bezpečnostní prvky apod.). Špatná údržba zvětšuje rizika, která jsou spojena s vlastním provozem podzemních staveb, jako např. dopravní nehody, požár, exploze apod. Zároveň jsou podzemní stavby velmi citlivým místem pro selhání technologií, vůči sabotáži či teroristickému útoku s možným následkem – ohrožením života a zdraví velkého množství obyvatelstva a narušením infrastruktury města. Např. podzemní stavby, zvláště liniového charakteru, se dají zneužít k distribuci (rozšíření) nebezpečných chemických a biologických látek na velké území města. Rovněž tak výbuch plynu v kolektoru může mít za následek synergický efekt, např. vykolejení soupravy metra apod. Výše uvedené skutečnosti byly důvodem ke stanovení následujících cílů, které byly i součástí t.č. předložené disertační práce na VŠB TU Ostrava: 1. předložit stručný přehled o historických etapách vývoje podzemního stavitelství, rozdělit podzemní stavby podle různých kritérií, určit přínos a problémy těchto staveb, 2. stanovit rizika spojená s existencí a provozem podzemních staveb včetně analýzy hrozeb a následků a to ve vazbě na kritickou infrastrukturu, 3. po provedené kategorizaci rizik na: - rizika spojená s existencí podzemních staveb, - rizika spojená s provozem podzemních staveb, - rizika spojená s lidským selháním, najít způsoby (dle možností finančních, technických či experimentálních) jejich snížení, či snížení dopadů a následků a) navrhnout a otestovat bezdotykovou termografii jako nástroj pro identifikaci poruch ostění, tím zdůvodnit opravu či rekonstrukci podzemní stavby, b) prověřit systémy aerosolového hašení se zaměřením na aplikaci těchto systémů na likvidaci požáru u liniových energetických podzemních staveb (kolektory), c) v kategorizaci rizik lidského selhání testovat zneužití struktury podzemních staveb k šíření chemické otravné látky do městské aglomerace či v jejích prostorách (např. metro). 2. PODZEMNÍ STAVBY 2.1. Historické mezníky rozvoje podzemního stavitelství V této části kapitoly uvádíme heslovitým způsobem historickém vývoji podzemního stavitelství. Stavitel – příroda, jeskyně, podzemní chodby.

přehled

o

2

Římané využití tzv. ohňové techniky při budování štol, vodovodů, tunelů. Starověk – středověk stagnace technického rozvoje, stavby ochranného charakteru, např. únikové chodby z hradů a klášterů, provádění podzemních děl je namáhavé a zdlouhavé, použití želízek a mlátek (klín a kladivo) – později symbol havířského znaku, kombinace ohňové techniky s technikou bobtnání klínu. Novověk (pol. 17. stol.) nová epocha tunelování spojená s vynálezem střelného prachu, výstavba průplavu ve Francii, průmyslové tunely jsou doposud budovány v pevných skalních horninách. 19. stol. rozmach tunelového stavitelství, výstavba evropské železniční sítě, ve 2. pol. stol. epocha výstavby alpských tunelů, vývoj tunelářských metod, ve Francii poprvé ražen tunel v horninách nesoudržných v písčité půdě, první ražení v rozbředlých horninách – městský tunel pod Temží. Povznesení tunelářství na samostatný inženýrský obor. Historické pořadí tunelů: tunely průplavní, železniční tunely, tunely podzemní dráhy, silniční tunely (tunel pod řekou Hudson, New York 1927, Holanův tunel), podmořské tunely. 19. - 20. stol. epocha podzemní městské rychlodráhy – metro, Londýn 1863, spojení dvou londýnských nádraží, následuje Glasgow, Budapešť, Boston. 20. stol. epocha podzemního vedení inženýrských sítí – kolektory. 2. pol. 20. stol. vznik multidisciplinární specializace stavebně-inženýrské činnosti – podzemní stavitelství, umisťování podzemních děl pod historickou zástavbou velkých měst vyžaduje komplexní přístup. 21. stol. podzemní stavby – čtvrtá dimenze města (viz. motto 33. Světového kongresu tunelářů, Praha, květen 2007). 2.2. Možné dělení podzemních staveb 1. podle dispozičního uspořádání, 2. podle účelu použití, 3. podle způsobu výstavby, 4. podle časového vzniku. ad 1.) podle dispozičního uspořádání: a) liniové stavby (řádově převládá délka proti šířce a výšce), aa) štoly (příčný průřez do 16 m2), ab) tunely (příčný průřez nad 16 m2). b) šachty (zpravidla spojení podzemí s povrchem), c) stavby halové – kaverny (všechny tři rozměry řádově stejné), d) jámy (otevřené výkopy). ad 2.) podle účelu použití: a) liniové podzemní stavby dopravní - železniční, 3

- silniční, - pro pěší, - metro, podzemní městská dráha, - průplavní a plavební. b) liniové podzemní stavby vodohospodářské - vodovodní štoly, přivaděče, - kanalizace, - retenční tunely. c) liniové podzemní stavby energetické - telekomunikační, - kabelové, - parovody, horkovody, - sdružené kolektory. d) halové podzemní stavby - podzemní garáže, - hydrocentrály, - energetické zásobníky na ropu, zemní plyn, - sportovní a kulturní objekty, - vodojemy, čističky odpadních vod, - ochranné, - halové podchody, - sklady potravin, - podzemní města. e) šachty - větrací, - pomocné, - energetické, - přístupové, - dopravní. ad. 3) podle způsobu výstavby: a) ražené stavby (bez odstranění nadloží), b) hloubené stavby (v otevřené jámě, po jejich vybudování zásyp), c) kombinované stavby (částečně ražené, částečně hloubené). ad. 4) podle časového vzniku: a) historické podzemní stavby, b) novodobé podzemní stavby (20. – 21. stol.). 3. PODZEMNÍ STAVBY A KRITICKÁ INFRASTRUKTURA Kritická infrastruktura je subsystémem, na kterém závisejí další systémy nezbytné pro fungování státu a společnosti. Evropská komise ve svém materiálu Green Paper on a European Programme for Critical Infrastructure Protection 2005 stanovila seznam sektorů kritické infrastruktury: 4

A – energetika, B – informační a komunikační technologie, C – voda, D – potraviny, E – zdravotnictví, F – finanční služby, G – státnictví, H – civilní správa, I – doprava, J – chemický a jaderný průmysl, K – vesmír a výzkum. Prostor pod povrchem terénu (vedle těžby surovin) umožňuje umístit řadu činností, které lze jen obtížně umístit a provozovat na povrchu, ať již z technických, environmentálních či ekonomických důvodů. Vznikají tak podzemní stavby, které mají své nezastupitelné místo v některých systémech kritické infrastruktury. Liniové podzemní stavby dopravní, tj. silniční a železniční tunely, metro, jsou součástí dopravní sítě (sektor doprava). Liniové podzemní stavby vodohospodářské, tj. vodovodní štoly a přivaděče, kanalizace, jsou součástí rozvodné a kanalizační soustavy (sektor voda). Liniové podzemní stavby energetické, tj. sdružené kolektory, jsou součástí rozvodné elektrizační soustavy, soustavy ostatních médií a komunikačních sítí (sektor voda, energetika, informační a komunikační technologie). Rovněž tak halové podzemní stavby, tj. např. zásobníky na ropu a zemní plyn, úložiště jaderných odpadů, vodovody, ochranné stavby, sklady potravin, halové podchody, mohou být součástí rozvodné soustavy, logistiky, státní a veřejné správy (sektor energetika, voda, potraviny, chemický a jaderný průmysl). Z výše uvedeného je patrno, že řada typů podzemních staveb jsou dílčími subsystémy kritické infrastruktury. Jsou velmi citlivým místem, viz. úvod a proto je důležité znát zranitelnost těchto subsystémů. 3.1. Rizika zaváděná podzemními stavbami do systému kritické infrastruktury Negativní faktory přírodního prostředí, ve kterém je podzemní stavba situována, faktory časové, faktory provozně technologické a řada dalších, přiřazuje podzemní stavbě určitý stupeň rizika. Toto si uvědomila i Bezpečnostní rada státu a přijala usnesení v roce 2005 č. 69 o zajištění dozoru nad podzemními stavbami a prověření jejich technického stavu. V této kapitole je popsáno několik možných přístupů k rizikům spojených s existencí a provozem podzemních staveb. Určili jsme rizika spojená s: - existencí podzemní stavby, - provozem podzemní stavby, - lidským selháním uživatelů, provozovatelů a lidských bytostí. Další zvolený přístup je výběr z množin hrozeb, které ohrožují podzemní stavby jako celek, a na ty, které naopak nemají vliv na jejich bezpečnost a které jen na určitý specifický typ stavby. 5

V neposlední řadě je možný a námi popsaný způsob vyhledání a identifikace iniciačních událostí mající dopad na tzv. TOP událost, spojenou s obrovskými následky vůči podzemní stavbě a následně kritické infrastruktuře. 3.1.1. Stanovení rizik spojených s existencí, provozem podzemní stavby včetně lidského selhání Níže jsou uvedena nejvýznamnější rizika spojená s podzemními stavbami a to v rozdělení: rizika spojená a) s existencí podzemní stavby, b) s provozem podzemní stavby, c) s lidským selháním uživatelů, provozovatelů podzemní stavby. a) Rizika spojená s existencí podzemní stavby Jedná se o propad a zával. Následují některé faktory zvyšující tato rizika: - vliv podzemní vody (její chemické vlastnosti, teplota, rychlost proudění, její vliv na horninu, tj. vyluhování, zvodnění, bobtnání; její agresivita, tj. kyselost, obsah horninových látek, síranů, sulfanů, volná kyselina uhličitá apod.), - vlastní váha ostění, - horninový tlak (svislý, boční, tlak na dno výruby, podélný), - zatížení budovami a stavebními objekty na povrchu, - dlouhodobá technologická zatížení podzemní stavby, - zatížení vyvolaná provozem na povrchu, - seismické účinky, - podzemní plyny, - podzemní teplota. b) Rizika spojená s provozem podzemní stavby b1) u liniové podzemní stavby dopravní je riziko, že dojde k - poruše vozidla, soupravy, - dopravní nehodě s věcnou škodou, - dopravní nehodě se zraněním, - dopravní nehodě se smrtelným zraněním, - vzniku požáru lokálního, - vzniku požáru velkého rozsahu, - otravě osob kouřem a toxickými produkty, - výbuchu (explozivní hoření, detonace), - destrukci stavebních konstrukcí (zřícení konstrukcí), - zasypání a zavalení, - udušení uvězněných osob, - úrazu elektrickým proudem, - opaření a popálení, - zatopení, 6

- znečištění životního prostředí, - úniku toxických látek. b2) u liniové podzemní stavby vodohospodářské je riziko, že dojde k - znečištění, zamoření, otravě média, - prasknutí a uvolnění média do životního prostředí, nákaze, epidemii, - utonutí. b3) u liniové podzemní stavby energetické je riziko, že dojde k - požáru, - požáru s explozí, - ztrátě informačních a komunikačních systémů, - úniku médií z poškozených rozvodů, - destrukci stavebních konstrukcí (zřícení konstrukcí), - zasypání a zavalení, - úrazu el. proudem, - opaření a popálení, - zatopení, - kontaminaci ovzduší z větracích šachet. b4) u halových podzemních staveb je riziko, že dojde k - požáru, - požáru velkého rozsahu, - výbuchu, - destrukci stavebních konstrukcí (zřícení konstrukcí), - zasypání a zavalení, - udušení uvězněných osob, - otravě kouřem, toxickými produkty, - znečištění životního prostředí. c) Rizika spojená s lidským selháním Selhání lidského faktoru ať neúmyslné či úmyslné, kriminální čin či teroristický čin skýtá riziko, že dojde k - porušení pravidel bezpečnosti práce, technických předpisů, provozních řádů, - porušení zákonů, - občanským nepokojům, obsazení portálů, znepřístupnění vstupů, - krádeži, přepadení, vraždě, - umístění výbušniny, aktivizaci, výbuchu, - aplikaci výbušniny s kontaminantem, - sabotáži na systému, - aplikaci chemických a biologických zbraní. 3.1.2. Výběr hrozeb ohrožující podzemní stavby dle typů

7

Další možný zvolený pohled je výběr z množiny hrozeb, které hrozby ohrožují podzemní stavby jako celek, které naopak nemají vliv na jejich bezpečnost a které jen na určitý specifický typ stavby, viz. následující tabulka. Tab. č. 1: Návrh přiřazení typů podzemních staveb vůči hrozbám Typ podzemní stavbya) Hrozba

M.

K.

T.

KAN.

HAL.

Vichřice, větrná smršť

-

-

-

-

-

Silné mrazy, námrazy, náledí

-

-

+

?b)

-

Vedra, sucha

-

-

-

-

-

Záplavy, povodně

+

+

+

+

+

Zvláštní povodeň

+

+

+

+

+

Epidemie, pandemie

-

-

-

-

-

Nákaza zvířat

-

-

-

-

-

Destrukce stavby z technických příčin

+

+

+

+

+

Požár

+

+

+

?

+

Únik nebezpečných látek

+

+

+

+

+

Zhroucení komunikačních systémů

+

+

+

-

?

Rozsáhlé poruchy energetických sítí

+

+

+

-

+

Exploze, výbuch

+

+

+

+

+

Kombinovaná havárie v dopravě

+

-

+

-

-

Občanské nepokoje

+

-

+

-

+

Sabotáže, terorismus, kriminální činnost

+

+

+

+

+

a

) M – metro, K – kolektor, T – tunely silniční a železniční, KAN – kanalizace, HAL – halové stavby b ) + ano, - ne, ? za určitých specifických podmínek

Ze závěrů provedené analýzy, které jsou uvedeny v tabulce č. 2 vyplývá, že obecně všechny typy podzemních staveb jsou ohroženy: - záplavami, povodněmi, - zvláštní povodní, - explozí, výbuchem, - destrukcí konstrukce (technické příčiny), - kriminálním činem, sabotáží, terorismem, - požárem, 8

- únikem nebezpečných látek. Ohrozit by je neměla: - vichřice, smršť, - vedra, sucha, - epidemie, pandemie, - nákaza zvířat. Ostatní hrozby působí jen na určitý typ podzemní stavby, např. bezpečnost v silničních tunelech mohou ovlivnit silné mrazy, náledí, námrazy apod. Naopak hrozby, které neohrožují v podstatě bezpečnost podzemní stavby viz. epidemie, pandemie, může provoz v podzemní stavbě – metru působit ve prospěch důsledků této hrozby. 3.1.3. Identifikace iniciační události Další možný přístup je stanovení tzv. TOP (hlavní, vrcholové) události (analýza stromem poruch FTA, stromem nebezpečí HTA) a identifikace iniciační události. V případě podzemní stavby jsme rozdělili iniciační události na vnitřní, a tu na iniciační událost spojenou se stavební částí podzemní stavby a z části technologické (provozní). Obdobně jsme rozdělili vnější iniciační událost na událost způsobenou lidským faktorem (činitelem) a přírodními vlivy. Dále předpokládáme ve většině případů tzv. „domino efekt“, takže dále dělíme iniciační události na primární, sekundární, terciární, atd. a vzájemnou kombinaci vnitřních a vnějších iniciačních událostí. Příklad, kdy se na TOP události – požáru v liniové podzemní stavbě dopravní mohou podílet jak iniciační události vnitřní, tak vnější, je uvedena v tab. č. 3. Samozřejmě požár v tomto typu podzemní stavby může vzniknout snadněji i bez vnější iniciační události, rovněž tak zavalení tubusu může být TOP událost způsobená např. dopravní nehodou spojenou s explozí (cisterna) apod. Pro výběr TOP události pro jednoduchý typ podzemní stavby mohou sloužit výsledky uvedené v tab. č. 2. Hodnotu (pravděpodobnost) jednotlivých iniciačních událostí lze stanovit maticí hodnot, zkušeností odborníků, zpracováním statistických dat apod.

9

Tab. č. 2: Příklad vzájemných kombinací iniciačních událostí způsobující TOP událost – požár – v liniové podzemní stavbě dopravní TOP Vnitřní iniciační událost Vnější iniciační událost událost Provoz Provoz Stavební Přírodní Přírodní Lidský faktor (primár.) (sekund.) část vliv vliv (primár.) (primár.) (primár.) (sekund.) Dopravní Rychlá Zavalení Posun Tektonická Chyba Požár nehoda jízda tubusu horninového činnost seismického masivu průzkumu Zavalení Horninový Chyba tubusu tlak, voda geologického a hydrogeologického průzkumu, špatná projekce, špatná údržba, špatný tvar svahu, nedostatečné odvodnění, vegetace Zavalení Sesuv Přívalové portálu horniny, deště, zemin, zvětrání zřícení skal zemin, tlak podzemních vod, teplotní roztažnost hornin Zavalení Lavina Velké portálu množství sněhu, prudké tání, mráz

V některých případech může být vnější iniciační událost i technického charakteru, způsobená nejen přírodními vlivy či selháním lidského činitele, tj. např. prasknutí vodovodního přivaděče v blízkosti liniové podzemní energetické stavby, viz. tab. č. 3.

10

Tab. č. 3: Příklad vzájemných kombinací iniciačních událostí způsobující TOP událost – zatopení – v liniové podzemní stavbě energetické TOP Vnitřní iniciační událost Vnější iniciační událost událost Provoz Provoz Stavební Přírodní Přírodní vliv Lidský (primár.) (sekund.) část vliv (sekund.) faktor (primár.) (primár.) (primár.) Zatopení Ztráta Povodňová Přívalové Špatný podzemní funkčnosti vlna deště, projekt – stavby větrací dlouhotrvající inundační šachty deště, déšť + území tání sněhu, Špatná protržení kontrola ze hrázía), strany ucpání MZE koryta řeky Špatná práce Povodí Provalení Tlak Prasknutí Únava počvy podzemní vodovodního materiálua), vody přivaděčea) špatná údržba, koroze a) jedná se o iniciační událost vnější ale spíše technického charakteru

Navržený postup analýzy ohrožení podzemních staveb a ohrožení podzemní stavbou je zmodifikovaný (hybridní) přístup několika osvědčených metodik a specifického postavení podzemních staveb. Analytickým propojením námi vybraných rizik, hrozeb a stanovením a ohodnocením iniciačních událostí, lze provést velmi rychlou bezpečnostní analýzu podzemních staveb tak, jak je to uloženo Českému báňskému úřadu Bezpečnostní radou státu č. 69/2005. 4. PŘÍKLAD POUŽITÍ NEKONTAKTNÍ TERMOGRAFIE PRO ZVÝŠENÍ BEZPEČNOSTI V PODZEMNÍCH STAVBÁCH – ŠTOLÁCH, TUNELECH, KOLEKTORECH Nekontaktní měření teploty pro stanovení rozložení teplotních polí na povrchu různých těles má dnes široké využití a to včetně stavebnictví. Měřením získaný termogram je kromě rozložení povrchových teplot i nositelem informace o vnitřním stavu objektu (ovlivňujícím tvorbu tepelné energie), struktuře (ovlivňující mechanismus šíření tepla) a povrchových vlastnostech (ovlivňujících schopnost vyzařování infračerveného záření). Výsledky a jejich odborné zpracování umožní identifikaci např. konkrétních prasklin, poréznost, suchý a mokrý povrch apod. a tím i snížení pevnosti materiálu ostění vlivem agresivního prostředí, ve kterém

11

se tyto stavby nacházejí, a to včetně role času (průměrný věk podzemních objektů v ČR i ve světě dosahuje 80 - 100 roků a více). Právě faktor času jsme zvolili pro výběr monitorovaných subjektů. Jedná se o: - Rudolfovu štolu, 16. století, - Ještědský kamenný železniční tunel, 19. století, - sdružený kolektor – trasa CIA, 20. – 21. století. Měřením jsme získali termografické snímky - mapy (obr. č. 1), které vypovídaly o poruchách v ostění, jako jsou praskliny, netěsnosti, vlhkost, rosení stavebního materiálu, přítomnost jiného prostředí na rubu ostění (např. kaverny) apod. Můžeme konstatovat, že měření prokázalo praktické využití nekontaktní termografie jako rychlé monitoringové metody pro základní a prvotní zjištění stavu konstrukce podzemní stavby. Toto může využít inspekce Českého báňského úřadu ke zpracování zprávy o stavu podzemních staveb a objektů na území České republiky.

Obr. č. 1: Termografické snímky výjezdové části ještědského tunelu [zdroj: vlastní]

5. AEROSOLOVÁ HASÍCÍ ZAŘÍZENÍ GABAR A FIRE JACK – JAKO POTENCIONÁLNÍ SYSTÉMY LIKVIDACE POŽÁRU V PODZEMNÍCH STAVBÁCH Aerosolový způsob hašení patří mezi nové technologie a dle našeho názoru je to jeden ze způsobů hašení v podzemních stavbách (cíl disertační práce 3b), hlavně ve sdružených kolektorech. Vedle charakteristiky aerosolového systému jsou v práci uvedeny experimenty získané údaje o teplotním průběhu vývinu aerosolu, jeho velikosti, koncentraci a rychlosti sedimentace, složení sedimentu, jeho korozívním vlivu a v neposlední řadě provedení hasicího experimentu v tunelu v přítomnosti vzorku z množiny kabelů, které jsou umístěny v podzemních stavbách Prahy. Porovnání získaných výsledků mezi systémy GABAR a FIRE JACK BR-1 je uvedeno v tab. č. 4.

12

Tab. č. 4: Porovnání aerosolových systémů GABAR a BR-1 v některých vybraných parametrech (vlastnostech) Parametr (vlastnost) GABAR FIRE JACK BR-1 (Proteco, a. s., Teplice) (BESYCO, spol. s r.o., Praha) Hmotnost testované 1 795 2 230 1 palivové slože (g) (2 generátory BR-1) Hustota palivové slože 1,13 1,37 (g/cm3) Složení palivové slože dusičnan draselný dusičnan draselný chloristan draselný dikyandiamid polyvinylbutyrát kyselina ftalová polyvinylamin formaldehydová pryskyřice formaldehydová pryskyřice dibutylftalát Maximální koncentrace 500 - 550 1 000 - 1 300 uvolněného CO (ppm) Maximální koncentrace 0 71,0 – 80,7 ppm HCN >200 ppm NH3 dalších toxických látek (ppm) Velikost uvolněného 250 → 500 → 1000 115 → 230 → 530 (0 – 31 min.) (0 – 49 min.) aerosolu (nm) 8 4 Množství částic v aerosolu 2x10 → 2x10 3x1010 → 6,5x103 3 (0 – 31 min.) (0 – 49 min.) v jednotce (cm ) -5 -1 Rychlost sedimentace 7x10 m.s 2,2x10-5m.s-1 aerosolu Složení sedimentu (hlavní KCl, K2CO3 K2CO3, KOCN složky) Korozívní vliv sedimentu železo železo aerosolu hliník hliník mosaz mosaz měď měď zinek anticoro

Na základě výsledků řady experimentů, byl navržen hasící efekt aerosolu a to jak homogenní inhibice (chemická reakce radikálů či iontů), tak i heterogenní (odebrání části energie z aktivních radikálů hoření na velkých površích hasicího aerosolu) a snížení rychlosti difúze vzduchu ke zdroji požáru v důsledku vysoké objemové koncentrace aerosolu (viz. kap. 6.3.3. disertační práce). Zároveň musíme připustit i zřeďovací efekt (inertizaci) CO2 a odebrání energie ze systému endotermní reakcí. Hasící účinky lze zabezpečit pouze udržením trvalé koncentrace aerosolu v prostoru požáru (což u podzemních staveb je technicky 1

množství palivové slože připadající na m3 experimentální místnosti je u GABARu 39 g a BR-1 49 g

13

reálné), a to po celou dobu, než klesne teplota pod bod vznícení. Zároveň vzniklá atmosféra je ale vysoce riziková ze zdravotního hlediska. Větší hasící účinnosti aerosolu se docílí v iniciační fázi požáru. 6. PŘÍKLAD ZNEUŽITÍ PODZEMNÍ STAVBY K ŠÍŘENÍ OTRAVNÉ LÁTKY DO MĚSTSKÉ AGLOMERACE Jak bylo uvedeno v úvodu, liniové podzemní stavby se dají zneužít k distribuci nebezpečných otravných látek do městské aglomerace. a) výběr otravné látky a lokality ke zneužití Jako látku, kterou jsme vybrali jako látku určenou ke zneužití, je sarin, tj. nervově paralytická látka, která je zahrnuta do kategorie chemických zbraní. Tyto látky obecně jsou organické sloučeniny fosforu, které se vyznačují vysokou toxicitou vůči savcům, rychlým nástupem účinku a průnikem do organismu všemi branami vstupu. Důvody, proč byl vybrán sarin: - relativně snadná příprava z dostupných surovin (CH3Cl, AlCl3, PCl3, NaF, SbF3, 2-propanol), - vyšší tenze par oproti ostatním nervově paralytickým látkám (385,7 Pa, 25°), - mírný zápach, - latentní účinek. Dále jsme se zabývali, ve které lokalitě sarin zneužít, kdy a jaký volit způsob uvolnění sarinu do ovzduší. Bylo vybráno Staroměstské náměstí v čase chodu Orloje a způsob uvolnění látky rozlitím či zneužitím ústí podzemních staveb pod povrchem náměstí. V práci byly vytvořeny a graficky ilustrovány závislosti odparu sarinu na rychlosti větru, teplotě a ploše. Pro další testy a to v aerodynamickém tunelu či metodou „in situ“ bylo nutné najít látku splňující alespoň dílčím rozsahem následující kritéria: a) obdobné fyzikálně chemické vlastnosti, b) snadná detekce (včetně subjektivní reakce experimentátorů na vůni či zápach), c) únosná toxicita a bezpečnost práce s touto látkou, d) dostupnost (dodávka, cena). Vycházeli jsme ze skutečnosti, že sarin a i ostatní nervově paralytické látky jsou estery, i když centrální atom je v těchto případech fosfor. Proto jsme se zaměřili rovněž na estery ale na uhlovodíkové bázi a to na estery od kyseliny octové. Srovnáním základních fyzikálních vlastností (b.v., tenze par) se sarinem nás vedlo k rozhodnutí pro pentylacetát. Publikovaná závislost kinematické a dynamické viskozity a koeficientu difúze na teplotě však není v optimální korespondenci a proto jsme museli provést korelační grafické srovnání. 14

b) fyzikální modelování šíření nebezpečných látek (substituent sarinu, propan, aerosol) na Staroměstském náměstí a v jeho okolí Většina činnosti lidstva (i ta záporná) probíhá na zemském povrchu obklopeným tzv. mezní vrstvou atmosféry (MVA). Nad MVA se nachází oblast volné atmosféry, spodní část MVA se nazývá přízemní podvrstva. Metody popisu proudění v MVA a tím i šíření nebezpečné látky jsou: - matematické modelování, - fyzikální modelování, - přímé měření v terénu („in situ“). Matematické modelování spočívá v numerickém řešení pohybových rovnic (nelineární parciální diferenciální rovnice). Tato metoda je doposud využívána především v případech s jednoduchou geometrií – rovinný, resp. mírně zvlněný terén. Pro případy složitější, např. pro modelování území s velkou hustotou staveb (centrum měst), je užívána metoda, která je označována jako fyzikální modelování. Tato metoda spočívá v analogii mezi prouděním v okolí zemského povrchu a prouděním u stěny ve speciálním aerodynamickém tunelu. Základem je vytvořit vhodný geometricky podobný model tvořící stěnu tunelu. Jako základ pro model Staroměstského náměstí jsme použili 45 základních domů a paláců první linie. Byly to detailní repliky (kde poslední politura nebyla provedena) od firmy STF Praha; zbývající část zástavby v rozsahu obr. č. 2 byla vyrobena z tvrzeného polypropylenu s nátěrem fasádní barvy. Vše v měřítku 1:160. Celkový model byl následně umístěn v aerodynamickém tunelu Ústavu termomechaniky Akademie věd České republiky v Novém Kníně.

15

Obr. č. 2: Model Staroměstského náměstí v aerodynamickém tunelu [zdroj: vlastní]

Modelovali jsme šíření substituentu za sarin, pentylacetát, „inertní“ propan a aerosol CO2 + glycerin. V rámci Staroměstského náměstí jsme vybrali následující čtyři územní body, které při našem modelování sloužily jako zdroj (místo), kde dochází k uvolnění substituentu (inertu, aerosolu), do MVA. Jedná se o zdroj: - před radniční věží (Radnice), - na Malém náměstí před restaurací U Princů, - v ústí Pařížské ulice na Staroměstské náměstí, - vedle sousoší J. Husa. Zdroj bodový – otvor o průměru 0,4 cm na úrovni povrchu modelu v případě propanu a aerosolu, mikromiska (velikost 1,5x1,5 cm) pro odpar pentylacetátu. Na základě meteorologických údajů převažujících proudění v Praze 1 jsme zvolili následující směry větrů:

16

- severozápadní, - západoseverozápadní, - západní, - jihozápadní. Příklad výsledku fyzikálního modelování rozložení horizontálních koncentrací pentylacetátu a propanu při západním větru z jednoho vybraného místa (zdroje) v lokalitě Staroměstské náměstí je patrný z obr. č. 3. Porovnáním rozsahu koncentračních polí pentylacetátu a propanu vidíme patrný rozdíl. Jeden z hlavních důvodů je, že pentylacetát je tzv. aktivní příměsí, váže se (sorpce) na povrchy dna modelu, ale hlavně na stěny (plochy) objektů zástavby (viz. vertikální profil, či vizualizace proudění, kap. 8.6.3. disertační práce). Propan je na rozdíl od pentylacetátu tzv. pasivní příměsí. Podle bezrozměrných koncentrací získaných měřením s propanem považujeme získané výsledky jako nejhorší možnou variantu šíření nebezpečné látky v dané lokalitě.

Obr. č. 3: Horizontální rozložení koncentrací pentylacetátu a propanu, místo zdroje před radniční věží

Modelováním bylo stanoveno místo uvolnění kontaminantu v rámci náměstí a směr větru, kdy dojde k zamoření celého prostoru Staroměstského náměstí. Prokázalo se rovněž vzlínání látky do vyšších výšek budov než v centru náměstí (vertikální koncentrační profil). Experimentální výsledky z aerodynamického tunelu byly převedeny do formátu MS Excel kompatibilního s geografickými informačními systémy (GIS) a poskytnuty Ministerstvu vnitra ČR a Magistrátu hl. m. Prahy.

17

7. PŘÍKLAD ZNEUŽITÍ LINIOVÉ PODZEMNÍ STAVBY DOPRAVNÍ (PRAŽSKÉ METRO) K ŠÍŘENÍ OTRAVNÉ LÁTKY Pražské metro je významným dopravním uzlem s velkou koncentrací osob, které může být místem potencionálně ohroženým ke zneužití bojovými otravnými látkami v důsledku kriminálního či teroristického činu. Z těchto důvodů se MV – GŘ HZS ČR touto problematikou intenzivně zabývá. Resort Státního úřadu pro jadernou bezpečnost ve spolupráci s resortem Českého báňského úřadu se zaměřil na dílčí problematiku a to na kontaminaci prostor metra a šíření kontaminantu v jeho prostorech. Toto jsme řešili experimentem „in situ“, tj. uvolněním substituentu otravné látky sarinu (pentylacetát) v prostorech přestupní stanice metra Muzeum C a A. Uvolnění látky proběhlo na nástupišti stanice Muzeum C za provozu a bez provozu vlakových souprav za zimního větrání (přívod vzduchu do mezistaničních prostor, odvod vzduchu ze stanice výduchovou šachtou). Rychlostní a koncentrační gradient byl zjišťován v 7 měřících místech (nástupiště, eskalátory, chodby, vestibul), rovněž byla měřena koncentrace u výduchu a ve vlakových soupravách. Výsledky šíření byly zpracovány, ale podléhají režimu zvláštní skutečnosti. Vedle výsledků vlastních experimentů, disertační práce obsahuje popis systémů pražského metra (např. způsob větrání, rozměry stanic, typy vlakových souprav, obrat cestujících, časové intervaly pohybu cestujících apod.) a výčet faktorů ovlivňujících reálné působení otravné látky: - prostorové uspořádání stanice, - prostupnost východů ze stanic, - intenzita a směr proudění ve stanici, - intenzita a směr přívodu vzduchu z větracích šachet, - typ soupravy metra, - grafikon provozu souprav metra, - množství rozšířené otravné látky, - toxicita otravné látky, - způsob rozšíření otravné látky (odpar – aerosol, tlakově – výbuch), - místo, kde došlo k rozšíření otravné látky, - chemické a fyzikální vlastnosti otravné látky, - sorpce a kondenzace otravné látky na stavebním materiálu obkladu stanic (mramor, eloxovaný hliník), - sorpce otravné látky na oděvy a vlasy cestujících a jejich zpětná desorpce, - chemická stálost otravné látky, - teplota, tlak, vlhkost vzduchu ve stanici a mimo stanici, - koncentrační rozložení (hustota, obrat) cestujících v prostorách stanice, - demografické rozložení cestujících v prostorách stanice, 18

- fyzické parametry cestujících (hmotnost, výška) v prostorách stanice, - psychologické parametry cestujících – schopnost reagovat na událost, - davová psychóza – sugesce, panika, - čas identifikace vzniklého problému ve stanici, - profesionální přístup dispečera stanice a složek IZS, - čas k přivolání pomoci a předání kvalifikovaných informací (identifikace otravné látky), - poměrné zdržení evakuace, dekontaminace, lékařská první pomoc u postižených cestujících. Pro zajímavost uvádíme i jedno z možných schémat propojení vytipovaných faktorů do vzájemných vazeb. 8. ZÁVĚR Bez využití podzemních prostor nelze řešit některá dopravní a infrastrukturální potřeby rozvoje řady městských aglomerací. Podzemní stavby musejí však odolávat negativním vlivům přírodního prostředí, jsou ovlivněny provozem, jsou citlivým místem pro selhání technologií a vůči sabotážím či teroristickému útoku. Toto násobí ještě skutečnost, že podzemní stavby se většinou nacházejí pod městy s velkou hustotou obyvatelstva a proto by mohla provozní nehoda vedle značných materiálních škod ohrozit zdraví a životy osob. Toto si uvědomila Bezpečnostní rada státu a svým usnesením č. 69 z 19.7.2005 vyjádřila podporu vůči státnímu dozorování podzemních staveb a objektů Českým báňským úřadem. Návazně bylo uloženo vypracovat návrh novely zákona č. 61/1988 Sb., o hornické činnosti, výbušninách a o státní báňské správě, která by legislativně upravila zabezpečení státního odborného dozoru při provozování podzemních staveb a objektů, včetně zabezpečení báňské záchranné služby pro tyto stavby. Vládní návrh novely zákona č. 61/1988 Sb., byl již předložen Parlamentu ČR (sněmovní tisk č. 225). V den dopsání tohoto příspěvku má návrh novely před projednáním v Hospodářském výboru Parlamentu.

19

20