台灣公路隧道安全與風險評估之探討
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機 械 部 正工程師 |
邱豪磊 |
中華大學管理學院院 長 |
賀力行 |
摘
要
近年來國際間公路隧道災變事故頻傳，各國致力研擬如何從其中獲取教訓以防範於未然，紛紛提出改善策略來提升隧道安全技術，從歐聯各相關研討會，如：ITC、TMI及
BHRG(註)等會議之討論內容即可看出端睨及其發展方向。目前國內既有公路隧道大都為三公里以下之較短隧道，面對未來國道北宜公路雪山隧道、東部公路等長大隧道即將陸續興建完工，而相對應之營運管理與防災體系卻付之闕如，實有必要加緊建立及整合。
目前「行政院災害防救委員會設置要點」已推行兩年，然而大都著重在自然災害防救之研究與論述，對於特殊場所如鐵、公路及捷運系統等山岳隧道或地下結構物之相關研究甚少，有待專家學者進行探討評析，俾收集思廣益之效。
眾所週知，隧道愈長其安全等級愈高，其救援應變措施之能力相對地需要加強。為舒解台灣地區人口壓力，連接東西向及東部廊道之公路隧道交通建設將刻不容緩，當然亦潛藏著運輸風險與潛在隱憂，萬一發生重大火災或爆炸災害時，其災害防救緊急應變標準作業程序(SOP)之訂定、全國隧道救援通報系統之建構、消、警支援執行災害防救應變之權責組織架構，及其動員準備體系之可行性尚待確立；進而如何依據緊急醫療救護法，加強隧道災害救護技術員之資格審定、訓練、繼續教育，及提昇執行災害處理之救護設施等都是刻不容緩之要務。因此，公路隧道安全與風險評估應用在工程設計、建造及營運管理上的確十分重要，國外在有關隧道防災議題中可供學習之風險辨識、風險分析及風險處理逐步推展之技術成效斐然，盼能藉此協助決策者提昇決策品質、研訂本土化之隧道安全體制，以保障隧道之行車安全。
對一個邁入已開發國家的我國而言，隧道重大災害將影響經濟策略的發展，造成人民生命財產的損害。因此，本文旨在探討以適當的風險評估方法來提昇公路隧道安全管理的模式，使我國隧道建設與防災技術，得以躋身於先進國家之林，並能化解對社會產生的衝擊、避免個人與社會成本的損失。
(註)
ITC-International Technical Conference
TMI-Tunnel
Management International
BHRG-BHR
Group Limited)International Symposium on Aerodynamic and Ventilation of Vehicle
Tunnel
一、前
言
(一)公路運輸安全系統評估之建立
在隧道新建之規設階段即應針對安全管理計畫(SMP)與系統保證計畫(SAP)之分析過程，研擬一套”運輸安全系統評估流程”，將其納入工程設計中。對目前已通車之第二高速公路共約30公里長之隧道以及未來完工後之北宜、蘇花、中橫及南橫等合計近100公里長之隧道，其中最長者為長約12.5公里之北宜雪山隧道，於通車後所要面臨的實際問題，為相關隧道安全設施必須要能即刻配合運作，因此亟需龐大的養護人力與保全技術(Maintenance
and Integrity Technology)以為支應。然因政府預算及機關員額受限於，必須導入民間經營模式以執行是作。惟以目前法令規章不夠完備，防災救援體系、技術與組織尚未健全的情況下，如何能產生民間投資之誘因，實有疑慮。
因此，首先建議透過國內外相關文獻之蒐集及專家之訪談，建立國內已完工隧道之工程資料庫，
探討對個人或社會可能產生的風險因素與危險度並予以量化，即以數據呈現用來推估造成事故之概率，與安全風險評定標準作一比較。除可針對未來隧道之「興建計畫整體風險鑑識」擬定減輕對策外，營運階段亦可供路、警、消等主管單位評估檢討以釐清責任。然而，該評析結果將會過度保守，導致設計徒增工程費用。若以隧道通車的整體效益來分析，因施工技術可能發生變異的機率及其變動對成本所可能造成之影響，有可能導致工程完工後卻不能通車之虞；或在通車後發生災害時，責任鑑定難度高且責任歸屬不易，以致延宕恢復通車時間，反而造成社會成本方面更大的損失。
再次，由事故原因來推定結果，以協助決策者或決策單位作減災、救災最佳之決策判斷，以落實「隧道災害對策及基本防救法」之制定。建議參考國內外各已完工通車之隧道資料，研析事故造成之原因、緊急應變措施與重建計畫能力，並概分為若干等級，提出可能產生重大事故或災害確認表，以供相關決策單位評析。建議之「隧道安全風險評估研究基本架構」詳如圖一所示。
在行政院第十五屆國際科技會議提出之研究中，相關公路方面僅有緊急救援之標準作業程序(SOP)子題，若不能與隧道安全設施之設計理論、管理方針等基本構成元素與操控技術整合，肯定在災害發生時將無法達到最佳之維生系統。除此之外，作為上游管理人或營運期間負責人(CEO)如何提出「不要讓風險變成危險」的應變決策和認知以減緩損失，乃為有識者所要嚴肅面對的課題。
(二)火災災害分析
火災在隧道內所生成的煙熱，以重型貨櫃卡車(HGV)計算約為100MW，其溫度高達1300℃以上，此種高溫將使隧道結構崩塌、機電設備毀損，造成用路人極為不便。故建議從事全尺度隧道危險事故演習，藉由統計分析方法，提供規劃設計者於風險評估中研析其最低風險，或最高風險情況發生之機率為何，此種研析結果在營運管理上之應用是十分重要的。
(三)隧道興建之決策分析
有鑑於長大隧道為一複雜的大型營建工程，涵蓋數個不同專業領域，諸如管理、財務、法律、商業及工程等。若以風險管理之每一階段來看，都充滿了不確定性及風險，因此較一般專案計畫更需要風險管理。隧道風險計畫經具體評估，各階段之策略如下，提供作為興建之決策參考：
1.啟案階段
找出風險評估在建造計畫籌措資金之基準點，譬如經過海港或河道時究竟選擇橋樑或隧道？運輸因素與地質因素評價之先決條件？危險車輛允許行駛隧道之可能性？火災規模應視風險安全系統與發生事件頻率(期望值)之相關性。
2.興建階段
配合工程本身之設計、施工條件(工法、品質等) ，制訂一個可供建構防災救援體系之「緊急應變程序」與「救援標準作業程序」，包括任務編組、通報方式與交通管制等。
3.營運階段
對營運單位而言，必須儘速配合消、警單位建立救援組織，以免救災單位指揮系統之權責與層級劃分不清時，將消耗更多的社會成本；而災後重建工作將可能更為曠日耗時，且增加賠償爭議。此外，須充分瞭解營運風險上下游全貌，洞燭先機防患未然。建構保險規劃的敏感度分析，以保障營運單位自身與社會大眾整體之安全。
(四)隧道風險評估因素之探討
國道新建工程局為集思廣益，於86年9月召開「公路隧道安全設施準則研訂」研討會，邀集相關單位及專家學者會商討論。其目的在提高高速公路隧道安全設施設計之原則與標準。該準則並非硬性規定，尚應考慮其適用性，如交通、安全、經濟及環境因素。
未來不論開發行為或興建各級公路隧道，在進行風險評估時，如其完工運轉，因救援不易而導致重大傷亡，對用路人生命財產產生風險者，即須依此標準進行評析。在評估的流程方面，係參考以特定專案計畫的風險評估為基礎，依隧道諸元描述、統計模式、事故過程、計算損失結果、估計火災規模、風險量化及不確定性分析等七個步驟，來進行隧道風險評估，建立隧道風險評估之重要指標，茲概述如下：
(1)在風險因子歸類部份，採用一般工程界熟悉的歸類方式，如推論統計(Inferential
statistics)中常使用卜松分配法(Poisson distribution)或蒙地卡羅法(Monte-carlo
methods)，使一般工程師易於了解。
(2)藉由過去國內外隧道事故經驗，作為未來工程個案執行風險分析的基礎參考。
(3)風險辨識技術對於施工期冗長的隧道工程而言，有助於掌握各種不確定因素，並透過整體風險評估架構，建立「實際執行」與「全險模式」的概念。
(4)建制事前之防災情報管理與事後勘災紀錄清冊，除在服務區設有供用路人觀覽之小冊子，宣導應有的認知外，尚有提供隧道內部設施如何操作之現場影片(音)資料，教導用路者如何使用、通報及避難。另可將工程檢測或勘災之紀錄資料，提供各相關單位資訊網絡入口網站，作為後續保養維修的重要參考。
二、國內外文獻回顧
(一)工程規劃設計相關條文
1.蒐集國內法規、標準及研究報告相關資料如下：
-
中國國家標準(CNS)
-
消防法規
-
各類場所消防安全設備設置標準
-
公路隧道消防法規制定草案
-
環保署空氣品質標準
-
公路隧道安全設施準則
-
建築技術規則
2.蒐集國外法規、標準及研討會相關資料如下：
- PIARC世界道路協會
- NFPA 美國國家防火協會
- RWS 荷蘭公路隧道設施建議值
- RABT德國公路隧道設施及操作準則
-
MEPC日本道路公團
-
MTFVTP 美國MEMORIAL隧道排煙測試報告
因各國國情不同，故在法規上應用之領域亦有所不同，即便條文周全亦不宜完全照本宣科加以引用，提供國內工程界作為規劃設計與設施配置遵循之用。目前我國隧道安全法規大致以原則性指導為主，對於防救、安全設施專章或施行細則，應再將歷年來新發展之各項理念或技術，納入隧道消防法規制定草案，編修標準作業程序(SOP)手冊與重新制定隧道安全等級，供各級公路隧道參考使用。
(二)安全與風險的涵義
1.
安全
安全(Safety)即是減低一種潛在危害(Hazard)的來源或一種可能造成隱患(Accident
Potential)損失的狀況。安全性(Safety Property)則是指系統的安全程度，先有可靠性方有安全性。
假設系統安全性為S，危險性為R，則
由(2.1)式子中得知危險性(R)越大時，安全性(S)越低；反之亦然。雖然可靠性藉系統防護周密可提昇安全性等級，但無必然之關係，只有在設定目標時才有特定關係。例如，過去五年間每年汽車在某隧道發生事故為10件，而今年訂定小於10件/年的目標值，應該是可以接受的程度。若這種可能性超過了可接受的水準，即為不安全。
2.
風險
風險(Risk)之定義很多，簡單說就是危險(Danger)或事故(Accident)發生的可能性，或是暴露於危險環境的機會。如果再清楚一點說明，以在某活動過程中存有可能的危機，將導致成為不安全狀態所發生的有害後果機率。
澳洲AS4360規範所稱：接受各種不同特定風險的可能性(後果)，即為可接受風險(Risk
Acceptance)。而後果(Consequence)是以定性或定量方式表示某事件之嚴重性，它可能是損失、傷害、不利後果(也可能是實質獲得利益)。
3.
機率
機率(Probability)則為當計算一特定事件或結果之可能性，以特定事件和可能發生事件之總合或結果的比率。在機率理論回顧中，機率是用以描述事件發生之可能性，而試驗(experiment)則指的是觀察值，試驗可能之結果稱為事件(event)，而事件之集合稱為樣本空間(sample
space)。
(三)隧道火災相關文獻
1. 近來各國隧道火災事件案例
2.
隧道火災研究方法
(1)
世界道路協會(PIARC)研究方法
火災與煙霧操控之主要目的如下：
a. 儘可能依照逃生方向救難；
b. 儘可能按救援操作程序執行；
c.避開爆炸現場；
d.對危及隧道結構、設施及周圍之建物等必須有所限制。
本方法之通風設計係按熱釋放率（熱量以MW表示）來探討隧道車輛所在位置發生火災典型之特徵問題，係自1987年由荷蘭標準(RWS)之隧道安全基本概念中所提出之火災強度有一致性。(詳表1及圖二)
(2)
德國RABT
RABT研究方法係以操控煙量為主。由於考量用路人在隧道火災發生後之第一時間之安全起見，火災操控模式必須在起火後由火警偵測器自動感測，即能掌握全段隧道之任何狀況，將事故區域停滯狀態之濃煙排除，其建議有下列兩種可行的方式：
a.集點式排煙口(POINT EXTRACTION)，此為目前公認最佳之排煙方式，係在隧道頂設置天花，並開一全寬的排煙口，以動態開啟火災區域之排煙口大量排除煙熱，人員則迎風向隧道兩端逃生。
b.連續式排煙口，為在較在上述間距小的各個排煙口上設置，其排煙區長度約30m。
(3)荷蘭RWS
RWS(Rijkswaterstaat)之內容在研討近代允許危險物品通行之隧道，於事故發生後導致火災燃燒產生高溫與毒氣等種種問題。因隧道內火災與開放路面之火災有所不同，其將產生較高之溫度及較大之火災強度，故隧道火災較一般路面火災之氣體發散為慢。隧道發生火災之基本條件為「在隧道車輛堵塞後用路人必須立刻逃生」。雖然近來所有較新穎的隧道皆提供逃生通路，而一些老舊隧道並不適合增設逃生通路，就火災避難與救援概念而論，如決定不再選擇使用逃生路徑，就必須有救援的替代方案。例如增設排煙管道或縮短逃生橫坑距離等。
(4)日本MEPC
在日本隧道設計準則之調查研究報告中敘述各種不同火災在控制煙霧時對風量大小之估計十分不易。為在火災時維生系統能達到最佳效果，則在通風操控上必須由下列兩個階段組成：
a.煙之控制係以防止橫向紊流及限制縱向擴散方式，確保在避難初期便於逃生；
b.煙之控制主要能夠在逃生階段完成後仍能維持消防人員及救難設施到達災區。
依照日本之研究報告，通風設計理念要考慮一個獨立操控之緊急通風系統，具備在正常模式中一旦遇到火災發生時能夠隨即切換至緊急模式的可靠性(Reliability)。
3.
隧道火災規模區分
(1)
火災規模分類
在隧道中人員處於充滿大量煙霧的環境下逃生，不管氣體溫度高低與否，其逃生路徑皆應與行車方向相反，並且在能阻止下游煙霧迴流之狀況下進行。一般來說增加氣流的臨界風速可降低溫度，在小型或中型規模火災其通風量通常只需正常通風系統所供給的量即可；但在大型規模火災之通風量則超過正常需求量甚多，須依據發生火災之類別作詳細之估算。
(2)臨界風速之應用
比較二、(三)第2節所述各種不同研究方法，PIARC建議隧道中防止熱煙迴流(Back layer)的方法，即在隧道系統中發生火災時，所需通風設備容量一般依火災規模的臨界速度Vc(Critical
velocity) 來決定。所謂臨界速度係指火災發生時，由火源生成大量的煙熱，使空氣密度變小而造成空氣流動，同時伴隨著大量濃煙，以某一速度擴散，該速度即為臨界速度。在此緊急狀況下，為維持人員逃生路徑，透過隧道通風系統及風機之運轉操作，使隧道中之風速大於臨界速度，才可壓制濃煙、防止逆流現象發生，以便於逃生。
其相關計算如表2所示。若用在30MW(小型車火災)其氣流速度須在2.2m/s以上；若在100MW重型貨車(HGV)火災時則須在3.2m/s以上；若在300MW油罐車火災時則須在4.6m/s以上。建議這些數據將使用在國內隧道通風排煙系統設計基準上。
(四) 隧道安全等級
隧道安全等級之選擇除使隧道內之人車能在安全、舒適之環境下通過，並須降低隧道之建造與維護成本，通常需要考量下列八項因素：
1.隧道災害危險度量化分析；
2.建立防災體系之權責；
3.對長大隧道內人因環境危機的認知；
4.隧道出口廢氣對環境影響之防制對策；
5.隧道防災設施之通盤檢討；
6.逃生與救援路徑訓練計畫；
7.正常通風與緊急排煙需求；
8.隧道廢氣對人體長時間曝露之影響。
行經隧道之風險同時包含一件以上事故發生的可能性或頻率，雖然從各國隧道事故統計資料來看，其可能性與隧道的長度或交通量的大小並無特定的關係，但只要隧道內一旦發生事故，其災害對個人或社會所造成的影響甚大。國內隧道安全設施之設置標準原則上參照
”公路隧道消防法規制訂草案”第九條之規定，依隧道等級設置適當的設施系統，如圖三所示。
(五)防救災體系
經政府大力提倡，由內政部研擬「天然災害防救方案」，對於地震、水災的防救災措施、編組、演練、宣導及教育等，以及重大災害發生時醫療救災體系，乃至食衣住行等各方面該如何因應等，均已具備可行之計畫與條件以資防範。另因民國83年4月26日中華航空公司於日本名古屋發生空難事故，目睹日本有關單位明快適當地處置應變，高效率地執行，於該年5月12日「天然災害防救方案」第三次審查會議中，將「天然災害防救方案」擴大修正為「災害防救方案」，並於民國83年8月頒佈，以作為國內發生各種天然災害及人為災害時之防救規範。
目前「行政院災害防救委員會設置要點」及「中央災害防救會報設置要點」已報院核定；「災害防救基本計畫」定案後據以訂定之「災害防救方案」於民國89年6月30日經立法院三讀通過，並於同年7月19日公布施行，架構我國三層級之防災體系，用以規劃、督導行政院所屬機關各項災害預防工作之執行。另於災害發生時，分別成立「災害應變中心」，結合各機關內部之「緊急應變小組」，執行災害應變事宜。其任務分述如次：
1.
決定災害防救之基本方針；
2.
核定災害防救之基本計畫及中央災害防救業務主管機關之災害防救業務計畫；
3.
核定重要災害防救政策與措施；
4.
核定全國緊急災害之應變措施；
5.
督導、考核中央及直轄市、縣（市）災害防救相關事項。
三、研究方法與分析
(一)研究架構
隧道風險是指在執行災害確認及評估時，由於不確定因素引起之災害，如駕駛行為不當(超過50%以上)、超速(約15%)、路障影響(約12%)及其他等，均為影響隧道行車安全的主要原因，用路人亦因此遭受傷害或導致生命財產的損失。為使危害程度降至最低，除靠主管機關或決策者的經驗與智慧判斷外，藉由隧道事件統計資料及透過對風險的辨識，以客觀、適宜的分析方法，評估事故的嚴重程度，納入數值計算模式後提出最佳方案，以降低各種風險發生的機率。兹歸納下列三種可行方法：
1.
問卷調查
設計問卷調查表供相關業主、規劃設計單位及施工單位回覆，資料內容必須滿足研究之問題導向（Problem
Direction）的需要，並對於各項因素的負荷量須特別注意，以免問卷者與答覆者在認知上產生差距。
2.
專家系統
採專家系統或另藉由營運或工務單位(受訪者)之基本資料與各項問題的回答情形作交叉分析，以瞭解不同特質、不同屬性的人，在顯示樣本與母體間是否有明顯的差異。
3.
WEB網路系統
另可使用電子郵件問卷寄達的方式，再用電話確認回覆，接著採面訪或電訪方式，必要時進行現地勘查，或將上述各種資料蒐集方法混合使用。此方式較能掌握時間，可隨時交換意見並得以保存最新記錄。
1.
建立風險評估之各種統計模式
(1)卜松分配法(Poisson
Distribution)
此方法為決定危險品運輸而須穿越隧道時，在何種情況下可允許通過，意即描述在不同長度之隧道，依據年交通量通過若干危險車輛時的一種機率分配。Poisson Distribution已被廣泛使用於描述一段時間內發生事故之次數，例如某一座隧道長約730公尺，平均日交通量為14,200veh/day，則
P(K)
= e-mk�� (mk)K/K!
………………………………….(註)
假設K=1時(
probability factor)
m＝平均每年每公里危險車輛發生事故次數
＝(TM*TP*PA)/WT
TM＝統計發生事故次數合計＝200
TP＝ADT*(%
of HGV)*(tons of veh)* (%tons of haz. Mat. of total veh)*(days of year)
＝14200*0.102*15*0.13*300＝0.85×106 t.km/year
PA＝統計肇事率＝0.5
WT＝