Control de los sistemas de ventilación en túneles

Alberto Fraile
Doctor Ing. Industrial
Universidad Politécnica de Madrid - España

1 Concepción general del control

Aunque no todos los túneles disponen de lo que se denomina un centro de control propiamente dicho muchos disponen de un sistema que permite recibir información de los dispositivos situados en el túnel y operar manual o automáticamente sobre los distintos sistemas disponibles. En sistemas de ventilación no demasiados complejos existe un sistema de recogida de datos proveniente de los detectores de CO y opacidad y algunos otros sistemas adicionales cuya información es tratada por un microprocesador el cual ordena la actuación sobre los ventiladores o los semáforos. En realidad este tipo de sistemas sin llegar a ser un centro de control en sentido amplio muestran un primer modo de regulación del sistema en función de las condiciones del entorno.

1.1 Detección

Cualquier sistema de control tiene su punto principal en la recogida de las señales producidas por los equipos instalados en el túnel. Dependiendo del escenario que se presente tienen mayor importancia unos sistemas u otros.

1.1.1 Régimen de servicio

En régimen de servicio los medidores de CO y opacidad son los que adquieren la mayor importancia. La señal recogida por ellos es transmitida al centro de control el cual toma la decisión de incrementar, reducir o mantener la operación del sistema de ventilación.

1.1.2 Régimen de incendio

Debido a la incertidumbre en la localización del foco de incendio en esta son muchos son muchos los sistemas que pueden intervenir sobre el control del túnel.

La experiencia muestra que la forma en la que se detecta el incendio no siempre corresponde a un tipo de dispositivo o sensor. A pesar de lo que se pueda pensar, los niveles de CO y humos que hacen saltar las alarmas en estos detectores se alcanzan cuando el incendio ya se ha desarrollado. Incluso el cable detector de incendio hace necesarios unos valores de temperatura considerablemente elevados. En cambio, los avisos que los usuarios comunican a través de los postes SOS o del sistema de telefonía (cada vez más habitual en los túneles largos) suelen permitir, con la utilización de las cámaras del circuito cerrado de televisión, determinar la existencia o no de un incidente y evaluar la necesidad de actuar sobre el resto de sistemas.

1.2 Actuación automática

Existen diversos criterios acerca de la capacidad que debe tener un sistema de control para actuar de forma automática, es decir, independientemente de la toma de decisiones del operario del túnel. Sin embargo, parece claro que en los primeros momentos de incertidumbre la existencia de un sistema que permita evaluar la situación es muy favorable.

Dicho sistema parte de la definición de unos estado de alarma para cada una de las señales recogidas de tal forma que alcanzados los niveles definidos se produzca la activación del sistema. Otra forma de dispararlo sería la actuación por parte del operario al observar a través de las cámaras una situación determinada o recibir el aviso a través de los postes SOS o la telefonía de emergencia. El sistema de detección de incidentes que se está instalando en algunos túneles permitiría la activación del dispositivo de emergencia.

Cosa distinta es facultar al sistema de control a actuar de forma independiente. Una posible forma consistiría en permitir intervenir al controlador si al cabo de un cierto tiempo desde la alarma no se ha anulado la orden de actuación. En este caso se pasaría al modo de emergencia el cual dependerá del sistema de ventilación existente, las condiciones del túnel en ese instante, etc.

De forma general la actuación del sistema de control se centrará en los siguientes puntos:

• Cierre de los accesos al túnel.
• Notificación de la incidencia a los servicios de emergencia.
• Suministro de información a los usuarios.
• Refuerzo de los niveles de iluminación en el interior del túnel.
• Modificación del sistema de ventilación pasando a modo de emergencia.

1.3 Actuación manual

Independientemente de la capacidad del sistema de control para proponer actuaciones sobre las instalaciones del túnel, el operario debe tener la posibilidad de tomar el control de todos los sistemas actuando según los criterios definidos en los planes de emergencia.

1.4 Control de calidad

Es evidente que un buen sistema de control tiene toda la capacidad de gobernar un sistema siempre que éste sea capaz de asumir las funciones que de él se espera. Por este motivo, el control de calidad sobre cada una de las instalaciones y en especial las relacionadas con la seguridad existentes en un túnel debe cumplir unos niveles de exigencia muy elevados, no sólo desde el punto de vista de la calidad de cada uno de los elementos independientemente sino de la capacidad del sistema de comportarse correctamente de una forma global.

2 Control en régimen de servicio

Como ya se dijo anteriormente el control en régimen de servicio no entraña la dificultad que existe en el caso de incendio en lo que respecta a la incertidumbre de la situación del incidente o el instante de tiempo. Sin embargo, éste es un aspecto de enorme importancia no sólo por la influencia en el confort de los usuarios en la utilización normal del túnel sino en el ahorro económico que puede suponer en la fase de explotación un correcto funcionamiento.

2.1 Caso práctico

Una forma habitual de regular el sistema de ventilación en función de las condiciones de contaminación existentes en el túnel pasa por la definición de umbrales para los valores de CO y humos y relacionarlos con la actuación de los ventiladores.

A modo de ejemplo, se presenta el concepto de funcionamiento para el proyecto de ventilación del nuevo túnel de Viella.

El objeto del automatismo es el mantenimiento de la concentración en CO y la opacidad entre unos niveles dados

Los sondeos de comprobación se realizan mediante los dispositivos de medición de CO y humos según un ciclo de duración comprendida entre 3 y 6 minutos permitiéndose una sola modificación por ciclo.

En el cuadro siguiente se indican los valores de CO (S) y OP (S') que marcan los umbrales así como los valores de alarma.

El principio de regulación se resume en la tabla siguiente.

Y los diferentes regímenes de inyección de aire son los siguientes:

R ₁ = 0

R ₂ = 30 % del caudal máximo

R ₃ = 50 % del caudal máximo

R ₄ = 75 % del caudal máximo

R ₅ = 100 % del caudal máximo

En función de los valores detectados con los sensores de CO y humos se establece el estado de contaminación y se actúa sobre la ventilación. El principio de funcionamiento es el siguiente:

• El paso a un régimen inferior se efectúa cuando tanto las concentraciones de CO como las opacidades OP en todos los puntos de control son inferiores a los niveles S ₁ y S´ ₁ respectivamente.
• Se mantiene el régimen actual si los valores de CO y opacidad se mantienen entre los niveles 1 y 2.
• Se pasa a un régimen superior cuando las concentraciones de CO o humos sobrepasen el umbral 2, incrementando en 1 o 2 regimenes si no sobrepasa el umbral 3 o lo sobrepasa, respectivamente.
• Si se alcanzan los niveles superiores S ₄ o S´ ₄ por cualquiera de los motivos se pasa inmediatamente al régimen máximo.
• Para limitar el número de arrancadas por hora de los motores (lo que implica un desgaste excesivo) se suele prever una ampliación del tiempo de sondeo cuando el criterio sea la reducción del régimen, es decir, si los valores obtenidos están por debajo de S ₁ se esperaría a la segunda medida en este sentido para reducir el régimen.

Es necesario además tener en cuenta las posibles averías de los ventiladores si existen sistemas de auxilio en la instalación para este caso.

Supongamos un estado inicial de ventilación con régimen R ₃, es decir, al 50%, en el que las última medidas se han mantenido entre los umbrales S ₁ y S ₂. Un incremento del tráfico en un momento dado haría que una medición diese valores entre los umbrales S ₂ y S ₃ para CO u opacidad. Entonces se ordenaría la subida al régimen R ₄, es decir, al 75%. Si esta medida correctora fuese suficiente se pasaría en la siguiente medida a leer valores entre S ₁ y S ₂ (mantendríamos el 75% o R ₄) o menor que S ₁ (se reduciría el régimen a R ₃). Si por una situación irregular se midiesen valores superiores a S ₄, directamente se pasaría a R ₅, como podría ser el caso de una retención por un accidente, etc.

2.2 Problemática.

Independientemente de la capacidad del sistema de control para gestionar de manera eficiente la ventilación del túnel, ésta, en la práctica, está condicionada por un gran número de factores más relacionados con la instalación de los equipos proyectados.

Por ejemplo, la colocación de los ventiladores en un sistema de ventilación longitudinal tiene gran importancia. Es bastante habitual encontrar ventiladores de chorro encajonados en huecos laterales sin respetar la distancia lateral mínima, o cuando existen varios grupos a lo largo del túnel se colocan unos muy cerca de los otros con lo que se pierde uniformidad en el perfil de velocidades en el túnel, formándose zonas de estancamiento o remolinos en las que la visibilidad se reduce apreciablemente.

En los casos más graves pueden encontrarse fallos en las conexiones eléctricas de los ventiladores, los anclajes de sujeción o la calidad de los materiales inicialmente previstos.

Habituales son también las pérdidas por fugas en los conductos de sistemas semitransversales, que pueden comprometer su rendimiento.

3 Control en régimen de accidente

3.1 Estudios en régimen permanente. Evaluación de soluciones

Una vez que se han establecido todas las características hidráulicas y geométricas del túnel, se ha decidido el tipo de ventilación a emplear y se han dimensionado los equipos de ventilación a instalar es preciso comprobar, mediante modelos en régimen permanente que el sistema es capaz de cumplir los requisitos de ventilación pedidos en todos los escenarios previstos.

La principal dificultad de esta fase es la definición de los escenarios que permitan validar la solución ya que aparecen las peculiaridades del túnel que se está estudiando. Hasta ese momento se han aplicado soluciones generales a geometrías particulares, pero es en esta etapa cuando hay que tener en cuenta todas las peculiaridades del caso en concreto. Es, por tanto, imposible intentar reflejar aquí todos los factores a contemplar aunque a modo de ejemplo se citan los siguientes:

• Geometría del túnel (pendiente, sección transversal, situación de refugios, existencia de galerías de escape)
• Tráfico (sentidos predominantes, semáforos, núcleos urbanos o zonas de congestión, situaciones de mantenimiento)
• Condiciones iniciales (situación de ventilación, efecto émbolo, efecto chimenea, efectos atmosféricos)
• Accidente (posición, gravedad)
• Tiempos de reacción (operario, usuarios, sistema de ventilación, sistemas de detección, cierre del túnel)

Una vez definidos los escenarios es posible comprobar el funcionamiento general de la solución, encontrar los que sean más complejos o desfavorable e incluso descartar la viabilidad de la solución o proponer una nueva.

3.2 Estudios en régimen transitorio. Pautas de actuación

Los estudios en régimen transitorio exigen un mayor esfuerzo computacional y de interpretación por lo que su función principal es la comprobación de los escenarios que a través del estudio en régimen permanente se han revelado como desfavorables. Mediante este tipo de modelos se intenta representar el comportamiento de los usuarios en el incendio partiendo de unas pautas determinadas (tiempo de reacción, velocidad de escape, etc).

Otra de las finalidades que tienen los modelos en régimen transitorio es la determinación de pautas de actuación a seguir por el operario del centro de control en caso de incendio. En este tipo de estudios lo que se busca es agrupar los distintos escenarios en función de un comportamiento sobre el sistema de ventilación de tal forma que el operario, partiendo de la información que disponga sobre la posición del incendio, la situación del sistema de ventilación antes del mismo, el tráfico existente dentro del túnel y algunos parámetros más pueda actuar de forma óptima para minimizar los daños que pueda producir el incendio.

Este tipo de estudios presentan una enorme dificultad por la gran cantidad combinaciones distintas que con las variables de entrada (escenarios a contemplar) y de salida (modos de actuación) se pueden conseguir.

A modo de ejemplo se muestra un esquema de actuación para un túnel bidireccional.

4 ENSAYOS IN SITU

Como ya hemos visto, los modelos numéricos representan una importante herramienta tanto en el proyecto como la construcción de un túnel.

Por otra parte, los ensayos in situ permiten evaluar de una forma más aproximada lo que será el funcionamiento del túnel, permitiendo, además, validar los resultados obtenidos por los modelos numéricos.

Sin embargo, el alto coste que conllevan los ensayos a escala real de un túnel, así como la dificultad de realizarlos para todos los escenarios estudiados mediante los modelos numéricos, hace que ambas herramientas se complementen con el fin de entender el comportamiento del sistema de ventilación de un túnel.

4.1 Ensayos sin humos

La imagen que se suele tener sobre los ensayos en túneles suele corresponderse a lo que se conoce como ensayos de fuego. En realidad, una gran parte de los ensayos realizados en un túnel no son más que verificaciones de todos los sistemas que en él existen.

No sólo es preciso comprobar que cada equipo funciona correctamente sino que el conjunto de las instalaciones del túnel trabajan como se espera. Precisamente este tipo de ensayos suele revelar los defectos de mayor trascendencia. La enorme complejidad de cada uno de los sistemas instalados se refleja en la ardua tarea de compatibilizarlos a todos.

Además, este tipo de ensayos debe realizarse periódicamente para asegurar que las labores de mantenimiento no se centran únicamente en los equipos relacionados con el funcionamiento en servicio del túnel sino con las situaciones de emergencia. No hay que olvidar que los sistemas que sólo intervienen en caso de accidente no se utilizan habitualmente pero cuando se emplean suelen involucrar situaciones de riesgo de gran transcendencia por lo que hay que reducir la posibilidad de fallo.

En los sistemas de ventilación longitudinal es necesario comprobar no sólo la correcta instalación de los equipos, sino que las exigencias de caudal previstas son alcanzadas en las situaciones más extremas.

En los sistemas de ventilación semi o transversal las comprobaciones se multiplican. Es necesario verificar que los caudales de soplado y extracción se cumplen (las fugas por los conductos suelen ser elevadas reduciendo la capacidad del sistema), que las trampillas de extracción de humos se abren o cierran correctamente (de forma local o automática). Y por último que el sistema de control puede gestionar todos los sistemas en tiempo real incluso en caso de situaciones críticas con gran número de fallos en el sistema o de situaciones anómalas. En caso de que exista un sistema de ventilación auxiliar para otras dependencias o locales habrá que verificar la capacidad del sistema.

Hay que tener en cuenta que en este tipo de sistemas existen dispositivos redundantes para situaciones de emergencia adicionales (ventiladores de reserva para averías de otros, sistemas automáticos de respuesta, etc).

4.2 Ensayos con humos

Si los ensayos anteriores deben hacerse de una forma periódica, la dificultad que entraña la realización de ensayos con humos así como la necesidad de interrumpir el tráfico a través del túnel durante un tiempo considerable los hace poco habituales.

4.2.1 Fríos

Los ensayos con humos fríos son empleados habitualmente para verificar la capacidad global de extracción del sistema de ventilación.

Para realizar el ensayo se disponen bandejas con botes de humo frío que mediante un sistema de apertura controlada producen una cantidad predeterminada. Se puede así estudiar el comportamiento de la nube de humos en función de la actuación que se realice sobre el sistema de ventilación.

Sin embargo, la gran desventaja de este tipo de ensayos es que no se refleja el comportamiento real de los humos de un incendio en los que la flotabilidad del gas crea una estratificación sobre el aire limpio si las condiciones de ventilación son favorables. Por ello se realizan ensayos de humos calientes.

4.2.2 Calientes

Si los ensayos de humos fríos son difíciles de realizar e interpretar los de humos calientes requieren una preparación excepcional.

Los objetivos fijados para el ensayo de fuego son los que determinan la dificultad existente y la inversión necesaria. Entre ellos la determinación, para el túnel ensayado, de la capacidad del sistema de ventilación ante la situación de accidente con fuego y la validación de los métodos numéricos empleados.

Sin embargo, una vez que se ha finalizado una construcción de semejante envergadura el ensayo de incendio suele ceñirse a un escenario definido con unas condiciones concretas. Para llevarlo a cabo se protege la estructura frente al fuego, se colocan sensores de temperatura, CO, opacidad y velocidad del aire e incluso cámaras de video para registrar el ensayo y facilitar el posterior análisis de los resultados.

Otro objetivo es la comprobación de los planes de emergencia, la coordinación de los servicios de rescate y la concienciación de las autoridades implicadas en la seguridad del túnel.

A otro nivel se encuentran los ensayos de incendio en túneles cuyo objetivo es fijar recomendaciones de carácter nacional o internacional o estudiar de una forma general el problema. Este tipo de ensayos suelen requerir importantísimas inversiones a nivel internacional.

Los dos ensayos más importantes de este tipo que se han realizado en el mundo corresponden al proyecto EUREKA EU499 realizado en Europa y el proyecto del Memorial Tunnel en los Estados Unidos.

El proyecto EU 499 de investigación de incendios en túneles se llevó a cabo con la colaboración de Alemania, Francia, Austria, Gran Bretaña, Suiza, Suecia, Noruega e Italia entre los años 1990 y 1992 con los siguientes objetivos:

• Estudio del fenómeno local del incendio: evolución espacial y temporal de temperaturas, tasa de combustión, energía liberada e influencia de la ventilación en la evolución del fuego.
• Posibilidades de escape, rescate y extinción: Iluminación de emergencia, funcionamiento de sistemas de detección y alarma, vías de escape, tiempo de evacuación máximo, etc.
• Influencia de la estructura en el fuego: resistencia de los materiales, calentamiento de la estructura, etc.
• Re-utilización de la estructura: daños, posibilidades y tiempos de reparación.
• Validación de métodos numéricos.

Para su elaboración se realizaron ensayos en túneles distintos en Alemania, Filandia y Noruega y en laboratorios de Alemania.

El proyecto de ensayo de ventilación de túneles en caso de fuego del Memorial Tunnel fue llevado a cabo a partir de 1993 en un túnel abandonado en West Virginia. Para el ensayo se realizó una exhaustiva monitorización del túnel, así como la reparación de instalaciones de ventilación preparadas para poder realizar ensayos con fuego con los siguientes sistemas de ventilación:

• Transversal
• Semitransversal
• Transversal con un pozo de extracción
• transversal con trampillas de extracción
• Natural
• Longitudinal con aceleradores de chorro.