ventilaciÓn de tÚneles técnicas para su diseño y operación

1Explotación de Túneles. Seguridad e Instalaciones

VENTILACIÓN DE TÚNELESTécnicas para su

diseño y operación

Juan Manuel Sanz Sacristán


FUNCIONES E IMPORTANCIA DE LA VENTILACIÓN

FUNCIONES• Renovación del aire• Dilución de gases contaminantes y hollines• Control de los humos en caso de incendio

IMPORTANCIA• Asegura unas condiciones ambientales no peligrosas para la

circulación (respiración y visibilidad)• En caso de incendio garantiza las condiciones de evacuación y de

intervención de los equipos de emergencia


¿CUÁNDO ES NECESARIA LA VENTILACIÓN DE UN TÚNEL?

RD 635/2006 establece necesidad de ventilación para todos los túneles de más de 500 m y para los urbanos con longitud entre 200 y 500 m con su correspondiente sistema automático de control. Debe analizarse control de contaminantes en situación normal de tráfico y congestionado, así como el control de calor y humo en caso de incendio.Se establece un incendio tipo de 30 MW y caudal de humos de 120 m³/s.Se restringe la ventilación longitudinal en túneles bidireccionales o con posibilidad de congestión, salvo reducción de distancias de evacuación, gestión de tráfico y extracción intermedias de humos.Para los sistemas de ventilación semitransversal o transversal debe poder controlarse la velocidad longitudinal del aire.Se dispondrán sistemas que eviten la propagación de humo y calor a las salidas de emergencia.


TIPOS DE VENTILACIÓN

• Longitudinal• Longitudinal con extracciones masivas• Semitransversal-pseudotransversal• Transversal• Ventilación con pozos


CONDICIONANTES DEL DISEÑO DE LA VENTILACIÓN

• Longitud del túnel• Sección longitudinal y transversal del túnel• Tráfico unidireccional o bidireccional• Probabilidad de congestión en el interior• Sistema de control y cierre de accesos• Composición de vehículos• Potencia del incendio probable

DIFERENCIA ENTRE TÚNEL URBANO – NO URBANO• ¿Disposición respecto al casco urbano? No determinante• Intensidad de tráfico alta Urbano• Posibilidad de congestión en el interior (establece unos

condicionantes muy exigentes de control de gases y de humo en caso de incendio)


DIMENSIONAMIENTO Y CÁLCULO DE LA VENTILACIÓN

Para cada túnel se deben comprobar los siguientes factores en los distintos casos previsibles:

• Número adecuado de veces que se renueva el aire• Adecuada dilución de gases contaminantes (CO y NO)• Mantenimiento de la visibilidad (dilución de hollines)• Control de los humos de incendio durante la fase de evacuación• Expulsión de los humos para facilitar el trabajo de los bomberos

Lo ideal es los distintos casos estén equilibrados entre sí (sobre todo incendio y CO)


PROCEDIMIENTOS POSIBLES DE CÁLCULO

• Modelos simplificados• Modelos unidimensionales• Simulación por ordenador

Todos ellos requieren verificación del programa y de la exactitud de los resultados.

Se debe comprobar la adecuación del modelo mediante ensayos reales, antes de la puesta en marcha del túnel


FACTORES QUE SE DEBEN INCLUIR EN EL CÁLCULO Y DIMENSIONAMIENTO

• Características y disposición de los ventiladores• Viento o diferencias de presión entre las bocas• Rugosidad de las paredes del túnel• Efecto ascendente del humo• Número y dimensiones de los vehículos que pueden estar en el

interior del túnel• Cálculo y obtención de la velocidad crítica• Pérdidas en conductos, galerías, silenciadores y rejillas• Para el caso de incendio las características del incendio previsible• Para el caso de contaminantes y visibilidad la proporción de los

distintos tipos de vehículos (gasolina, diesel, ligeros, pesados,…) y las velocidades e intensidades medias previsibles


PRECAUCIONES EN EL DIMENSIONAMIENTO DE LA VENTILACIÓN

• Los ventiladores deben estar adecuadamente separados de los paramentos

• Debe establecerse una adecuada separación entre ventiladores• Los ventiladores situados sobre un incendio o muy próximos a él no

deben ponerse en funcionamiento y por tanto no se deben considerar en el cálculo

• En caso de conductos se debe procurar no realizar cambios bruscos en la dirección o sección

• Establecer silenciadores al exterior y al túnel• Las rejillas exteriores tienen limitada las velocidades (influye en el

área)• Procurar no establecer velocidades muy elevadas en conductos

para disminuir pérdidas, ruidos y vibraciones


EVITAR RECIRCULACIÓN DE AIRE

Evitar la recirculación de gases o humos entre tubos (bocas y puntos intermedios)

Siempre que se pueda transformar los túneles bidireccionales en unidireccionales


SISTEMAS DE CONTROL DE LA VENTILACIÓN

• Detectores de CO y NO• Opacímetros• Anemómetros (interiores y exteriores)• Estaciones meteorológicas en las bocas• Sistemas de detección de incendios

Posibilidad de sistemas de detección de incidencias mediante CCTV


AUTOMATISMOS DE CONTROL

El sistema debe automáticamente mantener las siguientes condiciones:

• Número adecuado de renovaciones de aire• Mantenimiento dentro de los parámetros establecidos los niveles

de gases contaminantes y opacidad• En caso de incendio establecer las condiciones más seguras

(función de la localización del incendio, circunstancias del tráfico, …) y establecer un control de la velocidad longitudinal

• Debe evitarse que el control de contaminantes pudiera afectar negativamente en el inicio de un incendio

El operador debe poder actuar sobre el sistema, modificando los diversos parámetros y confirmando las actuaciones que sean críticas


ALGORITMOS DE CONTROL

Es mejor establecer algoritmos de control, que sistemas basados en casos y tablas (simplificar la programación). Algunas posibilidades son:

• En condiciones normales mantener una velocidad de aire en el interior que garantice una adecuada renovación y calidad ambiental y que mejore la respuesta inicial ante un incendio

• En caso de elevarse los valores de CO, NO o opacidad ir encendiendo progresivamente la ventilación (controlando tendencias y concentraciones)

• En caso de incendio establecer el número y sentido de los ventiladores predeterminados y realizar variaciones progresivas para mantener las condiciones deseadas (velocidad longitudinal en cada sección o flujo en los puntos de extracción)Es necesario (y difícil) verificar el adecuado funcionamiento del software


OTRAS ACTUACIONES DEL SISTEMA DE CONTROL RELACIONADAS CON LA

VENTILACIÓN

El sistema de control del túnel debe poder establecer automáticamente algunas actuaciones sobre el resto de sistemas en función de las condiciones ambientales y sobre todo en caso de incendio:

• Cierres parciales o totales de las bocas• Paneles y señales de límite de velocidad o de advertencia• Iluminación y señalización de emergencia• Cierres de compuertas cortafuegos• Establecer ventilaciones de sobrepresión de vías de

evacuación• Mensajes megafonía y radio


EMISIÓN DE GASES CONTAMINANTES

• Las emisiones contaminantes de los vehículos son principalmente CO2, CO, NO y NO2, además de otros subproductos

• Los productos tóxicos son el CO y el NO2, por lo que es importante medir su concentración en el interior del túnel. Normalmente la relación entre NO2 y NO es fija, por lo que se suele medir este último al ser más abundante

• La emisión de estos productos por los vehículos depende de diversos factores: año fabricación, tipo de combustible, tipo de de motor (catalizado o no, inyección,…), vehículo pesado o ligero, velocidad, altura, pendiente,…


TOXICIDAD Y LÍMITES ADMISIBLES DE LOS GASES CONTAMINANTES

• El CO es tóxico debido al bloqueo que produce sobre la hemoglobina y que impide el transporte del oxigeno en la sangre y causa la asfixia (es el causante del 75 % de las muertes por incendio)

• El NO no es directamente tóxico, pero en reacción con el ozono y en función de la humedad y temperatura se forma NO2 que tiene efectos cancerígenos

• La nocividad de cualquiera de estos gases es función de su concentración y tiempo de exposición a dicha atmósfera (en cuanto al CO se admiten 20-30 ppm para una permanencia estable de 8 horas y 100-150 ppm para tiempos inferiores a 30 min., para el NO los límites se establecen en 15 ppm equivalentes a 1,5 ppm de NO2


DESCRIPCIÓN DE UN INCENDIO TIPO• Durante un incendio se produce una reacción química entre el

combustible y el oxigeno del aire que suele desprender calor intenso, luz y humo. Normalmente se manifiesta con incandescencia o llama

• Los subproductos más importantes son: CO, CO2, H2O, NO, SO2, hidrocarburos sin quemar, hollín y cenizas

• Un incendio de un vehículo ligero son unos 5 MW, un camión o autobús unos 30-40 MW y un vehículo de mercancías peligrosas unos 100 MW

• La cantidad de humo que se produce depende de diversos factores (altura de la capa de humo, combustible, adecuada combustión,…) siendo su valor aproximadamente de 30, 80 y 300 m3/s (para los casos del párrafo anterior) y su temperatura oscila entre 300 y 1200 ºC disminuyendo progresivamente al alejarse del incendio debido a radiación, transmisión con las paredes y mezcla de aire frío (fenómeno que provoca un incremento del volumen)

• Hay que aportar aire fresco a la zona de combustión para evitar una mala combustión: mayor cantidad de humo y de gases tóxicos


HUMO EN CASO DE INCENDIO

Se emite mucho humo en caso de incendio

En trenes reducción de materiales inflamables y características de baja emisión de humos y de gases tóxicos (¿en los coches?)


LA MUERTE EN CASO DE INCENDIO

El humo no deja ver e impide la evacuación (facilitar la misma)

Al no poder salir el CO mata

La llama asusta, pero raramente mata


VENTILACIÓN LONGITUDIDAL

Impresiona el incendio

Mata el humo


VENTILACIÓN LONGITUDIDAL

• Se disponen ventiladores axiales (de chorro) en el interior del túnel. El aire se impulsa desde una boca hasta la contraria

Recomendado para túneles de circulación unidireccional no muy largos o bidireccionales cortos

Ventajas: gran ahorro de energía, ya que una parte del tiempo es suficiente con la energía dinámica de los vehículos

Inconvenientes: en caso de congestión es difícil controlar las condiciones de ventilación


TÚNEL CON VENTILACIÓN LONGITUDINAL

Los ventiladores de chorro (reversibles) proporcionan la energía para inducir el movimiento longitudinal del aire


VENTILACIÓN LONGITUDIDAL CON EXTRACCIONES MASIVAS DE HUMO

• Igual que la ventilación longitudinal, pero se sitúan pozos intermedios de ventilación donde, en caso de incendio, se expulsa el humo al exterior

Recomendado para túneles de circulación unidireccional largos

Ventajas: las mismas que la ventilación longitudinal y con posibilidad de realizar túneles de mayor longitud

Inconvenientes: los mismos que en la ventilación longitudinal más la necesidad de situación de pozos de ventilación que raramente se usan


TÚNEL CON VENTILACIÓN LONGITUDINAL CON EXTRACCIONES MASIVAS DE HUMO (EN CASO DE

INCENDIO)

Los ventiladores de chorro (reversibles) proporcionan la energía para inducir el movimiento longitudinal del aire. En caso de incendio el humo se extrae por el pozo más cercano aguas abajo

Pozo de extracción (caso de incendio)


VENTILACIÓN SEMITRANSVERSAL O PSEUDOTRANSVERSAL

• Se disponen conductos con rejillas a lo largo del túnel conectadas con estaciones de ventilación exteriores. En cada tramo de conducto conectado a un ventilador se puede impulsar o extraer aire en función de las necesidades de cada instante

Recomendado para túneles de circulación bidireccional largos o unidireccional con posibilidad de congestión o muy largos

Ventajas: se puede obtener una buena extracción del humo en caso de incendio, manteniendo una adecuada visibilidad

Inconvenientes: encarecimiento por conductos, dificultad de puesta en marcha, elevado gasto energético, dificultad de establecer redundancias y márgenes de seguridad en el sistema


TÚNEL CON VENTILACIÓN SEMITRANSVERSAL

Normalmente el aire se introduce en toda la longitud del túnel y sale por las bocas. En caso de incendio se extrae el humo en la zona correspondiente (máximo 600 m alrededor del foco)


VENTILACIÓN TRANSVERSAL

• Se disponen conductos con rejillas a lo largo del túnel conectadas con estaciones de ventilación exteriores. En cada tramo del túnel se disponen dos conductos conectados a dos ventiladores, uno de ellos impulsa aire por la parte inferior del tubo, mientras que el otro lo extrae por la parte superior

Recomendado para túneles de circulación bidireccional largos o unidireccional con posibilidad de congestión, muy largos o con configuración complicada por múltiples enlaces

Ventajas: permanentemente se pueden obtener unas condiciones ambientales óptimas (tanto en caso de incendio, como por gases contaminantes)

Inconvenientes: encarecimiento por conductos, dificultad de puesta en marcha, elevado gasto energético, dificultad de establecer redundancias y márgenes de seguridad en el sistema


TÚNEL CON VENTILACIÓN TRANSVERSAL

El aire se introduce y extrae de manera uniforme en toda la longitud del túnel por conductos superiores e inferiores


VENTILACIÓN MEDIANTE POZOS SITUADOS A INTERVALOS REGULARES

• Únicamente se disponen, a intervalos regulares, pozos de ventilación que posibilitan la impulsión o extracción de aire desde el exterior. Mediante la reversibilidad de los ventiladores se pueden combinar adecuadamente los pozos que extraen y los que impulsan para realizar un barrido completo del túnel o de los humos en caso de incendio

Usado en túneles ferroviarios urbanos (metros y cercanías)

Ventajas: fácil configuración y funcionamiento. Se suele impulsar en las estaciones (garantizando su ventilación y acondicionamiento) y extraer en los puntos intermedios del túnel

Inconvenientes: dificultad de control para asegurar velocidades en el túnel y de control de humos en determinadas condiciones de incendio


VENTILACIÓN CON POZOS

Se disponen pozos donde se introduce o extrae el aire

Es difícil asegurar el correcto barrido de todas las zonas


co

co

APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA

En túneles unidireccionales la circulación de los vehículos provoca una corriente que sólo es aprovechada en la ventilación longitudinal y dificulta la regulación de las ventilaciones semitransversal y transversal

Para determinadas condiciones puede no requerir apoyo de ventiladores para dilución de gases


VELOCIDAD CRÍTICA

• Velocidad del aire en un túnel a partir de la cual no se produce retroceso del humo en sentido contrario

A velocidades inferiores parte del humo avanza en sentido contrario al deseado

A velocidades mayores no se produce retroceso de la capa de humo, pero si la velocidad es muy alta se producen turbulencias y ocupación completa del tubo por el humo. Velocidades muy altas producen disminución de temperatura, aunque pueden provocar propagación del incendio

En condiciones normales, al impulsar a velocidades bajas el humo se mantiene estratificado en la parte superior del túnel hasta unos 400 m, manteniendo adecuada visibilidad para evacuar (se deben evitar irregularidades, turbulencias, chorros de ventiladores próximos,…)


El humo caliente tiende a subir y a ocupar todo el espacio posible

INCENDIO NORMAL


En condiciones ideales, sin hacer nada, el humo se mezcla con el resto del aire, se enfría y cae. A partir de este punto es imposible la autoevacuación. A continuación el incendio no tiene oxígeno, emite mayor cantidad de CO y humo.

INCENDIO NORMAL


En un buen diseño y ejecución de la ventilación longitudinal se puede conseguir una adecuada estratificación del humo que permita la evacuación hasta 400 m del foco del incendio

ESTRATIFICACIÓN DEL HUMO


EXTRACCIÓN DEL HUMO MEDIANTE CONDUCTOS (SEMI Y TRANSVERSAL)

Según diversos ensayos se debe extraer la capa de humo en tramos de no más de 600 m (ya que si no el humo se enfriaría y caería, no pudiendo extraerlo, en consecuencia, en las correspondientes rejillas superiores)

El sistema se complica enormemente si es necesario disponer conductos de mayores longitudes, ya que es necesario situar todas las rejillas con compuertas motorizadas y un preciso control en función del punto exacto del incendio

El dimensionamiento de los conductos y rejillas debe ser el adecuado para el humo producido por un incendio con la potencia prevista, con un margen adicional para el aire limpio extraído y la posible aportación de los cantones laterales


TUNEL CONGESTIONADO – NO CONGESTIONADO

La posibilidad de congestión de un túnel establece una pequeña diferencia para la ventilación de gases y hollines y una muy grande para las posibilidades de control de humos en caso de incendio

Si no se asegura un correcto control de los humos en caso de incendio se deberán establecer medidas para control de las bocas y evitar la congestión

Para el sistema de control automático de la ventilación se deben establecer los procedimientos más adecuados en función de las condiciones del túnel (dificultad de determinar automáticamente con precisión y fiabilidad la congestión o no de un túnel)


co

TÚNEL CON CONGESTIÓN

cococo co co

co co coco

Dependiendo de distintos parámetros esta condición puede llegar a hacer inviable la ventilación longitudinal e incluso la semitransversal


GRÁFICOS DE CONCENTRACIONES DE GASES CONTAMINANTES PARA LOS DITINTOS TIPOS DE VENTILACÍÓNVENTILACIÓN LONGITUDINAL

POSICIÓN

CO

NC

ENTR

AC

IÓN

G

ASE

S

VENTILACIÓN SEMITRANSVERSAL

POSICIÓN

CO

NC

ENTR

AC

IÓN

G

ASE

S

VENTILACIÓN TRANSVERSAL

POSICIÓN

CO

NC

ENTR

AC

IÓN

G

ASE

S


INCENDIO EN TÚNEL UNIDIRECCIONAL SIN CONGESTIÓN

Se puede extraer el humo o echarlo sin preocupación hacia alante


INCENDIO EN TÚNEL UNIDIRECCIONAL CON CONGESTIÓN

La mejor manera de evacuar el humo es mediante su extracción en conducto superior, cualquier otra actuación debe ser analizada en detalle


INCENDIO EN TÚNEL BIDIRECCINONAL

Este caso es siempre equivalente al caso del túnel congestionado, ya que tras el accidente es de suponer que se pararán vehículos en los dos sentidos, a los dos lados del incendio


ALGUNOS SISTEMAS DE VENTILACIÓN PECULIARES

• En Japón se han dispuesto unas salas de ventilación donde se sitúan unos catalizadores para facilitar el paso de CO a CO2 y establecer una mayor zona de ventilación con menores conexiones con el exterior.

• En la M-30 se han dispuesto sistemas de filtrado electrostáticos en los pozos de extracción del aire y sistemas de filtrado de NO2. Además se ha realizado una configuración final transversal en Bypass y longitudinal con apoyo de pozos en zona de pantallas

• Se pueden disponer rejillas intermedias de conexión con el exterior que mejoren las condiciones de ventilación (configuraciones de falso túnel)


CONSIDERACIONES PRIMORDIALES DE ACTUACIÓN ANTE UN INCENDIO EN UN

TÚNEL• Facilitar y asegurar la evacuación de las personas (pequeñas distancias

entre vías de evacuación, mantenimiento de luz de guiado e iluminación general, señalización de evacuación y emergencia, avisos mediante paneles, megafonía, radio y señales,…)

• Evitar el aumento de la magnitud del siniestro (cierre inmediato de bocas, avisos de parada y evacuación, …)

• Quien no evacue durante los primeros 10 minutos es difícil que pueda conseguirlo.

• La ventilación va encaminada a mantener condiciones razonables de evacuación durante ese tiempo, posteriormente debe facilitar la actuación de los bomberos (liberación de humo del frente más favorable y disminución de la temperatura)

• Importancia en el tiempo de detección y, en menor medida, localización del incendio


OTRAS CONSIDERACIONES PARA CASO DE INCENDIO

• Disposición y características de los equipos de extinción• Planes de emergencia y preparación del personal• Simulacros con todas las partes implicadas• Resistencia al fuego de los distintos elementos• Conveniencia de situar sistemas de apoyo al de detección de

incendios (aumento de opacidad y/o de CO y detección automática de incidentes en CCTV)

• Posibilidad de establecer (fases de estudio) sistemas de extinción automáticos o cortinas cortafuegos y cortahumos


SECUENCIA DE UN INCENDIO

Accidente o incidente

DAI lo detecta o no (en función del tráfico antes del mismo)



Emisión de humo, en función de la ventilación, mejor o peor comportamiento del mismo (procurar ventilación normal homogénea con la de incendio)



La gente involucrada intenta ayudar

Emisión de llama y calor

Si el incendio es pequeño y se dispone de los medios adecuados lo apagarán



En caso de que en un primer intento no se apague el incendio se incrementará y emitirá más humo

La gente próxima inicia la huida

El sistema de detección de incendios da la alarma



El humo se propaga

El Centro de Control inicia la secuencia de incendios



Se activa la ventilación y se “controla” el humo

El resto de personas (lejos del incendio) inician la evacuación, dificultad de visión (alumbrado de guiado y señalización de evacuación)

Llegan los servicios de emergencias



Los servicios de emergencias intentan controlar el incendio

Apoyar a los bomberos en su labor (ventilación, medios de extinción, cobertura de walkies, información y facilidad de accesos)

En caso de dificultad de control conocimiento de la resistencia estructural y consecuencias


PRUEBAS FINALES

• Como en toda obra de instalaciones es fundamental el control de calidad, características y funcionamiento de cada uno de los equipos individualmente y de la instalación en su conjunto

• Se debe verificar el funcionamiento completo del equipo en modo local, remoto, centralizado y automático

• Se deben verificar y calibrar las medidas obtenidas por cada sensor y su representación y consideración en el centro de control

• Se debe verificar la bondad de los cálculos de diseño mediante la verificación en vacío de velocidades y mediante ensayos de humos calientes

• Se debe verificar el adecuado funcionamiento del software de automatización para la distinta casuística establecida

• TODO ELLO ANTES DE ABRIR EL TÚNEL (2-3 MESES MÍNIMO)


POSIBLES MEJORAS


ALGUNOS TÚNELES PROYECTADOS POR EUROESTUDIOS

CARRETERAS• Bypass Norte de la M-30• Eje Aeropuerto (M-12). Túnel más seguro de Europa• Desdoblamiento de Pío XII• Acceso a Santiago de Chile• Arlabán y Zarimutz• M-111FERROCARRILES• Atocha- Nuevos Ministerios• Soterramiento Cercanías y L.A.V. Villafranca del Penedés• Ampliación L7 de Metro de Madrid, Las Musas – San Fernando• Túneles L.A.V. Tramo Buñol – Cheste• Metro de Teherán• Corredor de la Costa del Sol (San Pedro de Alcántara – Estepona)


GRACIAS POR SU ATENCIÓN

JUAN MANUEL SANZ SACRISTÁN

ventilaciÓn de tÚneles técnicas para su diseño y operación

Documents