El túnel: un sistema complejo

• 1. Complejidad del sistema
• 2. Subgrupo "Obra civil"
• 3. Subgrupo "Ventilación"
• 4. Subgrupo "Equipamientos para la explotación"
• 5. Subgrupo "Seguridad"
• 6. Sintesis

1. Complejidad del sistema

Un túnel constituye un “sistema complejo” siendo el resultado de la interacción de numerosos parámetros. Estos parámetros pueden ser reagrupados en subgrupos, estando representados los más importantes de ellos en el diagrama de debajo (Fig. 1).

Todos estos parámetros son variables e interactivos, dentro de cada subgrupo, y entre los propios subgrupos.

El peso relativo de los parámetros y su carácter más o menos determinante, varía en relación a la naturaleza de cada túnel. Por ejemplo:

• los criterios determinantes y el peso de los parámetros no son iguales para un túnel urbano que para un túnel de montaña;
• los parámetros difieren para túneles cortos o largos, así como para túneles por los que van a pasar vehículos de mercancías peligrosas o no;
• los criterios no son los mismos para un túnel de nueva construcción que para un túnel que va a ser reformado o modernizado para adecuarlo a las nuevas normativas referentes a seguridad.

Nota 1: los enlaces son múltiples y en muchos casos reversibles – El modelo conceptual y la sección útil de túnel se encuentran en el centro del esquema. Es posible construir otros diagramas similares situando otros elementos en el centro del mismo.

Nota 2: el primer círculo representa “los campos técnicos”. Algunos campos representan múltiples aspectos:

• seguridad: normativa- estudios de riesgos- medios de intervención- requisitos de disponibilidad,
• geológicos: geología- geotécnica– dimensionamiento estructural,
• obra civil: métodos – plazos de construcción – riesgos y peligros,
• explotación: explotación y mantenimiento (aspectos técnicos),
• costes: construcción – explotación – mantenimiento ordinario – grandes reparaciones,
• medio ambiente: normativa – diagnóstico- estudio de impacto ambiental – tratamientos y medidas correctoras

Nota 3: el segundo círculo representa el “contexto” en el que se inscribe el proyecto. Algunos elementos representan múltiples aspectos:

• entorno humano: sensibilidad – urbanización – presencia de edificios o infraestructuras,
• medio ambiente: sensibilidad – agua – fauna –flora –calidad del aire –paisaje,
• naturaleza del transporte: tipo y volumen de tráfico – tipología – tipos de mercancías que son transportadas – etc.
• restricciones externas diversas: accesos y limitaciones particulares –condiciones climáticas – avalanchas – estabilidad del terreno – contexto socioeconómico – etc.
• nivel de rentabilidad: aceptabilidad económica – capacidad de financiación - control de los costes financieros – economía general y contexto político en el caso de ser una concesión o una Participación Público Privada.

El proyecto de un túnel nuevo (o la remodelación y actualización de un túnel existente) requiere que todos estos numerosos parámetros sean tenidos en cuenta. El árbol de decisión en relación a estos parámetros es complejo, y requiere la participación de equipos multidisciplinares experimentados. Estos equipos deben intervenir tan pronto como sea posible, por las siguientes razones:

• para hacer posible que todos los parámetros relevantes sean considerados desde el principio del proyecto, evitando numerosos errores descubiertos en proyectos que están en marcha o en túneles recientemente terminados: consideración demasiado tardía de equipamientos de explotación y seguridad – puesta a punto de la supervisión sin incluir los resultados de los análisis de riesgos, del plan de intervención, o de los procedimientos de explotación. Como consecuencia de ello, el túnel y sus sistemas de explotación y supervisión son, de esta manera, inapropiados para la explotación.
• Una intervención temprana contribuye a una mejor optimización del proyecto, tanto desde la perspectiva de seguridad como de los costes de construcción y explotación. Recientes ejemplos indican que optimizaciones transversales (ingeniería civil-ventilación-evacuación) realizadas en etapas tempranas del proyecto pueden contribuir a ahorros en el coste del orden del 20%.

Cada túnel es único por lo que debe ser objeto de un análisis específico adaptado a su contexto particular. Este análisis es indispensable para obtener una respuesta adecuada y para permitir:

• optimizar el proyecto tanto desde el punto de vista técnico como económico;
• reducir el nivel de riesgos técnicos, económicos y ambientales;
• garantizar a los usuarios el nivel de seguridad requerido.

No existen “soluciones mágicas” y casi siempre es inapropiado “copiar” otros túneles.

El proyecto y optimización de un túnel requiere:

• una relación detallada y exhaustiva de todos los parámetros,
• un análisis de la interacción entre parámetros,
• la evaluación del grado de flexibilidad de cada parámetro y, si fuera necesario, de la sensibilidad de cada uno de ellos con respecto a los objetivos requeridos,
• una dilatada experiencia, que es un factor de éxito ya que:
  • una aproximación puramente matemática no es posible debido a que el “sistema” es demasiado complejo y no hay una solución única,
  • en las etapas previas al proyecto aún quedan muchos parámetros indeterminados o variables, aunque ya deben efectuarse elecciones esenciales a este nivel de análisis,
  • debe ser considerada la evaluación de los riesgos, su peso y la probabilidad de que puedan ocurrir,
  • muchos parámetros son interdependientes y muchas interacciones son circulares.

En los siguientes apartados se indican varios ejemplos que hacen posible clarificar la complejidad y la interactividad, así como la iteratividad y carácter “circular” del análisis.

Estos ejemplos no son exhaustivos. Sólo están destinados a la toma de conciencia sobre la problemática y a permitir iniciar las reflexiones específicas propias de cada túnel

2. Subgrupo “Obra civil”

1.1.2.1 Parámetros

La tabla 1 muestra un ejemplo de los principales parámetros que se refieren a los aspectos relacionados con la obra civil:

TABLA 1: Principales parámetros relativos a los trabajos de obra civil

• La primera columna indica los principales conjuntos de parámetros,
• La segunda columna indica los principales subconjuntos de parámetros relativos al conjunto principal,
• La tercera columna relaciona un cierto número de parámetros elementales relativos al subconjunto. Esta relación no es exhaustiva,
• La cuarta columna indica, para cada conjunto, o subconjunto, las principales consecuencias relacionadas con el subconjunto.

2.2 Interacciones entre los parámetros

Las interacciones entre los parámetros son numerosas y frecuentemente están conectadas por enlaces circulares que tienen en cuenta los solapes entre los diferentes parámetros.

El siguiente ejemplo (Tabla 2) indica las interacciones entre la ventilación, la sección transversal y la seguridad:

• La primera columna se refiere a la ventilación. Los parámetros que se relacionan son parámetros elementales que se obtienen de la tabla 1 para el subconjunto "ventilación",
• La segunda columna se refiere a la sección transversal. Los parámetros se obtienen de la Tabla 1,
• La tercera columna se refiere a la seguridad.

tABLA 2: Interacciones entre los parámetros

• Para un túnel excavado, corto o de longitud media, con tráfico unidireccional, el sistema de ventilación más probable será el de tipo "longitudinal". Los ventiladores tipo jet fan situados en la clave suelen tener una afección muy pequeña en las dimensiones de la sección transversal, por lo que ésta puede ser definida con anterioridad al proyecto de ventilación, teniendo en cuenta otros parámetros determinantes. El impacto de la ventilación en la sección transversal puede ser revisado posteriormente,
• Por el contrario, si el túnel es muy largo o la sección transversal es rectangular (túnel artificial), el sistema de ventilación y sus elementos (sección, número y características de los posibles conductos de ventilación, dimensión de los aceleradores si son necesarios etc) tienen un impacto enorme en las dimensiones de la sección transversal. El sistema de ventilación debe predimensionarse al comienzo de los estudios para realizar las estimaciones preliminares de la magnitud de la sección transversal. A continuación se comprobará la forma de ésta.

Por tanto, el proceso de resolución es iterativo y se basa en un primer conjunto de suposiciones, que requiere de una gran experiencia multidisciplinar de los ingenieros, haciendo posible que se tengan en cuenta todos los elementos relevantes del proyecto, para enfocar mejor las sucesivas iteraciones y garantizar su mejor optimización, con los adecuados niveles de servicio y seguridad.

3. Subgrupo “Ventilación”

La tabla 3 presenta un ejemplo de los principales parámetros relacionados con la ventilación, no siendo exhaustivo.

Tal y como ocurre con la "obra civil", las interacciones entre los parámetros son numerosas, estando también sujetas a relaciones circulares.

La forma de resolver los problemas es similar a la indicada para la “obra civil”.

TABLA 3: Principales parámetros que influyen en la ventilación

4. Subgrupo “Equipamientos para la explotación”

Los "equipamientos para la explotación" no constituyen parámetros fundamentales para la definición de una sección funcional, con la excepción de:

• espacios y canalizaciones para el paso de cables, tuberías de suministro de agua para el sistema contraincendios y conducciones asociadas.
• la señalización, direccional y de información, de seguridad y para instrucciones de la policía. La señalización puede tener en ocasiones (por ejemplo en un túnel artificial) un importante impacto en la geometría (altura entre calzada y clave con una posible afección al perfil longitudinal y a la longitud de la obra), que puede obligar a llevar a cabo una optimización in situ y/o la revisión del proyecto de los ramales situados en el exterior.

Los "equipamientos para la explotación" constituyen por el contrario parámetros para el dimensionamiento de los edificios técnicos en las bocas del túnel, de las subestaciones, principalmente las subterráneas, del conjunto de locales técnicos y eléctricos subterráneos y de los diversos nichos. Todos ellos frecuentemente requieren condiciones particulares en cuanto a temperatura y calidad del aire.

También son parámetros importantes en relación con el coste de construcción, de explotación y de mantenimiento.

Los “equipamientos para la explotación" constituyen parámetros esenciales en relación con la seguridad del túnel. Debe ser proyectado, construido y mantenido con este objetivo:

• disponibilidad y fiabilidad, en particular para el suministro eléctrico, su distribución, y también para las redes de comunicaciones,
• protección contra el fuego de los equipamientos y de los recorridos de los cables de alimentación y trasmisión,
• robustez del equipo y de sus componentes con el fin de garantizar su vida útil, fiabilidad y optimización del coste: explotación y mantenimiento,
• facilitar las operaciones de mantenimiento, su bajo impacto sobre las condiciones de circulación, así como la seguridad de los equipos de mantenimiento y usuarios, lo que requiere medidas especiales en el diseño y accesibilidad a estos equipamientos,
• integración de los procedimientos de explotación y el plan de emergencias en el diseño del sistema de supervisión, la ergonomía de las interfaces hombre/máquina, la asistencia al operador, sobre todo en caso de crisis.

5. Subgrupo “Seguridad”

5.1. ASPECTOS RELATIVOS A LA “Seguridad”

Las estadísticas disponibles en muchos países muestran, con bastante generalidad, que la tasa de incidentes en los túneles es significativamente más baja que en las carreteras a cielo abierto.

Después de los desastres, la mayor parte de los incidentes en túneles registrados y documentados, son debidos principalmente a las siguientes causas:

• Mal diseño de la geometría: trazado en planta (demasiado sometido a corrientes de aire o de bajas características geométricas), perfil longitudinal (pendientes elevadas) y mala coordinación entre ambos,
• Distancias de visibilidad demasiado cortas,
• El factor humano, una velocidad excesiva y no respetar la prioridad en las salidas o espacios comunes, etc
• Un nivel insuficiente de iluminación y una mala identificación de los bordillos y por tanto de la anchura de la calzada,
• Para túneles en ramales de enlaces en el interior o conexiones:
  • un mal diseño de la geometría de las salidas y de los espacios comunes, insuficiente visibilidad y legibilidad-pequeñas dimensiones de las salidas y especificaciones,
  • un mal diseño de las salidas y entradas: señalización insuficiente, o mal colocada, o ilegible,
  • colisiones por alcance en embotellamientos principalmente en las proximidades de los ramales de salida: debido a la ausencia de visibilidad - mala identificación de la presencia de las colas – información insuficiente – mala gestión del tráfico por parte del operador – coordinación insuficiente entre el operador del túnel y el de la carretera a cielo abierto,
• En túneles bidireccionales, las colisiones frontales suponen un riesgo adicional,
• En túneles en áreas de montaña hay riesgos adicionales debido a la formación de estalactitas de hielo en la bóveda o en los hastiales y de estalagmitas en el pavimento.

La Seguridad se divide en:

• Medidas preventivas: son aquellas que día a día permiten la reducción de las causas de incidentes en el túnel que se han mencionado anteriormente. Estas causas y el resultado de las medidas preventivas raramente se analizan en el “análisis de riesgo y peligros”,
• Medidas curativas: son aquellas indispensables cuando se produce un incidente, desastre o incendio (salidas de emergencia, ventilación de emergencia, organización y accesos de los quipos de emergencia, etc). Estas medidas son necesarias y esenciales para garantizar la seguridad de los usuarios ante un incidente o incendio pero contribuyen poco en la mejora día a día de la seguridad en el túnel.

Nota: Se dispone de información adicional sobre incidentes en túneles en los siguientes enlaces:

• 2016 R19ES: Redes Complejas Subterráneas de Carreteras (§ 4.4.2 incidentes en túneles - § 4.4.3 incendios)
• 2016 R35ES: Experiencias de incidentes significativos en túneles de carretera (Capítulo 3 incidentes en túneles – Capítulo 4 incendios)

5.2. CONCEPTO "SEGURIDAD"

Las condiciones que afectan a la seguridad de un túnel son consecuencia de numerosos factores, tal y como se ha indicado en el libro Seguridad de este Manual. Para garantizar la seguridad es necesario tener en cuenta todos los aspectos del sistema constituidos por la propia infraestructura, así como por la explotación y la intervención, los vehículos y los usuarios (Fig. 2).

La infraestructura es un elemento esencial para la seguridad del túnel (medidas preventivas y curativas) así como su coste. Sin embargo, se puede invertir mucho en ella y no haber conseguido las condiciones de seguridad si no se han previsto paralelamente asuntos esenciales referentes a:

• la organización, los medios humanos y materiales y los procedimientos de explotación y de intervención,
• la formación y el entrenamiento del personal de explotación,
• el equipamiento de los servicios de emergencia, con material adecuado y la formación de su personal,
• la comunicación con los usuarios.

5.3. ¿Cómo pueden afectar estos parámetros al proyecto del túnel?

Los parámetros relativos a la seguridad pueden afectar en mayor o menor medida al proyecto del túnel. Las siguientes tablas dan algunos ejemplos.

Nota: Los cuatro cuadros siguientes hacen referencia a los cuatro ámbitos principales representados sobre la figura 2.

• la primera columna indica los principales parámetros que son afectados,
• la segunda columna indica el grado de influencia sobre el proyecto del túnel (ingeniería civil - ventilación – explotación y equipamiento de seguridad):
  • Verde     : ningún impacto 
  • Amarillo  : impacto medio,
  • Rojo        : impacto de gran importancia.
• la tercera columna especifica las principales razones o causas de influencia

6. SÍntesis

Un túnel es un “sistema complejo” lo que implica que:

• enfocar el proyecto de un túnel únicamente desde el punto de vista del trazado, la geología o la obra civil, conlleva a serias deficiencias, que podrían hacer que el túnel fuera menos seguro (posiblemente incluso peligroso) y dificultarían la explotación (quizás incluso sería imposible operar en condiciones razonables),
• así mismo, enfocar el proyecto de un túnel únicamente desde el punto de vista de los equipamientos de explotación sin incluir un análisis previo de los problemas de seguridad, intervención y explotación, conduce a deficiencias que aparecerán rápidamente tan pronto como el túnel se ponga en servicio,
• no considerar desde las etapas preliminares del proyecto, todos los objetivos y restricciones relativas a la explotación y al mantenimiento, derivará inevitablemente a incrementar los costes de explotación y reducir la fiabilidad en general.

Desafortunadamente todavía es bastante frecuente un tratamiento parcial de los problemas, debido a la falta de “cultura del túnel” de varios de los intervinientes en el proyecto.

El control de este sistema complejo es difícil, pero esencial para:

• encontrar las soluciones más apropiadas a cada problema,
• asegurar que los usuarios tengan un nivel mínimo de seguridad y ofrecerles un servicio, calidad y confort adecuados.

De forma similar el control de este sistema complejo contribuye muy frecuentemente a la optimización técnica y económica del proyecto, mediante la definición precisa y temprana de las funciones a realizar, empleando un procedimiento ingenieril.

Desde el inicio del proyecto, los principales aspectos que deben tenerse en cuenta son:

• el trazado en planta y el perfil longitudinal, la geología, y los procedimientos de construcción
• la ventilación,
• la seguridad (mediante un análisis de riesgo preliminar y un plan de emergencias preliminar),
• las condiciones de explotación y de mantenimiento,

con lo que se conseguirá un enfoque adecuado para resolver esta compleja ecuación.

Los conceptos de “funcionalidad del túnel” y de “análisis preliminar de riesgos y de peligros” frecuentemente son tratados con negligencia y superficialidad. Sin embargo son una “herramienta” esencial e indispensable para la optimización técnica, económica y de la seguridad de un túnel.

El “análisis preliminar de riesgos y de peligros” no debería de limitarse a las medidas constructivas y de explotación para minimizar los riesgos de un incendio en un túnel, sino que también debería de tener en cuenta (aunque rara vez es así), día a día, las condiciones de seguridad para reducir la probabilidad de incidentes y su gravedad. Esto implica un análisis del trazado en planta y alzado, de la geometría de los ramales de las conexiones subterráneas, de la visibilidad y de la probabilidad de congestión del tráfico. Este análisis debe de hacerse en el momento de la redacción del proyecto de trazado ya que entonces pueden mejorarse las características en aras de reducir el riesgo de accidentes.