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En caso de incendio en el interior de un túnel, juega un papel fundamental para la integridad de los usuarios, los sistemas de seguridad con los que éste cuente.

Estos sistemas han experimentado una importante mejora en los últimos años, impulsada por la cada vez más exigente normativa a nivel europeo.

Información de IECA

Artículo de

– Emilio Miguel García García; Asociación Técnica Profesional de Bomberos
– Eduardo Loma-Ossorio Blanch; Asociación Técnica Profesional de Bomberos
– Rafael Rueda Arriete; Director del Área de Levante de IECA
– César Bartolomé Muñoz; Director del Área de Innovación de IECA
– Jesús Díaz Minguela; Director de IECA Tecnología

1. Sistemas de seguridad en túneles
En caso de incendio en el interior de un túnel, juega un papel fundamental para la integridad de los usuarios, los sistemas de seguridad con los que éste cuente. Estos sistemas han experimentado una importante mejora en los últimos años, impulsada por la cada vez más exigente normativa a nivel europeo.

Los sistemas de seguridad aplicados en cada caso van a depender, entre otros, de la geometría del túnel, de su longitud, de la intensidad del tráfico y del tipo de mercancías que vayan a circular por el interior. Éstos se pueden clasificar en sistemas de seguridad pasiva (instalaciones generales) o activa (sistemas de ventilación).

Se consideran sistemas de seguridad pasiva aquéllos integrados en la obra civil, como son los apartaderos, aceras, drenaje y recogida de vertidos, salidas de emergencia y galerías de evacuación, redes de aguas contra incendios, etc. También podemos incluir en éstos, las instalaciones conocidas como tecnológicas, como son los sistemas de detección de humo y CO, los sistemas de detección de incendios por temperatura, los equipos de iluminación de emergencia, semáforos y paneles informativos, los equipos de megafonía y comunicación, los circuitos cerrados de TV, las estaciones SOS de comunicación de emergencias, los equipos de bombeo, etc.

En cuanto a los sistemas de seguridad activa, son aquéllos capaces de extraer los gases y humos que se generan durante un incendio. Dicha extracción debe permitir la visibilidad en la zona baja del túnel, evitando que se alcancen concentraciones peligrosas de gases tóxicos y hollín que impedirían la evacuación y dificultarían la actuación de los equipos de emergencias; el control de las temperaturas de los gases evitando que se dañen las instalaciones; y el confinamiento del incendio evitando su extensión. Existen fundamentalmente cuatro sistemas diferentes de evacuación de humos, que se aplican según las características del túnel y que son: ventilación natural; ventilación longitudinal; ventilación semitransversal; y ventilación transversal. El RD_635/2006 sobre “Requisitos mínimos de seguridad en los túneles de carreteras del Estado”, establece como requisito necesario la ventilación forzada (no natural), para los túneles de más de 500 m en las carreteras de la RGE y para los túneles urbanos de entre 200 y 500 m.

 

2. Desarrollo de los incendios en túneles
El comportamiento de un incendio en interiores es muy diferente al de un incendio al aire libre. Mientras que al exterior, el calor generado por las llamas sube a la atmósfera y no contribuye a la extensión, en un recinto cerrado, dicho calor permanece en el interior calentando los combustibles y acelerando la combustión.

IECA Seguridad en Túneles

Un elemento clave en toda combustión es la presencia de aire que suministre oxígeno al fuego. En un incendio de interior el aporte de aire se puede realizar a través de las aberturas existentes, lo que en muchos casos puede dificultar la alimentación del fuego. Sin embargo, en los túneles con ventilación forzada esto no supone un problema, pudiendo desarrollarse la combustión sin limitación, con potencias de emisión de calor superiores a las que se alcanzarían con ventilación natural. Otro factor que ayuda a aumentar la violencia del fuego es la distribución del combustible en el interior del túnel. Si la materia inflamable está distribuida en una zona amplia y además está expuesta a la radiación de las llamas, arde mucho más rápido.

Así, materiales que al aire libre tendrían una combustión incompleta o lenta, en el interior de una estructura pueden arder completamente y de forma mucho más violenta. No obstante, el factor que representa mayor riesgo para la vida de los ocupantes es el humo que dificulta la visión y produce la asfixia tanto por las partículas, como por los gases tóxicos que contiene.

 

2.1. Características del combustible
Si analizamos los incendios ocurridos en túneles europeos en los últimos años, vemos que todos los que tuvieron consecuencias catastróficas se iniciaron en vehículos pesados. Las mercancías que transportaban dichos vehículos eran cargas normales, no pudiendo ser clasificadas como mercancías peligrosas ni con riesgo elevado.

En la tabla siguiente se muestran algunos de estos incendios ocurridos en Europa la última década, recogiéndose en ella el tipo de mercancías que transportaban los camiones en los que se iniciaron los incendios:

Incendios más importantes en Europa

 

2.2. Evolución del incendio
En cuanto a la evolución del incendio de un vehículo pesado en el interior de un túnel, ésta tiene un comportamiento característico, pudiéndose distinguir tres fases comunes independientes de las dimensiones de la instalación y del tipo de ventilación. La primera es la fase de crecimiento en la que el fuego progresa a partir de un foco inicial extendiéndose por el vehículo de forma ascendente como lo haría en un incendio al exterior. Los gases generados ascienden hasta la parte superior circulando en ambos sentidos y manteniéndose la zona inferior libre de humo y calor por la que puede comenzarse la evacuación. La radiación generada permite acceder hasta el incendio a una persona sin equipamiento especial y realizar la extinción mediante extintores o bocas de incendio equipadas. Las llamas apenas alcanzan la cubierta y la potencia desarrollada está por debajo de 1 MW. El humo o la temperatura son suficientes para activar los detectores de incendio, en caso de existir. Es una fase lenta comparada con las posteriores, pudiendo durar entre 5 y 10 minutos según la ubicación del foco y la combustibilidad de la zona incendiada.

Evolucion incendios en túnelesSi el fuego no se controla en esta primera fase y la disposición del combustible permite que el incendio progrese, se entrará en la fase de crecimiento exponencial. En ella se empieza a producir el “efecto horno” por la radiación de los gases y llamas que se van extendiendo por la parte superior. En esta fase la transmisión de calor por convección deja de ser la predominante para pasar a serlo por radiación. El humo recorre cientos de metros enfriándose y descendiendo conforme se aleja del foco, dificultando la evacuación y el acceso de los bomberos. Las llamas pueden extenderse a su vez decenas de metros a ambos lados de dicho foco y la potencia desarrollada irá aumentando de forma que sobre los 30 MW se alcanza el límite de lo que pueden controlar los equipos de extinción con los medios que se desplazan para una primera intervención. La radiación generada por las llamas únicamente permitirá que los bomberos se acerquen a unos 10 m del incendio y durante un plazo corto de tiempo, por lo que las posibilidades de extinción se reducen. Además, esto puede verse agravado por la cercanía de otros vehículos pesados. El control del humo y del calor por parte de los sistemas de ventilación resulta fundamental en esta etapa para permitir el trabajo de los equipos de extinción, facilitando la evacuación, pero podría ocurrir, si se dan las circunstancias adecuadas para que el incendio siga creciendo, que se alcance la potencia máxima de incendio para la que ha sido diseñada la instalación de extracción de humos, lo que provocaría el colapso de la misma.

La tercera es la fase de desarrollo, la cual se alcanza cuando las potencias superan los 40 MW y los sistemas de ventilación forzada llegan a su límite de extracción de forma que el calor se empieza a acumular y las instalaciones empiezan a colapsar por las altas temperaturas.

Aunque esta fase no es habitual que se produzca, se puede alcanzar por la coincidencia de diferentes factores como la presencia de mercancías altamente inflamables o la proximidad de otros vehículos pesados con mercancías inflamables. En esta fase se produce un aumento de la velocidad de los gases que circulan por la parte superior del túnel, llegando a alcanzar los 4 m/s, de forma que sobrepasarán a los ocupantes que evacúan la zona a pie. La geometría del túnel y los materiales de los que está compuesto juegan un papel fundamental para que el incendio no supere las potencias para las que ha sido diseñado el sistema de ventilación, por ello, es en este punto donde el tipo de pavimento resulta fundamental para la evolución del incendio. El pavimento, sometido a la radiación que emiten los gases y las llamas que circulan por la parte superior del túnel, aumenta de manera importante su temperatura. En el caso de los pavimentos de hormigón, éstos absorberán parte del calor irradiado no contribuyendo ni a la extensión del incendio ni al aporte de gases ni humos. Por el contrario, los pavimentos de mezclas bituminosas tendrán un comportamiento activo en el desarrollo del incendio, pudiendo ser determinantes para que se alcance esta tercera fase en la que el incendio quedará fuera de control con consecuencias catastróficas.

 

3. Comportamiento del pavimento
Si la potencia del incendio supera los 30 MW y el sistema de ventilación es incapaz de absorber los gases generados, las llamas pueden extenderse a ambos lados del vehículo, por la parte superior del túnel, alcanzando varias decenas de metros. Debido a ello, la radiación emitida por las llamas aumentará, alcanzando a nivel del pavimento los 40 kW/m2 y conseguirá en pocos segundos que la temperatura del mismo llegue a los 300°C. A partir de esas temperaturas es cuando los dos tipos de pavimento empiezan a comportarse de maneras muy diferentes.

Comportamiento del PavimentoLos pavimentos de hormigón, debido a su comportamiento no reactivo, únicamente actuarán como acumuladores de calor. En una primera fase el calor hace que se evapore el agua que contiene para posteriormente comenzar un calentamiento superficial que irá penetrando en el material debido a su conductividad térmica. Su buen comportamiento a las altas temperaturas hará que no pierda resistencia ni sufra deterioro que dificulte el tránsito de los equipos de extinción.

Los pavimentos bituminosos, al tener un componente combustible como es el betún, tendrán un comportamiento diferente. Cuando las temperaturas se aproximan a los 300°C, las mezclas bituminosas comienzan a desprender humo y gases, pero no comienzan su ignición hasta que la temperatura no llega a los 485°C.

En ese instante las mezclas empiezan a emitir unas llamas que se mantendrán mientras quede betún por quemar y mientras la radiación sea superior a los 40 kW/m². La combustión del betún, a pesar de representar un aporte de calor pequeño comparado con la combustión del vehículo pesado, representa una fuente de emisión de calor que incide en la zona inferior de dicho vehículo, cambiando la configuración del incendio y acelerándolo. El aporte de calor por la zona inferior facilita que la carga entre en combustión generalizada mucho antes y de forma más violenta produciendo el aumento de potencia observado en las gráficas (ver Gráfico 1).

 

Comportamiento del pavimento en incendios de tuneles

 

La aceleración del incendio producirá un aumento sustancial del humo generado, al que se sumará el aportado por la combustión del pavimento bituminoso. Por ello, a partir de la ignición del pavimento, las condiciones en las cercanías de incendio empeorarán de forma drástica dificultando tanto las tareas de extinción como las de evacuación. Otra consecuencia del aumento de potencia será el peligro de extensión del incendio a otros vehículos cercanos. Cuando la potencia del incendio supera los 50 MW el incendio se puede extender a vehículos pesados que estén a más de 30 m, debido a su mayor altura y cercanía a las llamas y gases que circulen por la bóveda. Ese efecto puede atrapar a los bomberos entre dos fuegos, ya que si tienen que acercarse a menos de 20 m para realizar la proyección de agua, se pueden formar nuevos focos de incendio por detrás de ellos. Por lo tanto, es fundamental, a fin de garantizar la seguridad de los equipos de extinción, evitar el aumento de potencia generado por una combustión baja. En la Figura 3 se muestra el cambio de configuración del incendio, que pasa a tener un perfil bajo debido al calentamiento producido por la combustión del pavimento bituminoso.

Este fenómeno explicaría las dificultades que tuvieron los bomberos en la extinción de los incendios de los túneles del Mont-Blanc, St. Gottard y Tauern, donde las condiciones se hicieron insoportables en un corto espacio de tiempo.

Comportamiento del pavimento en incendios de tuneles

 

Otra consecuencia de una combustión baja es la explosión temprana de las ruedas de los vehículos pesados que, debido a la violencia con la que se produce, representa un riesgo añadido para los bomberos que se encuentren próximos al incendio. Además, por ser las mezclas bituminosas un material termoplástico cuya viscosidad disminuye al crecer su temperatura, con valores de la esta última comprendidos entre los 150ºC y 180ºC se producirá el reblandecimiento del betún asfáltico. Estas temperaturas se alcanzan aproximadamente a los 5 minutos del inicio del incendio y a unos 45 m del foco, distancia superior a la zona de intervención de los bomberos que se estima en 30 m, con los consiguientes problemas de movilidad.

 

4. Condiciones para los equipos de intervención
Los equipos de bomberos tienen un tiempo de respuesta que comienza cuando reciben la comunicación y comprende el desplazamiento hasta el lugar del siniestro y la preparación de las maniobras de actuación para la extinción. La capacidad de extinción dependerá de los efectivos desplazados y de los sistemas de extinción existentes en la instalación. Como el desarrollo del incendio crece y se extienden de forma continuada en sus primeros instantes, es fundamental llegar al lugar del incendio antes de que la potencia de éste sea superior a la capacidad de extinción de los bomberos.

Un vehículo autobomba de primera intervención tiene una capacidad de extinción de 30 a 40 MW siempre que los efectivos se aproximen a una distancia de 10 a 15 metros del incendio. En el caso de que la potencia del incendio se mantenga por debajo de la capacidad de extinción de los bomberos en todo momento, éstos podrán controlarlo independientemente del tiempo de respuesta.

Comportamiento del pavimento en incendios de tuneles

 

Por el contrario, si la potencia del incendio sobrepasa su capacidad de extinción en un momento dado, el tiempo de respuesta está limitado al tiempo en el que la potencia del incendio alcanza su capacidad de extinción. A partir de ese momento, los bomberos no podrán extinguirlo y tendrán que retirarse para ponerse a salvo, dejando que el fuego que evolucione sin control.

Comportamiento del pavimento en incendios de tuneles

 

Mediante las técnicas de simulación informática de incendios es posible modelizar y analizar el comportamiento de un incendio en el interior de un túnel. Esto se puede hacer para distintas geometrías de la sección, así como para las distintas configuraciones de los sistemas de ventilación habituales y para los distintos materiales que se suelen emplear en los revestimientos y pavimentos.

En el estudio realizado, se han analizado dos geometrías de túneles diferentes, una abovedada y la otra de sección rectangular. En el primer caso se consideran las situaciones de túnel sin ventilación y con ventilación longitudinal, y en el segundo caso se han considerado las situaciones de ventilación semitransversal y transversal. En ambos casos, el estudio se centra en una zona de 250 m (125 m a cada lado del foco) que es donde se producen todos los efectos relevantes. Se han ubicado una serie de sensores que registrarán diferentes parámetros, de forma que posteriormente puedan ser analizados.

Entre los elementos de toma de datos utilizados están:

– Planos de lectura de datos y de vectores de velocidad de flujos

– Sensores puntuales de temperatura de gases y superficiales

– Representación gráfica de las llamas y el humo

– Isosuperficies de límite de llamas y humo

– Lecturas superficiales en los elementos sólidos

Los parámetros analizados mediante los anteriores elementos serán:

– Temperaturas

– Concentración de humo

– Visibilidad en metros

– Concentración de gases, CO, CO2 y O2

– Radiación térmica

– Potencia de los incendios a lo largo del tiempo de simulación

El primer factor analizado es la potencia desarrollada por el incendio en cada uno de los escenarios y con los dos tipos de pavimento. De la comparación de las curvas obtenidas se desprende que las potencias resultantes en los incendios con pavimento de mezcla bituminosa son superiores para todas las configuraciones de túnel estudiadas. También se observa que en el caso de disponer un pavimento de hormigón, el crecimiento de la curva de potencia es inferior, por lo que los equipos de salvamento y extinción dispondrán de más tiempo para acceder al lugar del incendio y por lo tanto, de mejores condiciones de trabajo a su llegada.

Esto ocurre en mayor o menor medida con todos los casos de ventilación. En el Gráfico 3 se muestra, de forma genérica, las diferencias observadas.

Si la contribución al incendio del betún fuera únicamente la energía que emite la zona de pavimento que arde se emitirían unos 4 MW, ya que la superficie inflamada en el ensayo es de 100 m² y la potencia que se emite es de unos 40 kW/m². Esa potencia representaría únicamente un 8% de la total emitida por el incendio y no debería de empeorar de forma significativa las condiciones, sin embargo, en algunos casos la evolución del incendio puede cambiar de forma radical.

La energía total emitida será la misma pero la tasa a la que se emite es muy diferente a partir del instante en el que el betún comienza a arder. Este incremento de la potencia es el que explicaría que los bomberos no pudieran controlar los incendios en los túneles del Mont- Blanc y de Tauern, y que muchos pasajeros no tuvieran tiempo de evacuar el túnel. En la Figura 4 se observa la diferencia en la combustión de una carga según el tipo de pavimento, y en la Figura 5 cómo el pavimento de mezcla bituminosa se incendia provocando la aceleración de la combustión en toda la carga.

 

Si el cálculo del aporte de calor y gases de los pavimentos bituminosos se realiza por superficie parece no ser significativo y se podría despreciar, sin embargo, si se contempla todo el escenario, los efectos sobre las condiciones en el interior del túnel tienen un gran impacto. Dos aspectos conviene destacar sobre la contribución del pavimento bituminoso: el primero es el aporte de la combustión de toda la superficie que rodea al vehículo incendiado, que puede llegar a ser de 300 m² y que va a aportar unos 24 MW al comienzo de la combustión y una energía total de 76800 MJ, equivalente a la combustión total de 6 ó 7 automóviles. Esos valores son porcentajes muy significativos respecto al total de la energía emitida por el incendio pudiendo llegar al 30%; el segundo aspecto que contribuirá a empeorar las condiciones es la aceleración de la combustión que se produciría por un aporte de calor desde la parte inferior que contribución calorífica baja.

IECA Figura 6

 

En resumen, del análisis mediante simulación informática de incendios se comprueba que la presencia de un pavimento de mezcla bituminosa aumenta de forma significativa la potencia del incendio, pudiendo concluir que el pavimento de hormigón contribuye de forma importante a mejorar las condiciones de seguridad de los equipos de intervención en caso de incendio en un túnel.

 

5. Condiciones de evacuación
El principal objetivo de los sistemas de ventilación es mantener las condiciones adecuadas durante el tiempo necesario para poder evacuar el túnel de forma segura. Los factores que se deben controlar el máximo tiempo posible serán, entre otros, la concentración de gases tóxicos, la visibilidad, la temperatura y la radiación térmica que provenga de los humos y llamas.

Es posible también emplear la simulación informática para comprobar las condiciones de evacuación en caso de un incendio de un vehículo pesado con una emisión de calor superior a los 40 MW en el interior de un túnel.

Uno de los resultados obtenidos es la de evolución de la masa de humos, que se puede ver en el Gráfico 4 para el caso de ventilación transversal. Se observa un aumento importante de dicha masa a partir del instante que comienza la combustión del pavimento bituminoso. Sin embargo, en el caso de pavimento de hormigón, los resultados se mantienen prácticamente constantes debido a la efectiva extracción del sistema de ventilación.

IECA Figura 6En la Figura 6 se aprecia de forma gráfica el grado de opacidad de los humos a nivel del suelo en el caso de ventilación transversal y a los 400 segundos del inicio del incendio. Como se puede ver, la visibilidad en el recorrido de evacuación es mucho mejor en el caso de un incendio con pavimento de hormigón.

Otros parámetros analizados como la concentración de oxígeno a dos metros de altura, o la temperatura distribuida a lo largo del túnel, nos permiten concluir que los pavimentos de hormigón presentan claras ventajas desde el punto de vista de las condiciones de evacuación en el interior de un túnel, respecto a los pavimentos de mezcla bituminosa.

6. Daños en las instalaciones e infraestructuras
La gravedad de un siniestro se puede valorar también por los daños que éste produce sobre la infraestructura y las instalaciones. Éstos dependen principalmente de las temperaturas que alcancen los gases y de su duración.

Si el sistema de ventilación funciona correctamente y la potencia del incendio no supera a la de diseño, los daños deberían ser de poca importancia. Si por el contrario el fuego supera la potencia de diseño de la instalación, el grado de afección puede ser muy elevado, pudiendo dejar el túnel fuera de servicio durante largos periodos de tiempo (el túnel del Mont- Blanc estuvo cerrado durante 3 años tras el incendio de 1999).

Mediante las técnicas de simulación informática de incendios se pueden determinar las temperaturas en el hormigón de la bóveda. En el Gráfico 5 se muestran los datos obtenidos de dichas temperaturas según el tipo de pavimento, a lo largo de 250 m de galería (con el incendio en el centro), a los 7 minutos del comienzo del mismo. Se aprecia que las temperaturas alcanzadas siempre son inferiores en el caso de pavimento de hormigón.

IECA Gráfico 5

Entre 10 y 20 metros del foco del incendio, se aprecia un salto de temperatura con una elevación de aproximadamente 200°C para el pavimento bituminoso. Este hecho se debe a un cambio en la dinámica del incendio ya comentado. Esta diferencia de temperaturas puede significar que los daños producidos sean importantes. Además, en el Gráfico 5 también se aprecia que la zona afectada por altas temperaturas, en el caso de pavimento de hormigón, es más reducida. Las diferencias en los resultados entre los túneles con los dos tipos de pavimento se han mantenido independientemente del sistema de ventilación utilizada.

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