Sistema de ventilación de los túneles vías expresas de Américo Vespucio Oriente, AVO II

La ‘Concesión Américo Vespucio Oriente, Tramo Av. Príncipe de Gales – Los Presidentes’, conocida como AVO II, es una vía expresa licitada por el Ministerio de Obras Públicas como parte del Plan Maestro de Transporte impulsado por el Gobierno de Chile para el mejoramiento del sistema de transporte urbano de la Región Metropolitana de Santiago.

La concesión AVO II estará formada por dos calzadas expresas con una sección de tres pistas por sentido de circulación que irán soterradas bajo la vialidad existente (Av. Américo Vespucio/Av. Ossa) y la Línea 4 del ferrocarril subterráneo de Santiago, entre sus estaciones Príncipe de Gales y Grecia. El proyecto atraviesa las comunas de La Reina, Ñuñoa, Macul y Peñalolén, conectando por el norte con las vías expresas de la concesión ‘Américo Vespucio Oriente I, Tramo Av. El Salto – Príncipe de Gales’ (AVO I), y por el sur, con las del ‘Sistema Américo Vespucio Sur, Ruta 78 – Av. Grecia’. Su ejecución contempla la construcción y explotación de una vía expresa de alto estándar, con una longitud aproximada de 5,2 kilómetros.

Adicionalmente, la iniciativa considera una completa propuesta de remodelación urbana en superficie, agregando 62 mil m2 de áreas verdes, una ciclovía bidireccional y la consolidación de un corredor de transporte público en el sector.

Esta obra permitirá extender a todo el ‘Anillo Américo Vespucio’ un alto nivel de servicio como vía urbana concesionada, con sistema de cobro free flow y la provisión de dispositivos de seguridad vial, señalización variable, sistema de comunicación y servicios de atención a los usuarios. Ello redundará en una mejora de los problemas de congestión vehicular en horas punta, lo que provoca grandes costos sociales y contaminación ambiental en cuanto a emisión de gases y ruidos. La construcción de las pistas subterráneas no solo contribuirá a mejorar la fluidez del tránsito, sino que además se reducirán las emisiones contaminantes provenientes de los vehículos al reducirse la congestión en superficie.

Entre las distintas disciplinas que intervienen en un proyecto de tal magnitud, el sistema de ventilación tiene un alcance de especial relevancia ya que es el encargado de asegurar unas condiciones óptimas del aire durante la explotación normal del túnel, así como de gestionar los humos en caso de incendio. Estos requerimientos del sistema de ventilación, que son comunes en la mayoría de los túneles de carretera, son especialmente complejos en un proyecto como AVO II por su condición urbana, con ramales de entrada y salida, y la especial complejidad que conlleva la ejecución de piques de ventilación con espacios limitados en la superficie.

El sistema de ventilación proyectado es un sistema mixto, con siete piques de ventilación, que disponen 3 ventiladores axiales 100 % reversibles, junto con ventiladores horizontales tipo jet fan a lo largo de los tramos de túnel.

Cada pique-ducto está dotado de tres ventiladores axiales 100% reversibles de capacidad 180 m3/s cada uno, dos funcionando y uno en Stand By (redundancia). Aunque durante la operación de las vías expresas lo normal es que no estén funcionando los ventiladores axiales asociados a los piques, en caso de necesidad cada ventilador puede actuar como impulsión y como extracción de aire.

Las ventajas que aporta este sistema son:

• Velocidad crítica (prevención del 'backlayering')

El sistema tiene como objetivo principal prevenir el fenómeno denominado como ‘backlayering’, o la propagación de humo contra el sentido del flujo de aire incluso en caso de fallo de determinados ventiladores horizontales tipo jet-fans. Este aspecto es esencial para facilitar el proceso de evacuación y las condiciones para la intervención de los equipos de emergencia, ya que el sistema podrá mantener condiciones de visibilidad y temperatura aceptables en el interior del túnel.

• Ubicación exacta del incendio

Este tipo de sistema no requiere una localización exacta del siniestro para funcionar, siendo el funcionamiento análogo en fase de explotación como en emergencia, por lo que se reducen los tiempos de reacción y la posibilidad de fallos.

• Eficacia de aberturas

El sistema de ventilación de solución mixta evita la implantación de “dampers” distribuidas por el techo de los túneles, es decir, no es necesario que se abran unas determinadas compuertas en unas zonas específicas; el correcto funcionamiento del sistema solo depende del flujo del aire en el interior del túnel.

• Tiempo de activación

El sistema mixto proyectado tarda poco tiempo en alcanzar el régimen óptimo de funcionamiento, no es necesario establecer el flujo correcto ya que el uso en condiciones normales usa el mismo concepto (aunque con una velocidad menor), es decir, no trabaja contra la inercia del flujo establecido por el sistema en condiciones normales.

• Fiabilidad

La probabilidad de fallo en este tipo de sistemas mixtos es baja debido al uso continuo de ventiladores horizontales tipo jet fans, por lo que cualquier equipo que no funcione adecuadamente se detecta de manera inmediata. Además, el sistema se diseña bajo el supuesto de perder una pareja de jet-fans (por el incendio). Es un sistema muy robusto debido a su bajo nivel de complejidad.

• Impacto construcción/ambiental

La solución mixta proyectada evita el uso de ventilación semi-transversal, la cual requiere mayores secciones de túnel y rampas, pudiendo así optimizar las secciones de excavación, a la vez que minimiza las edificaciones en superficie para albergar equipamiento.

Adicionalmente, la potencia energética instalada, así como el consumo eléctrico, es mucho menor al requerido por el sistema inicialmente planteado y conlleva una gran ventaja desde un punto de vista ambiental y constructivo.
 

En el caso particular del Pique 1, en la conexión con la concesión AVO I, el pique destinado a la ventilación del Túnel SN dispondrá de tres ventiladores que funcionarán únicamente en modo extracción, y en el caso del Túnel NS se dispondrá de dos ventiladores que funcionarán únicamente en modo impulsión.

Los ductos de ventilación se han dispuesto preferentemente en áreas verdes. Su altura de 15 metros ayuda a diluir el aire antes de entregarlo y ascender por la acción del ventilador y por el gradiente de temperatura a la atmósfera.

En caso de incendio en las rampas de entrada, se impulsa aire desde el portal de la rampa y extrayendo el humo desde el pique ubicado aguas abajo del flujo.

Todos los ventiladores de los piques tendrán la misma capacidad de 180 m³/s.

En fase de explotación, todo el aire es impulsado en el interior del túnel sin que sea necesario el funcionamiento de los ductos de ventilación:

• Aprovechando el efecto pistón de los vehículos en movimiento en los túneles. 
• A través de ventiladores horizontales tipo jet fans y sus propulsiones (Thrust). 

El aire circula desde de inicio de los túneles vías expresas de la concesión hacia el portal (o desde un pique de ventilación al otro):

• Aire fresco a la entrada del portal (o de un pique de manera excepcional).
• La concentración de gases aumenta con la longitud en el interior del túnel.
• Aire viciado o contaminado sale al otro lado en el portal.
• La velocidad del aire es básicamente constante dentro del túnel.

En caso de emergencia con incendio, los humos son arrastrados por el flujo de aire:

• Desde el origen del incendio hasta el portal de salida (o hasta el pique de ventilación).
• Llenando la sección transversal de humo exclusivamente aguas abajo del incendio.

Vías de evacuación

Complementando al sistema de ventilación mixto, y como parte fundamental de la seguridad de los usuarios, los túneles de las vías expresas cuentan tanto con galerías de conexión entre túneles a interdistancias inferiores a 250 m como de galerías vehiculares cada 1.500 m. Adicionalmente, en el caso de los ramales de entrada y de salida, se disponen de salidas de emergencia peatonales que comunican cada 250 metros con una galería de evacuación que discurre bajo la calzada.

La concesión AVO II se considera una red compleja de túneles, dado que conecta con tramos existentes y dispone de ramales de entrada y salida a lo largo de sus casi 5 kilómetros de longitud, por lo que la metodología de cálculo del sistema de ventilación mixto se basa, en primer lugar, en aplicar los criterios de ventilación PIARC en base a los requerimientos de emisiones de los vehículos y, posteriormente, en la realización de simulaciones 1D, tanto en fase de explotación como de emergencia, considerando en este último caso el peor escenario.

Tabla 1. Resumen de equipos de ventilación.

• Modo de funcionamiento en modo de bajo flujo

En condiciones de bajo flujo, en sentido N-S, el aire es empujado por el efecto pistón y evacuado por el portal sur del Túnel en forma natural. En el sentido S-N el aire también es empujado por el efecto pistón desde el portal sur a la caverna de transición que tiene una doble altura. En su parte superior, los gases son evacuados naturalmente por diferencia de densidades, por el pique (PV1) de extracción en forma “no forzada” debido a la diferencia de alturas y la diferencia de temperatura de los gases. Cuando los niveles comienzan a incrementarse, se pasa activar el funcionamiento en modo normal, el cual se describe a continuación.

• Modo de funcionamiento en modo normal

En modo normal de funcionamiento, en función de los niveles de contaminantes, en primer lugar, funcionarían los jets fans y en caso excepcional de contaminación entrarían en funcionamiento los ventiladores axiales ubicados en los piques, con el siguiente modo de funcionamiento:
•    Pique 0.     Impulsión 180 m³/s Norte-Sur.
                       Extracción 240 m³/s Sur-Norte.
•    Pique 1.     Impulsión 180 m³/s en cada uno de los sentidos.
•    Pique 2     Extracción 180 m³/s en cada uno de los sentidos.
•    Pique 3     Impulsión 180 m³/s en cada uno de los sentidos.
•    Pique 4     Extracción 180 m³/s en cada uno de los sentidos.
•    Pique 5.     Impulsión 180 m³/s en cada uno de los sentidos.

Por tanto, en cada pique estarían funcionando dos ventiladores, regulando los caudales de cada túnel mediante la apertura de los dampers previstos y los variadores de frecuencia de los propios ventiladores, quedando uno de los ventiladores en stand by.

• Modo de funcionamiento en caso de incendio

La primera acción será cerrar al tráfico los dos túneles de las vías expresas, con objeto de facilitar la evacuación de los usuarios y la actuación de los equipos de intervención.

Dos ventiladores del pique de ventilación aguas abajo del foco del incendio realizarán la extracción de los humos provenientes del túnel vía expresa accidentado, quedando otro ventilador en stand-by. Se cerrarán los dampers del túnel vía expresa no accidentado con objeto de concentrar la extracción en el túnel accidentado. 

El pique de ventilación ubicado aguas arriba del incendio, introducirá un caudal de 180 m3/s de aire fresco, mientras que el pique de ventilación de extracción extraerá 360 m³/s.

En el caso de que el pique donde se debe realizar la extracción estuviera en régimen de impulsión, se revertirá el sentido de operación de los ventiladores, ya que todos los ventiladores previstos en el proyecto son 100% reversibles para actuar en caso de incendio.

Adicionalmente, se instalarán jet fans en las rampas de entrada y salida. En el caso de las rampas de entrada, en el caso de detectarse un incendio en el interior de las mismas, el primer paso será realizar el corte del tráfico, tanto en la propia rampa como del túnel vía expresa al que da acceso, con objeto de evitar el acceso de vehículos a zonas con humos, evacuando los vehículos por la rampa de salida ubicada inmediatamente aguas arriba del incendio o a través de las galerías vehiculares de conexión entre ambos túneles vías expresas.

Para los cálculos del sistema de ventilación se han realizado modelizaciones avanzadas 1D, con el fin de analizar las condiciones dentro del túnel. Parte de los resultados obtenidos se han utilizado en los modelos 3D cómo condiciones al contorno (Coupling).

La modelización se ha realizado con el programa computacional SES (Subway Environmental Simulation) que proporciona estimaciones de los flujos de aire, temperaturas y humedad para el diseño de sistemas de ventilación. Se usa tanto para diseñar nuevos sistemas de túneles como para evaluar sistemas existentes. 

El programa permite la simulación de una variedad de parámetros (incluyendo la ventilación de aire forzada, de aire acondicionado en estaciones - metros, etc.), por ejemplo: los flujos de aire en una red determinada de túneles interconectados, estaciones y pasillos subterráneos.

En particular, se pueden simular escenarios de emergencia relacionados con incendios no estacionarios (que cambian con el tiempo), escenarios con congestión y específicamente las operaciones de los ventiladores de emergencia. 

• Resultados en régimen normal de funcionamiento normal

En el caso de régimen normal, la situación más exigente se produce con tráfico lento en el túnel, con los vehículos circulando a una velocidad media de 30 km/h, que es la velocidad que produce la mayor cantidad de contaminantes dentro del túnel y es el peor caso desde un punto de vista de contaminación dentro del túnel. 

Los cálculos realizados en ambos sentidos, muestran como las concentraciones de CO, NOx y de opacidad se mantienen muy por debajo de los límites requeridos en el proyecto con el sistema de ventilación proyectado.
 

Ilustración 12. Concentración de NOx, Opacidad y Caudal (m³/s) en el túnel en sentido N-S.

• Resultados en caso de incendio

En caso de incendio, dos ventiladores realizarán la extracción de los humos provenientes del túnel accidentado, quedando otro ventilador en stand-by. Se analizan todas las posibles ubicaciones del incendio, seleccionando para el dimensionamiento de los equipos las más desfavorables en base a los siguientes criterios:

• Evaluación de incendios en secciones del túnel donde los vehículos descienden. Esta situación maximiza el efecto de la flotabilidad del humo en contra de la dirección de ventilación.
• En secciones con varias rampas.
• Evaluación de incendios cerca de los piques de extracción porque en estas situaciones se minimiza la densidad del humo que se extrae y, como consecuencia, el aire que pasa por la sección del incendio.

Como criterio de aceptación, se adoptan los siguientes parámetros:

Tabla 2. Parámetros utilizados.

Como caso más significativo, se muestra el escenario NS – Rampa Tobalaba Poniente que consiste en un incendio dentro de la rampa de Entrada Tobalaba Poniente, en el que, en caso de incendio, el primer paso será realizar el corte del tráfico, tanto en la propia rampa del túnel vía expresa al que da acceso, como el túnel no accidentado, con objeto de evitar el acceso de vehículos a zonas con humos, evacuando los vehículos por la rampa de salida ubicada inmediatamente aguas arriba del incendio o a través de las galerías vehiculares.

El caso de incendio en la rampa, el pique PV3 deberá proporcionar 360 m³/s (2 ventiladores) en extracción, estando el resto de los piques apagados. En el caso de los jet fans, su configuración está diseñada para alcanzar la velocidad crítica aguas arriba del incendio y limitar el humo dentro de la sección de ventilación de los túneles. Sin embargo, la rampa no tiene suficiente longitud y sección para disponer de los ventiladores necesarios para alcanzar dicha velocidad, por lo que dentro del túnel NS se utilizan para empujar el humo hacia el pozo de extracción PV3.

Los 6 jet fans aguas arriba de la conexión con la Rampa de Entrada Tobalaba se utilizan contra la dirección del tráfico para evitar que el aire / humo empujado aguas abajo de la rampa, según la dirección del tráfico, sea conducido por el túnel NS en lugar de por la rampa.

Mediante el balance fluidodinámico proyectado se garantiza una velocidad en el frente del incendio de 4,2 m/s que es suficiente a vencer el fenómeno de ‘backlayering’, siendo mayor que la velocidad critica necesaria en este tramo especifico (3,0 m/s). Esta velocidad es sensiblemente mayor de la velocidad crítica debido a las necesidades del sistema de proporcionar la velocidad crítica en otros tramos del túnel.

• Comprobación mediante simulación CFD

Complementando los cálculos unidimensionales, es necesario simular con herramientas CFD los escenarios de incendio más significativos para evaluar la capacidad del sistema para prevenir el fenómeno de ‘backlayering’ y ventilar naturalmente a través del pique de ventilación natural correspondiente al final del túnel (tramo al aire).

En la ilustración 15 se muestran, mediante cortes de visibilidad longitudinales, las condiciones de visibilidad a diferentes intervalos de tiempo (mapas de visibilidad a lo largo de la simulación).

La visibilidad permite asimismo estimar el espesor de la capa de humo pues está relacionada con la densidad de partículas contenidas y consecuentemente mostrar el fenómeno de backlayering.

Como se puede apreciar, el sistema de ventilación es capaz de proporcionar un flujo suficiente para contrastar la velocidad crítica y evitar el backlayering.

Ilustración 15. Perfiles longitudinales de Visibilidad a los 30, 60, 180, 240, 360 y 420 segundos.

Referencias

[1] Subway Environment Simulation (SES) - Subway Environmental Simulation Computer Program Version 4.1, Part I and II User’s Manual. NTIS (National Technical Information Service – USA)

[2] NIST Special Publication 1018 - Sixth Edition - Fire Dynamics Simulator - Technical Reference Guide Volume 1-4, Kevin McGrattan, Simo Hostikka, Randall McDermott, Jason Floyd, Craig Weinschenk, Kristopher Overholt - National Institute of Standards and Technology (NIST) en cooperación con el Centro de Investigación Técnica de Finlandia (VTT), 2018.

[3] PIARC Ref. 2012R05EN - Road tunnels: vehicle emissions and air demand for ventilation - PIARC Technical Committee C.4 Road Tunnel Operation – 2012

[4] The 2013 ASHRAE Handbook—Fundamentals

[5] The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 4th Edition, 2010

[6] PD 7974-6:2004, Application of fire safety engineering principles to fire safety design of buildings. Human factors: Life safety strategies - Occupant evacuation, behavior and condition

[7] Enclosure Fire Dynamics, Björn Karlsson and James G Quintiere, 1999.

[8] Principles of Fire Behavior – James G. Quintere, Delmar Publishers – 1998.