El túnel base de San Gotardo: Introducción y antecedentes

El túnel base de San Gotardo: Los pozos de Sedrun, Superestructura y Conclusiones (6 de 6)

PARTE 6, Especial “Túnel de San Gotardo” perteneciente a la Revista Obras Urbanas número 57. El artículo se irá publicando en la web en diferentes fragmentos.
Publicaciones anteriores:
El túnel base de San Gotardo: Introducción y antecedentes
“El túnel base de San Gotardo: Solución proyectada
“El túnel base de San Gotardo: Encuadre Geológico-Geotécnico
“El túnel base de San Gotardo: Estrategia constructiva
“El túnel base de San Gotardo: Sostenimientos y revestimientos
Erik von Munthe auf Morgenstierne; Ingeniero de Minas M.A.T.S.A.
Pedro Caro Perdigón; Doctor Ingeniero.
Héctor Vélez Pérez; Ingeniero de Minas. GINPROSA INGENIERÍA.

Los pozos de Sedrun

Merece un especial apartado este hito, en el sector Sedrun, puesto que desde dicho acceso se alimentaron hasta cuatro frentes para la excavación de 8.100 m mediante métodos convencionales, el equivalente en longitud a los túneles de alta velocidad Española que se están desarrollando en estos momentos en los tramos entre Zamora y Orense, como por ejemplo La Canda, El Corno (el más largo realizado con NATM en España), Padornelo, etc.

Esto nos lleva a pensar en el gran reto que se ha superado, las dimensiones del mismo y en especial al sistema de logística que se llevó a cabo.

El sector Sedrun y de acuerdo a la estrategia constructiva planteada se planificó un ataque intermedio. Para la realización del mismo se diseñó una galería de acceso de 909 m de longitud acabada en fondo de saco y desde la cual se debía perforar un pozo de 8,5 m de diámetro hasta una profundidad de 850 m. A dicha cota inferior se construiría una estación de transferencia desde la cual partirían los cuatro frentes de ataque para la ejecución de los tubos pincipales. Estos frentes de ataque (Fotografía 9.a), dos irían dirigidos hacia Faido, al sur, y otros dos hacia Amsteg al norte al encuentro de las tuneladoras Sissi -Heidi y Gabi I – Gabi II, respectivamente.

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Fotografía 9.a: Sectorización de frentes de ataque desde el sector Sedrun. Lombardi

Además desde dicha estación de transferencia o caverna de ataque se realizarían los trabajos para la primera estación multifuncional y los dos by-passes entre el tubo este y oeste.

Los estudios geológicos geotécnicos indicaron que en dicha zona era imposible la utilización de máquinas tuneladoras, por lo que se decidió a realizarlo mediante métodos convencionales.

Una vez realizado el primer pozo, y ante el gran reto logístico que suponía a través del mismo garantizar el suministro de materiales, evacuación de escombro, de personal en caso de emergencia y de ventilación, la sección del mismo se vio insuficiente, por lo que se decidió la construcción de un segundo pozo.

Este segundo pozo, del mismo diámetro, tendría una profundidad de 820 m y en el cual se instaló todo el sistema de ventilación y acondicionamiento de la atmósfera en fase de explotación, dedicado íntegramente a la ventilación del túnel de base. El pozo I en la fase de explotación tendría la misión de dar suministro de todas las instalaciones necesarias al túnel de base.

La construcción del primero de estos pozos se realizó mediante perforación y voladura convencional de pozos verticales, es decir mediante una plataforma suspendida sobre la cual se van realizando todas las operaciones de excavación y revestimiento convencional. Primeramente se realizaban trabajos de perforación para establecer un plan de tiro y se completaba con el suministro y colocación de explosivo. Una vez realizada la voladura, se procedía a la ventilación e instalación del sostenimiento. Este sostenimiento se completó a base de una combinación de bulones, cerchas metálicas y hormigón proyectado.

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Figura 9.a: Implantación y panorámicas de pozo 1 de Sedrun. AlpTransit

La construcción del segundo pozo se llevó a cabo mediante la realización de un taladro piloto y posterior ensanchamiento mediante un equipo de raise-boring. La chimenea creada sirvió posteriormente como cuele para la evacuación del escombro que una máquina  vertical de perforación V-Mole Head que se encargó de ensancharlo. En la Figura 9.c se muestran distintos aspectos de lo comentado.

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Figura 9.b: Distintas fases del pozo 2 de Sedrun. AlpTransit

Hay que hacer notar que todo el escombro generado en la construcción del pozo II se iba evacuando por el pozo I y a su vez éste seguía suministrado los frentes del sector que se estaban ejecutando mediante métodos convencionales en el túnel principal. En la Figura 9.d se muestran unas panorámicas de las zonas de llegada del final de los pozos a la caverna de entronque con los tubos del túnel de base.

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Fotografía 9.b: Llegada de pozos de acceso a caverna. AlpTransit

Superestructura, seguridad y sistemas

Introducción

Un nivel alto de seguridad es una importante demanda para la operación de un túnel ferroviario, así como una exigencia económica que debe ir contemplada en el Presupuesto. Para planificar y realizar operaciones seguras en el túnel base el concepto de seguridad tiene que ser un instrumento interno inherente a la planificación continua de las operaciones en el túnel. Además, la optimización de las medidas de seguridad debería siempre estar presente en la “mentalidad y filosofía” de las operaciones realizadas en los túneles para así facilitar el control por las autoridades competentes en caso de una emergencia.

El análisis del concepto de seguridad en el túnel base de San Gotardo demuestra que, con simples y efectivas medidas, un alto nivel de seguridad se puede alcanzar satisfaciendo los requerimientos.

Los incendios en túneles ferroviarios son eventos poco comunes, en Suiza existen más de 500 túneles en la ruta trasalpina, con una longitud total de aproximadamente 400 km y tras décadas de túneles ferroviarios en funcionamiento no existen apenas informes de incendios acontecidos. Para la opinión pública esto significa que los túneles ferroviarios son seguros, sin embargo, las trágicas consecuencias de túneles carreteros de Mont Blanc y San Gotardo, así como Kaprun, han hecho que la opinión pública muestre una especial sensibilidad hacia la seguridad en los túneles por lo que inversores y direcciones de obra han destacado el hacer esfuerzos razonables para incrementar la seguridad de los túneles cada vez más.

Las siguientes tres afirmaciones se deberían tener en cuenta en el estudio de la seguridad del túnel:

  1. Cada parte del equipo requiere un mantenimiento e inevitablemente fallará algún día. A los ingenieros les gusta construir cada vez sistemas más complejos, sin embargo, no son conscientes de que la elevada acumulación de subsistemas y de datos debilita el objetivo último de respuesta de actuación rápida en caso de una emergencia.
  2. Algo que nunca se ha utilizado no funcionarán el día que tiene que hacerlo. Muchos ejemplos de accidentes pasados muestran que los sistemas de emergencia fallan en el momento que se usan por primera vez, bajo condiciones reales o extremas.
  3. Los equipos que son difíciles de acceder son difíciles de mantener. La dificultad de acceso implica altos costes de mantenimiento.

Considerando la inherente complejidad del sistema de un túnel y las extremas condiciones climáticas y de operación, considerando también que sistemas sencillos son menos propensos al fallo que los más complejos, los objetivos disponibles sólo pueden ser alcanzados limitando la complejidad de los equipos. A la vez, la seguridad sólo se alcanza por el uso de procesos y sistemas que pueden mantenerse bajo control en todas las circunstancias. Cuando ocurren situaciones inesperadas la experiencia de accidentes pasados han demostrado que los sistemas más complejos no funcionan.

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Fotografía 10.1.a: Panorámica de instalaciones en estación multifuncional y by-pass ( Amberg)

A continuación, se indican las principales directrices de seguridad en el Túnel Base en la implantación de equipos electromecánicos de seguridad:

  1. Sistema implantado en el exterior del túnel: Fácil acceso para el mantenimiento de las condiciones climáticas y problemas o averías. Subestaciones eléctricas.
  2. En las estaciones multifuncionales de Sedrun y Faido: Acceso directo y ventilación desde el exterior, así como el control de las condiciones climáticas. Las áreas utilizadas para logística en la construcción del túnel son reutilizadas. Enlaces y distribución de energía eléctrica.
  3. Las galerías de conexión están físicamente aisladas de los túneles principales para permitir la evacuación de un túnel a su paralelo. Repetidores para la red de datos y distribuidores de bajo voltaje.
  4. En los túneles principales sólo los equipos estrictamente necesarios para las operaciones de los trenes y de control de la seguridad. Catenaria, vías, cableado para distribución de energía y transmisión de datos.

Vía en placa

La vía tiene principales ventajas de fiabilidad y bajos costes de mantenimiento, a pesar del mayor coste de ejecución en el proceso constructivo, a largo plazo la inversión resulta muy favorable. La vía en placa conlleva reducir los puntos de cruce al mínimo, quedando éstos localizados en las proximidades de las estaciones multifuncionales necesarios para flexibilizar las operaciones, esta reducción implica un menor volumen de mantenimiento y de fallo y reduce los riesgos de descarrilamiento.

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Fotografía 10.1.b: Panorámica de montaje de vía en placa y soldadura de carriles ( Amberg)

Estación eléctrica para trenes y equipos electromecánicos

Todos los sistemas eléctricos están fabricados con módulos estandarizados para facilitar su instalación, para reducir la complejidad de mantenimiento al máximo y permitir los principios de la operatividad.   Para asegurar que todos los requerimientos son adecuados y que la estructura del sistema de generación eléctrica es apropiada una muy buena coordinación entre las diferentes partes del proyecto se debe producir, especialmente entre suministradores y usuarios de energía eléctrica durante la fase de diseño de los sistemas.

Existen dos sistemas eléctricos que deben ser implantados:

  • El sistema de energía eléctrica para la tracción de los trenes en el túnel se compone principalmente de subestaciones, cableado, interruptores y catenaria cuyas propiedades están fundamentalmente determinadas por el perfil físico de la línea (pendientes, rugosidad y aerodinámica) y por el concepto de operación (número, peso y velocidad de los trenes). Vale la pena resaltar que existe una incompatibilidad en las frecuencias de sistema de tracción de trenes (16 2/3 Hz) y la red eléctrica pública (50 Hz) del resto de equipación eléctrica.
  • La frecuencia de 50 Hz se utiliza para la mayoría de las partes del equipo técnico (señalización, telecomunicaciones, iluminación, etc). Para mayor seguridad y fiabilidad esta red eléctrica redundante se conecta en los emboquilles y en los accesos intermedios.
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Figura 10.3.a: Distribución eléctrica en frecuencias distintas. N. Steinmann & P. Fabre Alp Transit

Señalización y comunicación

Se resume en la siguiente Figura 10.4.a. Un sistema de cableado asegura un control continuo de la posición y velocidad de cada tren. Este sistema de seguridad reduce el riesgo de excesiva velocidad y colisiones en varios órdenes de magnitud comparado al normal sistema ferroviario.

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Figura 10.4.a: Señalización y Telecomunicación. N. Steinmann & P. Fabre Alp Transit

Los trenes y el centro de control mantienen permanente comunicación. Este enlace es principalmente utilizado para transmisión de datos del sistema de señalización y de la red pública GSM (comunicación por telefonía móvil). En caso de emergencia el acceso prioritario de emergencia sería comunicado a los equipos de rescate.

Un centro de control de tráfico altamente automatizado en el que toda la información relevante de la operación y seguridad del túnel se centraliza.

Dispositivos de comprobación de trenes tales como detectores de calor en los frenos situados a varios kilómetros de la entrada a los túneles con lo que se asegurará que sólo trenes en buenas condiciones entran a los túneles.

Mantenimiento

Una nueva generación de conceptos de mantenimiento se implementará en el sistema de alta velocidad ferroviaria, y especialmente en los túneles. La principal característica es que el servicio comercial se para completamente durante las fases de mantenimiento (serán por la noche) para liberar las vías para el trabajo. Un adecuado horario debe cumplirse en estas restricciones temporales.

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Figura 10.5.a. By-pass en la circulación de trenes para las tareas de mantenimiento N. Steinmann & P. Fabre Alp Transit

Sistema de ventilación

Ventilación de las estaciones multifunción MFS

Las dos MFS suponen las mejores zonas seguras del Túnel Base de San Gotardo. En caso de incendio, los trenes de pasajeros pararán allí para escapar hacia el tubo paralelo, desde donde ellos serían evacuados por un tren de intervención.

Como localización diseñada para la parada de trenes en caso de incendio, las MFS están equipadas con medidas de seguridad respecto al sistema de ventilación:

  • Inyección de aire limpio hacia las salidas de emergencia: Caudal de 120 m3/s
  • Extracción de humo desde la estación de emergencia: Caudal de 250 m3/s
  • Detectores de humo
  • Inyección de aire hacia la segunda MFS para presurización de 200 m3/s

En caso de operación normal y mantenimiento, no de emergencia, se requieren 150 m3/s para enfriar el tubo y en caso de mantenimiento con trabajadores se puede alcanzar un caudal de 420 m3/s por MFS.

La maquinaria de ventilación emplazada en cada MFS tiene los siguientes datos:

  • 4 ventiladores de impulsión de aire fresco de 1,50 MW por unidad y alimentados por 3,3 kV.
  • 4 ventiladores de extracción de 2,4 MW por unidad y alimentados por 3,3 kV.
  • Diámetros de los ventiladores de 2,8 metros y diámetro exterior de 3,5 metros
  • Caudales Ratio pico por unidad: 270 m3/s
  • Diferencia pico de presión: 6.400 Pa

Un Sistema de detección de incendio en las estaciones permite localizar el fuego y basado en su localización se lleva a cabo la extracción de humo donde sea necesario. El sistema de detección de incendio consiste en un cable lineal de detección (4 cables por MFS localizados en la parte superior e inferior de la sección de túnel), cámaras térmicas (14 cámaras por MFS) y detectores de humos.

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Figura 10.6.1.a Operación normal de ventilación en las galerías de conexión. Fuente: Ventilation and safety of long and Deep tunnels. (Marco Bettelini & Samuel Rigert. Amberg).

Ventilación de los túneles principales

Los dos tubos se ventilan independientemente, las galerías de conexión permanecen cerradas durante la operación normal mediante puertas estancas de seguridad. La máxima temperatura permitida en los túneles es de 40ºC y puede ser excedida en verano a causa del efecto combinado de altas temperaturas externas y de la transferencia de calor de la roca (con temperaturas de hasta 45ºC dependiendo de la localización y la cobertera), así como el calor disipado por los trenes. En este caso el MFS localizado más cercano del punto donde la temperatura se ha excedido se pone en funcionamiento el modo de extracción de 150 m3/s de aire del túnel e inyección de 150 m3/s de aire fresco. Esta actuación proporciona un efectivo enfriamiento bajo todas las condiciones esperadas y un control directo de las condiciones de caudal de aire en todas las condiciones de operación.

Existen seis unidades de ventiladores jet- fans (aceleradores booster, cada uno de 40kW) que se instalarán en las proximidades de cada uno de los cuatro emboquilles. En caso de un incendio, y que el tren se detuviera en cualquier localización del túnel, ambas MFS y los jet-fans se utilizarían para la presurización del túnel paralelo, que sería la ruta de evacuación en caso de emergencia.

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Figura 10.6.2.a Seis booster localizados en las proximidades de cada emboquille. Fuente: The Gotthard base tunnel. Fire/ Life Safety System. Davide Fabbri.

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Fotografía 10.6.2.a Instalación de ventiladores en MFS y en el portal. Fuente. AlpTransit

Ventilación en las galerías de conexión

Las galerías de conexión juegan un importantísimo papel en caso de una emergencia por ser vías de evacuación para acceder al tubo paralelo. Además de esto, las galerías contienen una equipación que es esencial para la seguridad del túnel. La temperatura permitida en las galerías no puede exceder de los 40ºC, y siempre que sea posible no excederá de los 35ºC. Esto se consigue mediante el sistema de ventilación presentado en la Figura 10.6.3.a. El aire frío se lleva del túnel que está a menor temperatura y se introduce en la galería de conexión. En caso de incendio todas las galerías de conexión serían ventiladas desde el tubo de evacuación (el tubo limpio) para prevenir aspiración de humo tóxico y/o fallos en la equipación de la galería en el momento de la extinción y lucha contra el fuego.

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Figura 10.6.3.a Operación normal de ventilación en las galerías de conexión. Fuente: Ventilation and safety of long and Deep tunnels . Marco Bettelini & Samuel Rigert. Amberg

Conclusiones

Es difícil hacer en un breve apartado las conclusiones sobre la mayor obra de ingeniería subterránea construida hasta la fecha, pero se puede decir que desde los inicios de su fase de construcción  y durante casi veinte años puede considerarse que ha sido un “ gran laboratorio” de ensayos, estudios y puestas en práctica multitud de procedimientos, tanto tecnológicos como de investigación realizados tanto por entes privados como públicos, caso de Universidades. Es seguro que dichos estudios brindarán una valiosa experiencia a futuros proyectos sobre las lecciones aprendidas en este túnel de base.

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