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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.22 n.2 Santiago ago. 2007

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732007000200004 

 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. N°2, PAG. 101-110. Agosto de 2007.

Análisis y evaluación de riesgo de túneles carreteros en explotación

Risk assessment models for road tunnels in operation

 

Germán Martínez Montes*, José del Cerro Grau*, Javier Alegre Bayo*, Javier Ordóñez García*

* Universidad de Granada, Granada, ESPAÑA. germanOO@ugr.es


Resumen

Tras los fatales accidentes en los últimos años, la seguridad en la explotación de túneles de carreteras se ha convertido en una prioridad de la política de transportes a nivel internacional y en especial en la Unión Europea. Esta circunstancia se ha traducido principalmente en la exigencia del análisis y evaluación de riesgo en aquellos túneles que por sus singulares características así lo aconsejan. A lo largo del presente artículo se analiza el marco conceptual del riesgo en ingeniería, así como las principales opciones metodológicas existentes para el análisis de riesgo en túneles en explotación, deterministas y probabilísticas. La conclusión del estudio es la utilización generalizada de las primeras completadas con un estudio deterministic o centrado en aquellos casos cuyas consecuencias presentan unas mayores pérdidas en términos absolutos para la sociedad.

Palabras Clave: Túneles carreteros, seguridad explotación, análisis de riesgo.


Abstract

After tunnel fire catastrophes at the end of the 1990's, the safety at road tunnel operations has become a priority on transportation policies at international level especially inside the European Union. This circumstance has required the analysis and risk assessment in those tunnels that for their special characteristics it is highly recommended. This article presents a biographical review in the topic along with a research of risk assessment models for road tunnels. The main conclusion of this study is the need of applying probabilistic models complemented by determinist studies centred in cases which may present biggest losses to the society.

Keywords: Road tunnels, operational safety, risk analysis.


 

1. Introducción

El desarrollo y modernización de las redes de carreteras en los países conlleva necesariamente el alejarse de trazados sumidos y adaptados a la topografía por donde discurren. Las exigencias de mayor velocidad de los proyecto con diversas situaciones orográfica conllevan un mayor número de tramos en viaducto y en túneles. En la actualidad, el número de túneles existentes en todo el mundo crece día a día y los que superan la longitud de 1000 metros son más que considerables (UNECE, 2001).

En relación con las características y seguridad de los túneles de carreteras, la longitud supone uno de los parámetros que en primer término se consideran. Existe cierto consenso en el hecho de que los túneles son cortos hasta los 500 metros, son largos a partir de los 1.000 metros y entre dos longitudes su consideración es función de otros parámetros como la intensidad de tráfico y mercancías peligrosas, geometría de la vía, etc. (Martínez et al., 2001). En este sentido en la Unión Europea, se ha establecido la longitud de 500 m desde el punto de vista de seguridad (EU, 2004).

Hasta 1999 la percepción y la sensibilidad social frente a las posibles consecuencias o daños que se pudieran producir en el interior de un túnel eran relativamente bajas hasta el punto de no detectarse una demanda cierta de actuaciones por parte de la sociedad.

Es en este año cuando el 24 de marzo se produce el incendio en el interior del Túnel del Mont-Blanc, de titularidad italo-francesa cuyas principales consecuencias, además de cuantiosos daños materiales, 39 muertos. A ellos hay que sumar otros grandes accidentes como los de Tauern, también en 1999, donde se produjeron 12 víctimas mortales y ya en el 2002, en el túnel de San Gotardo, 11 víctimas mortales (Knoflacher et al., 2004). Otros incidentes y/o accidentes con fatales resultados se detallan en la Tabla 1.


Estos hechos, con unos costes individuales y sociales elevados, fueron exhaustivamente analizados, especialmente el acaecido en el túnel del Mont-Blanc, de manera que se pueden sacar interesantes conclusiones de las circunstancias que dieron lugar a los mismos para evitar que se vuelvan a reproducir y para poder diseñar medidas de emergencia que minimicen sus efectos. Entre estas se destacan las siguientes (Ministére de l'Interieur etal., 1999; Lacroix, 2001):

• El transporte de mercancías peligrosas a través de grandes túneles debe analizarse con detalle, estableciendo estudios sobre rutas alternativas, tipología y peligrosidad de cargas, etc.
• Los sistemas de detección automática de incidentes deben de incorporarse a la totalidad de los túneles de cierta longitud.
•Las responsabilidades sobre la conservación, explotación y operación de los túneles ha de recaer sobre una entidad, que ha de concentrar toda la información y el centro de toma de decisiones en un único punto.
• La respuesta inmediata (primeros diez minutos) es esencial para la evolución y el desarrollo posterior de cualquier incidente.
• Es completamente imprescindible asegurar un mínimo de energía en el túnel durante los incidentes y en particular las comunicaciones entre túnel y centro de control.
• Deben de desarrollarse planes de emergencia que incluyan protocolos de actuación e incluso simulacros y pruebas que permitan calibrar la efectividad de las medidas previstas en caso de accidentes y/o incidentes.

Por ello, a partir de este momento se produce una demanda de mayor seguridad por parte de la sociedad, circunstancia que se ha traducido en la constitución en multitud de paneles de expertos, proyectos específicos de investigación y el desarrollo de un marco legislativo cada vez más exigente de manera que a la fecha de hoy se está produciendo una revolución en los estándares de seguridad en el diseño, construcción y explotación de túneles carreteros, no sin tener presente que si bien la seguridad absoluta no es posible, esta es un función directa de las inversiones que se realicen en infraestructuras e instalaciones de los túneles (Jonkman, 2003).

A lo largo de este artículo se repasan los conceptos de riesgo ligados a la explotación de túneles carreteros, se analizan los distintos modelos de evaluación de riesgo y se finaliza con las principales conclusiones del estudio.

2. Riesgo. Conceptos básicos

El concepto de riesgo está presente en la práctica, en la totalidad de las actividades que realiza el ser humano, y es importante aclarar el alcance y significado del mismo para poder llevar a cabo un estudio adecuado y consistente de su tratamiento en túneles carreteros (ya que en algunos casos se confunden términos como peligro y riesgo).

El Diccionario de Real Academia Española define los mismos como (RAE, 2007):

• Riesgo: contingencia o proximidad de un daño.
• Peligro: contingencia inminente de que suceda algún mal.
Por consiguiente la diferencia esencial entre los dos términos es la inminencia de ocurrencia. Se puede por tanto aseverar que el concepto de riesgo implica dos aspectos:
• La probabilidad de ocurrencia, ya que el hecho no es inminente, cuando se habla de riesgo hay que ligarlo a un concepto estadístico que concrete de manera alguna las posibilidades de ocurrencia.
• La consecuencia. Que podrá ser en uno u otro sentido (perdidas materiales, económicas e incluso humanas).

El concepto de riesgo en la ingeniería es una de las bases fundamentales para el correcto desarrollo de estudios previos, de alternativas e incluso de soluciones constructivas (ISO, 1998; ISO, 2000; ISO/IEC, 1999; ISO/IEC, 2002). Este hecho es tal que existen definiciones de proyecto de ingeniería que suponen la asignación de riesgos para la construcción e instalación entre todos y cada uno de los agentes que intervienen en el mismo (Martínez et al., 2006).

El estudio del riesgo en túneles exige un conocimiento previo del sistema y agentes que participan en el mismo, ya que la complejidad del mismo, en naturaleza y disposición condicionará los distintos métodos y modelos que permitan obtener resultados que se ajusten a la realidad. Los distintos elementos y sus relaciones presentes en túneles en explotación quedan sintetizados en la Figura 1.


La gestión de la seguridad en túneles de carreteras exige acciones antes, durante y después de cualquier accidente e incidentes. Todas las medidas de concepción, diseño, construcción y explotación de que se disponen tienen como primer objetivo evitar la ocurrencia del accidente, si bien hay que disponer de medios para conseguir reducir las consecuencias, y posteriormente llevar a cabo un seguimiento y evaluación de lo ocurrido para así poder aprender de las posibles deficiencias de los sistemas y mejorar no solo el que ha sufrido la contingencia sino el resto de las características similares (Lacroix, 2001; Molag, 2001; Persson, 2002).

Las cadena de acciones posibles para abordar la seguridad en túneles de carreteras presenta las etapas de pro-acción, prevención, reducción, eliminación, seguimiento y evaluación (Meter, 2004).

Existe mucha literatura en relación con las definiciones de riesgo en túneles (Vrouwenvelder et al., 2001; Knoflacher et al., 2004) y criterios para establecer umbrales críticos admisibles (Stewart et al., 1997; Melchers, 1999).

Los riesgos presentes pueden responder a la siguiente clasificación:

• Riesgo Individual (Rind) (Obsérvese que si se considera un agente externo en la formulación de Vrijling, y dado que el factor propuesto es 10 2, el riesgo admisible viene dado por 10 4*10 2=10 6, que coincide exactamente con el propuesto por Lowrance cuando el riesgo es prácticamente no reconocido), es el que afecta a una persona considerada de forma aislada y corresponde a unas determinadas y específicas condiciones de explotación de la infraestructura.
• Riesgo esperable (Rexp); se expresa en términos de número de muertes por túnel y año.
• Riesgo Social (Rsoc)', corresponde al número de individuos afectados por el incidente y/o accidente. Normalmente se expresa en términos de frecuencia acumulada F= P(Rm>N) de que el número de muertes exceda un número N por unidad de túnel o kilómetro de túnel a lo largo del año (esta función es conocida como Curva F-N)

En cuanto a umbrales de aceptación del riesgo, existen publicaciones que vinculan estos a la actitud y aceptación por parte de los individuos y de la sociedad de manera que a partir del riesgo de muerte por persona y año por exposición la actitud queda perfectamente determinada (Tabla 2)


Específicamente para el riesgo individual, Rin(j, destacan las propuestas que tienen en cuenta el hecho de que la actividad sea o no voluntaria así como el beneficio percibido (Vrijling et al., 1998). La formulación responde a la expresión Rina<B * 10 4 (por año), en donde el factor 6 pondera el grado de relación del individuo con la infraestructura evaluada, es el que se detalla en la Tabla 3..(Obsérvese que si se considera un agente externo en la formulación de Vrijling, y dado que el factor propuesto es 10 2, el riesgo admisible viene dado por 10 4*10 2=10 6, que coincide exactamente con el propuesto por Lowrance cuando el riesgo es prácticamente no reconocido).


Para el caso del riesgo social (Rsoc), como ya se ha apuntado, la mayoría de los autores (Vrouwenvelder et al., 2001; Trojevic, 2003) coinciden en su expresión en términos de frecuencia acumulada F= P(Rm>N) de que el número de muertes exceda un número N por unidad de túnel o kilómetro de túnel a lo largo del año (esta función es conocida como Curva F-N), siendo un ejemplo de la misma la de la Figura 2.


En la figura se pueden distinguir diversas áreas de riesgo en función de los valores adoptados de los parámetros A y k de la expresión F< Ft= A*N"k. Las áreas quedan definidas por cada uno de los límites dados por:

(1) Límite más alto moderado; A=0.1 y k=1
(2) Límite más alto severo; A=0.01 y k=1
(3) Nivel Medio; A=0.1 y k=2
(4) Límite más bajo moderado; A=0.01 y k=2
(5) Límite más bajo severo; A=0.0001 y k=1

Existen trabajos que las condiciones de riesgo de un determinado túnel, expresadas por la curva F-N podrán quedar enmarcadas en una de las tres áreas delimitadas por los bordes superior e inferior (Knoflacher et al., 2004). Por encima del límite superior se encuentra la zona de Riesgo No Admisible, lo que obliga a una reconsideración total del túnel ya que las posibilidades de ocurrencia de una catástrofe son más que ciertas. Si la curva F-N se encuentra por debajo del límite inferior el túnel se encuentra en la zona de Riesgo Tolerable, por lo que no son necesarias medidas adicionales. Si por último la curva se encontrase en la zona intermedia, conocida como ALARP, de sus iniciales en inglés, As Low As Rational Posible el modelo holandés de evaluación de riesgo define el mismo concepto pero modificando las siglas del inglés, hablando de ALARA, que corresponde a As Low As Reasonably Achievable), se deberán llevar a cabo medidas adicionales de seguridad de manera que se consiga mejorar el riesgo tanto como razonablemente sea posible (véase Figura 3).


3. Evaluación del riesgo en túneles carreteros

La evaluación del riesgo ligado al transporte por carretera y en particular a lo largo de un tramo que discurra por túnel, puede ser abordada siguiendo de forma metodológica seis pasos: definición del sistema, identificación de posibles accidentes y/o incidentes, análisis de consecuencias y probabilidad de ocurrencia, presentación del riesgo y evaluación del mismo. Los aspectos tratados en cada una de las etapas se exponen de forma esquemática en la Figura 4.


En relación con la primera etapa, de identificación y caracterización del sistema, es una obligación que recae sobre el titular de la infraestructura y normalmente no reviste una complejidad importante existiendo hoy aplicaciones basadas en Sistemas de Información Geográfica (SIG), que facilitan la gestión y actualización de todos los datos que pueden ser de interés para el gestor del túnel.

Existen multitud de técnicas que permiten la identificación y cuantificación de posibles accidentes e incidentes (DARTS, 2002), tal y como puede verse en la Tabla 4.


Mediante Checklist se evalúan equipamientos, materiales o procedimientos. Los resultados facilitan e identifican áreas que requieren un estudio más detallado. Los resultados que se obtienen son a nivel cualitativo, normalmente vinculados a los procedimientos estándar. Los métodos "What if Analysis" se basan en la determinación e identificación de las consecuencias derivadas de un posible incidente o funcionamiento defectuoso del sistema.

El método HAZOP (Ramos, 1987) es uno de las más desarrollados y estructurados para la tratamiento de posibles peligros vinculados a infraestructuras del transporte. Trata de identificar todas las desviaciones que se puedan producir del funcionamiento correcto del sistema.

Posteriormente, mediante reuniones en donde, mediante el método de tormentas de ideas (del inglés brainstorming), se identifican junto a las desviaciones, las causas y las consecuencias, concluyéndose con la elaboración de una lista de palabras guía como documento de trabajo. Los resultados de la apliación del método es un listado cualitativo que incluye:

• Identificación de peligros y problemas de explotación;
• Cambios recomendados relativos al diseño y a los procedimientos de conservación y explotación con objeto de mejorar los estándares de seguridad;
• Recomendaciones para la realización de nuevos estudios y seguimientos.

El método FMECA es que se implementa mediante la ordenación de los datos relativos a los equipamientos de túnel, los distintos modos de fallo, y el establecimiento de un "ranking" relativo de los efectos de cada uno de los fallos posibles (Clement et al., 2006).

El método FTA es un proceso deductivo de análisis que parte de la previa selección de un "suceso no deseado o evento que se pretende evitar" sea éste un accidente de gran magnitud (explosión, fuga, derrame, etc.) o sea un suceso de menor importancia (fallo de un sistema de cierre, etc.) para averiguar en ambos casos los orígenes de los mismos. La explotación de un árbol de fallos puede limitarse a un tratamiento "cualitativo" o acceder a un segundo nivel de análisis a través de la "cuantificación" cuando existen fuentes de datos relativas a las tasas de fallo de los distintos componentes. El método ETA, árbol de sucesos, es una sencilla técnica de análisis cualitativo y cuantitativo de riesgos que permite estudiar procesos secuenciales de hipotéticos accidentes a partir de sucesos iniciales indeseados, verificando así la efectividad de las medidas preventivas existentes. (McGrath, 1990).

De todos estos modelos existen unos más adecuados en la fase de explotación y conservación de túneles carreteros (Molag, 2006). A ellos hay que sumar las inspecciones y auditorias de las infraestructuras e instalaciones, que su propia definición y objeto son de gran utilidad en dicha fase. La adecuación de métodos ha sido resumida en la Tabla 5.


En cuanto a los métodos de análisis de riesgo existen dos grandes líneas de trabajo. La determinista y la probabilística (ILF, 2004).

La primera de ellas considera las consecuencias y la severidad de las mismas en un determinado escenario, que normalmente es considerado el peor de los casos. Un método determinista consiste en un determinado número de modelos que son utilizados de forma integrada o por parejas. Los modelos usuales son:

• Modelo de efectos físicos;
• Modelos de daños;
• Modelos de evacuación.

Ejemplo de estos modelos desarrollados es el SIMULEX, es una aplicación informática para simulación de escapes en túneles de carreteras (Lynn Lee et al., 2003). Otros ejemplos de modelos son el SOLVENT+TunnEVAC (Lecointre et al., 2003) y el TNO-trainfire Model (Darts, 2002).

Con un enfoque más general destaca el Método MCA (del inglés Maximun Credible Accident Analysis). Este método procede al cálculo de los mayores daños y efectos que un accidente puede producir en el túnel objeto del análisis. El accidente considerado en el caso de los túneles de carreteras se vincula al incidente de un transporte de mercancías peligrosas y/o inflamables analizando los efectos en términos de radiación, onda explosiva, intoxicación y fuego. Usando técnicas de modelización física de flujos, evaporación, etc., los efectos son concretan y definen. Finalmente se hace un análisis externo de los estándares de seguridad obteniéndose normalmente resultados conservadores (SafeT, 2005).

El problema de la aplicación de los métodos deterministas es que no consideran en ningún momento la frecuencia o probabilidad de ocurrencia de los accidentes y/o incidentes que se modelizan, pudiendo estar trabajando en escenarios excesivamente conservadores. Es en este punto cuando se implementan y aplican los métodos probabilísticos, los cuales consideran por igual las consecuencias y la frecuencia de ocurrencia de los distintos escenarios (Charters, 2003). Esto aporta el valor añadido de considerar el nivel de riesgo para un rango de posibles escenarios analizando la efectividad de las medidas de seguridad implementadas así como los procedimientos de gestión. Igualmente son más adecuados cuando se trata de analizar la relación coste beneficio, ya que permite la simulación del comportamiento del sistema frente a determinadas medidas de seguridad, las cuales pueden valorarse previamente en términos económicos (Worm et al., 1998; Stewart et al., 1997; Cassini etal., 2003).

Los modelos de análisis probabilístico se pueden estructurar en dos grandes partes: el estudio de probabilidades y las conservacuencias. Para lograr articular de forma adecuada la primera pueden utilizarse diversas técnicas de cuantificación estadística. En el caso de las consecuencias se utilizan herramientas similares a las utilizadas para los modelos deterministas, además de incorporar análisis probabilísticos a nivel de detalles (SafeT, 2005). Por consiguiente parece razonable la utilización combinada de ambos modelos, consiguiendo con el análisis de escenarios desde el punto de vista determinista mejorar la información sobre las consecuencias de casos específicos de accidentes y/o accidentes que por su gravedad y/o frecuencia de ocurrencia deben ser estudiados de forma adecuada. Este hecho puede comprobarse en la Tabla 6, ya que son muchos los países que así lo aplican en sus metodologías de análisis de riesgo en túneles de carreteras.


4. Consideraciones finales

A lo largo del presente capítulo se ha dejado patente la sensibilidad social frente a catástrofes ocurridas en túneles carreteros. Frente a esta circunstancia existe en los últimos años una frenética actividad encaminada a mejorar los estándares de seguridad, no solo en túneles e infraestructuras que se construyan a partir de ahora sino en la actualización y mejora de los ya existentes. La magnitud del problema obliga a abordarlo de una forma rigorosa y científica. En el caso de los túneles carreteros en explotación es posible la utilización de instrumentos, herramientas, métodos y modelos suficientes y adecuados para el, la evaluación del riesgo, tanto probabilísticos como deterministas, siendo una utilización conjunta de ellos la solución que se está adoptando por la mayoría de los países que llevan a cabo análisis de riesgo en túneles.

Esta solución obliga al establecimiento de bases de datos históricas de incidentes y accidentes, lo más completas posibles, de manera que puedan llegar a implementarse de forma efectiva en todos los modelos que exijan de dicho análisis estadístico mejorándose la habilidad de los mismos.

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Fecha de recepción: 20/ 06/ 2007, Fecha de aceptación: 19/ 07/ 2007.