Estudio sobre la respuesta a la deformación del sostenimiento de túneles de derivación de agua en regiones frías bajo condiciones de ventilación y convección

Por qué la forma del túnel importa en invierno

A través de altas montañas y mesetas heladas, largos túneles transportan silenciosamente agua y tráfico por rocas que soportan frío extremo, nieve profunda y vientos potentes. En esos lugares, el aire que circula por un túnel y el agua subterránea que lo rodea no solo cambian la sensación térmica del viajero: pueden doblar, agrietar y debilitar poco a poco la carcasa de hormigón del túnel. Este estudio examina cómo la temperatura, la humedad y la ventilación deforman conjuntamente los túneles de derivación de agua en regiones frías, y cómo los ingenieros pueden ajustar la ventilación y el diseño del drenaje para mantener estas arterias ocultas seguras durante décadas.

Cómo el aire frío y la roca húmeda actúan en conjunto

Los investigadores se centran en túneles de derivación de agua en paisajes de gran altitud y muy fríos, donde las temperaturas invernales se sitúan por debajo del punto de congelación y el terreno alterna repetidamente entre estados helados y descongelados. La ventilación natural introduce aire exterior en el túnel, y su temperatura y humedad varían con las estaciones. A medida que ese aire se desplaza por el túnel, intercambia calor y humedad con el revestimiento de hormigón y la roca circundante. Al mismo tiempo, las aguas subterráneas fluyen por fisuras y poros de la roca, aportando su propio calor y humedad. Conjuntamente, estos procesos generan patrones complejos de congelación, descongelación, humedecimiento y secado que deterioran gradualmente los materiales y modifican las fuerzas que actúan sobre el revestimiento.

Construyendo un gemelo digital de un túnel frío

Dado que es casi imposible medir cada detalle dentro de un túnel enterrado durante muchos años, el equipo construyó un modelo informático detallado para imitar el entorno real. Combinó cálculos de flujo de aire de una plataforma de software con un segundo modelo que sigue el calor, el movimiento del agua y el esfuerzo mecánico en la roca y el revestimiento. Para mantener el problema manejable pero realista, supusieron que la roca se comporta como un medio poroso uniforme, que el aire en el túnel es un fluido ideal e incompresible y que el agua en la roca se mueve principalmente en fase líquida. El modelo incluye cómo se transfiere el calor, cómo difunde y se filtra la humedad y cómo responde el revestimiento cuando cambian la temperatura y el contenido de agua. Mediciones de campo de temperatura y humedad del aire, temperatura de pared y caudal de aire en un túnel real, junto con comparaciones con experimentos clásicos de congelación en suelos, se usaron para verificar que las simulaciones reproducen el comportamiento del mundo real.

Lo que la ventilación realmente hace a un túnel

Con este túnel digital, los autores exploraron cómo diferentes velocidades y humididades del aire de entrada, niveles freáticos y el espaciado de un túnel de drenaje cercano afectan a las temperaturas, la humedad, los esfuerzos y los desplazamientos. Hallaron que la velocidad del aire tiene un efecto de doble filo. Cuando el aire se mueve despacio, permanece en contacto con las paredes más tiempo, provocando un fuerte enfriamiento y humidificación del revestimiento; cuando el aire va muy rápido, hay menos tiempo para el intercambio, pero el flujo más intenso aún puede inducir mayores cambios de esfuerzo. Más allá de aproximadamente 2 metros por segundo, aumentar la velocidad ya no cambia en gran medida la temperatura o la humedad del aire, aunque el esfuerzo principal en el revestimiento se vuelve más sensible al flujo de aire. La humedad del aire en la entrada afecta más a la humedad que a la temperatura: una humedad moderada alrededor del 40 por ciento hizo que la clave del revestimiento respondiera más y produjo los mayores movimientos verticales, mientras que aire muy seco o muy húmedo condujo a un comportamiento más estable.

Roles ocultos del agua subterránea y la disposición del drenaje

El agua subterránea resultó ser tan importante como el aire. Un nivel freático alto, con la roca casi saturada, tiende a suavizar las oscilaciones térmicas pero eleva la humedad, favoreciendo una migración de humedad más activa. Por el contrario, aguas subterráneas someras producen picos mayores de esfuerzo y desplazamiento en la clave del túnel durante los ciclos de congelación y descongelación. La distancia entre el túnel principal y su túnel de drenaje también importa. Cuando los túneles están demasiado cerca, el revestimiento experimenta desplazamientos periódicos grandes mientras interactúan los campos de agua y temperatura; cuando están demasiado separados, el esfuerzo en la clave puede alcanzar niveles altos y fluctuar con fuerza, aumentando el riesgo de fisuración. Un espaciado moderado reduce tanto la amplitud de la deformación como la concentración de esfuerzos.

La entrada subterránea, siempre en movimiento

La boca del túnel surge como un punto problemático particular. Allí, el revestimiento y la roca circundante sienten toda la fuerza del clima exterior cambiante, el flujo de aire variable y los fuertes gradientes de temperatura y humedad. El modelo muestra que tanto el esfuerzo como el desplazamiento aumentan en magnitud al acercarse al portal, y el patrón de asentamiento en la clave combinado con el abultamiento de los paramentos laterales se vuelve más pronunciado. Más adentro en el túnel, donde el aire es más tranquilo y la roca actúa como un buffer térmico, las condiciones son mucho más estables y los esfuerzos se distribuyen de forma más uniforme.

Qué significa esto para túneles más seguros

Para los no especialistas, el mensaje clave es que la seguridad de los túneles en regiones frías no depende solo de la resistencia del hormigón, sino de cómo se gestionan el aire y el agua. El estudio muestra que elegir cuidadosamente las velocidades de ventilación natural, mantener la humedad de entrada fuera del rango más sensible, ubicar túneles y orificios de drenaje a distancias adecuadas y tener en cuenta los niveles freáticos estacionales puede reducir notablemente la deformación y los esfuerzos en el revestimiento, especialmente cerca de la entrada. Aunque el modelo simplifica ciertos comportamientos de los materiales, proporciona a los ingenieros un marco práctico para predecir dónde y cuándo es más probable que un túnel en regiones frías se deforme, y cómo ajustar el diseño y la operación para mantener estos vitales pasajes subterráneos operando con seguridad a largo plazo.

Cita: Chang, X., Qiao, J., Ren, J. et al. Study on the deformation response of support for water diversion tunnels in cold regions under ventilation and convection conditions. Sci Rep 16, 9391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34234-6

Palabras clave: túneles en regiones frías, ventilación de túneles, daño por congelación‑descongelación, filtración de aguas subterráneas, deformación del revestimiento