Estudio mediante modelo físico sobre el mecanismo del levantamiento del firme en galerías profundamente enterradas excavadas en roca blanda con estratos delgados y ligeramente inclinados

Por qué los suelos de las galerías mineras se elevan de repente

A gran profundidad, los suelos de algunas galerías mineras se abultan hacia arriba de forma paulatina, expulsando rieles y equipos y poniendo en riesgo la seguridad de los trabajadores. Este enigmático “levantamiento del firme” resulta costoso de reparar y difícil de predecir, sobre todo en rocas blandas y estratificadas, comunes en regiones carboníferas. El estudio que respalda este artículo utiliza modelos físicos a gran escala y modelos por ordenador para revelar cómo las tensiones en capas rocosas delgadas y ligeramente inclinadas pueden fracturarse y levantar el firme de la galería, aportando ideas que pueden ayudar a diseñar vías subterráneas más seguras y estables.

Una mirada más cercana al levantamiento de suelos en túneles

En el oeste de China y en muchas otras zonas mineras, el carbón se extrae a cientos de metros de profundidad, donde el peso de las rocas suprayacentes genera presiones enormes. Muchas de estas galerías se excavan en rocas blandas dispuestas en capas delgadas—lutita, carbón y limolita—orientadas con un ligero ángulo en lugar de estar horizontales. Los ingenieros han observado durante mucho tiempo que, en estas condiciones, el suelo de la galería puede arquearse hacia arriba de forma notable con el tiempo. Explicaciones anteriores se centraban en fuerzas verticales desde el techo, hinchamiento por agua o fluencia lenta de la roca, pero el papel específico de la estructura en capas y el apretamiento lateral de la masa rocosa seguía sin estar claro.

Construir una galería en el laboratorio

Para desentrañar este mecanismo, los investigadores construyeron un gran modelo físico basado en una galería real de una mina de carbón en Yunnan, China, ubicada a unos 750 metros bajo tierra en estratos inclinados aproximadamente diez grados. Recrearon los tres tipos de roca principales usando polvos mezclados cuidadosamente que reproducían la densidad y la resistencia de las rocas reales a escala reducida. El bloque estratificado, de tamaño similar al de una gran mesa, contenía una pequeña galería excavada a través de la “capa de carbón”. Con carga hidráulica aplicaron presiones equivalentes a las de gran profundidad, con tensiones verticales y horizontales iguales, y luego simularon la excavación y cargas adicionales en etapas controladas.

Observar cómo la roca se deforma y se rompe

Durante la carga, un sistema de cámaras de alta resolución registró pequeños movimientos superficiales, mientras que docenas de galgas de deformación midieron la deformación en el interior del bloque. A medida que aumentaba la presión, los primeros cambios apreciables aparecieron bajo el suelo de la galería. Se formó una zona en forma de embudo de deformación ascendente directamente bajo la galería, que se fortaleció conforme continuó la carga. Finalmente, las capas delgadas bajo la galería se separaron de las subyacentes, se agrietaron y se elevaron, provocando un claro levantamiento del firme. La deformación más intensa se concentró en una región que se extendía hasta aproximadamente la mitad del ancho de la galería en el suelo, y la deformación equivalente en esa área alcanzó un pico elevado, señalando un daño severo. El análisis mostró que el apretamiento horizontal de las capas blandas y delgadas fue el factor dominante de este levantamiento.

Tensión y compresión ocultas alrededor de la galería

El equipo también cartografió cómo la roca alrededor de la galería osciló entre estiramiento y compresión a medida que fallaba el suelo. Dentro de una distancia comparable al diámetro de la galería, zonas de esfuerzo tensional (tracción) y compresivo (compresión) se alternaron alrededor del hueco. Tras el levantamiento del firme, la roca más próxima a la galería experimentó fuertes tensiones, especialmente en las esquinas y a lo largo del techo y el suelo, mientras que se formaron zonas compresivas más alejadas. Este patrón explica por qué las grietas tienden a iniciarse en puntos concretos y luego propagarse hasta configurar una forma característica de fallo alrededor del túnel.

Comprobar los hallazgos con modelos numéricos

Para confirmar que el comportamiento observado no era exclusivo de un único experimento, los investigadores construyeron un modelo numérico tridimensional usando software de mecánica de rocas consolidado. Reprodujeron la misma geometría, estructura en capas y condiciones de contorno que en la prueba física. El túnel simulado mostró patrones de desplazamiento similares: el suelo cerca de un lado de la galería se curvó hacia arriba bruscamente y se fracturó, mientras que el techo se hundió ligeramente. Puntos de medida clave en la simulación se desplazaron casi en las mismas magnitudes que en el modelo de laboratorio, con diferencias de solo unos pocos milímetros a escala experimental. Este estrecho acuerdo refuerza la confianza en el mecanismo identificado.

Qué significa esto para galerías subterráneas más seguras

Para el público general, la conclusión es clara: en rocas blandas y delgadas estratificadas a gran profundidad, el apretamiento lateral del terreno puede ser tan importante como el peso vertical para provocar el levantamiento del firme de la galería. Las capas ligeramente inclinadas actúan como placas apiladas y débiles que se pandean, agrietan y despegan hacia arriba bajo tensión horizontal, especialmente debajo de la vía. Saber que el daño más crítico se concentra en una zona en forma de embudo directamente bajo la galería y en un radio de aproximadamente un ancho de galería ayuda a los ingenieros a planificar refuerzos puntuales, como anclajes de firme o soporte mejorado en regiones específicas en lugar de sobredimensionar de forma general. Aunque el estudio se centra en una mina concreta, sus conclusiones ofrecen una imagen física más clara que puede guiar un diseño y un control más fiables de galerías subterráneas profundas en todo el mundo.

Cita: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

Palabras clave: levantamiento del firme, galería en roca blanda, minería a gran profundidad, estabilidad de túneles, estratos rocosos