Análisis de la influencia de la excavación de un nuevo túnel en la estabilidad de túneles existentes adyacentes

Por qué las ciudades densas necesitan túneles más seguros

A medida que las grandes ciudades añaden más líneas de metro, los nuevos túneles tienen cada vez más que sortear otros ya en servicio. Excavar un túnel nuevo demasiado cerca de uno existente puede empujar, torcer o agrietar la estructura anterior, con evidentes implicaciones para la seguridad y el servicio. Este estudio analiza cuánto puede deformarse un túnel de metro en funcionamiento cuando se excava uno nuevo en las cercanías y ofrece fórmulas sencillas que los ingenieros pueden usar para evitar que la construcción futura ponga en peligro a los usuarios actuales.

Cómo los nuevos túneles perturban el terreno

Las tuneladoras excavan suelo y roca y lo sustituyen por un tubo forrado de hormigón. Ese proceso afloja y desplaza ligeramente el terreno circundante. A su vez, el terreno ejerce una presión diferente sobre lo que ya está enterrado, como un túnel antiguo. Los autores revisan primero cómo se estima habitualmente el peso del suelo sobre un túnel. Los métodos clásicos asumen un “arco” de tierra que transmite las cargas alrededor del hueco, pero pasan por alto cuánto terreno se pierde o desplaza durante la excavación. El equipo perfecciona esta idea para manejar los loess y suelos similares, comunes en Xi’an (China), donde están previstas muchas nuevas líneas de metro.

Actualizando cómo estimamos la presión del suelo

Los cálculos tradicionales, que remontan al trabajo de Karl Terzaghi en la década de 1930, tratan el arco de suelo sobre un túnel como completamente formado y usan un factor fijo para convertir el peso vertical en presión lateral sobre el revestimiento. Investigaciones posteriores mostraron que esto omite un detalle importante: cuando la cabeza del túnel avanza, parte del terreno se asienta o se desplaza, debilitando el arco. Los autores adoptan un enfoque más moderno de “arco de suelo incompleto” que incluye explícitamente la relación de pérdida de terreno—cuánto se hunde la superficie o la clave conforme se excava el túnel. Demuestran que, para niveles realistas de pérdida en loess arcilloso, el método refinado suele predecir presiones sobre el túnel más bajas y más realistas que las fórmulas antiguas, especialmente cuando la pérdida de terreno no es insignificante.

Experimentos virtuales con túneles gemelos

Para ver cómo afecta un túnel nuevo a otro ya existente cercano, los investigadores construyeron modelos informáticos tridimensionales detallados usando suelos y dimensiones típicas del metro de Xi’an. Variaron tres factores: los diámetros de los túneles, la distancia entre ellos y sus posiciones relativas—lado a lado, desplazados en diagonal o uno directamente encima del otro. En cada caso simularon el proceso de excavación anillo por anillo y registraron cómo se movían ocho puntos clave alrededor de la sección transversal del túnel existente. Los modelos muestran que cuanto más cerca están los túneles y mayor es el túnel existente, mayor es su deformación. También revelan que los túneles existentes no se limitan a desplazarse; tienden a torcerse, con un lado moviéndose más que el otro.

Cómo se mueven, giran y asientan los túneles

Cuando el nuevo túnel discurre aproximadamente en paralelo y a profundidad similar, el túnel más antiguo se empuja principalmente lateralmente hacia la excavación, con solo un pequeño asentamiento vertical. En este caso domina el desplazamiento horizontal, y la torsión (rotación) del túnel antiguo es más acusada cuando la distancia libre es de solo unos cinco metros. Al aumentar el separamiento hasta 20 metros, el movimiento lateral máximo puede reducirse en más de dos tercios y la torsión se vuelve despreciable. Cuando el nuevo túnel está en diagonal o directamente por debajo, la situación cambia: el túnel existente se desplaza y se asienta. Los movimientos verticales pueden alcanzar casi dos centímetros cuando los túneles están cerca y son grandes, disminuyendo de forma constante a medida que crece la separación. En todas las disposiciones, el ángulo de rotación aumenta con el diámetro del túnel pero decrece al separarlos, siguiendo curvas matemáticas suaves.

Fórmulas simples que los ingenieros pueden usar realmente

A partir de estas simulaciones, los autores extrajeron fórmulas predictivas que relacionan los desplazamientos máximos lateral y vertical de un túnel existente con dos magnitudes fáciles de medir: su radio y la distancia al nuevo túnel. Las relaciones siguen mayormente tendencias logarítmicas respecto al espaciado, lo que significa que acercar mucho los túneles aumenta bruscamente las deformaciones, mientras que añadir distancia extra más allá de unos 15–20 metros proporciona rendimientos decrecientes. El estudio también aclara que, para túneles lado a lado, mantener los movimientos horizontales dentro de los límites normativos garantiza automáticamente que los movimientos verticales también queden seguros.

Qué implica esto para la construcción futura de metros

Para el público no especializado, el mensaje clave es simple: cuando se añade un nuevo túnel de metro cerca de uno ya existente, el túnel antiguo se moverá, pero lo hará en una magnitud predecible si se conocen el espaciado, los tamaños y las condiciones del suelo. Al refinar la estimación de las presiones del suelo en loess y al proporcionar fórmulas compactas para la torsión y el desplazamiento de túneles, este trabajo ofrece a los proyectistas herramientas prácticas para decidir qué distancia es demasiado corta, cuándo es necesaria una refuerzo adicional y cómo planificar alineaciones que protejan los túneles de los que ya dependen las ciudades.

Cita: Yang, M., Liu, N., Li, H. et al. Analysis of the influence of new tunnel excavation on the stability of adjacent existing tunnels. Sci Rep 16, 5510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35181-6

Palabras clave: túneles de metro, excavación de túneles, deformación del terreno, interacción de túneles, espacio subterráneo urbano