Investigación sobre las características de deformación de la roca circundante y medidas de optimización del sostenimiento para el cruce de túneles con TBM a través de zonas de falla y fractura

Por qué los túneles en montaña pueden fallar de forma repentina

Hoy en día, largos túneles de carreteras y ferrocarriles atraviesan algunas de las montañas más altas y escarpadas del planeta. Estos pasajes suelen excavarse con grandes tuneladoras (TBM) que perforan constantemente roca sólida. Pero cuando una TBM encuentra una zona de falla oculta —roca fragmentada y debilitada por terremotos antiguos— el túnel puede deformarse, colapsar o incluso dejar atrapada la máquina. Este estudio examina un encuentro de alto riesgo en un túnel montañoso chino y muestra cómo un sistema de sostenimiento cuidadosamente diseñado puede reducir drásticamente esos peligros.

Un tramo problemático en un túnel profundo de montaña

La investigación se centra en el Túnel Daliangshan No. 1, en la provincia de Sichuan, que atraviesa más de 10 kilómetros bajo valles empinados en forma de V. La mayor parte del trazado pasa por roca relativamente competente, pero un tramo cruza la zona de falla F1, donde el basalto y la toba, antes compactos, se han roto en fragmentos débiles y meteorizados. En esta zona, el techo y las paredes de roca desprenden bloques, se abren cavidades grandes, se filtra agua y los puntos habituales de apoyo donde la TBM se ancla pierden resistencia. Durante la excavación inicial, estas condiciones provocaron abundantes caídas de roca, deformación de los refuerzos metálicos, convergencia de las paredes del túnel e incluso un episodio en el que la TBM quedó atascada tras un paro.

Medir cómo se mueve el terreno

Para entender lo que sucedía y cómo controlarlo, el equipo combinó tres enfoques. En el laboratorio, ensayaron polvos obtenidos de testigos de la zona de falla para determinar cuán débiles eran realmente las rocas alteradas. En el ordenador, emplearon el programa de elementos finitos ABAQUS para simular una TBM avanzando por un túnel de 8 metros de ancho que intersecta una banda de falla de 40 metros de anchura con una inclinación de 40 grados. Y en campo, instalaron instrumentos a lo largo de varias secciones transversales para monitorizar cómo se movían la bóveda, las paredes del túnel y la superficie del terreno a medida que avanzaba la excavación. Esta mezcla de ensayos, modelado y medición in situ les permitió vincular lo observado bajo tierra con la redistribución invisible de tensiones en las montañas circundantes.

Qué ocurre cuando la tuneladora encuentra la falla

Las simulaciones y las medidas revelaron un patrón claro: la deformación era «mayor en el centro y menor en ambos extremos» de la zona de falla. Cuando la TBM entró en el núcleo más débil de F1, la bóveda del túnel se hundió de forma notable —hasta 92 milímetros— mientras que la superficie del terreno por encima se asentó hasta 42 milímetros. El techo comenzó a hundirse unos 10 metros antes de que la máquina alcanzara una sección monitorizada y continuó moviéndose hasta aproximadamente 10 metros más allá. Las paredes laterales respondieron de forma más tardía y con menor intensidad, con desplazamientos máximos en torno a 15 milímetros. Alejado de la falla, donde la roca estaba más íntegra, los incrementos de asentamiento cayeron por debajo de 5 milímetros y el comportamiento del túnel se volvió mucho más estable. Sin intervención, sin embargo, los grandes desplazamientos en el núcleo de la falla amenazaban tanto la seguridad de los trabajadores como la capacidad de la TBM para continuar avanzando.

Construir una envolvente más resistente alrededor del túnel

Guiados por estos hallazgos y por la experiencia de otros proyectos, los ingenieros diseñaron un sistema de sostenimiento reforzado adaptado al terreno fallado. En lugar de confiar solo en costillas de acero y shotcrete básico, añadieron una densa disposición de tiras de refuerzo metálico alrededor de gran parte de la circunferencia del túnel, mejoraron el hormigón proyectado con mezclas de mayor resistencia y emplearon encofrados y lechadas para crear un apoyo sólido donde las zapatas de agarre de la TBM presionan contra las paredes. En áreas muy sueltas o en colapso, instalaron bulones autoperforantes y anclajes de fibra de vidrio y rellenaron cavidades y oquedades kársticas con hormigón. Los modelos numéricos que incorporaron estas medidas predijeron movimientos mucho menores y el monitoreo de campo confirmó la mejora.

Cuánto más seguro se volvió el túnel

Tras el refuerzo, el asentamiento máximo de la bóveda en todas las secciones monitorizadas se redujo a unos 17 milímetros, y el asentamiento superficial a unos 7 milímetros —reducciones del orden del 80 por ciento respecto al caso sin reforzar. Las paredes del túnel y el arranque de la bóveda se movieron solo unos pocos milímetros, y el patrón global de deformación se volvió más suave y predecible. Los desprendimientos de roca y las cavidades de colapso se redujeron de forma significativa, la capacidad portante para las zapatas de la TBM mejoró y la máquina pudo avanzar de forma continua sin quedar atrapada de nuevo. En términos prácticos, el sostenimiento mejorado transformó un tramo altamente inestable en un problema de ingeniería manejable.

Qué significa esto para futuros túneles

Para quienes no son especialistas, el mensaje clave es que el «mal terreno» en zonas de falla no tiene por qué descarrilar proyectos de túneles profundos. Midiendo primero cómo se comporta la roca, luego simulando cómo interactúan túnel y montaña y, finalmente, adaptando el refuerzo a esas condiciones, los ingenieros pueden limitar en gran medida la deformación del túnel —incluso en roca triturada y meteorizada a un kilómetro de profundidad. El enfoque utilizado en el Túnel Daliangshan No. 1 ofrece una hoja de ruta para otros túneles de montaña que deben cruzar combinaciones similares de roca meteorizada y fallas activas o antiguas, mejorando la seguridad y reduciendo el riesgo de costosos paros de la TBM.

Cita: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Palabras clave: tuneladora, zona de falla y fractura, sostenimiento de túnel, asentamiento del terreno, túneles en montaña