Uso de un método sin malla para investigar los efectos de la presión de confinamiento en los procesos de fracturación hidráulica de túneles hidráulicos

Por qué importa romper la roca con agua

A medida que las ciudades crecen y los países trasladan más agua y energía al subsuelo, los ingenieros excavan túneles más largos y profundos en roca dura. Muy por debajo de la superficie, estos túneles soportan enormes presiones del terreno circundante y del agua que empuja a través de las grietas. Cuando el agua presurizada fuerza la separación de la roca —un proceso llamado fracturación hidráulica— puede provocar entradas súbitas de agua, flujos de lodo o incluso el colapso del túnel. Este estudio utiliza un nuevo tipo de modelado por ordenador para observar, con gran detalle, cómo se inician y propagan las grietas alrededor de un túnel lleno de agua bajo distintas condiciones de presión subterránea, ofreciendo pistas para un diseño y operación más seguros de los túneles.

Una nueva manera de observar la ruptura de la roca

Los métodos computacionales tradicionales para simular la falla de la roca dividen el terreno en una malla rígida. Esto funciona bien hasta que aparecen grietas y la roca comienza a separarse, girarse y ramificarse de formas complejas. Entonces la malla debe actualizarse constantemente, lo que es lento y puede fallar con facilidad. Los autores recurren en cambio a un método “sin malla” conocido como Hidrodinámica de Partículas Suavizadas (SPH, por sus siglas en inglés). En este enfoque, la roca y el agua se representan como nubes de partículas discretas que interactúan entre sí. Al no existir una malla fija, las grandes deformaciones, nuevas grietas y redes de fractura ramificadas pueden aparecer de forma natural conforme avanza la simulación.

Convertir túneles y agua en partículas

En el modelo, un bloque cuadrado de roca de 50 metros por 50 metros contiene un túnel central en forma de herradura de 9 metros de ancho. La roca se representa mediante miles de “partículas base”, mientras que el agua dentro del túnel y en las fracturas se representa por “partículas de agua”. A medida que la presión del agua simulada dentro del túnel aumenta en el tiempo, las fuerzas se transmiten entre partículas de agua y de roca según reglas sencillas: el agua empuja hacia afuera, la roca se resiste y las tensiones se concentran en ciertas regiones. Cada partícula de roca se revisa continuamente: si la fuerza de tracción local supera la resistencia a tracción de la roca, esa partícula se marca como fallada y deja de soportar esfuerzos, imitando un pequeño fragmento de nueva grieta. Al actualizar millones de interacciones de partículas, el modelo puede seguir cómo las grietas se inician, crecen, se ramifican y finalmente atraviesan la masa rocosa completa.

Cómo el apriete subterráneo dirige las grietas

Un foco clave del estudio es la “presión de confinamiento”, el efecto de compresión que el terreno circundante ejerce horizontal y verticalmente sobre el túnel. Los autores examinan varios casos en los que varía la relación entre el esfuerzo horizontal y el vertical. Cuando esta relación es baja —lo que significa que domina el apriete vertical— las grietas provocadas por el aumento de la presión del agua se inician en las esquinas inferiores del túnel, donde la tensión es mayor, y avanzan mayormente en línea recta hacia arriba. La red de fracturas resultante se parece a un patrón escaso en forma de árbol con ramas verticales. A medida que el esfuerzo horizontal adquiere más peso, las grietas secundarias en la superficie del túnel y en las puntas de las grietas principales comienzan a propagarse lateralmente, haciendo que el patrón general sea más complejo y más ampliamente distribuido.

De árboles simples a copos de nieve de grietas

Cuando el esfuerzo horizontal se aproxima más al vertical, las redes de grietas cambian de carácter. En relaciones intermedias, el patrón se vuelve en forma de “M”, con grietas verticales prominentes unidas a ramas laterales pronunciadas que arquean hacia afuera. En relaciones aún más altas, la red de grietas se asemeja a un copo de nieve: las ramas verticales y horizontales están bien desarrolladas y las fracturas se extienden de forma más homogénea en todas las direcciones alrededor del túnel. En estos casos, el propio túnel se deforma de manera más apreciable antes de la falla total, y el crecimiento de las grietas se ralentiza a medida que aumenta la presión de confinamiento global. Sin embargo, en todos los escenarios, una característica se mantiene constante: las primeras grietas casi siempre comienzan en las esquinas del túnel en forma de herradura, donde las tensiones se concentran de manera natural.

Qué significa esto para túneles reales

El estudio muestra que un enfoque SPH sin malla puede reproducir fielmente patrones complejos de grietas alrededor de túneles hidráulicos profundos y revelar cómo distintas condiciones de esfuerzo moldean esos patrones. Para los ingenieros, el mensaje es claro: donde domina el esfuerzo vertical, la atención debe centrarse en grietas largas y verticales que pueden conectar repentinamente el túnel con capas acuíferas lejanas. Donde el esfuerzo horizontal es fuerte, la fracturación lateral y las redes de grietas tipo copo de nieve son más probables, lo que exige refuerzos adicionales en las paredes y esquinas del túnel. Al vincular las condiciones de esfuerzo subterráneo con formas de grieta previsibles, este trabajo ofrece una herramienta práctica para ayudar a anticipar y prevenir fallas peligrosas relacionadas con el agua en proyectos de túneles profundos.

Cita: Zhang, H., Shi, Y., Mu, J. et al. Using a meshless method to investigate the effects of confining pressure on the hydraulic fracturing processes of hydraulic tunnels. Sci Rep 16, 5702 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36426-0

Palabras clave: túneles hidráulicos, fracturación hidráulica, grietas en la roca, agua subterránea, simulación numérica