Análisis de la influencia del levantamiento por lechada en bolsas inferiores sobre la respuesta mecánica de túneles con tuneladora

Mantener los túneles de metro seguros y nivelados

Las ciudades modernas dependen de las líneas férreas subterráneas, pero los túneles que transportan los trenes pueden hundirse o inclinarse poco a poco a medida que la construcción cercana y los suelos blandos alteran el terreno. Este artículo explora una forma prometedora de «elevar» suavemente túneles hundidos desde abajo usando bolsas flexibles llenas de lechada. Al aclarar cómo se expanden estas bolsas en distintos suelos y cómo empujan sobre el túnel, el estudio apunta a reparaciones más seguras y previsibles que pueden extender la vida útil de sistemas de metro muy concurridos.

Por qué se hunden los túneles

Los túneles con tuneladora, los tubos circulares construidos con máquinas de perforación, se asientan en suelos que están constantemente perturbados por nuevos cimientos, pasos inferiores y otras obras subterráneas. Con el tiempo, partes de un túnel pueden asentarse más que otras, provocando una curvatura suave pero perjudicial a lo largo de su eje y un ligero aplastamiento de su sección circular. Estas deformaciones pueden abrir juntas entre segmentos, causar filtraciones, desprender bordes de hormigón y amenazar el paso seguro y fluido de los trenes. Los ingenieros ya utilizan la inyección de lechada para levantar y apoyar túneles, pero los métodos tradicionales inyectan la lechada directamente en el terreno, lo que dificulta predecir dónde se propagará la mezcla y cuánta fuerza aplicará realmente al túnel.

Una nueva forma de dirigir el “gato” subterráneo

El método de lechada en bolsas afronta esta incertidumbre colocando bolsas flexibles en perforaciones previas por debajo o al costado del túnel y bombeando la lechada dentro de ellas. La bolsa confina la mezcla, por lo que en lugar de filtrarse por grietas impredecibles, se hincha como un globo controlado que presiona el suelo circundante. Los autores realizaron primero ensayos a pequeña escala en cajas de suelo transparente llenas con arena o arcilla. Midiendo cómo cambiaba la presión en numerosos puntos durante la inyección, demostraron que, para el mismo volumen de lechada y configuración de bolsa, los suelos más rígidos (con menor compresibilidad) desarrollaban mayores presiones adicionales que los más blandos. En ambos tipos de suelo la lechada se expandió principalmente compactándose dentro de la bolsa, creando una zona de presión limitada y bien definida en lugar de una pluma amplia e incierta.

Escalando a un modelo de túnel realista

A continuación, el equipo construyó un gran modelo tridimensional: un anillo de acero que representaba un túnel de metro, enterrado en una caja de arena compactada e instrumentado con docenas de sensores de presión y reglas de desplazamiento. Probaron dos estrategias de reparación. En una, se colocó una sola bolsa directamente debajo del túnel. En la otra, se instalaron dos bolsas en posiciones a 45 grados respecto al fondo, una a cada lado. Mientras se bombeaba la lechada, los sensores registraban cómo crecía la presión del suelo alrededor del túnel, cómo cambiaba el diámetro interior del túnel vertical y horizontalmente, y cuánto se elevaba el túnel a lo largo de su longitud.

Cómo la colocación de las bolsas altera el comportamiento del túnel

Cuando se inyectó lechada directamente bajo el túnel, la presión del suelo en la base aumentó bruscamente mientras que la parte superior cambió solo ligeramente. El túnel sí se elevó como se pretendía, pero su sección circular se aplastó hasta adoptar una elipse más horizontal: el diámetro vertical se redujo y el diámetro horizontal aumentó casi en la misma medida. Esta «deformación elíptica horizontal» es indeseable porque puede introducir nuevas tensiones y daños. En contraste, cuando las bolsas se colocaron a 45 grados a ambos lados, el túnel experimentó igualmente un claro levantamiento, pero su forma cambió muy poco. Las presiones del suelo en la base y en los laterales aumentaron de manera más equilibrada, y los diámetros vertical y horizontal del túnel se mantuvieron próximos a sus valores originales.

Rastreando cómo la presión viaja de la bomba al túnel

Al diseccionar la lechada endurecida tras los ensayos, los investigadores visualizaron cómo evolucionaron los bulbos de lechada. Bajo el centro del túnel, el bloque final de lechada tenía forma cónica y era algo asimétrico, coincidiendo con las presiones desiguales registradas en los dos lados del túnel y la pronunciada distorsión oval. Con las bolsas laterales a 45 grados, los cuerpos de lechada eran más cilíndricos y similares en ambos lados, y las presiones medidas fueron casi simétricas. A partir de estas observaciones, los autores describen una cadena clara de transferencia de carga: la presión de la bomba infla la bolsa, la bolsa en expansión comprime el suelo cercano y aumenta la presión del terreno, y esa presión adicional se transmite finalmente a la pared del túnel como cargas que lo arquean y elevan.

Qué significa esto para túneles reales

Para no especialistas, el mensaje principal es que el uso de bolsas rellenas de lechada bajo túneles de metro puede hacer las reparaciones más precisas y menos arriesgadas que las inyecciones de flujo libre tradicionales. El estudio muestra que el tipo de suelo influye fuertemente en cuánto empuje de elevación puede proporcionar un volumen dado de lechada, y que la ubicación de las bolsas alrededor del túnel es crucial. Colocar las bolsas a 45 grados en ambos lados puede elevar un túnel asentado preservando en gran medida su forma circular, limitando nuevas tensiones y grietas. Esta mejor comprensión de cómo la presión viaja desde la bomba, a través de la bolsa y el suelo, hasta el túnel ofrece a los ingenieros una base científica más sólida para diseñar operaciones de elevación seguras y dirigidas bajo nuestras ciudades.

Cita: Liu, J., Huang, D., He, S. et al. Analysis of the influence of bottom bag grouting lifting on the mechanical response of shield tunnels. Sci Rep 16, 5867 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36427-z

Palabras clave: túnel con tuneladora, inyección de lechada, mantenimiento de metro, asentamiento del terreno, levantamiento del túnel