Estudio experimental sobre el riesgo de fallo de una estación de metro existente ante una excavación unilateral a gran escala

Por qué cavar cerca de los metros puede ser peligroso

A medida que las ciudades añaden nuevas líneas de metro y centros comerciales subterráneos, los constructores a menudo deben excavar enormes fosas justo junto a estaciones que ya están en servicio. A primera vista, esas estaciones parecen fortalezas subterráneas sólidas. Pero cuando se retira suelo solo en un lado, cambia el equilibrio oculto de presiones en el terreno. Este estudio plantea una pregunta práctica con grandes implicaciones de seguridad: ¿qué tan ancha y qué tan profunda puede excavar la ingeniería en un solo lado de una estación de metro en funcionamiento antes de que la estación se incline, las calles próximas se agrieten o los edificios empiecen a fallar?

Una estación real inspira un experimento de laboratorio

La investigación se basa en la estación Jincheng Plaza en Chengdu, China, un concurrido nudo subterráneo donde confluyen tres líneas de metro. Una línea ya está construida, mientras que las otras requieren una nueva excavación masiva justo al lado de la estación terminada, dejando expuesta una de sus paredes laterales largas. Para explorar los riesgos antes de la construcción completa, los autores construyeron un modelo detallado a escala de la estación y del terreno de roca blanda y suelo circundante. Usando una escala 1:100, colocaron en el laboratorio una caja transparente con suelo, incrustaron una estación en miniatura hecha de plástico rígido y luego «excavaron» un lado del suelo en pasos controlados con precisión.

Observando cómo se mueve y deforma una estación en miniatura

El modelo se instrumentó como en un proyecto real. Medidores de desplazamiento registraron cómo se movía la cubierta de la estación vertical y lateralmente. Celdas de presión detrás del muro midieron cómo cambiaba el empuje del suelo, y galgas extensométricas en la pared registraron cuánto se estiraba o comprimía la estructura de la estación. El equipo ejecutó 28 escenarios de excavación diferentes, combinando cuatro profundidades y siete anchuras de excavación unilateral, desde fosas modestias hasta la extracción de suelo a lo largo de toda la longitud de la estación. Tras cada pequeño paso de excavación, esperaban a que el suelo se asentara y luego registraban las nuevas deformaciones, presiones y esfuerzos.

Qué ocurre cuando se excava en exceso por un lado

Los experimentos revelaron que el asiento vertical de la cubierta de la estación se mantuvo pequeño y dentro de los límites de seguridad en todos los casos probados; la estación apenas se hundió. El peligro real vino del movimiento lateral. A medida que la excavación unilateral se hizo más profunda y más ancha, la estación se inclinó de forma sostenida hacia la fosa. Cuando la profundidad de la excavación superó aproximadamente dos tercios de la altura de la estación, la inclinación se hizo evidente. Para anchuras de excavación en torno a la mitad hasta igualar la anchura de la estación, el movimiento lateral alcanzó niveles de advertencia; en anchuras aún mayores (100 metros y más en el proyecto real), la deformación lateral excedió el umbral de seguridad basado en el código, lo que significa que no se podía garantizar el funcionamiento normal de los trenes.

El suelo se afloja arriba y se comprime abajo

El propio suelo también mostró un comportamiento revelador. A medida que la estación se inclinaba, el suelo superficial justo detrás del muro excavado perdió contacto con la estructura y se volvió más suelto, de modo que la presión del terreno allí cayó drásticamente —hasta aproximadamente un 98 por ciento en el caso más extremo. Al mismo tiempo, el suelo más profundo cerca de la base del muro se comprimió con mayor intensidad, aumentando la presión en una zona compactada. Esta combinación significa que el terreno cercano a la superficie ya no puede soportar de forma segura pavimentos o cimientos de edificios, incrementando el riesgo de colapso de carreteras o edificios inclinados, aun cuando la carcasa de hormigón de la estación conserve suficiente resistencia y no se agriete.

Un mapa práctico de advertencia para los constructores

Puesto que la inclinación lateral resultó ser el indicador más sensible de problemas, los autores usaron sus datos para construir un gráfico de zonificación de riesgo simple. Divide las combinaciones de profundidad y anchura de excavación en cuatro niveles codificados por colores: A (sin riesgo), donde la construcción puede continuar con normalidad; B (riesgo general), que requiere supervisión más cercana; C (alto riesgo), donde el trabajo debería detenerse para una evaluación de seguridad; y D (riesgo mayor), donde se necesitan medidas de emergencia inmediatas. Aplicado al proyecto Jincheng Plaza, el método predijo correctamente una zona de alto riesgo C en una excavación planificada de 22 metros de profundidad y 80 metros de anchura; tras añadir apoyo adicional, el movimiento real de la estación disminuyó aproximadamente en dos tercios. Para planificadores urbanos e ingenieros, este estudio convierte la compleja mecánica subterránea en una herramienta práctica y fácil de usar para mantener seguras las estaciones de metro y los edificios cercanos durante ambiciosas nuevas excavaciones.

Cita: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

Palabras clave: seguridad de estaciones de metro, excavación profunda, deformación del terreno, tunelización urbana, evaluación de riesgos