Evolución del daño sísmico y características dinámicas de la roca circundante en portales de túnel en taludes anti‑inclinación reforzados con vigas‑marco

Por qué importan los accesos a túneles en grandes terremotos

Cuando ocurre un gran terremoto, tendemos a imaginar edificios derrumbados y puentes rotos. Sin embargo, los túneles de montaña, que atraviesan terrenos escarpados para carreteras y ferrocarriles, a menudo sobreviven con sorprendentemente pocos daños internos. El eslabón débil es la boca del túnel, donde las estructuras subterráneas sólidas se encuentran con taludes rocosos empinados. Este estudio plantea una pregunta práctica con grandes implicaciones para la seguridad de la infraestructura: ¿cómo y por qué los terremotos concentran el daño alrededor de los portales de túnel excavados en taludes rocosos estratificados e inestables, y qué pueden hacer los ingenieros para protegerlos mejor?

Agitar una montaña en miniatura en el laboratorio

Para explorar esto, los investigadores construyeron un gran modelo a escala de una boca de túnel real junto al río Nujiang en China. La ladera sobre el túnel está formada por las llamadas capas rocosas anti‑inclinación: estratos inclinados que se apoyan alejándose de la cara del talud, una geometría conocida por ser proclive al vuelco durante la agitación. Reforzaron el talud modelo con vigas‑marco, ancladas mediante cables y varillas de acero, similares a los sistemas usados en carreteras y líneas ferroviarias reales. Todo el modelo se montó en una mesa vibratoria triaxial, donde pudo ser sometido a movimientos sísmicos realistas registrados en eventos pasados como los terremotos de Kobe, El Centro y Wenchuan.

Cómo respondieron el talud y el túnel a los terremotos

A medida que el equipo aumentó la agitación simulada, midieron con precisión aceleración, deformación, presión de tierra y desplazamientos a lo largo del talud y alrededor del revestimiento del túnel. Las vigas‑marco cumplieron su función en un sentido importante: evitaron que el talud colapsara en un vuelco dramático a gran escala. Sin embargo, la superficie del talud sufrió igual un fuerte desprendimiento, la cresta del talud se desplazó hacia abajo y columnas rocosas se inclinaron notablemente hacia la cara abierta. Lo más crítico para la seguridad del transporte fue que la boca del túnel resultó gravemente afectada. Cuando el nivel de agitación alcanzó aproximadamente la intensidad de la gravedad terrestre (1.0–1.2 g), aparecieron grietas en la base del revestimiento y en las juntas entre dovelas, que acabaron conectándose formando una grieta pasante en el intradós—el suelo del aro del túnel.

Dónde la agitación es más fuerte y por qué sufre el portal

Las medidas revelaron que la agitación no afecta por igual todas las partes del talud. Las aceleraciones se amplificaron al ascender hacia la cresta y fueron más intensas cerca de la superficie, una combinación de efectos de "elevación" y de "superficie". Bajo agitación vertical, el portal del túnel se convirtió en un punto caliente donde las ondas entrantes eran reflejadas y curvadas alrededor del revestimiento y de las capas inclinadas, creando un patrón complejo de movimiento reforzado. A lo largo del túnel, el tramo poco profundo cerca de la entrada vibró con mucha más intensidad que la sección más profunda. La diferencia de movimiento entre la roca por encima y por debajo del túnel creció cerca del portal, tensando el revestimiento y la roca circundante y ayudando a explicar por qué el daño se concentró allí en vez de más hacia el interior de la montaña.

Rastreando daños ocultos mediante propiedades de la roca y energía de onda

Para ir más allá de las observaciones superficiales, los investigadores siguieron cómo cambiaban las propiedades mecánicas del macizo rocoso con la agitación. Usaron relaciones establecidas entre deformación y dos parámetros dinámicos clave: la rigidez cortante de la roca y su capacidad para disipar energía (su amortiguamiento). A medida que la agitación se intensificó, la rigidez de la roca disminuyó y su amortiguamiento aumentó, especialmente en la roca justo por debajo del revestimiento. Mapear estos cambios mostró zonas de daño formándose primero cerca de la parte baja del revestimiento en la entrada, luego extendiéndose más profundamente a lo largo del túnel conforme aumentaba el movimiento de entrada. El equipo también aplicó una herramienta tiempo‑frecuencia llamada transformada de Hilbert–Huang para estudiar cómo se distribuía la energía sísmica entre diferentes frecuencias. Encontraron que, bajo agitación vertical, los componentes de baja frecuencia en el rango 9–12 Hz fueron particularmente importantes para dañar la roca y el revestimiento cerca del portal. Cuando el revestimiento comenzó a agrietarse, la energía de onda en esta banda se atenuó notablemente en la roca bajo el túnel, ofreciendo una forma potencial de detectar daño mediante un monitoreo sísmico cuidadoso.

Qué significa esto para túneles más seguros

Para el público no especializado, la conclusión es clara: los portales de túnel en rocas empinadas y estratificadas no son simplemente versiones pequeñas del túnel subterráneo; son puntos débiles especiales donde el movimiento de la ladera, el enfoque de ondas y los detalles estructurales se combinan para magnificar el daño sísmico. Este estudio muestra que incluso cuando los soportes visibles evitan el colapso del talud, pueden acumularse daños ocultos en la roca y en el revestimiento del túnel, especialmente en su arco inferior. Los autores concluyen que los ingenieros deberían reforzar el intradós (la parte inferior del revestimiento) y la roca bajo él, y prestar atención particular a la agitación vertical y de baja frecuencia al diseñar y evaluar las entradas de túnel. Una mejor comprensión de dónde y cómo se concentra la energía durante los terremotos puede orientar refuerzos y monitoreo más inteligentes, ayudando a mantener abiertos los túneles críticos cuando más se los necesita.

Cita: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

Palabras clave: portal de túnel, daño por terremoto, talud rocoso, agitación sísmica, infraestructura subterránea