Estudio experimental sobre la influencia del lechada sincrónica en la excavación con escudo sobre un túnel existente superior en un estrato de suelo arenoso

Por qué importa lo que ocurre bajo nuestras ciudades

Las ciudades modernas dependen cada vez más de capas superpuestas de túneles subterráneos para metros, servicios y carreteras. Cuando los ingenieros necesitan construir un túnel nuevo por debajo de uno más antiguo, inyectan lechada líquida alrededor de la nueva estructura para evitar el hundimiento del terreno. Pero en suelos sueltos y arenosos, esa misma lechada puede empujar involuntariamente sobre el túnel superior, doblándolo y comprimiéndolo de formas que podrían poner en riesgo la seguridad a largo plazo. Este estudio utiliza un modelo de laboratorio cuidadosamente escalado para mostrar cómo y por qué sucede eso, y cuánto lechada es demasiado.

Construyendo una ciudad subterránea en miniatura

Para indagar en estos procesos ocultos, los investigadores construyeron una gran caja de suelo rellena de arena cuyas granulometrías y densidad imitan las condiciones reales del metro. En su interior instalaron un modelo de acero de un túnel circular "existente" y, por debajo, un segundo túnel que representa el que se excava con una tuneladora. Todo el montaje se hizo a una décima parte del tamaño real, lo que permitió un control preciso manteniendo un comportamiento realista. En lugar de simular todos los pasos de la excavación a la vez, separaron las fases: la excavación se había modelado en trabajos anteriores, y este estudio se centró únicamente en el lechada que se aplica detrás del escudo a medida que se instalan los nuevos anillos.

Cómo se inyecta y mide la lechada

En proyectos reales, la lechada se bombea al estrecho hueco detrás de la cola del escudo para rellenar el espacio entre el revestimiento y el terreno. El equipo recreó esto con una cola de escudo personalizada, cepillos de sellado y tuberías de inyección conectadas a una bomba. Variaron dos parámetros clave: el contenido de agua de la lechada y cuánto material se inyectó en relación con el volumen que estrictamente necesitaba llenarse, conocido como la relación de llenado de lechada. Pequeños sensores enterrados en la arena midieron cómo cambiaba la presión en el suelo alrededor del túnel superior. En el interior de ese túnel, reglas de acero solapadas, láseres y cámaras registraron cambios diminutos en diámetro y curvatura, permitiendo a los investigadores ver exactamente cómo se flexionaba la estructura a medida que avanzaba el lechado.

Empujes y curvaturas ocultas en el túnel superior

Las mediciones revelaron que la lechada no actúa de forma uniforme. A medida que la zona lechada se desplazaba bajo el túnel existente, la presión en la arena aumentaba bruscamente, especialmente directamente bajo la parte central del túnel. La base del túnel superior experimentó el mayor incremento, mientras que los lados cambiaron poco y la parte superior solo moderadamente. Cuando la relación de llenado de lechada era alta, el empuje hacia arriba en la base del túnel fue aproximadamente una vez y media mayor que cuando se usó una cantidad más moderada. Esta carga desigual hizo que el túnel superior arquease hacia arriba sobre la trayectoria del lechado, con la base elevándose más que la parte superior. Al mismo tiempo, la sección transversal del túnel cambió de forma: su diámetro vertical se redujo mientras que el diámetro horizontal aumentó, transformando el círculo en un óvalo suave lateral.

Cuando más lechada se convierte en un problema

Estas deformaciones importan porque los túneles están diseñados para distribuir las fuerzas de manera uniforme alrededor de sus anillos circulares. Cuando la base sobresale y la sección se vuelve elíptica, algunas partes del revestimiento soportan mucha más tensión que otras. El estudio muestra que, en suelos arenosos, usar una relación de llenado de lechada alta (alrededor de 1,6 veces el volumen de hueco estricto) puede provocar movimientos ascendentes significativos y ovalización de un túnel superior. Una vez que la lechada bajo el túnel se endureció y encogió ligeramente, parte del levantamiento se recuperó, pero el episodio de curvatura adicional ya habría sometido a la estructura a esfuerzos. Con el tiempo, tales cambios pueden favorecer grietas, apertura de juntas, daños en pernos y filtraciones.

Lecciones prácticas para túneles más seguros

Para un no especialista, el mensaje es claro: al excavar un nuevo túnel bajo uno antiguo en suelo arenoso, demasiada lechada de apoyo puede ser casi tan problemática como muy poca. Los experimentos sugieren que mantener la relación de llenado de lechada por debajo de aproximadamente 1,6, y ajustarla en función de monitorización en tiempo real, ayuda a evitar elevaciones y distorsiones excesivas del túnel existente. Al comprender mejor estas fuerzas subterráneas invisibles, los ingenieros pueden perfeccionar sus diseños y controles de obra, protegiendo los túneles que ya transportan a millones de pasajeros mientras añaden los nuevos que demandan nuestras ciudades en crecimiento.

Cita: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Palabras clave: excavación con escudo, lechada sincrónica, túneles de metro, suelo arenoso, deformación de túneles