Criterios de selección del agente espumante y evaluación del comportamiento mecánico del suelo acondicionado para tuneladoras EPB en estratos de arena rica en agua

Por qué las burbujas importan bajo tierra

Las ciudades modernas dependen de líneas ferroviarias subterráneas y túneles de servicios, muchos de los cuales se excavan con máquinas gigantes que atraviesan el suelo como trenes subterráneos. Cuando estas tuneladoras trabajan en arenas sueltas impregnadas de agua, el terreno puede comportarse más como arenas movedizas que como tierra sólida, con riesgo de hundimientos, inundaciones y costosos retrasos. Este estudio explora cómo una espuma diseñada con criterio —esencialmente burbujas controladas— puede usarse para dominar esa arena difícil, mantener estable el frente de excavación y ayudar a la máquina a avanzar de forma segura y eficiente.

Excavar a través de arena húmeda e inestable

El tipo de tuneladora examinado aquí se llama escudo de Balance de Presión de Tierra (EPB). Empuja contra el suelo en el frente del túnel mientras avanza lentamente. En arenas ricas en agua, el suelo excavado es muy permeable y granular, con baja cohesión y elevada fricción interna. El agua puede entrar a borbotones en el tornillo transportador de la máquina, y la arena suelta tiende a formar arcos y atascos. Para evitar esto, los operarios inyectan acondicionadores como la espuma en el suelo recién excavado. El objetivo es transformar la arena irregular y permeable en una mezcla homogénea y pastosa que pueda soportar presión de forma segura, fluir por la máquina y extraerse sin obstrucciones ni descargas súbitas de agua y material.

Probando muchas recetas de burbujas

Los investigadores examinaron ocho agentes espumantes comerciales —mezclas químicas que generan burbujas al combinarse con agua y aire. Utilizando un generador de espuma a medida y varios dispositivos de laboratorio, midieron propiedades clave de las soluciones espumantes. Estas incluyeron la tensión superficial (qué facilidad tienen las burbujas para formarse), la relación de expansión de la espuma (qué volumen de espuma se obtiene a partir de un volumen dado de líquido), la velocidad de colapso de la espuma en un tubo de vidrio y la vida media de la espuma, que indica cuánto tarda en drenarse la mitad de la espuma. Variando la concentración de cada agente, identificaron un “punto óptimo” donde las burbujas se forman con facilidad y a la vez son estables, sin desperdiciar producto.

De las pruebas de burbujas al comportamiento del terreno

La calidad de la espuma por sí sola no es suficiente; debe mejorar realmente la arena excavada. El equipo seleccionó tres agentes espumantes representativos y mezcló su espuma con arena mal graduada y rica en agua de un sitio de túnel metropolitano en Nanchang, China. Luego midieron cómo se comportaba el suelo tratado, usando ensayos simples pero informativos. Una prueba de asentamiento comprobó hasta qué distancia se extiende un cono de suelo acondicionado bajo su propio peso, indicando su fluidez. Ensayos de permeabilidad bajo presión mostraron la facilidad con que el agua puede atravesar la mezcla. Una prueba de pequeña veleta midió la resistencia al corte no drenada, un indicador de cuánto puede el suelo acondicionado resistir deformaciones mientras actúa como una masa plástica. Ajustando el volumen de espuma inyectada, los investigadores lograron que el comportamiento del suelo entrara en rangos conocidos como seguros y trabajables para la tuneladora EPB.

Elegir la espuma adecuada para el trabajo

De estos experimentos, los autores sintetizaron reglas prácticas de selección. Un agente espumante eficaz debería, aproximadamente al 3% de concentración en agua, reducir la tensión superficial por debajo de 40 mN/m, producir una espuma que se expanda más de 12 veces el volumen del líquido, mantener al menos 150 mL de espuma en una prueba estándar tras 15 minutos y tener una vida media superior a 400 segundos. También hallaron que las espumas cuyo volumen decae siguiendo una curva suavemente cóncava con el tiempo tienden a desempeñarse mejor que las que pierden volumen de forma más lineal y rápida. Cuando tales espumas se inyectan en volúmenes adecuados —a menudo alrededor del 20–25% del volumen de suelo excavado—, el suelo resultante presenta asentamientos de 150–200 mm, permeabilidades muy bajas y resistencias al corte moderadas, características que favorecen una operación de la máquina suave y controlada.

Qué significa esto para túneles más seguros

Para el público general, la conclusión es que no todas las burbujas son iguales. Afinando cuidadosamente cómo se genera la espuma y seleccionándola mediante umbrales numéricos claros, los ingenieros pueden transformar arenas problemáticas y saturadas en un material manejable que soporte presión, fluya como una crema espesa y resista fugas peligrosas. El estudio ofrece una forma estandarizada de elegir y ensayar agentes espumantes, reduciendo la prueba y error en obra y contribuyendo a proteger a los trabajadores, las calles de la ciudad y los edificios cercanos mientras se crea nuevo espacio subterráneo bajo nuestros pies.

Cita: Zhou, Y., Zhu, B., Luo, R. et al. Selection criteria for foaming agent and mechanical performance evaluation of conditioned soil for EPB shield tunneling in water-rich sand strata. Sci Rep 16, 12331 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38868-y

Palabras clave: tuneladora, acondicionamiento del suelo, agentes espumantes, arena rica en agua, construcción subterránea