Investigación sobre la simulación numérica de la estabilidad de la roca circundante de una galería profunda con un modelo avanzado de ablandamiento por deformación basado en el criterio de Hoek-Brown

Por qué importa el terreno alrededor de los túneles

A medida que las minas y los túneles de transporte subterráneo alcanzan profundidades cada vez mayores, la roca alrededor de estas cavidades se ve sometida a esfuerzos cercanos a su punto de ruptura. Cuando esa roca comienza a fisurarse y dilatarse, puede deformar los soportes de acero, llenar los túneles de escombros y poner en serio peligro a los trabajadores. Este estudio plantea una pregunta práctica con grandes implicaciones de seguridad y económicas: ¿pueden los modelos informáticos más avanzados ayudar a los ingenieros a predecir el comportamiento de la roca a profundidad tras la excavación, de modo que diseñen sistemas de sostenimiento que realmente se ajusten a la realidad?

Ir más allá de un comportamiento rocoso simple

Los métodos de diseño tradicionales a menudo tratan la roca como si fuera un material casi elástico que se debilita de forma directa una vez que falla. Pero las observaciones en minas profundas muestran algo más complejo: tras alcanzar la resistencia máxima, la roca puede perder rigidez, perder resistencia, agrietarse e incluso aumentar su volumen a medida que los fragmentos rotos se reorganizan y dilatan. Los autores se centran en un modelo de “ablandamiento por deformación avanzado” llamado IMASS, desarrollado sobre una regla de resistencia de roca ampliamente utilizada conocida como criterio de Hoek–Brown. IMASS intenta captar cuatro comportamientos clave tras la rotura: pérdida de cohesión y resistencia a tracción, aumento de la fricción entre fragmentos, ablandamiento gradual de la rigidez y una transición de ruptura frágil a un flujo más dúctil similar al plástico.

Cómo el nuevo modelo representa la roca agrietada

El modelo IMASS representa la historia de vida de un macizo rocoso alrededor de un túnel en etapas. Primero está el estado intacto de resistencia máxima, donde la roca aún está sólida. Cuando el esfuerzo supera cierto umbral, el material entra en una etapa post-pico: se forman grietas, la resistencia cohesiva disminuye, pero los fragmentos aún están interbloqueados y relativamente densos. Con más deformación, el sistema avanza hacia un estado último, donde los fragmentos rotos se han reordenado, la porosidad puede alcanzar aproximadamente el 40% y la roca se comporta más como un montón granular. El modelo vincula estas etapas con cantidades medibles como el índice de calidad del macizo rocoso (geological strength index), la resistencia a compresión medida en laboratorio y un parámetro que describe la rapidez con que se acumula la deformación plástica por corte. También permite que la rigidez elástica y la tendencia de la roca a dilatar—aumentar de volumen durante el corte—evolucionen con el daño.

Comprobar qué propiedades de la roca importan más

Para ver cómo influyen estos ingredientes en la estabilidad del túnel, los autores construyeron un modelo numérico tridimensional de una galería profunda a unos 1.000 metros de profundidad, con una sección típica semicircular. Ejecutaron simulaciones sistemáticas variando un grupo de propiedades a la vez. Al cambiar la calidad de la roca de mala a buena, observaron cómo se degradaban la cohesión y la resistencia a tracción, cómo aumentaba la fricción interna y cómo evolucionaban la extensión de las zonas plásticas (deformadas permanentemente) y los desplazamientos alrededor del túnel. Luego activaron y desactivaron el ablandamiento del módulo, exploraron el impacto de la dilatancia por corte (cuánto aumenta de volumen el macizo rocoso al cizallarse) y ajustaron un parámetro de fragilidad que controla la rapidez con que el material pasa de ser fuerte y rígido a totalmente ablandado. Los resultados muestran que los desplazamientos y el daño son muy sensibles al ablandamiento del módulo y a la dilatancia cuando la roca es débil y frágil, pero mucho menos cuando el macizo rocoso es más fuerte y continuo.

Combinar múltiples señales de advertencia en una puntuación

En lugar de confiar en un único indicador como el movimiento del muro del túnel o un teórico “círculo suelto”, los autores proponen un índice de estabilidad combinado que fusiona varias medidas en una puntuación entre 0 y 1. Incluyen el tamaño de la zona plástica, la deformación total, el nivel y la distribución del esfuerzo máximo, cuánto se ha debilitado la cohesión y la intensidad de la dilatancia. Utilizando un método estructurado de toma de decisiones (proceso analítico jerárquico) corregido por un esquema de ponderación basado en la entropía, asignan pesos racionales a cada factor, dando mayor importancia al tamaño de la zona plástica y a la concentración de esfuerzos. Tras normalizar todas las magnitudes, calculan un índice único que puede clasificar la galería como estable, marginal, críticamente inestable o con alto riesgo de colapso, y orientar las medidas de sostenimiento correspondientes.

Aplicando el modelo en una mina real

El equipo aplicó entonces tanto el avanzado modelo IMASS como un modelo convencional de ablandamiento por deformación a una galería profunda en roca blanda de la mina de carbón Quandian, en China, donde la roca es arenisca fuertemente fracturada. Compararon desplazamientos simulados, profundidades de fallo, patrones de esfuerzo y dilatancia con mediciones de campo. El modelo convencional predijo deformaciones significativamente menores y una zona de fallo más pequeña de lo observado in situ, proporcionando un índice de estabilidad excesivamente optimista con una desviación de aproximadamente el 162% respecto al valor medido. En contraste, las simulaciones IMASS produjeron desplazamientos mayores, zonas plásticas más amplias, dilatancia más pronunciada y una coincidencia mucho más cercana con la realidad; su índice de estabilidad difirió del valor medido en solo alrededor del 26% y además identificó correctamente la galería como en un estado de alto riesgo.

Qué implica esto para túneles más seguros

Para un público no especialista, el mensaje es directo: la roca alrededor de túneles profundos no se limita a agrietarse y detenerse—se ablanda, se hincha y se reorganiza gradualmente, y estas sutilezas importan para la seguridad. El modelo IMASS, al seguir la pérdida de rigidez, la dilatancia y la fragilidad, ofrece una imagen más realista de cómo se propaga el daño alrededor de una excavación y qué tan cerca está el sistema de la inestabilidad. Al combinarse en un único índice de estabilidad, esta descripción más completa permite a los ingenieros elegir medidas de sostenimiento más robustas o más económicas con mayor confianza. Aunque los autores señalan que trabajos futuros deben incluir cargas dinámicas, aguas subterráneas y efectos dependientes del tiempo, su estudio muestra que modelos numéricos más matizados pueden reducir sustancialmente la brecha entre la predicción y lo que realmente ocurre bajo tierra.

Cita: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

Palabras clave: estabilidad de galerías profundas, ablandamiento de macizo rocoso, simulación numérica, diseño de sostenimiento subterráneo, criterio de Hoek-Brown