Método en dos etapas para el cálculo y análisis de la deformación del túnel de metro existente causada por el cruce diagonal del nuevo túnel

Por qué importa el cruce de túneles de metro en las ciudades

A medida que las ciudades crecen y se añaden nuevas líneas de metro, con frecuencia los nuevos túneles deben sortear otros ya en servicio. Excavar un túnel nuevo bajo una línea existente y activa puede deformar esa estructura, lo que afecta la comodidad del viaje y la seguridad a largo plazo. Este estudio aborda una cuestión muy práctica para urbanistas e ingenieros: cuando un túnel nuevo atraviesa en diagonal por debajo de un túnel de metro curvado, ¿cuánto se moverá el túnel existente y qué decisiones de diseño minimizan ese movimiento?

Dividir un problema subterráneo complejo en dos pasos

Los autores proponen un método de cálculo refinado “en dos etapas” que convierte un problema complejo de obra subterránea en algo que puede analizarse con fiabilidad mediante ordenador. En la primera etapa estiman cuánto se perturba el terreno alrededor del túnel existente cuando se excava un nuevo túnel con escudo por debajo. Para ello usan una solución clásica de la mecánica del suelo que describe cómo se distribuye el esfuerzo en el terreno debido a una carga enterrada. Esto les permite calcular los empujes y tracciones adicionales que la excavación del nuevo túnel impone en cada punto a lo largo del túnel antiguo, incluso cuando los túneles se cruzan en ángulo y el túnel existente es curvo en planta.

Tratar el túnel de metro como una viga flexible en el terreno

En la segunda etapa, el túnel existente se modela como una viga larga y ligeramente flexible apoyada sobre una cama elástica que representa el suelo circundante. Esta cama no solo se comprime verticalmente, como muchos pequeños muelles, sino que también se desplaza por cortante lateral, lo que hace que el modelo sea más realista conservando la simplicidad necesaria para el diseño habitual. Los esfuerzos adicionales calculados en la primera etapa se aplican a lo largo de esta viga para determinar cuánto se dobla el túnel y cuánto se desplaza verticalmente. El modelo incluye también un “factor de reducción de esfuerzos” que tiene en cuenta zonas donde el terreno alrededor del túnel ha sido reforzado mediante inyecciones de lechada, una medida protectora común en la construcción de metro.

Probar el método en un proyecto real de metro

Para comprobar si la teoría se ajusta a la realidad, los investigadores aplicaron su método a un tramo real del Metro de Zhengzhou, donde una línea nueva pasaba en diagonal bajo un túnel curvado ya existente. Emplearon propiedades locales del suelo y del túnel, realizaron los cálculos y compararon los desplazamientos verticales predichos con mediciones precisas tomadas durante la construcción. El desplazamiento máximo predicho en la clave del túnel fue ligeramente mayor que el movimiento medido en el tablero, lo cual es esperable porque la cubierta suele deformarse más. Más importante aún, la forma y magnitud de la curva de deformación calculada coincidieron bien con los datos de monitorización, lo que demuestra que el método puede ofrecer a los ingenieros una imagen fiable de lo que ocurrirá bajo tierra.

Qué decisiones de diseño importan más bajo tierra

Con el método validado, los autores examinaron cómo los parámetros clave de diseño y construcción influyen en el movimiento del túnel. Encontraron que la distancia vertical entre el túnel nuevo y el viejo tiene un efecto claro: cuanto más cerca pasa el nuevo túnel por debajo del existente, mayor es el ascenso del túnel antiguo. El ángulo de cruce entre túneles es igualmente importante. Los cruces poco profundos y casi paralelos provocan deformaciones mayores y extendidas en una distancia mayor, mientras que los cruces más pronunciados y cercanos a 90° reducen significativamente el impacto. Por el contrario, el radio de curvatura del túnel existente tuvo muy poco efecto sobre el movimiento vertical, lo que sugiere que giros moderados en planta no son una preocupación destacada en este tipo de cruce.

El papel del refuerzo del terreno alrededor del túnel

El estudio también analizó cómo la inyección de lechada alrededor del túnel ayuda a controlar el movimiento. Ampliar la zona lechada a lo largo del túnel existente redujo sustancialmente su desplazamiento vertical, especialmente al pasar de no aplicar inyecciones a un tramo moderado tratado. Sin embargo, más allá de cierta longitud, la inyección adicional aportó solo beneficios marginales, lo que apunta a un punto óptimo práctico entre seguridad y coste. El comportamiento exacto de compresibilidad del terreno lechado, descrito por un parámetro similar a la relación de Poisson, resultó tener solo una influencia menor sobre el movimiento del túnel dentro del rango probado, en comparación con la extensión de la lechada.

Qué significa esto para futuras construcciones de metro

En conjunto, el estudio ofrece a los ingenieros una herramienta práctica para predecir cómo responderá un túnel de metro existente cuando un nuevo túnel con escudo pase en diagonal por debajo, incluso si el túnel antiguo es curvo y el suelo ha sido reforzado. Para los no especialistas, la conclusión es sencilla: mantener una separación razonable entre túneles, disponer los cruces lo más próximos posible a ángulos rectos y aplicar un refuerzo del terreno bien diseñado pero no excesivamente extenso son las medidas más eficaces para mantener seguro y confortable un túnel en servicio cuando se añaden nuevas líneas bajo él.

Cita: Li, Y., Zhao, Y., Shi, G. et al. Two-stage-method-based calculation and analysis of the deformation of the existing subway tunnel caused by the diagonal crossing of the new tunnel. Sci Rep 16, 11460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40967-9

Palabras clave: túneles de metro, tunelización con escudo, deformación de túneles, refuerzo del terreno, construcción subterránea