Los efectos del movimiento de fallas normales en el mecanismo de fallo de túneles de conducción de agua considerando la interacción multifísica

Por qué los túneles subterráneos de agua pueden fallar durante los terremotos

Muchas ciudades y zonas agrícolas dependen de largos túneles subterráneos para trasladar agua desde las montañas hasta los núcleos de población. Estos túneles vitales a menudo atraviesan fallas activas: fracturas en la Tierra que pueden desplazarse de forma repentina durante los sismos. Cuando una falla bajo un túnel se mueve, los bloques de terreno a cada lado se desplazan en direcciones distintas, tensando y flexionando la estructura. Este estudio analiza cómo dicho movimiento de falla daña túneles de gran tamaño y qué decisiones de diseño pueden aumentar su seguridad.

Qué sucede cuando una falla corta un túnel de agua

Los investigadores se centran en un tipo común de falla llamada falla normal, en la que un bloque de roca desciende respecto al otro. En muchos sismos pasados, los peores daños en túneles se han localizado justo donde el túnel cruza la falla, incluso cuando la roca circundante parece maciza. Se han documentado grietas, hormigón fracturado e incluso colapsos en esos cruces. Para los sistemas de agua potable y riego, tales fallos pueden interrumpir el suministro, provocar fugas y erosión, y ser muy difíciles y costosos de reparar a gran profundidad.

Un experimento virtual que incluye roca, hormigón y agua en movimiento

Para investigar el problema, los autores construyeron un modelo numérico tridimensional detallado de un gran túnel presurizado que atraviesa una falla normal. El modelo incluye la roca circundante, una zona de falla más débil y fracturada, la carcasa de hormigón armado del túnel y el agua que circula en su interior. Se vincularon dos herramientas informáticas especializadas: una calcula cómo se deforman y agrietan los materiales sólidos (roca y hormigón) y la otra simula el flujo turbulento del agua. Una plataforma de acoplamiento permite que estos dos mundos "conversen", intercambiando cómo se mueve el túnel y cómo el agua ejerce presión sobre él. Antes de ejecutar numerosas simulaciones, el equipo validó su modelo con una prueba de laboratorio a escala tipo "caja de arena" de un túnel cruzando una falla. El túnel numérico se dobló y agrietó de forma muy similar al modelo físico, especialmente en la localización de las concentraciones de deformación y las mayores grietas, lo que aporta confianza de que el montaje virtual captura el comportamiento clave.

Dónde y cómo se daña el túnel

En todos los escenarios simulados se observó un patrón claro: el movimiento de la falla produjo daños muy localizados. El revestimiento de hormigón en la zona de falla y un tramo limitado —decenas de metros— a cada lado sufrieron una distorsión severa, mientras que el resto del largo túnel permaneció casi elástico, con pocos cambios permanentes. Los puntos más vulnerables fueron la clave (parte superior) y el fondo (intradós) del túnel cerca de la falla, donde la flexión y el cortante se combinan para separar el hormigón por tracción. Los autores emplearon un índice único de daño, llamado Daño Global del Revestimiento por Tracción (OLDT, por sus siglas en inglés), para resumir el grado de agrietamiento del revestimiento en un tramo de túnel. A medida que aumentaba el desplazamiento de la falla, este índice creció rápidamente en la zona de falla, acercándose a un estado que corresponde a una pérdida de función casi completa, mientras se mantenía bajo en el resto.

Cómo la geología y las decisiones de diseño modifican el resultado

El equipo varió luego cinco factores principales: la magnitud del deslizamiento de la falla, el ángulo de la falla, el ancho de la zona fracturada, la resistencia de esa zona débil y la resistencia del hormigón del revestimiento. Desplazamientos de falla mayores elevaron de forma notable el índice de daño en la zona de falla, confirmando que el desplazamiento permanente del terreno es un motor principal del fallo. Ángulos de falla más inclinados y zonas fracturadas más anchas cambiaron sobre todo la extensión de las deformaciones a lo largo del túnel, pero no aumentaron drásticamente el daño máximo. En contraste, aumentar la cohesión de la zona de falla o usar hormigones de mayor resistencia redujo tanto la región gravemente dañada como el valor del índice. Curiosamente, el agua presurizada dentro del túnel desplazó ligeramente los patrones de esfuerzos en el revestimiento, pero no cambió de forma fundamental el modo de fallo; el control primario siguió siendo la rigidez relativa de la roca, la zona de falla y el revestimiento.

Qué implica esto para la seguridad de las arterias de agua

Para los ingenieros, el mensaje es que el esfuerzo de diseño debe concentrarse en la sección donde el túnel cruza la falla, más que en toda la alineación. Reforzar o inyectar lechada en una zona de falla muy débil y emplear materiales de revestimiento más resistentes o detalles constructivos especiales en el punto de intersección pueden reducir en gran medida el riesgo de fisuración a través y de colapso, incluso ante un gran deslizamiento de falla. El estudio también muestra que un único índice cuantitativo de daño, como el OLDT, puede ayudar a comparar opciones de diseño y fijar objetivos de rendimiento. En esencia, aunque el movimiento de fallas normales es un peligro serio, un diseño cuidadoso del tratamiento de la roca y del revestimiento alrededor de la falla puede mantener estos túneles críticos de conducción de agua operativos cuando más se les necesita.

Cita: Xinwei, Z., Zhanxiang, C. & Weiheng, L. The effects of normal fault movement on the failure mechanism of water conveyance tunnels considering multi-field interaction. Sci Rep 16, 12447 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41070-9

Palabras clave: túneles de conducción de agua, fallas normales, daños sísmicos en túneles, interacción fluido–estructura, seguridad de infraestructuras subterráneas