Estudio por elementos discretos sobre las propiedades mecánicas de estratos estratificados de arena y cantos bajo un camino de descarga de esfuerzos en la construcción con escudo

Por qué la excavación subterránea afecta la vida de la ciudad

A medida que las ciudades amplían sus redes de metro y servicios, se perforan más túneles bajo calles y edificios. Cuando una gran tuneladora de tipo escudo perfora un túnel, altera cómo se comprime y libera el terreno circundante. En suelos estratificados formados por arena suelta y cantos gruesos, estos cambios pueden provocar asentamientos o desplazamientos inesperados del terreno, poniendo en riesgo las estructuras cercanas. Este estudio plantea una pregunta práctica: ¿cómo influyen las diferentes formas de liberar la presión subterránea durante la excavación en la resistencia y estabilidad de este tipo de terreno mixto, y cuánto importa la composición por capas?

Capas de arena y piedras bajo nuestros pies

Muchas ciudades chinas—y de hecho muchas ciudades del mundo—se asientan sobre un terreno “compuesto” formado por capas alternas de arena fina y cantos o gravas de tamaño grueso. Estos materiales se comportan de forma muy distinta cuando se les aplica esfuerzo: la arena puede fluir y reorganizarse, mientras que los cantos forman un armazón más rígido. Durante la tunelización con escudo, el terreno frente a la máquina atraviesa un recorrido complejo de compresión, corte y luego descarga a medida que se retira material. Las pruebas de laboratorio tradicionales, que suelen simplemente comprimir un suelo uniforme bajo presión lateral constante, no capturan este camino de esfuerzos real, y en particular la etapa crucial de descarga cuando avanza el frente del túnel y cambian las condiciones de apoyo.

Seguir cómo se comprime y libera el terreno

Para imitar la tunelización real con mayor fidelidad, los investigadores emplearon un enfoque numérico llamado método de elementos discretos, que representa el suelo como un conjunto innumerable de partículas individuales que pueden moverse, rotar e interactuar. Primero construyeron un modelo virtual de un túnel avanzando a través de arena densa y registraron cómo evolucionaban los esfuerzos en varios puntos delante del frente de excavación. Esto reveló dos patrones principales: en algunas zonas las presiones verticales y horizontales disminuyen conjuntamente durante la excavación; en otras, la presión vertical cae mientras la horizontal se mantiene casi constante. Estos patrones, o “caminos de esfuerzos”, sirvieron de base para tres esquemas de prueba, que van desde una liberación rápida y simultánea de presiones hasta descargas más lentas o unilaterales, diseñadas para abarcar condiciones realistas de tunelización.

Muestras de suelo virtuales bajo ensayos controlados

El equipo construyó luego muestras digitales “triaxiales” compuestas por una capa superior de arena y una inferior de cantos, apiladas como un pastel de dos capas. Calibraron cuidadosamente las propiedades de las partículas para que las muestras puras de sólo arena y sólo cantos coincidieran con ensayos de laboratorio a gran escala. Al cambiar la proporción de altura entre arena y cantos crearon distintos especímenes compuestos y los sometieron a los tres esquemas de descarga con varios cocientes de esfuerzos iniciales (qué tan fuertemente se comprime la muestra en vertical en relación con la presión lateral). Observar cómo estas muestras se acortaban, ablandaban o se mantenían unidas bajo descargas controladas permitió a los investigadores vincular caminos de esfuerzos, composición por capas y resistencia global de una manera difícil de lograr con ensayos físicos tradicionales.

Qué ocurre cuando cambias cómo y qué tan rápido descargas

Las simulaciones muestran que la forma en que se libera la presión controla fuertemente la respuesta del terreno. Cuando tanto la presión vertical como la lateral se reducen rápidamente, las fuerzas internas entre partículas caen bruscamente y la muestra se ablanda y falla con mayor rapidez. Si la presión lateral se libera más despacio, el suelo tiene tiempo para reorganizarse; la curva tensión–deformación desciende más suavemente y la muestra exhibe mayor tenacidad, fallando más tarde. Cuando la presión lateral se mantiene casi constante y sólo se reduce la vertical, la deformación permanece más limitada y la muestra se muestra comparativamente estable. En todos los casos, aumentar el espesor de la capa de cantos refuerza la muestra y hace que su debilitamiento pospico sea más gradual, porque los cantos soportan mayores fuerzas de contacto y proporcionan un armazón más robusto. Cocientes de esfuerzo inicial más altos también incrementan el entrelazamiento entre partículas, ayudando al material a resistir el ablandamiento cuando se liberan los esfuerzos.

Por qué estos hallazgos importan para los túneles urbanos

En términos sencillos, el estudio concluye que tanto la “receta” de arena frente a cantos en el terreno como la manera exacta en que la tunelización modifica las presiones determinan si el suelo alrededor de un nuevo túnel se ablandará o se mantendrá firme. Un terreno con más cantos y mayor compresión inicial puede conservar mejor su forma al aliviarse la presión, mientras que una descarga rápida y simultánea de esfuerzos verticales y horizontales cerca del frente del túnel es más probable que provoque pérdida de resistencia. Para los ingenieros, esto significa que un control cuidadoso de la presión de apoyo, la velocidad de excavación y el momento del revestimiento, combinado con atención a la estratificación local de arena y cantos, puede reducir el riesgo de asentamientos excesivos o inestabilidad en proyectos de tunelización urbana.

Cita: Liang, L., Shi, Y., Wei, G. et al. Discrete element study on mechanical properties of layered sand-cobble strata under unloading stress path of shield construction. Sci Rep 16, 11502 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41291-y

Palabras clave: tunelización con escudo, terreno de arena y cantos, camino de esfuerzos, excavación subterránea, simulación por elementos discretos