Análisis acoplado CFD‑DEM de la descarga por tornillo en una TBM EPB en estratos arenosos con cantos rodados y ricos en agua

Excavar túneles seguros bajo terreno húmedo y rocoso

A medida que las ciudades amplían sus redes de metro, los ingenieros deben cada vez más perforar túneles a través de terrenos traicioneros: capas de arena suelta, cantos del tamaño de un puño y aguas freáticas a alta presión. En estas condiciones, las gigantescas tuneladoras de balance de presión de tierra, que normalmente cortan la tierra con suavidad, pueden de pronto expulsar lodo y agua, detenerse o sufrir desgaste extremo. Este estudio explica por qué ocurren esos problemas en el transportador de tornillo —el "ascensor de fangos" interno de la máquina— y muestra cómo un nuevo modelo por ordenador puede predecir reventones peligrosos y desgaste oculto antes de que amenacen un proyecto.

Por qué importa esta pieza oculta de la máquina

En el interior de un escudo EPB, un cabezal cortador giratorio raspa el suelo de la cara del túnel hacia una cámara sellada. Desde allí, un largo tornillo metálico dosifica la mezcla excavada de tierra, cantos y agua fuera de la máquina. Controlando con cuidado la velocidad de giro del tornillo, los operarios mantienen la presión en la cara del túnel en el punto justo para que el terreno sobre las calles de la ciudad no se hunda ni se abombe. Sin embargo, en terrenos arenosos con cantos ricos en agua, el suelo está mal graduado y es altamente permeable. Las piedras grandes pueden atascar el tornillo mientras el agua subterránea de rápido movimiento se filtra por las cavidades, reduciendo el efecto sellante del material excavado. El resultado es un acto de equilibrio delicado: transportar el material de forma eficiente, controlar el agua y evitar que el tornillo se desgaste hasta romperse.

Una mirada más cercana al flujo de lodos

Simulaciones previas trataban el arrastre excavado ya sea como un fluido o como un montón de partículas secas, lo que les hacía perder la verdadera interacción entre el agua que corre y las piedras en movimiento. Este estudio combina ambas visiones en un único modelo bidireccional. El agua se trata con dinámica de fluidos computacional, que calcula cómo fluye y cómo cambia la presión a lo largo del tornillo. Los cantos y granos de suelo se representan como partículas individuales en un modelo de elementos discretos que sigue sus colisiones, fricción y rodadura. Ambos lados intercambian información constantemente: el agua empuja a las partículas, y las partículas, a su vez, bloquean y redirigen el agua. El modelo se basa en un proyecto real —la línea del nuevo aeropuerto del metro de Pekín— y se calibró cuidadosamente con ensayos de laboratorio sobre suelos con cantos húmedos, así como con datos de campo de presión y par medidos en una máquina en operación.

Cómo la presión del agua inclina el sistema

Usando este modelo acoplado, los autores exploraron qué sucede cuando la presión del agua sube mientras la presión de tierra en la entrada del tornillo se mantiene constante. Introdujeron un indicador sencillo, la "relación presión agua‑suelo", definida como la presión del agua dividida por la presión de tierra. Cuando esta relación se mantuvo entre aproximadamente 0,24 y 0,48, la presión a lo largo del tornillo decreció suavemente hacia la salida y la cantidad de material expulsado coincidió con los cálculos clásicos de diseño. El arrastre se comportó como un tapón denso que a la vez sellaba la presión y se desplazaba de forma uniforme. Pero cuando la relación subió a 0,56 —correspondiente a un nivel de agua más alto— la situación cambió. El agua empezó a arrastrar partículas finas desde entre los cantos grandes, provocando la segregación del material. El canal del tornillo dejó de llenarse correctamente y, aunque la mezcla se movía más rápido en conjunto, el volumen de material sólido transportado cayó hasta aproximadamente una quinta parte del valor esperado.

Caminos de flujo ocultos y desgaste desigual

Las simulaciones también revelaron cómo las fuerzas y el desgaste se concentran dentro de la máquina. En la parte inferior de la cámara de excavación se formó una zona de "flujo preferencial" en forma de abanico cerca de la entrada del tornillo, donde las partículas convergían hacia el transportador con más intensidad que en otras zonas. La presión en esta región colapsó a una fracción pequeña de su valor inicial, creando un bolsillo de presión activa de tierra que podría extraer suelo de la cara del túnel de forma incontrolada si las aberturas del cabezal cortador son demasiado grandes. A lo largo del eje del tornillo, el desgaste no alcanzó un pico en un único punto sino que siguió un patrón de "doble pico y tres etapas": desgaste de impacto muy intenso justo en la entrada, un segundo pico más moderado pero persistente a varios metros corriente abajo, y luego un desgaste decreciente hacia la salida. Este patrón surge porque las partículas golpean el tornillo al entrar, luego pasan a un contacto deslizante estable en la zona media y finalmente pierden energía cerca de la descarga.

De la visión computacional a túneles más seguros

Para los constructores de túneles, estos hallazgos se traducen en recomendaciones prácticas. La relación presión agua‑suelo de 0,56 actúa como un límite claro de aviso temprano: a medida que la relación se aproxima a este valor, los operarios deberían vigilar signos de llenado reducido y segregación de partículas en lugar de esperar a un reventón dramático. Los diseñadores pueden reforzar el transportador de tornillo precisamente donde el modelo predice los dos picos de desgaste, usando materiales más resistentes o revestimientos reemplazables en la entrada y en la sección media, en lugar de sobredimensionar todo el sistema. Y ajustando el tamaño de las aberturas del cabezal alrededor de la zona de flujo preferencial, pueden reducir el riesgo de cargas desiguales en la cara del túnel. En conjunto, estos conocimientos muestran cómo una visión digital detallada de piedras y agua moviéndose por un tornillo de acero puede ayudar a que la tunelización urbana profunda sea más segura, eficiente y predecible.

Cita: Guo, C., Liu, G., Wang, X. et al. CFD-DEM coupling analysis of EPB screw conveyor muck discharge in water-rich sandy cobble strata. Sci Rep 16, 12407 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41903-7

Palabras clave: tunelización con escudo, transportador de tornillo, arenoso con cantos rodados y alto contenido de agua, simulación CFD‑DEM, reventón de túnel