Simulación de entrada de agua y lodo en la zona de fracturas por fallas de un túnel ferroviario profundo y largo en zona montañosa

Por qué las inundaciones en túneles importan para la vida cotidiana

Las redes ferroviarias y las autopistas modernas dependen cada vez más de túneles largos que atraviesan montañas o pasan por debajo del mar. Aunque estos pasos acortan los trayectos y favorecen el comercio, también enfrentan una amenaza oculta: entradas súbitas de agua mezclada con lodo que pueden irrumpir en el túnel desde la roca fracturada. Estos eventos violentos pueden paralizar la construcción, dañar equipos e incluso poner vidas en peligro. Este estudio examina la roca alrededor de un túnel ferroviario profundo para entender cómo se forman esas entradas y cómo los ingenieros podrían detectar el peligro con antelación y diseñar túneles más seguros.

Una mirada más cercana a las grietas ocultas en las montañas

Muchos túneles largos cruzan inevitablemente zonas de roca fragmentada conocidas como fallas. Estas zonas a menudo contienen grandes volúmenes de agua subterránea presurizada y material suelto. Cuando un túnel avanza hacia una región así, la voladura y la excavación alteran tanto la roca como el agua subterránea. Si el macizo rocoso entre el túnel y la falla se debilita demasiado, el agua confinada y el lodo pueden precipitarse rápidamente al túnel, de forma parecida a perforar una manguera presurizada. Proyectos reales en China y otros países han sufrido repetidas entradas de agua y lodo que han detenido las obras durante meses e incluso provocado hundimientos en la superficie, subrayando la necesidad de predecir y controlar estos desastres antes de que ocurran.

Construir un túnel virtual dentro de la roca

Dado que los experimentos a escala real dentro de montañas son imposibles, los investigadores crearon un modelo informático tridimensional detallado de un túnel ferroviario profundo que cruza una falla rica en agua. En esta montaña virtual, la roca y la falla se representaron con resistencia, rigidez y permeabilidad realistas, e incluyeron el peso natural de las rocas suprayacentes y la presión del agua subterránea. El equipo simuló la excavación del túnel paso a paso, activando y desactivando elementos del modelo para imitar el avance de la frente, mientras permitía que la deformación de la roca y el flujo de agua interactuaran. Probaron dos situaciones principales: un túnel que discurre por debajo de una falla y un túnel que la atraviesa completamente, y variaron el espesor, el ángulo y la distancia de la falla respecto al túnel para ver cómo la geometría afecta el riesgo.

Cómo se mueve la roca y responde el agua al avanzar el túnel

Las simulaciones revelaron que, a medida que la frente del túnel avanza, el techo del túnel se hunde gradualmente y luego se asienta de forma brusca cuando la frente está muy cerca de una sección concreta, antes de estabilizarse conforme la frente se aleja. Los muros laterales, en especial el arco de roca en el lado más próximo a la falla, muestran un movimiento lateral creciente y sostenido. Las tensiones en la roca se concentran en puntos específicos: los muros del arco del túnel, sus basas y las esquinas donde la falla se encuentra con roca intacta. Al mismo tiempo, la presión del agua subterránea se reorganiza alrededor del hueco. Inicialmente, la presión simplemente aumenta con la profundidad, pero la excavación crea una zona de baja presión en forma de embudo alrededor del túnel, atrayendo agua hacia él. Justo delante de la frente del túnel, la presión de poro primero aumenta y luego cae de forma súbita cuando la frente la atraviesa, señalando una liberación rápida del agua almacenada.

El punto más peligroso: un lado del arco del túnel

Al seguir la velocidad y la dirección del agua subterránea, los investigadores pudieron ver dónde se formarían canales potenciales de entrada. Conforme la excavación se acercaba a la falla, pequeñas zonas de flujo de alta velocidad en la falla se conectaban con la región de baja presión alrededor del túnel, creando un camino continuo. El flujo máximo y los cambios más fuertes en presión y esfuerzo se concentraron de forma consistente en el lado derecho del arco del túnel más cercano a la falla, en lugar de distribuirse uniformemente alrededor del hueco. Fallas más gruesas y ángulos más someros aumentaron tanto el agua almacenada como la posibilidad de conexión directa con el túnel, elevando el riesgo, mientras que una mayor distancia de ‘‘colchón’’ rocoso entre túnel y falla lo reducía. Esta superposición de esfuerzo rocoso intenso, fisuración y flujo rápido de agua marca el probable origen de una entrada de agua y lodo.

Convertir conocimientos virtuales en túneles más seguros

Aunque el modelo simplifica las rocas y el agua subterránea reales, ofrece una imagen clara para los ingenieros: el lado del arco del túnel más cercano a una falla portadora de agua es la zona de mayor peligro para la entrada súbita de lodo y agua. El estudio sugiere centrar los instrumentos allí para vigilar cambios bruscos en la presión de poro y en la deformación como señales de alerta temprana. También muestra cómo la forma y la posición de una falla pueden usarse para clasificar el riesgo y planificar apoyos y lechadas adicionales donde sea necesario. En términos cotidianos, el trabajo convierte un proceso oculto y complejo dentro de las montañas en un problema más predecible, ayudando a los diseñadores a construir túneles largos y profundos que no solo son impresionantes logros de ingeniería, sino también más seguros para quienes los usan y los construyen.

Cita: Yang, S., Han, H., Chen, G. et al. Simulation of water-mud-inrush in fault fracture zone of deep and long railway tunnel in mountain area. Sci Rep 16, 13370 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41909-1

Palabras clave: entrada de agua en túnel, zona de fractura por falla, excavación subterránea, simulación numérica, seguridad geotécnica