Investigación numérica de la interacción suelo-túnel bajo cargas de explosión en superficie con correlaciones energéticas basadas en regresión

Por qué importan los túneles ocultos en un mundo de explosiones en superficie

Las ciudades modernas recurren cada vez más a túneles subterráneos para mover personas y proteger servicios vitales. Pero a medida que las explosiones en superficie provocadas por bombas, misiles o artefactos improvisados se convierten en una preocupación real, los ingenieros necesitan saber: ¿qué tan seguras son estas vías enterradas cuando ocurre una potente explosión encima? Este estudio emplea simulaciones informáticas avanzadas para explorar el comportamiento de un túnel de metro enterrado en un suelo blando y rico en arcilla bajo explosiones en superficie, y para determinar a qué profundidad debe estar para permanecer en la zona segura.

Autopistas subterráneas bajo fuego

Los túneles urbanos se suelen diseñar para soportar cargas de tráfico cotidianas y, a lo sumo, sismos—no ataques directos. Sin embargo, en conflictos modernos e incidentes terroristas las explosiones en superficie son frecuentes y pueden enviar ondas de choque a través del terreno hacia las estructuras enterradas. Realizar ensayos a escala real con explosiones sobre túneles reales resulta extremadamente costoso y peligroso, por lo que los autores recurren a modelos tridimensionales detallados por ordenador. Se centran en un túnel de metro de sección circular embebido en arcilla arenosa, un tipo de suelo común en proyectos urbanos, y estudian cómo una detonación en superficie deforma el túnel y daña su revestimiento de hormigón.

Construyendo un túnel y una explosión virtuales

Para abordar el problema, los investigadores crean una réplica digital de un túnel de hormigón armado de cinco metros de ancho rodeado por un gran bloque de suelo. Al suelo, al revestimiento de hormigón y a las barras de acero se les asigna un comportamiento mecánico realista extraído de ensayos, de modo que el modelo puede captar fisuración, deformación permanente y absorción de energía. Las explosiones en superficie se simulan mediante un modelo de blast ampliamente utilizado y desarrollado originalmente por el Ejército de EE. UU., que convierte la masa de TNT en una onda de presión variable sobre el terreno. Antes de confiar en su configuración, los autores la validan con resultados conocidos: comparan el choque y el tamaño de crater predichos con fórmulas bien establecidas y simulan explosiones en losas de hormigón probadas en laboratorio. En todos los casos, las predicciones numéricas y los datos experimentales coinciden estrechamente, lo que aporta confianza en que el túnel virtual se comporta de forma creíble.

Siguiendo la energía a través del suelo y el túnel

El núcleo del estudio es una visión basada en la energía de lo que ocurre cuando una explosión golpea el terreno. A medida que la carga de TNT aumenta de 25 a 1000 kilogramos, el modelo rastrea cuánto de la energía de la detonación aparece como movimiento rápido (energía cinética), cuánto se consume en deformación permanente (disipación plástica) y cuánto se almacena temporalmente como deformación elástica (energía de deformación) en el sistema suelo–túnel. Estas magnitudes energéticas crecen más que de forma lineal con la masa explosiva, lo que significa que un aumento por diez en la carga produce mucho más que un incremento diez veces superior en el impacto. Los autores usan luego regresiones—ajustes matemáticos simples—para convertir estas tendencias en fórmulas fáciles de usar que relacionan la masa explosiva con el tamaño del cráter, los niveles de energía y la deformación del túnel dentro del rango estudiado.

¿Qué profundidad es lo bastante profunda?

Una cuestión práctica central es cómo la profundidad de enterramiento afecta la seguridad del túnel. El estudio prueba tres espesores de cobertura por encima de la clave del túnel: 15, 12 y 9 metros, en numerosos escenarios de explosión de hasta 1000 kilogramos de TNT. Dos reglas de desempeño definen un túnel “seguro”: la fisuración del hormigón debe mantenerse limitada y la deformación radial del túnel debe permanecer por debajo del 0,5% de su diámetro. Los resultados muestran un fuerte efecto de la profundidad. En el caso más profundo, 15 metros, el túnel se mantiene dentro de esos límites para explosiones de hasta aproximadamente 500 kilogramos, aunque una detonación de 1000 kilogramos comienza a producir daños locales importantes. A 12 metros, cargas mayores llevan el revestimiento más allá de los umbrales de fisuración y deformación. En la profundidad más superficial, 9 metros, explosiones potentes provocan fisuración tensional extensa y deformaciones mucho mayores, marcando claramente esta configuración como insegura frente a eventos de alta intensidad.

Qué significa esto para ciudades más seguras

Dicho de forma sencilla, el estudio muestra que los túneles más profundos en suelos blandos y ricos en arcilla son mucho más resistentes a las explosiones en superficie que los poco profundos, y que existe una “profundidad segura” práctica para una determinada amenaza de explosión. Dentro de las hipótesis del modelo, un túnel de metro enterrado a unos 15 metros bajo la superficie puede soportar explosiones en superficie de hasta cerca de 500 kilogramos de TNT sin sufrir daños incapacitantes, mientras que túneles más superficiales se vuelven vulnerables con cargas mucho menores. Las fórmulas de regresión que proporcionan los autores ofrecen a los ingenieros herramientas rápidas para estimar tamaños de cráter, transferencia de energía y deformación del túnel en condiciones similares, ayudando a guiar el diseño preliminar y evaluaciones rápidas de riesgo en entornos urbanos propensos a conflictos o con alta amenaza.

Cita: Alsabhan, A.H., Rais, I., Ahemad Khan, J. et al. Numerical investigation of soil-tunnel interaction under surface blast loads with regression-based energy correlations. Sci Rep 16, 12665 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42024-x

Palabras clave: seguridad de túneles subterráneos, carga por explosión en superficie, diseño de túneles de metro, interacción suelo-estructura, infraestructura resistente a explosiones