Características de respuesta dinámica, eficiencia portante en ensamblajes de túnel multimateriales sometidos a cargas fluidas intensas recurrentes

Por qué importan los túneles más resistentes

Muchos sistemas energéticos modernos dependen de túneles subterráneos que transportan grandes volúmenes de agua hacia y desde turbinas. Estos túneles soportan presiones de agua severas que pueden agrietar sus recubrimientos de hormigón, provocando filtraciones, costosos paros y hasta fallos estructurales. Este estudio explora una nueva forma de construir recubrimientos de túnel para que, incluso tras aparecer grietas, el túnel siga soportando cargas de forma segura y resista las fugas bajo presurizaciones repetidas.

Una carcasa estratificada alrededor del túnel

Los autores proponen un revestimiento de túnel tipo “sándwich” compuesto por tres capas cooperantes: un anillo interior de hormigón armado, una placa de acero delgada envuelta alrededor y un anillo exterior de hormigón armado. Juntas forman una cáscara compuesta dentro de la roca circundante. En lugar de apoyarse únicamente en la placa de acero, como en los túneles tradicionalmente forrados de acero, o solo en el hormigón, como en los túneles de hormigón armado simples, este diseño distribuye las fuerzas entre las tres capas. Barras de acero dispuestas alrededor de la circunferencia del túnel se usan para anclar mecánicamente la placa de acero al hormigón a ambos lados, ayudando a que las capas se comporten de forma conjunta y transfieran esfuerzos de manera fiable incluso cuando aparecen grietas.

Por qué los recubrimientos actuales se quedan cortos

Los recubrimientos convencionales presentan serias limitaciones en túneles de alta presión hídrica. Los revestimientos de placa de acero son fuertes a tracción y resisten bien la presión interna del agua, pero pueden abollarse bajo elevada presión externa durante el vaciado y son costosos y difíciles de construir. Los recubrimientos de hormigón armado son más baratos y sencillos de ejecutar y no se abollan fácilmente cuando son comprimidos desde el exterior, pero bajo alta presión interna del agua terminan agrietándose, lo que permite la filtración hacia la roca y reduce la capacidad portante del revestimiento. Intentos previos de pegar acero al hormigón con epoxi o polímeros reforzados con fibra han chocado con problemas de durabilidad en entornos húmedos y químicamente agresivos. Esto deja un hueco para un sistema de revestimiento que sea a la vez robusto frente a variaciones de presión y durable en condiciones ricas en agua.

Poniendo a prueba el nuevo revestimiento

Para evaluar el comportamiento del revestimiento sándwich, los investigadores construyeron un modelo físico a escala de un segmento de túnel. El modelo consistió en las tres capas instaladas dentro de un cilindro de acero resistente que podía llenarse de agua tanto desde el interior (para simular condiciones de funcionamiento) como desde el exterior (para simular el vaciado del túnel mientras el agua subterránea presiona). Galgas extensométricas incrustadas en el hormigón interior, la placa de acero y el hormigón exterior registraron cómo se estiraba o comprimía cada capa a medida que las presiones aumentaban y disminuían. Una secuencia controlada de ciclos de carga permitió al equipo examinar tanto el comportamiento íntegro como la respuesta una vez que comenzaron a formarse grietas en los anillos de hormigón.

Cómo se redistribuyen las fuerzas al ciclar la presión del agua

Bajo presión externa del agua, las tres capas estuvieron en compresión, con el hormigón exterior absorbiendo aproximadamente 43–45% de la carga circunferencial, el hormigón interior alrededor de 40–42% y la placa de acero solo 13–16%. El esfuerzo en el acero se mantuvo muy por debajo del nivel en que se esperaría pandeo, especialmente porque el hormigón circundante restringía la placa. Bajo presión interna del agua, el escenario cambió. Antes de la fisuración, la roca circundante, el hormigón interior, el hormigón exterior y el acero compartían la tracción. Una vez que el hormigón interior se agrietó alrededor de 0,94 MPa, su participación en la fuerza circunferencial cayó bruscamente y la participación de la placa de acero aumentó de aproximadamente 15% a cerca de 25%. Cuando más tarde se agrietó el hormigón exterior, la participación del acero volvió a subir, hasta aproximadamente entre una cuarta y una tercera parte del total, mientras que los anillos de hormigón agrietados soportaban menos carga. Incluso durante una segunda ronda de presurización externa e interna después de las grietas, la placa de acero continuó alternando entre soportar compresión y tracción, ayudando al hormigón dañado y limitando la deformación permanente.

Qué significa esto para túneles reales

En conjunto, los experimentos muestran que el revestimiento sándwich puede seguir funcionando de forma segura incluso después de que sus anillos de hormigón se agrieten bajo alta presión interna del agua. En lugar de una pérdida abrupta de capacidad, la estructura redirige más carga hacia la placa de acero, mientras que el hormigón sigue proporcionando rigidez y soporte contra el pandeo. Dentro del número limitado de ciclos de presión de laboratorio probados, el sistema se mantuvo estable y redujo el riesgo de filtraciones e inestabilidad en comparación con revestimientos tradicionales. Aunque cuestiones a largo plazo como la corrosión, la fatiga y el comportamiento en macizos rocosos reales aún requieren estudios a escala real, el trabajo sugiere una vía prometedora hacia túneles de agua de alta presión más seguros y resilientes en proyectos de bombeo y almacenamiento y otras centrales hidroeléctricas similares.

Cita: Pei, J., Deng, Z. Dynamic response characteristics, load-bearing efficiency in multimaterial tunnel assemblies subjected to recurrent intense fluid loading. Sci Rep 16, 12079 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42916-y

Palabras clave: túneles hidráulicos, hormigón armado, revestimiento de placa de acero, carga por presión de agua, durabilidad estructural