Estudio sobre el flujo plástico del suelo acondicionado dentro de la cámara de presión de túneles EPB profundamente enterrados excavando a través de un estrato arenoso

Por qué excavar túneles profundos requiere una lechada cuidadosamente preparada

Las ciudades modernas dependen cada vez más de líneas ferroviarias subterráneas perforadas muy por debajo de las calles concurridas. Para abrir estos túneles de forma segura, los ingenieros utilizan máquinas gigantes que avanzan mientras retienen la arena y el agua circundantes. El material frente a la máquina debe fluir como una pasta espesa: lo bastante blando para ser transportado, pero lo bastante firme para impedir que el frente del túnel colapse o que el material brote de forma incontrolada hacia la superficie. Este estudio plantea una pregunta práctica con importantes consecuencias de seguridad: ¿cómo debe prepararse esa “lechada de túnel” cuando los túneles discurren mucho más profundo de lo habitual a través de terrenos sueltos y arenosos?

Cómo las máquinas de túnel dependen de suelos diseñados

Las máquinas escudo de balance de presión de tierra (EPB) excavamaterial en el frente y lo trasladan mediante una cinta sinfín, manteniendo al mismo tiempo una presión estable que sostiene el frente del túnel. En terrenos arenosos y a poca profundidad, los contratistas suelen confiar en la experiencia para elegir espumas y lechadas que conviertan el suelo en una pasta manejable. Una prueba de campo sencilla, la prueba de asentamiento (slump), mide cuánto colapsa un montículo cónico de esa pasta bajo su propio peso. La guía típica sugiere un amplio rango “óptimo” de 100–200 milímetros de asentamiento. Pero para túneles muy profundos en arena, esas reglas empíricas pueden fallar: si el suelo fluye demasiado fácilmente, puede salir expulsado de forma incontrolada de la máquina; si es demasiado rígido, la descarga se ralentiza y el túnel puede atascarse.

Convertir el asentamiento en una regla de flujo mensurable

Los autores reformulan este problema empírico con conceptos de la mecánica de fluidos. Tratan el suelo acondicionado como un fluido de Bingham, un material que no comienza a moverse hasta que se supera una cierta tensión, y que a partir de ese umbral fluye como un líquido muy espeso. Bajo esta suposición construyen un modelo mecánico simplificado de la prueba de asentamiento, vinculando la altura de colapso observada directamente con la “tensión de fluencia” del suelo, es decir, la tensión necesaria para que comience a fluir. Mediciones de laboratorio con un viscosímetro confirman que, cuando la arena se mezcla con espuma y bentonita, la pasta resultante sigue aproximadamente este comportamiento en tasas de flujo prácticas, y los asentamientos predichos por el modelo coinciden bien con los medidos cuando el suelo es razonablemente blando.

Hacer fluir suelos rígidos con aditivos especiales

Sin embargo, a las grandes profundidades de interés, los ingenieros a menudo necesitan suelos que apenas se asienten, pero que sigan comportándose como un tapón coherente y de movimiento lento dentro de la sinfín. La espuma y la bentonita por sí solas no podían ofrecer esta combinación: las muestras de bajo asentamiento se volvían secas y agrietadas, perdiendo la plasticidad necesaria. El equipo probó por tanto una receta distinta, añadiendo un polímero de cadena larga llamado poliacrilamida (PAM) junto con partículas muy finas. Estos aditivos forman una red microscópica tridimensional que conecta los granos de arena mientras llena los huecos entre ellos. Imágenes de microscopía electrónica muestran una estructura densa y en forma de red en el suelo tratado. En el laboratorio, estas mezclas conservaron una consistencia tipo pasta dental incluso a valores de asentamiento mucho más bajos, y su flujo volvió a ajustarse al modelo tipo Bingham, proporcionando a los investigadores números fiables de tensión de fluencia y viscosidad en un amplio rango de rigidez.

Cómo la profundidad y la presión reconfiguran la lechada ideal

Con estas mediciones, los autores examinaron cómo debería comportarse el suelo dentro de la cámara de presión cuando solo la presión, no la rotación mecánica, lo impulsa hacia adelante. Derivaron una expresión matemática para la cantidad de suelo tipo Bingham que pasaría por un tubo idealizado bajo una diferencia de presión dada, y luego comprobaron esto con simulaciones por ordenador detalladas de una sinfín real. El modelo simplificado reprodujo la tendencia principal: la descarga aumenta con la presión de cámara, y disminuye a medida que aumentan la tensión de fluencia o la viscosidad. Usando datos de un proyecto metroreal en Guangzhou, donde un escudo EPB de 8,8 metros de diámetro excavó unos 30 metros bajo tierra a través de capas arenosas, invirtieron el modelo para estimar las propiedades dentro de la cámara del material que efectivamente produjo una operación segura y equilibrada. Este análisis mostró que, al aumentar la profundidad del túnel y la presión, el suelo debe volverse progresivamente más resistente (mayor tensión de fluencia) y por tanto menos proclive al asentamiento para evitar un flujo incontrolado.

Guía práctica para una excavación más profunda y segura

Finalmente, los autores convirtieron estos objetivos reológicos en recomendaciones sencillas de asentamiento para distintas profundidades de enterramiento de escudos EPB similares en suelos arenosos. Para una clave de túnel a 20 metros de profundidad, sugieren un suelo relativamente blando con un asentamiento en torno a 177 milímetros. A 30 metros de profundidad, el asentamiento ideal se ajusta a aproximadamente 94 milímetros, cercano a la experiencia de campo en la línea de Guangzhou. A 40 y 50 metros de profundidad, la mezcla más segura se predice muy rígida, con asentamientos de aproximadamente 60 y 28 milímetros, respectivamente. En otras palabras, conforme los túneles se hacen más profundos, la “pasta dental” debe parecerse más a una arcilla firme para mantener un tapón terrestre estable y no expulsable, y aditivos como la PAM y las partículas finas son esenciales para que dicho suelo rígido fluya de forma controlada. Este trabajo transforma una práctica en gran medida empírica en un marco cuantitativo, ofreciendo a los diseñadores de túneles un margen de seguridad más claro para el acondicionamiento del suelo en terrenos urbanos arenosos y profundos.

Cita: Zhong, X., Huang, S., Wang, H. et al. Study on plastic flow of conditioned soil within pressure chamber of deeply buried EPB shields tunneling through sandy stratum. Sci Rep 16, 12958 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43016-7

Palabras clave: túnel con escudo EPB, acondicionamiento del suelo, estabilidad del frente de túnel, fluido de Bingham, suelos modificados con polímero