Investigación sobre los mecanismos de deformación en túneles de excavación profunda y la aplicación del sistema de soporte tipo unidad con cimentación de pilotes

Mantener seguros los túneles subterráneos

Los túneles profundos son las arterias de las minas modernas de carbón, transportando aire fresco, trabajadores y equipos pesados. Pero a grandes profundidades, la roca circundante puede comprimirse lentamente, agrietarse y hacer que el suelo del túnel se abulte, poniendo en riesgo tanto la seguridad como la productividad. Este estudio examina con detalle un túnel de transporte deformado en una mina de carbón de Mongolia Interior y prueba una forma nueva de mantener la roca en su sitio mediante una combinación de pilotes en el suelo y soportes modulares, que actúan conjuntamente con los pernos y cables de roca convencionales.

Cuando el terreno empieza a moverse

El túnel analizado en este trabajo se sitúa a unos 420 metros por debajo de la superficie, en una capa de carbón espesa y en su mayoría estable. Aun así, el suelo se había agrietado y levantado de forma desigual, el techo se había hundido y los estribos —las paredes laterales del túnel— se habían abultado. El problema más grave fue el levantamiento del suelo en el lado de carbón macizo, que deformó la vía y puso en peligro a los vehículos que circulaban. El lado del pilar de carbón también presentó daños, mientras que el techo y la pared de carbón macizo resultaron comparatively menos afectados. Estos patrones sugerían que el equilibrio original de fuerzas en la roca profunda había sido perturbado por la excavación.

Cómo las esfuerzos subterráneos rompen un túnel

Para entender por qué el túnel se deformaba, los investigadores combinaron muestreos de campo, ensayos de laboratorio en testigos de roca y mediciones de esfuerzo in situ. Encontraron que las tensiones horizontales naturales en la roca eran superiores a las tensiones verticales debidas al peso suprayacente. Con estas mediciones construyeron un modelo numérico tridimensional de la roca que rodea el túnel. Las simulaciones mostraron que la excavación redistribuye el esfuerzo, creando zonas de compresión muy alta y áreas de tensión alrededor de la excavación y en capas más profundas. El resultado es una zona anular de roca alrededor del túnel que se ve empujada más allá de su límite elástico, donde comienza a deformarse de forma permanente y a agrietarse.

Por qué el suelo se abulta de forma desigual

El equipo utilizó después un modelo mecánico simplificado del suelo del túnel, tratándolo como una viga apoyada en zonas más blandas en cada extremo. Demostraron que la magnitud y la posición del levantamiento del suelo dependen fuertemente de dos factores: el ancho de las zonas “plásticas” ablandadas a cada lado del suelo y la concentración de esfuerzo en esas zonas. Cuando ambos lados son similares, el suelo se abulta más en el centro. Pero si un lado presenta una zona debilitada más amplia o una mayor concentración de esfuerzos, el mayor movimiento ascendente se desplaza hacia ese lado y aumenta en extensión. En su caso, el lado de carbón macizo tuvo el efecto más fuerte, lo que explica el pronunciado levantamiento asimétrico del suelo observado en la mina.

Una nueva forma de sostener la roca

Puesto que los pernos y cables convencionales por sí solos no pudieron contener la deformación, los investigadores propusieron un nuevo concepto de soporte: soporte tipo unidad con cimentación de pilotes. Se perforan pilotes de acero en el suelo del túnel y se rematan con una losa plana que recibe unidades modulares de soporte hidráulico. Estos soportes trabajan junto con los pernos y cables existentes en el techo y las paredes. Los pilotes mejoran las condiciones de esfuerzo en el suelo, cortan el flujo plástico de la roca debilitada bajo el túnel y proporcionan una base nivelada y estable para que los soportes actúen vertical y eficientemente. Al mismo tiempo, los soportes comparten y distribuyen la carga, reduciendo la acumulación de esfuerzos a lo largo de las paredes laterales.

Convertir un apriete peligroso en terreno estable

Las simulaciones numéricas del sistema de soporte combinado mostraron mejoras dramáticas. Los desplazamientos del techo y del suelo se redujeron en más de un 80 a 90 por ciento, y los desplazamientos de las paredes laterales se cortaron en aproximadamente tres cuartas partes o más. El anillo continuo de roca muy dañada alrededor del túnel se fragmentó en zonas más pequeñas e aisladas, especialmente en el suelo, donde la deformación plástica se interrumpió en las filas de pilotes y se redujo hasta en un 80 por ciento aproximadamente. En términos sencillos, el nuevo esquema de soporte convierte un túnel gravemente comprimido y en movimiento en uno donde los desplazamientos de la roca se reducen a escala centimétrica y las tensiones son soportadas con seguridad por pilotes y soportes. Para las operaciones mineras profundas, este enfoque ofrece una vía prometedora para mantener los túneles de transporte críticos abiertos, estables y seguros.

Cita: Gou, L., An, D., Song, Y. et al. Research on deformation mechanisms in deep excavation tunnels and the application of the pile foundation-unit-type support. Sci Rep 16, 12233 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43056-z

Palabras clave: deformación de túnel, levantamiento del suelo, minería subterránea, soporte de roca, pilote de cimentación