Análisis de la respuesta mecánica de túneles que cruzan fallas inversas bajo entradas sísmicas no uniformes

Por qué importan las vías subterráneas en los terremotos

A medida que ciudades y países construyen túneles más largos a través de montañas para carreteras y líneas ferroviarias, un número creciente de estas vías enterradas debe cruzar fallas sísmicas activas. Cuando el terreno se desplaza durante un terremoto, la roca alrededor de un túnel puede moverse de forma desigual, aplastando o desgarrando el revestimiento de hormigón que mantiene el paso abierto. Este estudio examina cómo se comportan esos túneles que cruzan fallas cuando una falla inversa se desplaza durante un sismo, y qué decisiones de diseño pueden hacer que estas estructuras sean más seguras para las personas que dependen de ellas.

Un túnel real como banco de pruebas

La investigación se basa en un proyecto importante en las montañas Tianshan de China: el túnel Tianshan Shengli, un túnel gemelo para carretera de más de 22 kilómetros que atraviesa varias fallas activas en una región de fuerte sacudida y altos esfuerzos in situ en la roca. Sismos previos en China y Japón han mostrado que los túneles que cruzan fallas pueden sufrir colapsos de bóveda, levantamiento del suelo, grietas amplias y rotura del pavimento cuando la falla se desplaza. Para entender y prevenir tales fallos, los autores construyeron un modelo informático tridimensional detallado que incluye roca intacta, la zona de falla más débil y el revestimiento de hormigón, todo dispuesto para ajustarse a una de las fallas clave que intersectan el alineamiento del túnel.

Agitando el terreno de forma desigual

La mayoría de estudios previos asumían que un terremoto agita el terreno bajo un túnel de la misma manera en todos los puntos. En realidad, el lado de la falla que se eleva (el muro colgante) puede experimentar movimientos y desplazamientos permanentes distintos que el lado inferior (el antepecho). Aquí, los investigadores crearon un par de ondas sísmicas sintéticas basadas en registros de un gran sismo en California. Una onda incluyó un desplazamiento permanente para imitar el arrastre del terreno por la falla, mientras que la otra no lo hizo. Aplicaron el movimiento con desplazamiento permanente al muro colgante y el movimiento más simple al antepecho, permitiendo que el modelo capture cómo las entradas diferentes en cada lado de la falla se combinan con el deslizamiento lento pero grande del propio plano de falla.

Dónde y cómo se daña el túnel

Las simulaciones muestran que el daño se concentra en y cerca del núcleo de la falla—la parte estrecha y más fracturada de la zona de falla—y particularmente en las enjutas, los hombros curvos donde la pared del túnel se transforma en la bóveda. A medida que aumenta el deslizamiento de la falla, una medida de daño en el revestimiento de hormigón se acerca rápidamente al nivel asociado con grietas anchas que atraviesan el espesor e incluso con aplastamiento. Estas zonas de alto daño se extienden desde el núcleo de la falla hacia la roca circundante, y son consistentemente peores en el lado del muro colgante, que se comprime y corta con mayor intensidad en una falla inversa. Los patrones de deformación revelan que la sección transversal del túnel se estira y se comprime alrededor de su perímetro, especialmente en las enjutas, mientras que la deformación a lo largo del eje del túnel se mantiene relativamente modesta en condiciones típicas.

Papel del ancho y la inclinación de la falla

El equipo también exploró cómo la anchura de la zona de falla y el ángulo del plano de falla afectan al daño. Una zona de falla más ancha, representada por una mayor relación de rigidez relativa entre la roca de la falla y la roca circundante, distribuye la deformación de forma más suave y mejora la capacidad del macizo rocoso y del revestimiento para moverse conjuntamente. Esto reduce el daño máximo en el túnel hasta en aproximadamente un 45 por ciento, aunque el revestimiento dentro del núcleo de la falla sigue sufriendo agrietamientos serios. Cambiar la inclinación de la falla produce un efecto umbral: cuando la falla es moderadamente inclinada (hasta aproximadamente 60 grados), los patrones generales de daño cambian poco. A ángulos más pronunciados, sin embargo, el daño en el propio núcleo de la falla disminuye mientras que el daño en la interfaz entre la falla y el muro colgante aumenta, y las deformaciones axiales—las que estiran o comprimen el túnel a lo largo de su longitud—se incrementan en varias partes clave de la sección transversal.

Lecciones de diseño para túneles más seguros

Para los ingenieros, el mensaje principal del estudio es que la magnitud del deslizamiento de la falla es el factor dominante del daño en túneles, más importante que el ancho de la falla o su ángulo de inmersión. Las zonas de enjutas emergen como las más vulnerables y, por tanto, los objetivos más importantes para el refuerzo. Los autores sugieren medidas como el prefortalecimiento de la roca delante de la excavación con pequeños tubos y inyecciones profundas de lechada, y el espesamiento local del revestimiento y la adición de más acero en las enjutas donde se concentran los esfuerzos. Aunque el modelo simplifica algunos detalles constructivos, sus resultados—verificados con daños reales observados en un túnel chino reciente afectado por el movimiento de la falla—ofrecen orientación práctica para diseñar túneles que cruzan fallas y que puedan sobrevivir mejor a futuros terremotos y mantener abiertos los enlaces de transporte críticos cuando más se necesiten.

Cita: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

Palabras clave: daños sísmicos en túneles, túneles en fallas inversas, diseño sísmico de túneles, infraestructura que cruza fallas, respuesta sísmica subterránea