Análisis del levantamiento de dovelas durante la construcción de túneles con escudo considerando los efectos de la filtración en el estrato

Por qué importa el levantamiento de túneles para la vida urbana

Las ciudades modernas dependen cada vez más de líneas ferroviarias subterráneas para reducir la congestión y liberar espacio en superficie. Pero excavar túneles largos bajo edificios no está exento de riesgos. Cuando un túnel es perforado por una gran tuneladora tipo escudo, los anillos de hormigón que revisten el túnel a veces pueden elevarse, o “levantarse”, más de lo esperado. Un levantamiento excesivo puede agrietar el revestimiento, permitir la entrada de agua e incluso afectar al terreno y a las estructuras superiores. Este estudio examina en detalle cómo la interacción entre la lechada inyectada y el agua subterránea provoca el levantamiento del túnel, empleando como caso de estudio un tramo real del Metro de Dalian en China.

Una mirada más cercana bajo las calles

Los investigadores se centraron en un tramo de túnel que discurre bajo un terreno urbano formado por capas de relleno, arcillas y suelos gravasos que contienen aguas subterráneas. A medida que avanza la tuneladora, queda una pequeña holgura entre el revestimiento circular de hormigón y el terreno circundante. Esa holgura se llena inmediatamente con una lechada fluida para apoyar el terreno y mantener la estabilidad del túnel. Debido a que la lechada es más ligera y más fluida que el suelo, y dado que el terreno es acuífero, el revestimiento puede ser empujado hacia arriba por una combinación de la presión de la lechada y la presión del agua. Estudios anteriores trataron a menudo este efecto de forma simplificada y no tuvieron en cuenta plenamente cómo se mueve el agua a través del suelo mientras se inyecta y endurece la lechada.

Construyendo un túnel virtual en el ordenador

Para desenredar estos procesos, el equipo construyó un modelo numérico tridimensional del túnel, la lechada y el terreno circundante. El modelo replicó las capas geológicas reales y permitió que el agua se filtrara por el suelo de acuerdo con leyes de flujo bien conocidas. También reprodujo el avance paso a paso de la tuneladora: excavación del terreno, sostenimiento del frente, instalación de cada anillo de dovelas e inyección de lechada alrededor de ellos. Se asignaron distintos niveles de rigidez a la lechada conforme pasaba de ser un fluido recién bombeado a un material endurecido. El modelo se comprobó con mediciones de campo cuidadosas tomadas mediante puntos de monitorización en superficie y un sistema de guiado láser que siguió el revestimiento del túnel conforme avanzaba la máquina.

Cómo se combinan el agua y la lechada para elevar el túnel

Las simulaciones mostraron que la presión del agua en los poros alrededor del revestimiento cambia bruscamente cuando la máquina pasa y se inyecta la lechada. Las variaciones más intensas de presión de poros ocurren en la base del revestimiento, cambios más débiles aparecen en los laterales y los menores en la parte superior. El levantamiento sigue un patrón similar: la banqueta (fondo) del túnel se eleva más, los laterales algo menos y la clave (parte superior) lo menos. La mayor parte del levantamiento total ocurre en los primeros cinco anillos detrás de la cola del escudo, durante la fase en la que la lechada aún es muy fluida y su presión es alta. A medida que la lechada comienza a fraguar y las tensiones del terreno se reajustan, el crecimiento del levantamiento se ralentiza y finalmente se estabiliza. Cuando se incluye la filtración de aguas subterráneas, el levantamiento final es notablemente mayor: aproximadamente una quinta parte del levantamiento total en el modelo se debe a la acción conjunta de la filtración con la presión de la lechada, en lugar de la lechada sola.

Qué decisiones constructivas agravan el levantamiento

Usando el modelo validado, los autores variaron después factores clave manteniendo condiciones similares. Los túneles más profundos experimentaron mayor levantamiento, principalmente porque la presión del agua subterránea aumenta con la profundidad y contribuye a expandir la lechada y a levantar el revestimiento. Presiones de inyección más altas también produjeron un levantamiento mayor, aunque este efecto fue menor que el de la profundidad. Otro factor importante fue la rapidez y la proximidad a la máquina con que la lechada empezaba a fraguar. Si el inicio del fraguado inicial ocurría más atrás de la tuneladora, la lechada permanecía fluida alrededor del revestimiento por más tiempo, permitiendo más tiempo para que se desarrollara el levantamiento. El estudio combinó estas tendencias en fórmulas empíricas sencillas que relacionan el levantamiento con la profundidad de enterramiento, la presión de inyección y la distancia al frente de túnel, ofreciendo a los ingenieros una vía práctica para estimar el levantamiento en condiciones de terreno similares.

Implicaciones para viajes subterráneos más seguros

Para el público general, el mensaje principal es que el levantamiento de túneles no depende solo de la intensidad con la que se bombea la lechada: también depende de cómo se mueve el agua subterránea a través del suelo y de la rapidez con que la lechada se endurece. Al captar la acción combinada de la presión de la lechada y la filtración del agua, y al contrastar los resultados con mediciones reales, este trabajo ofrece una imagen más realista de cómo y cuándo se elevan los revestimientos durante la construcción. Los hallazgos pueden ayudar a los proyectistas a elegir profundidades de enterramiento, presiones de inyección y formulaciones de lechada más seguras, reduciendo el riesgo de grietas, filtraciones e hinchamiento superficial a medida que se construyen nuevas líneas de metro bajo nuestras ciudades.

Cita: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Palabras clave: levantamiento de dovelas de túnel con escudo, filtración de aguas subterráneas, inyección de lechada sincrónica, construcción de túneles de metro, modelado numérico