Análisis numérico y optimización del impacto de la construcción de un complejo encofrado de cimentación sobre la deformación de estructuras de metro adyacentes

Por qué importa excavar cerca de los metros urbanos

A medida que las ciudades crecen, con frecuencia hay que construir nuevas vías subterráneas y servicios justo al lado de túneles de metro en funcionamiento. Excavar zanjas profundas para estos proyectos puede provocar pequeñas flexiones y asentamientos en los túneles cercanos, lo que puede poner en riesgo la seguridad a largo plazo y la comodidad de los pasajeros. Este estudio explora cómo planificar con cuidado el orden de la excavación y la construcción de elementos interiores puede mantener los movimientos del túnel lo más reducidos posible, ofreciendo orientación para áreas urbanas densas que deben construir con restricciones de espacio.

El reto de compartir un espacio subterráneo saturado

Cuando los ingenieros excavan una zanja profunda junto a una línea de metro existente, el suelo alrededor de la zanja se relaja y tiende a desplazarse hacia el hueco. Al mismo tiempo, el túnel actúa como un anillo rígido enterrado, alterando cómo puede moverse ese suelo. Investigaciones previas mostraron que la distancia entre la zanja y el túnel, la profundidad de la excavación y la geología local influyen, pero con frecuencia consideraron la excavación como un proceso simple y unidireccional. En la práctica, los proyectos modernos son más complejos: se van hormigonando grandes conductos o cajas de carretera dentro de la zanja mientras la excavación continúa, y la rigidez creciente de esas estructuras repercute en la respuesta del suelo y del túnel.

Un banco de pruebas virtual bajo Pekín

Los autores construyeron un detallado modelo informático tridimensional de un proyecto real en el distrito de Fengtai de Pekín, donde un largo túnel de carretera y un gran conducto subterráneo se construyen cerca de la Línea 10 del Metro. El modelo incluye estratos de suelo, una zanja rectangular profunda, muros de contención, el túnel del metro y la caja en forma de cajón que terminará alojada en la zanja. Usando leyes de comportamiento del suelo de aceptación general, simularon cómo se moverían el terreno y el túnel a medida que el suelo se retira paso a paso y las estructuras de hormigón en la zanja endurecen. Este banco de pruebas virtual les permitió comparar distintos planes de construcción que serían imprácticos o arriesgados de probar en campo.

Diez formas de excavar y construir

La cuestión clave fue cómo la secuencia de trabajo afecta el movimiento del túnel. El equipo combinó dos decisiones principales: si el cajón se hormigona en dirección adelante o en sentido inverso, y cómo avanza la propia excavación. Probaron diez escenarios que incluyeron excavar solo desde un lado, excavar simétricamente desde ambos lados, dividir la zanja en zonas y usar una progresión escalonada tipo peldaño. En cada caso siguieron el asentamiento vertical del túnel y el desplazamiento lateral de los muros de contención. Aunque todos los escenarios mantuvieron los movimientos del túnel reducidos, las diferencias fueron lo bastante claras como para importar frente a normas estrictas de seguridad del metro.

Lo que revelaron las simulaciones

El plan más favorable combinó la construcción del cajón en sentido avanzado con una excavación unidireccional “de lejos a cerca”, es decir, retirando primero el suelo en el lado más alejado del túnel sensible y solo más tarde en la zona próxima al túnel. Este enfoque permitió que el suelo restante junto al túnel actuara como un puntal temporal, mientras que los segmentos del cajón hormigonados con anterioridad tuvieron tiempo de ganar resistencia y ayudar a soportar cargas antes de que la excavación alcanzara la zona crítica. En contraste, uno de los planes menos favorables empleó la construcción del cajón en sentido inverso junto con una excavación simétrica desde ambos extremos. Esa combinación hizo que el suelo bajo el túnel se descargara desde dos direcciones a la vez, creando un patrón de asentamiento con doble pico y una flexión ligeramente mayor del túnel, aunque los valores absolutos se mantuvieron por debajo de aproximadamente dos milímetros.

Orientación práctica para excavar de manera más segura en la ciudad

Para no especialistas, el mensaje principal es que el orden en que se excavan y hormigonan las estructuras subterráneas no es un detalle menor sino una elección de diseño relevante. Favoreciendo secuencias en las que la excavación se aproxima gradualmente a túneles sensibles desde la distancia, y en las que las estructuras de hormigón nuevas están presentes temprano para reemplazar la resistencia del suelo retirado, los ingenieros pueden reducir el asentamiento de los túneles varios puntos porcentuales sin añadir nuevos equipos o materiales. Aunque el modelo emplea algunas simplificaciones y se centra en diferencias relativas más que en cifras exactas, ofrece a planificadores y diseñadores urbanos un criterio racional para elegir planes de construcción más seguros cuando deben coexistir zanjas profundas y metros en funcionamiento.

Cita: Sun, J., Dun, H., Chen, S. et al. Numerical analysis and optimization of the impact of complex foundation pit construction on the deformation of adjacent subway structures. Sci Rep 16, 15436 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46547-1

Palabras clave: túnel de metro, zanja profunda, secuencia de excavación, deformación del túnel, análisis por elementos finitos