Mecanismos de deformación de un túnel existente adyacente a un sótano profundo soportado por vigas circulares en arcillas blandas

Por qué importa excavar profundo junto a túneles

A medida que las ciudades crecen hacia abajo en lugar de hacia afuera, los ingenieros deben tallar grandes sótanos subterráneos justo al lado de túneles de metro en funcionamiento. El retiro de suelo en terrenos blandos puede hacer que los túneles cercanos se desplacen, agrieten o se desalineen. Este estudio examina cómo un nuevo tipo de sistema de soporte mediante vigas circulares dentro de sótanos profundos modifica la forma en que el terreno se desplaza y cuánto se ven afectados los túneles cercanos, ofreciendo orientación para mantener seguros los sistemas ferroviarios urbanos durante la construcción.

Observando una gran excavación en arcilla blanda

Los investigadores partieron de un proyecto de obra real en arcilla blanda, donde se excavó un sótano muy grande usando un sistema de contención poco habitual. En lugar de las vigas rectas tradicionales, los contratistas emplearon dos grandes vigas circulares de hormigón para apuntalar las pantallas. El emplazamiento estuvo muy instrumentado, con sensores que registraron cuánto se doblaban las pantallas y cómo se asentaba la superficie del terreno a medida que el suelo se retiraba por fases. Con esta información de campo detallada, el equipo construyó un modelo numérico tridimensional que replicaba exactamente las capas de suelo, la disposición de pantallas y vigas, y la secuencia de excavación usada en obra.

Haciendo coincidir las predicciones por ordenador con el movimiento real del terreno

Para asegurar que el modelo informático reflejara la realidad, los autores compararon sus predicciones con lo registrado por los instrumentos. Utilizaron un modelo de suelo avanzado calibrado para el endurecimiento de la arcilla blanda a deformaciones muy pequeñas y su ablandamiento cuando se perturba. El movimiento lateral calculado de las pantallas y el hundimiento de la superficie del terreno coincidieron casi perfectamente con las mediciones. El máximo asiento del terreno predicho por el modelo difirió del valor observado en menos de dos por ciento, y el modelo también captó dónde se produjo el mayor asentamiento y hasta qué distancia se extendió la zona perturbada detrás de la excavación. Esta estrecha concordancia dio al equipo confianza para usar el modelo y explorar muchos otros diseños de túnel y sótano que serían difíciles o imposibles de ensayar en campo.

Cómo se mueven realmente los túneles cercanos

Con el modelo verificado, los investigadores simularon un túnel de metro típico que discurre cerca de un lado de un sótano profundo soportado por vigas circulares. Variaron tres factores principales: cuánto suelo había por encima del techo del túnel, a qué distancia se encontraba el túnel del sótano y cuán largo era el sótano en comparación con su profundidad. Las simulaciones mostraron que el túnel no se limita a hundirse; en su lugar, se desplaza en tres dimensiones, siendo la flexión lateral la que juega el papel dominante. Los mayores desplazamientos del túnel ocurren directamente frente al centro del sótano, y para muchos diseños realistas el movimiento lateral fue casi el doble del asentamiento. A medida que la distancia entre túnel y sótano aumentaba, tanto los movimientos laterales como los verticales decrecían bruscamente, especialmente dentro de un rango de aproximadamente una a dos profundidades de excavación.

La profundidad de enterramiento y el tamaño del sótano cambian el riesgo

La cantidad de suelo que cubre el túnel resultó tener un efecto no intuitivo. Al colocar el túnel más profundo, los movimientos inicialmente crecían y luego volvían a disminuir, con la respuesta más intensa típicamente cuando el techo del túnel se situaba a una profundidad algo superior a la mitad de la profundidad de la excavación. La forma de la distorsión del túnel en torno a su sección transversal también rotó al cambiar la profundidad, desplazando los puntos de máxima deformación. El tamaño del sótano fue igualmente importante: excavaciones más largas liberaron más esfuerzo en la arcilla circundante, haciendo que tanto el movimiento lateral del túnel como el asentamiento aumentaran casi de forma lineal con la longitud del sótano. Cuando el sótano se hizo más de aproximadamente seis veces más largo que profundo, los movimientos previstos del túnel superaron los límites de servicio habituales a menos que se incluyeran medidas protectoras especiales.

Un diagrama sencillo para que lo usen los ingenieros

Para convertir estos complejos resultados tridimensionales en una herramienta práctica, los autores combinaron sus simulaciones en un gráfico de diseño sencillo. El gráfico divide el espacio alrededor de un sótano en zonas donde los movimientos esperados del túnel son despreciables, modestos o lo bastante grandes como para preocupar. Estas zonas dependen principalmente de la distancia del túnel al sótano y de la profundidad relativa respecto a la excavación. Para cada combinación, el gráfico indica si es probable que el movimiento del túnel se mantenga dentro de cinco, diez o veinte milímetros, o si exceda esos umbrales.

Qué significa esto para la construcción urbana

Para no especialistas, el mensaje clave es que los sótanos profundos soportados por vigas circulares en arcilla blanda pueden construirse con seguridad cerca de túneles de metro, pero el movimiento del túnel está controlado principalmente por la distancia, la profundidad y la longitud del sótano. El empuje lateral sobre el túnel suele ser más crítico que el simple asentamiento. El diagrama de diseño propuesto en este trabajo ofrece a los ingenieros una forma rápida de juzgar cuándo una excavación planificada probablemente será inocua y cuándo se necesitan protecciones adicionales, como mejora del suelo o muros de aislamiento, antes de comenzar a excavar.

Cita: Qi, S., Wang, B. Deformation mechanisms of an existing tunnel adjacent to deep basement supported by circular beams in soft clays. Sci Rep 16, 14633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50853-z

Palabras clave: deformación de túneles, excavación profunda, arcilla blanda, construcción de sótanos, seguridad de túneles de metro