Interaction Mechanism of Tunnel Excavation and Overlying Building Loads in Shallow-Buried Coastal Urban Tunnels
Este estudio investiga la interacción entre la excavación de túneles de poca profundidad y las cargas de edificios suprayacentes en áreas urbanas costeras mediante ensayos de modelo, simulaciones numéricas y monitoreo in situ, revelando que la secuencia de excavación, la filtración de agua subterránea y la sobrecarga de los edificios gobiernan colectivamente los patrones de deformación, identificándose la excavación del banco superior bajo los edificios como la etapa más crítica que causa asentamiento y deformación estructural significativos.
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Bajo las bulliciosas calles de las ciudades costeras, se desarrolla un desafío de ingeniería silencioso pero crítico donde los túneles se encuentran con el suelo que tienen encima. En estas áreas, la tierra es a menudo una mezcla compleja de suelo suelto, roca meteorizada y agua, situada justo debajo de la superficie. Cuando los ingenieros excavan un túnel masivo a través de este terreno, eliminan el material que ha sostenido el peso de la ciudad durante siglos. Esta eliminación provoca que la tierra se desplace y se asiente, un proceso que puede amenazar la estabilidad de los edificios que se encuentran directamente encima. La situación se vuelve aún más complicada cuando el suelo está saturado de agua. En tales entornos, excavar un agujero permite que el agua fluya hacia el túnel, cambiando la presión que mantiene unidos los granos de suelo. Esta interacción entre la tierra sólida, el agua que fluye y el pesado peso de los edificios crea un equilibrio delicado que, si se altera, puede provocar daños significativos o incluso un colapso. Comprender exactamente cómo funcionan estas fuerzas juntas es esencial para mantener la seguridad de las ciudades a medida que continúan expandiendo sus redes de transporte subterráneo.
Investigadores de la Universidad de Ciencias de la Tierra de China (Beijing) se propusieron desentrañar esta compleja relación estudiando una sección específica del Segundo Túnel Submarino de la Bahía de Qingdao Jiaozhou. Este túnel es una pieza de infraestructura vital, pero su sección en tierra presenta un conjunto único de dificultades: está enterrado muy superficialmente, abarca una anchura enorme y pasa directamente por debajo de edificios existentes en un entorno rico en agua. Para comprender la mecánica de esta interacción, el equipo no se basó en un solo método. En su lugar, combinaron tres enfoques: construyeron un modelo físico a escala del túnel y los edificios en un laboratorio, realizaron simulaciones computacionales detalladas que daban cuenta del flujo de agua a través del suelo, y analizaron datos en tiempo real recolectados del sitio de construcción real del túnel. Al entrelazar estos tres hilos, pudieron observar cómo reaccionaban el suelo y los edificios paso a paso a medida que se excavaba el túnel.
El modelo físico era una miniatura precisa del mundo real, construida dentro de una caja grande llena de materiales especialmente diseñados para imitar la resistencia y las propiedades de flujo de agua del granito y el suelo reales. Los investigadores colocaron edificios diminutos sobre este modelo, incluyendo una pequeña estructura de ladrillo y un edificio de armazón más alto, y aplicaron cargas sobre ellos para simular su peso real. Luego excavaron el túnel en el modelo utilizando un método específico que consistía en remover el suelo por etapas, primero desde el lado izquierdo y luego desde el derecho, moviéndose de arriba hacia abajo. Mientras excavaban, observaron cómo el suelo se asentaba y cómo cambiaba la presión del agua. Descubrieron que el momento más peligroso no ocurrió cuando el túnel se abrió por primera vez, sino más bien durante una fase específica de la excavación. El movimiento y la liberación de tensión más significativos ocurrieron cuando la sección superior del lado derecho del túnel estaba siendo excavada directamente debajo de los edificios. Fue en ese preciso momento cuando el suelo sobre el túnel se hundió más, y la presión del agua cayó más rápido.
La presencia de agua demostró ser un gran amplificador de estos efectos. El estudio mostró que cuando se permite que el agua drene fuera del suelo a medida que se excava el túnel, la tierra se asienta significativamente más de lo que lo haría en condiciones secas. En sus simulaciones por computadora, los investigadores encontraron que tener en cuenta este flujo de agua aumentaba el hundimiento máximo del techo del túnel en un 27.3 por ciento en comparación con un escenario donde se ignoraba el agua. Esto sucede porque la presión del agua que ayuda a mantener unidos los granos de suelo se pierde a medida que el agua escapa hacia el túnel, causando que el suelo se comprima y el suelo de arriba caiga. Los investigadores observaron que este efecto de drenaje era más intenso cerca de la parte superior del túnel, razón por la cual la etapa superior de excavación fue tan crítica. El agua no solo añadió peso; cambió fundamentalmente cómo se comportaba el suelo, haciéndolo más débil y más propenzo a movimientos repentinos.
La posición de los edificios con respecto al túnel también desempeñó un papel decisivo en cómo se distribuía el daño. Cuando un edificio se situaba directamente sobre el túnel, el suelo se asentaba en un patrón relativamente simétrico, pero el área de asentamiento se volvía más estrecha y profunda, concentrando el estrés en la cimentación del edificio. Sin embargo, cuando el túnel pasaba ligeramente al lado de un edificio, o en un ángulo, el suelo no se asentaba de manera uniforme. En su lugar, un lado del edificio se hundía más que el otro, causando que la estructura se inclinara. Este hundimiento desigual creaba fuerzas de torsión y un esfuerzo adicional en el armazón del edificio, particularmente en las esquinas y donde las vigas se unían con las columnas. El estudio destacó que simplemente medir cuánto se hundía el centro del suelo no era suficiente; los ingenieros también necesitaban vigilar estos efectos de inclinación y torsión, que podían ser igual de peligrosos para la integridad estructural del edificio.
Los hallazgos del modelo de laboratorio y las simulaciones por computadora coincidieron estrechamente con los datos recolectados de la construcción real del túnel en Qingdao. En el mundo real, a medida que la cara del túnel avanzaba por debajo de los edificios, el suelo se asentaba rápidamente durante la excavación del banco superior, confirmando los patrones vistos en los experimentos. Este acuerdo otorga confianza a los ingenieros en los resultados. La investigación sugiere que para proyectos similares en ciudades costeras, el momento más crítico para monitorear la seguridad es cuando la parte superior del túnel está siendo excavada directamente bajo un edificio. Durante esta ventana, los ingenieros deben prestar mucha atención no solo a cuánto se está hundiendo el suelo, sino también a qué tan rápido está cayendo la presión del agua y si los edificios están comenzando a inclinarse. Al centrar sus esfuerzos de monitoreo en estos momentos y factores específicos, los equipos de construcción pueden proteger mejor las estructuras superiores y asegurar la seguridad de los trabajadores debajo.
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