Installation-Delay Effects on Passive-Bolt Anchorage in Squeezing Railway Tunnels: An Analytical Framework for Support Transition and Cost Optimization

Bajo la tierra, donde las masas rocosas están fracturadas y bajo una presión inmensa, la construcción de un túnel es una delicada negociación entre la ingeniería humana y la fuerza geológica. Cuando los ingenieros excavan a través de este terreno de "squeezing" (presión de convergencia), la roca no se queda simplemente quieta; se deforma lentamente hacia adentro, intentando cerrar el espacio creado por la excavación. Para mantener el túnel abierto, los constructores dependen de un sistema de soporte inmediato, que generalmente involucra capas de concreto proyectado y pernos de acero perforados en la roca para mantenerla unida. Un desafío fundamental en este trabajo es el tiempo. En el momento en que se expone la cara del túnel, la roca comienza a relajarse y moverse. Si el sistema de soporte no se instala instantáneamente, la roca se desplaza más antes de que los pernos y el concreto puedan actuar. Este retraso cambia la forma en que el sistema de soporte se comporta, a menudo de maneras que los cálculos estándar no predicen. Los ingenieros necesitan saber exactamente cuándo un sistema simple de pernos cortos y concreto fallará y cuándo deben cambiar a un sistema de anclaje más robusto y profundo para prevenir el colapso, todo esto manteniendo la viabilidad financiera del proyecto.

En un nuevo estudio, los investigadores han desarrollado un marco práctico para responder a estas preguntas para túneles de ferrocarriles de alta velocidad, analizando específicamente cómo los retrasos en la instalación afectan el rendimiento de los pernos de roca pasivos. El equipo combinó un método analítico bien conocido para predecir el movimiento del terreno con un modelo económico detallado para simular qué sucede cuando el soporte no se aplica de inmediato. Se centraron en un escenario donde la calidad de la roca es deficiente y el túnel es profundo, condiciones que son comunes en las regiones tectónicamente activas de Vietnam, donde se está planeando una nueva línea de alta velocidad norte-sur. Los investigadores querían ver si el enfoque estándar —usar pernos cortos y una capa de shotcrete— podría sobrevivir al movimiento adicional causado por los retrasos en la construcción, o si la roca se movería tanto que los pernos simplemente se extraerían del suelo antes de poder cumplir su función.

El estudio revela que el tiempo de construcción es tan crítico como la resistencia de los materiales. En sus simulaciones, los investigadores encontraron que a medida que la calidad de la roca se deteriora, la zona de roca rota e inestable alrededor del túnel se expande rápidamente. Para los pernos de 3.95 metros utilizados en su modelo base, existe un punto de inflexión específico. Cuando la calidad de la roca cae por debajo de una cierta calificación, la zona de rotura crece tanto que absorbe toda la longitud del perno que se supone debe estar anclado en roca sólida. Una vez que esto sucede, el perno pierde su agarre y ya no puede mantener unido el túnel, independientemente de qué tan fuerte sea el revestimiento de concreto. Los investigadores identificaron que esta zona de transición peligrosa ocurre cuando la clasificación de la masa rocosa cae entre 48.2 y 50.1. En esta estrecha banda, el retraso en la instalación del soporte causa que la roca se mueva lo suficiente como para dejar los pernos cortos estándar inutiles, forzando un cambio de estrategia.

Para comprender el impacto financiero de este fallo mecánico, el equipo creó un modelo de costos normalizado que elimina las fluctuaciones de divisas y la inflación para comparar el costo real de recursos de diferentes estrategias de soporte. Probaron un escenario severo donde la calidad de la roca era muy pobre, con una calificación de 35. En esta situación, los pernos cortos estándar fallaron por completo porque la zona de roca rota era demasiado profunda. Simplemente añadir más pernos cortos o hacer el concreto más grueso no resolvía el problema, ya que estas medidas no llegaban lo suficientemente profundo en la roca estable para proporcionar un anclaje seguro. La única solución que funcionó en la simulación fue cambiar a anclajes de cable profundos y pretensados. El óptimo matemático para este anclaje profundo fue una longitud de 9.61 metros. Sin embargo, debido a que la construcción requiere números enteros prácticos y tiene en cuenta el desperdicio de material, los investigadores calcularon que un tendón de cable estándar de 10 metros sería la solución lista para el campo. Este ajuste llevó el costo estimado a 3,105.4 unidades de costo por metro de túnel, una cifra que representa la forma más eficiente de asegurar el túnel en estas condiciones difíciles sin gastar de más en medidas ineficaces.

Los investigadores validaron su enfoque comparando sus resultados con datos del mundo real del Túnel Gemelo Driskos en Grecia, un sitio conocido por su severo terreno de "squeezing" y mala calidad de roca. En ese túnel, los ingenieros tuvieron que instalar cables largos y tensionados porque los pernos cortos y el concreto inicial fueron insuficientes para detener la deformación. El nuevo modelo reprodujo con éxito la tendencia general del movimiento del terreno observado en Grecia, prediciendo una deformación final del túnel que estuvo dentro del 8.2 por ciento de las mediciones reales registradas allí. Esta estrecha coincidencia sugiere que el marco es confiable para predecir cuándo fallará un sistema de soporte debido a los retrasos en la instalación. El estudio confirma que en terrenos pobres, esperar incluso poco tiempo para instalar el soporte puede empujar a la roca más allá del punto donde los pernos cortos pueden sostenerla, necesitando un cambio más costoso pero necesario hacia el anclaje profundo.

En última instancia, este trabajo proporciona una herramienta para que los ingenieros tomen mejores decisiones durante la fase inicial de diseño de grandes túneles. Va más allá de la suposición de que todas las partes de un sistema de soporte trabajan juntas perfectamente desde el momento en que se instalan. En cambio, reconoce que en el mundo real, los retrasos ocurren, y esos retrasos pueden cambiar la física del problema por completo. Al identificar los umbrales específicos de calidad de roca donde los pernos cortos fallan, el estudio ayuda a los ingenieros a planificar el tipo de soporte adecuado antes de que comience la construcción. Esto evita el costoso error de construir un túnel con un sistema que parece adecuado en papel pero falla en la práctica porque la roca se movió demasiado antes de que los pernos pudieran engancharse. Los hallazgos sugieren que, para túneles en terrenos de "squeezing", la clave para la seguridad y la rentabilidad reside en reconocer cuándo la roca está demasiado fracturada para soluciones simples y tener la previsión de utilizar sistemas de anclaje más profundos y activos.