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Flow rate and leakage-channel geometry govern thermal anomalies in tunnel lining blocks

A través de experimentos de laboratorio y modelado 3D, este estudio demuestra que el caudal de agua y la geometría del canal de fuga gobiernan críticamente la intensidad, la distribución espacial y la dinámica temporal de las anomalías térmicas en los bloques del revestimiento del túnel, lo que requiere una interpretación de los datos de temperatura específica para cada ubicación.

Autores originales: Jiabao Wang, Quanyi Xie, Xiang Jia, Xiaohan Li, Lizhi Zhou, Jianhong Wang, Jian Liu

Publicado 2026-10-28

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CC BY 4.0

Autores originales: Jiabao Wang, Quanyi Xie, Xiang Jia, Xiaohan Li, Lizhi Zhou, Jianhong Wang, Jian Liu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Los túneles subterráneos son maravillas de la ingeniería, pero se enfrentan a un enemigo persistente: el agua. Cuando el agua subterránea encuentra una vía a través de las paredes de concreto que contienen la tierra, hace más que simplemente crear una zona húmeda. El agua en movimiento transporta el calor lejos de la roca y el concreto, creando una firma térmica fría que puede percibirse en la superficie. Para los ingenieros, detectar estas caídas de temperatura es una forma prometedora de encontrar fugas ocultas antes de que causen daños graves. Sin embargo, leer estas pistas térmicas es complicado. La forma y el tamaño de la mancha fría dependen de qué tan rápido se mueve el agua y del camino exacto que toma a través de grietas y huecos detrás de la pared. Si el agua fluye a través de una grieta recta o un canal irregular y cambiante, la mancha fría resultante se ve diferente, lo que dificulta determinar exactamente qué está sucediendo bajo tierra con solo mirar un mapa de temperatura.

Para desenredar este problema, un equipo de investigadores de la Universidad de Shandong se propuso comprender cómo la velocidad del agua que se filtra y la geometría de la trayectoria de la fuga controlan los patrones de temperatura en la pared de un túnel. Construyeron un modelo físico para imitar una sección del revestimiento de un túnel, utilizando dos grandes bloques de concreto apilados uno sobre otro para representar una unión común donde suelen ocurrir las fugas. Dentro de esta configuración, crearon canales estrechos llenos de agua para simular las vías ocultas por donde el agua subterránea podría filtrarse. Al bombear agua a diferentes velocidades y ajustar la posición y el ángulo de estos canales, pudieron observar cómo el agua fría se extendía a través del concreto. Combinaron estos experimentos físicos con una simulación computacional detallada que rastreaba el movimiento del calor y del agua, lo que les permitió probar muchos más escenarios de los que sería posible únicamente en el laboratorio.

Los investigadores descubrieron que la velocidad del agua es un factor dominante en qué tanto se enfría la pared del túnel. Cuando el agua fluye lentamente, el efecto de enfriamiento se mantiene concentrado cerca de la parte superior donde el agua ingresa. Pero a medida que la tasa de flujo aumenta, el agua fría viaja más lejos hacia abajo por el canal y extiende su frío más profundamente en la parte inferior de la estructura de concreto. Esto significa que una fuga más rápida crea una zona fría más grande y extendida. Sin embargo, hay un límite para este efecto; una vez que el agua fluye lo suficientemente rápido, la temperatura cerca de la entrada deja de descender significativamente porque el concreto allí ya está tan frío como el agua misma. El descubrimiento más sorprendente, no obstante, surgió al observar la forma de la trayectoria de la fuga. Cuando los investigadores desplazaron el canal inferior lateralmente con respecto al superior, la zona fría no se movió simplemente en línea recta. En su lugar, el efecto de enfriamiento se redistribuyó de formas complejas. Algunos puntos en la pared se volvieron mucho más fríos a medida que el canal se movía, mientras que otros se volvieron más cálidos, mostrando que la ubicación de la mancha fría es altamente sensible a la alineación exacta de la fuga.

En contraste con los cambios drásticos causados por desplazar el canal lateralmente, rotar el canal ligeramente tuvo muy poco impacto en el patrón de temperatura observado en la superficie. Girar el canal inferior treinta o sesenta grados cambió la temperatura solo una fracción mínima de grado, una diferencia tan pequeña que sería difícil de detectar sin instrumentos precisos. Esto sugiere que, para fines de detección de fugas, la posición horizontal de la trayectoria de la fuga importa mucho más que su ligera inclinación angular. El estudio también reveló que el tiempo juega un papel crucial en cómo se desarrollan estas manchas frías. Los puntos en el concreto más cercanos al canal de agua se enfriaron muy rápidamente, perdiendo la mayor parte de su temperatura en las primeras horas. Los puntos más alejados se enfriaron mucho más lento, continuando su descenso de temperatura mucho después del flujo inicial. Esto significa que no existe un momento único en que el patrón de temperatura se estabilice; la pared está en constante cambio a medida que el frío se propaga.

Estos hallazgos ayudan a los ingenieros a comprender que una imagen térmica de un túnel no es una simple instantánea de una sola fuga. La mancha fría vista en la superficie es el resultado de una interacción dinámica entre la velocidad a la que fluye el agua y la trayectoria específica, y a menudo irregular, que toma a través de la roca y el concreto. Aunque los modelos computacionales y las pruebas de laboratorio proporcionaron una imagen clara de estas mecánicas, los investigadores señalan que aplicar este conocimiento a túneles del mundo real requerirá una validación adicional. Los modelos asumieron un canal recto y perfecto y propiedades de materiales constantes, mientras que los túneles reales tienen grietas complejas y desordenadas, así como condiciones variables. No obstante, el trabajo establece una base vital: para diagnosticar con precisión una fuga, uno debe observar tanto la intensidad del enfriamiento como el tiempo específico de cómo ese frío se propaga, reconociendo que la forma de la mancha fría cuenta la historia de la geometría oculta de la propia fuga.

Resumen Técnico: El caudal de flujo y la geometría del canal de fuga gobiernan las anomalías térmicas en los bloques del revestimiento de túneles

Planteamiento del Problema
Las filtraciones de agua siguen siendo un problema persistente de serviciabilidad y durabilidad en los túneles subterráneos, particularmente en los túneles de excavación mediante voladura (drill-and-blast), donde las vías de filtración son heterogéneas e involucran fracturas discretas, juntas de construcción y zonas de contacto imperfecto. Aunque las filtraciones suelen detectarse mediante marcas de humedad superficial, estos indicadores visuales no revelan la morfología del canal de filtración ni la intensidad de la filtración. Si bien la temperatura es un indicador prometedor debido a que el agua de filtración transporta calor mediante advección mientras que el revestimiento responde mediante conducción, los métodos de detección actuales son mayoritariamente impulsados por imágenes. Estos identifican anomalías térmicas, pero a menudo no explican cómo parámetros específicos de la filtración —como el caudal, el desfase del canal y la orientación del canal— dictan la forma, la amplitud y la evolución temporal de estas firmas térmicas. Existe la necesidad de una interpretación basada en mecanismos que vincule la hidráulica de la filtración y la geometría del canal con la evolución espacio-temporal del campo de temperatura.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque combinado experimental y numérico para investigar las anomalías térmicas inducidas por filtraciones en un sistema simplificado de bloques de revestimiento de túnel de dos unidades.

Configuración Experimental: Se realizaron pruebas de laboratorio utilizando dos bloques de concreto C50 (1.0 m × 0.5 m × 0.5 m cada uno) apilados para simular una región de revestimiento local. Una caja con revestimiento de acero simuló un entorno de agua subterránea presurizada. Se probaron tres configuraciones de referencia (Modelos A–C) con variaciones en el caudal (100–150 mL/min), el desfase del canal (100–200 mm) y los ángulos de rotación (0° y 30°). Veinticinco sensores PT1000 dispuestos en una matriz de 5×5 monitorearon las temperaturas durante un período de 6 horas con intervalos de muestreo de 10 segundos.
Modelado Numérico: Se desarrolló un modelo tridimensional de flujo en fracturas y transferencia de calor en COMSOL Multiphysics. El modelo acopló la interfaz de Flujo en Fracturas con la Transferencia de Calor en Sólidos y Fluidos. Utilizó una formulación de fractura tipo Darcy con una apertura de 0.5 mm y asumió propiedades de material homogéneas. El dominio numérico replicó la geometría de los dos bloques pero densificó la matriz de monitoreo a 45 puntos para capturar gradientes espaciales más finos.
Validación y Análisis: El modelo numérico fue validado contra los datos experimentales de 6 horas utilizando el Error Cuadrático Medio (RMSE), el Error Porcentual Absoluto Medio (MAPE) y el coeficiente de correlación de Pearson al cuadrado ( $R^2$ ). Tras la validación, se realizaron análisis numéricos de un solo factor durante un período de 24 horas para aislar los efectos del caudal (10–200 mL/min), el desfase del canal (0–400 mm) y la rotación del canal (0°–60°) sobre las distribuciones de temperatura espacial y las historias de enfriamiento transitorio.

Resultados Clave
El estudio cuantificó cómo la intensidad de la filtración y la geometría del canal gobiernan las respuestas térmicas:

Validación del Modelo: El modelo numérico capturó con éxito los principales contrastes de temperatura espacial y las respuestas de enfriamiento transitorio observadas en los experimentos. En 30 historias de monitoreo, los valores de RMSE oscilaron entre 0.226 y 0.952 °C, y los valores de MAPE oscilaron entre 1.126% y 4.508%. Sin embargo, la correlación temporal ( $R^2$ ) varió significativamente según la ubicación, con rangos desde <0.001 hasta 0.994, lo que indica que, si bien los errores de magnitud fueron modestos, el tiempo de respuesta dependía de la ubicación.
Efectos del Caudal: El aumento del caudal de 10 a 200 mL/min intensificó el enfriamiento y extendió el alcance espacial de la zona de baja temperatura a lo largo del canal de filtración. No obstante, cerca de la entrada, la reducción de la temperatura mostró rendimientos decrecientes a medida que las temperaturas locales se aproximaban a la temperatura del agua de entrada (10 °C).
Efectos del Desfase del Canal: El aumento del desfase horizontal entre los canales superior e inferior redistribuyó el enfriamiento lateralmente. Esto produjo respuestas de temperatura dependientes de la ubicación y, en ocasiones, no monotónicas. Por ejemplo, en ciertos puntos de monitoreo, el aumento del desfase redujo inicialmente las temperaturas antes de elevarlas a medida que la zona de enfriamiento se desplazaba. Este efecto fue significativamente más fuerte que el de la rotación del canal.
Efectos de la Rotación del Canal: La rotación del canal inferior alrededor del eje vertical (0° a 60°) tuvo un efecto comparativamente débil en la sección central de monitoreo. Las diferencias máximas de temperatura entre los ángulos de rotación fueron de aproximadamente 0.15 °C, lo que sugiere que la rotación es un discriminador térmico menos sensible que el caudal o el desfase para la geometría específica y la sección de observación estudiada.
Evolución Transitoria: Las tasas de enfriamiento no fueron uniformes en la sección de monitoreo. Los puntos cercanos al canal y a la conexión de la interfaz respondieron rápidamente (representando aproximadamente el 95% del enfriamiento total de 24 horas dentro de las primeras 6 horas), mientras que los puntos más distantes exhibieron respuestas retardadas. Esto indica que no existe un único tiempo de estabilización para la sección de monitoreo; el enfriamiento rápido cerca del canal coexiste con el enfriamiento retardado impulsado por la conducción en otros lugares.

Significancia y Limitaciones
El artículo sostiene que sus hallazgos apoyan una interpretación específica de la ubicación de las respuestas térmicas internas, moviéndose más allá del reconocimiento fenomenológico hacia una comprensión basada en mecanismos. Al demostrar que el caudal y el desfase del canal alteran significativamente la huella espacial y el desarrollo temporal de las anomalías térmicas, el estudio proporciona una base para vincular la termografía de superficie con los parámetros ocultos de la filtración.

Sin embargo, los autores mantienen una postura modesta respecto a la aplicabilidad inmediata de estos resultados:

El estudio se centra en una sección de monitoreo local de dos bloques de concreto y no asume que un patrón de temperatura identifique de manera única la condición de filtración subyacente.
La validación experimental cubre solo las primeras 6 horas; los resultados de 24 horas son predicciones más allá de la ventana experimental y no establecen un equilibrio de tiempo tardío verificado experimentalmente.
Las pequeñas diferencias de temperatura causadas por la rotación del canal requieren un mayor refinamiento numérico y resolución experimental para ser consideradas firmas cuantitativas robustas.
La transferibilidad de estos hallazgos a sistemas de túneles a escala real con espesores de revestimiento variables, temperaturas de agua subterránea, ventilación y conectividad de canales complejos requiere de mayor validación.

En última instancia, el estudio establece un marco validado para simular las anomalías térmicas inducidas por filtraciones, pero enfatiza que la termografía de superficie y la estimación cuantitativa de la filtración basadas en estos mecanismos requieren de una validación adicional.

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