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Geomechanical Stability Assessment of Underground Chalk Heritage Galleries Based on TLS-Derived 3D Geometry and Numerical Modelling

Este estudio evalúa la estabilidad geomecánica de las galerías históricas subterráneas de tiza bajo la plaza del mercado de Chełm mediante la integración de la geometría 3D derivada del escaneo láser terrestre con el modelado numérico y los parámetros de materiales probados en laboratorio para identificar zonas de baja estabilidad y secciones altamente estresadas.

Autores originales: Mateusz Blajer, Wioletta Podwyszyńska-Sałosz, Krzysztof Tajduś

Publicado 2026-10-29

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CC BY 4.0

Autores originales: Mateusz Blajer, Wioletta Podwyszyńska-Sałosz, Krzysztof Tajduś

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

Bajo la superficie de muchas ciudades históricas yacen redes de túneles y cámaras, talladas hace mucho tiempo en roca blanda y porosa para extraer materiales de construcción. Estos espacios subterráneos no son meros vacíos, sino estructuras geológicas complejas donde la estabilidad del terreno depende de un delicado equilibrio entre el peso de la tierra superior, la resistencia de la propia roca y la geometría de las aberturas. En lugares como Chełm, Polonia, donde túneles de tiza de siglos de antigüedad corren directamente debajo de una bulliciosa plaza de mercado, este equilibrio es crítico. La roca, conocida como tiza de escritura, es naturalmente fuerte cuando está seca, pero se vuelve frágil y propensa a desmoronarse cuando absorbe agua. Con el tiempo, la meteorización y la humedad pueden debilitar la roca, provocando que bloques se desprendan del techo o las paredes y, en casos extremos, provocando el colapso del terreno superior. Comprender cómo se mantienen unidas estas estructuras antiguas requiere más que solo mirarlas; exige una forma de ver las fuerzas invisibles de tensión y deformación que actúan sobre ellas cada día.

Para abordar la seguridad de estos espacios históricos, un equipo de investigadores recurrió a un enfoque moderno que combina el escaneo de alta precisión con la simulación computacional avanzada. Se centraron en una sección específica de los Túneles de Tiza de Chełm, un monumento único de la historia minera polaca que fue intensamente desarrollado en los siglos XVI y XVII antes de ser abandonado debido a preocupaciones de seguridad. Los investigadores comenzaron mapeando las galerías subterráneas con extremo detalle mediante el escaneo láser terrestre, una técnica que hace rebotar haces de luz láser contra las superficies para crear una copia digital tridimensional precisa de los túneles. Este proceso capturó las formas irregulares, los pasajes estrechos y las texturas rugosas de las paredes de tiza, que son demasiado complejas para que las herramientas de medición tradicionales las registren con precisión. Este modelo digital sirvió como base para una reconstrucción virtual del mundo subterráneo, permitiendo a los científicos estudiar los túneles sin perturbar el frágil entorno.

Con la geometría de los túneles fijada en un modelo informático, el equipo necesitaba comprender las propiedades físicas de la propia roca. Recolectaron muestras de la tiza del sitio y las probaron en un laboratorio para ver cómo se comportaba el material bajo presión, tanto en su estado húmedo natural como cuando estaba seca. Las pruebas revelaron una diferencia marcada: la tiza era significativamente más fuerte cuando estaba seca, pero su capacidad para soportar peso disminuía considerablemente cuando había humedad presente. Este hallazgo fue crucial porque se sabe que los túneles son húmedos, con condensación a menudo visible en las paredes. Los investigadores utilizaron estos resultados de laboratorio para programar el modelo computacional, asegurando que la roca virtual se comportara exactamente como la roca real lo haría bajo condiciones similares. Luego, simularon el peso de los edificios y el tráfico en la plaza del mercado superior, así como la presión natural de la tierra circundante, para ver cómo respondían las cámaras subterráneas.

Las simulaciones mostraron que, bajo las condiciones actuales, las cámaras seleccionadas permanecen globalmente estables. La computadora calculó un margen de seguridad que superaba el umbral mínimo requerido para prevenir un colapso a gran escala, lo que sugiere que los túneles no están en peligro inminente de fallar por completo. Sin embargo, el análisis también destacó áreas específicas donde la roca está bajo un estrés significativo. Los mapas computacionales revelaron que, si bien la estructura general se mantiene, existen zonas localizadas, particularmente a lo largo de las paredes laterales y en los techos de algunas cámaras, donde la roca está siendo llevada a sus límites. Estas áreas corresponden a las capas delgadas de tiza que se han observado desprendiéndose de las paredes en los túneles reales. El estudio encontró que la distribución de este estrés cambia dependiendo de la presión lateral; cuando la presión horizontal aumenta, la carga se desplaza de las paredes hacia el techo y el suelo, alterando qué partes del túnel están en mayor riesgo.

Uno de los hallazgos más importantes fue que los túneles parecen haber sido moldeados naturalmente con el tiempo para maximizar su estabilidad. Las cámaras suelen tener una forma elíptica con una orientación vertical, la cual resulta ser una forma eficiente para resistir la presión descendente de la tierra. Los investigadores señalaron que los mineros probablemente ajustaron la forma de los túneles mientras trabajaban, tallando los puntos débiles y dejando atrás una estructura capaz de sostenerse a sí misma. A pesar de esta estabilidad inherente, el estudio enfatiza que la seguridad actual no es una garantía para el futuro. Las simulaciones no tuvieron en cuenta los efectos lentos y a largo plazo de la meteorización o el debilitamiento gradual de la roca a medida que absorbe más agua durante décadas. Si bien los túneles son seguros hoy, el proceso continuo de degradación inducida por la humedad significa que los puntos débiles identificados en el modelo computacional podrían crecer eventualmente, provocando colapsos locales o daños en la superficie superior.

El valor de esta investigación radica en su capacidad para señalar exactamente dónde están los riesgos, en lugar de ofrecer solo una evaluación general de seguridad. Al combinar la geometría 3D precisa de los escaneos láser con el comportamiento real de la tiza, los investigadores crearon una herramienta que puede guiar los esfuerzos futuros de monitoreo y refuerzo. Identificaron que las partes más profundas de los túneles son particularmente sensibles a los cambios en el campo de estrés, y que la presencia de agua es el factor más importante que amenaza la resistencia de la roca. Este enfoque permite a los ingenieros centrar su atención en las secciones específicas de los túneles que necesitan soporte, en lugar de tratar toda la red como un problema uniforme. Para las galerías de tiza históricas de Chełm, esto significa que el camino a seguir implica la observación cuidadosa de las zonas húmedas y el refuerzo dirigido de las áreas donde la roca ya muestra signos de tensión, asegurando que estos monumentos subterráneos puedan preservarse para las generaciones futuras sin poner en riesgo la seguridad de la ciudad superior.

Resumen Técnico: Evaluación de la Estabilidad Geomecánica de Galerías Patrimoniales Subterráneas en Tiza

Planteamiento del Problema
Las excavaciones subterráneas históricas en rocas débiles y porosas, como los túneles de tiza de Chełm en Polonia, presentan desafíos geotécnicos distintivos. Estas estructuras, desarrolladas principalmente en los siglos XVI y XVII, están sujetas a riesgos de inestabilidad impulsados por geometrías complejas, degradación heterogénea del macizo rocoso e influencias ambientales a largo plazo. Específicamente, la tiza de escritura en la que se excavaron estos túneles exhibe una resistencia favorable con baja humedad, pero experimenta una marcada degradación a medida que aumenta el contenido de humedad. La entrada de agua altera la cohesión y la microestructura, provocando el desprendimiento de capas, el colapso del techo y posibles socavones. Dado que a menudo se utilizan métodos empíricos para la evaluación de la estabilidad, la literatura sugiere que estos pueden sobreestimar significativamente la seguridad en estructuras con geometrías irregulares. Además, la selección de modelos constitutivos capaces de dar cuenta de la dependencia de la tasa de deformación y los procesos reológicos en la tiza sigue siendo un desafío.

Metodología
El estudio emplea una metodología de "escaneo a modelo" que integra datos geométricos de alta resolución con un análisis numérico tridimensional. El flujo de trabajo procede de la siguiente manera:

Adquisición y Reconstrucción Geométrica: Se utilizó la Escaneo Láser Terrestre (TLS) para capturar la geometría de las obras subterráneas. Se procesaron un total de 154 escaneos que comprenden aproximadamente 44 millones de puntos para generar una Red de Triangulación Irregular (TIN). Este proceso implicó el filtrado de ruido, la eliminación de valores atípicos y el refinamiento manual para abordar las sombras y vacíos del escaneo, resultando en una representación 3D precisa de los perfiles irregulares de las cámaras.
Caracterización Geomecánica: Se realizaron ensayos de laboratorio en muestras de tiza de escritura recolectadas en el sitio para determinar los parámetros del modelo constitutivo. Las pruebas incluyeron ensayos de compresión uniaxial y de resistencia a la tracción brasileña bajo condiciones de humedad natural y de secado. Los resultados destacaron la significativa sensibilidad de los parámetros de resistencia y deformación a la humedad. La calidad del macizo rocoso se evaluó mediante los sistemas RMR89 y GSI, arrojando una clasificación de Clase III de "roca regular" (fair rock).
Modelado Numérico: Se desarrolló un modelo computacional 3D en FLAC3D, incorporando la geometría derivada de TLS, la topografía superficial (mediante LiDAR) y las cargas antropogénicas (edificios y tráfico vehicular). El modelo utilizó el criterio de rotura de Hoek–Brown y el método de Reducción de Resistencia de Corte (SRM) para calcular el Factor de Seguridad (FS).
Escenarios de Simulación: El análisis consideró dos escenarios de campo de esfuerzos in situ definidos por coeficientes de presión lateral media ( $\bar{\lambda}$ ) de 0.8 y 1.2 para considerar la incertidumbre en el campo de esfuerzos. La secuencia de simulación incluyó la inicialización del estado de esfuerzos primario, la aplicación de cargas superficiales, la simulación de la excavación y la instalación de estructuras de soporte donde estas estaban presentes históricamente.

Resultos Clave

Estabilidad Global: El análisis indica que las cámaras seleccionadas bajo la plaza del mercado son globalmente estables. Los valores mínimos calculados del Factor de Seguridad (FS) fueron 2.13 para $\bar{\lambda} = 0.8$ y 2.16 para $\bar{\lambda} = 1.2$ , ambos superando el umbral mínimo adoptado de 2.0.
Concentraciones de Esfuerzo Local: Aunque no se indica una inestabilidad global, los mapas de Relación Esfuerzo-Estrés (SSR) revelan zonas localizadas de elevada utilización de esfuerzos.
- Bajo el escenario de $\bar{\lambda} = 0.8$ , las zonas de alta utilización de esfuerzo (SSR $\approx$ 1.0) se desarrollan principalmente a lo largo de las paredes laterales, alcanzando espesores de 60–70 cm en algunas secciones.
- Bajo el escenario de $\bar{\lambda} = 1.2$ , ocurre una redistribución de esfuerzos, reduciendo la carga en las paredes laterales pero aumentando la utilización de esfuerzos en los techos y suelos (8–25 cm de espesor).
- Las cámaras más profundas (por ejemplo, bajo 15 m de sobrecarga) muestran sensibilidad al escenario del campo de esfuerzos, con zonas de SSR $\approx$ 1.0 que se extienden hasta 55 cm de espesor bajo la condición de $\bar{\lambda} = 1.2$ .
Desplazamiento: Los desplazamientos totales dentro de las cámaras oscilan entre 0 y 0.008 m. Se observan máximos de desplazamiento localizado en los suelos de las cámaras, probablemente asociados con irregularidades geométricas.
Sensibilidad a la Humedad: Los resultados de laboratorio confirmaron que el secado de la tiza aumentó la resistencia a la compresión uniaxial de un rango de 1.47–3.18 MPa (humedad natural) a 4.88–14.16 MPa. Esto confirma que el contenido de humedad es un factor crítico que gobierna la capacidad de carga, aunque el modelo numérico evaluó la condición actual basándose en el conjunto de parámetros adoptado sin modelar explícitamente el creep dependiente del tiempo o la degradación futura.

Significación y Contribuciones
La principal contribución de este estudio es la integración consistente de la geometría 3D derivada de TLS, la caracterización geomecánica de la tiza (incluyendo los efectos de la humedad) y el análisis numérico 3D para la evaluación práctica de peligros geológicos en obras subterráneas históricas. El estudio demuestra que, si bien las cámaras permanecen globalmente estables, depender únicamente de los valores de FS globales es insuficiente para una evaluación de seguridad integral. En su lugar, el mapeo de zonas localizadas donde la SSR se aproxima a 1.0 es esencial para identificar posibles mecanismos de falla, tales como el desprendimiento de bloques y la delaminación, que son típicos en vacíos superficiales dentro de rocas porosas débiles.

Los autores concluyen que la metodología propuesta de "escaneo a modelo" apoya eficazmente la planificación de programas de monitoreo y medidas preventivas. Los resultados sugieren que, si bien actualmente no existe una amenaza para la serviciabilidad de los edificios superiores, las zonas debilitadas localizadas identificadas requieren atención para evitar que el meteorismo progresivo conduzca a una inestabilidad futura. El estudio enfatiza que la evaluación de estabilidad actual es válida para el conjunto de parámetros adoptado y que la evolución a largo plazo de las condiciones hidrogeológicas sigue siendo una incertidumbre crítica.

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