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Al instalar tomcat 6.0.29 y posteriormente configurarlo para usarlo con log4java (en lugar de las commons loging por defecto), he encontrado el siguiente mensaje de error en ${catalina.home}/logs/catalina.out:

==> catalina.out <==
log4j:WARN No appenders could be found for logger (org.apache.catalina.startup.Embedded).
log4j:WARN Please initialize the log4j system properly.
log4j:WARN See http://logging.apache.org/log4j/1.2/faq.html#noconfig for more info.

Este error impide que se muestren los logs de log4j.

He comprobado que el problema dejaba de suceder cuando arrancaba tomcat sin soporte de security, por lo que el problema estaba en el ${catalina.home}/conf/catalina.policy, solución:

Cambiar la sección de permisos de tomcat-juli.jar de ${catalina.home}/conf/catalina.policy:

// These permissions apply to the logging API
// Note: If tomcat-juli.jar is in ${catalina.base} and not in ${catalina.home},
// update this section accordingly.
//  grant codeBase "file:${catalina.base}/bin/tomcat-juli.jar" {..}
grant codeBase "file:${catalina.home}/bin/tomcat-juli.jar" {
....
};

por esta:

grant codeBase "file:${catalina.home}/bin/tomcat-juli.jar" {
permission java.security.AllPermission;
};

Con esto, permitimos el acceso de la clase que encapsula la gestión de logs a los recursos necesarios.