Comportement des tunnels en terrain poussant

Le projet de liaison ferroviaire Lyon-Turin s‟inscrit dans la perspective des grandes traversées alpines, confrontées à la problématique du creusement de tunnels à grande profondeur. La descenderie de SaintMartin-la-Porte, pour la reconnaissance du projet de tunnel de base Maurienne-Ambin, a connu des difficultés d’exécution à partir de la rencontre des schistes charbonneux du Houiller productif. Les matériaux rocheux fortement tectonisés, rencontrés dans les terrains traversés par ce tunnel, sont caractérisés par un comportement particulièrement poussant (désigné par les anglophones sous le terme « squeezing ground ») qui se manifeste par des convergences élevées et des effets différés importants, et de plus une anisotropie due à l‟orientation préférentielle des plans de faiblesse mécanique.

Les travaux de la présente thèse s‟inscrivent dans la continuité de la thèse de The Manh Vu (menée dans le cadre d‟une collaboration entre l‟Ecole des Ponts ParisTech et le Centre d‟Etudes des Tunnels et soutenue fin 2010) qui a, d‟une part, développé une méthode d‟analyse des données de convergence (déplacements des parois) couplée aux données géologiques (direction des plans de faiblesse et profils lithologiques) et, d‟autre part, développé un modèle de comportement en élasticité non linéaire anisotrope conduisant à des solutions analytiques 2D pour les contraintes et les déformations autour de la galerie. Ce modèle ne prenait pas en compte explicitement l‟effet du temps mais considérait des paramètres mécaniques à court terme et à long terme.

GÉNÉRALITÉS SUR LE COMPORTEMENT DE TERRAIN POUSSANT

Le terme de comportement poussant (« squeezing behavior ») fait référence au phénomène de grande déformation différée et souvent anisotrope observé lors de l‟excavation d‟un tunnel dans un terrain de faible résistance et de forte déformabilité, souvent en combinaison avec une grande hauteur de couverture. Cette réponse du terrain conduit à des convergences inacceptables des parois, à des problèmes de stabilité et à un chargement excessif des soutènements, ce qui exige une adaptation de la méthode de creusement et de la conception des soutènements.

Comportement poussant

Le terme de « comportement poussant » remonte à l‟époque du développement des infrastructures de transport sous les Alpes entre 1860 et 1910 où de nombreux tunnels à grande profondeur ont été construits. Ce phénomène a d’abord été décrit de façon phénoménologique, par l’observation des désordres et des solutions constructives développées pour y remédier. Les principes sous-jacents sont aujourd’hui encore insuffisamment compris. La définition du comportement poussant publiée par la Société Internationale de Mécanique des Roches (ISRM), (Barla 1995), est la suivante : « Squeezing of rock is the time dependent large deformation which occurs around the tunnel and is essentially associated with creep caused by exceeding a limiting shear stress. Deformation may terminate during construction or continue over a long time period ». On peut également trouver des descriptions de ce phénomène chez différents auteurs parmi lesquels on peut citer Terzaghi (1946), Gioda (1982), O’Rourke (1984), Jethwa (1986), Kovari (1988), Singh (1988), Einstein (1990), Aydan (1993) et Panet (1996). À partir des définitions trouvées chez ces auteurs, les aspects principaux sont résumés comme suit :

– Les roches manifestant des phénomènes de terrain poussant sont de natures géologiques/pétrographiques variées : roches magmatiques ou métamorphiques altérées (gneiss micacés, phyllades, schistes), roches sédimentaires altérées (argilite, tuf, certains flysch, mudstone), minéraux prépondérants (micas, chlorite, serpentine, minéraux argileux) ;
– Le phénomène de terrain poussant fait référence aux grandes déformations différées pendant le creusement des tunnels. La prédominance des effets différés sur la réponse du terrain pendant l’excavation sous-entend : (1) soit un phénomène de fluage ou de rupture progressive surtout observé pour les ouvrages sous forte contrainte, dans les roches médiocres fortement déformables et faiblement résistantes ; (2) soit un phénomène de consolidation : observé dans le cas des tunnels en terrain aquifère peu perméable ;
– Le phénomène de terrain poussant est également souvent caractérisé par une anisotropie liée à l’état de contrainte préexistant ou à la structure du matériau, sans que l’on parvienne dans beaucoup de cas à distinguer clairement les deux effets qui peuvent se combiner ;
– L‟amplitude et la vitesse de la convergence ainsi que l’extension de la zone décomprimée associées au comportement poussant dépendent des conditions géologiques et géotechniques, de la contrainte in-situ par rapport à la résistance du massif rocheux, de la présence d’eau, des pressions interstitielles et des propriétés du massif rocheux ;
– Le phénomène du terrain poussant est étroitement liée à la méthode d’excavation et à la technique de soutènement adoptées ;
– L’extrême variabilité de l’intensité du phénomène pour une même méthode, un même soutènement, une même couverture, une même lithologie, sur de courtes distances ;
– Dans les roches présentant une résistance à la compression élevée sous un état de contrainte également élevé, et en cas de comportement fragile, on assiste plutôt à des phénomènes d’écaillage et de décompression brutale en paroi (« rock bursting»);
– Il est bien souvent difficile de séparer les phénomènes de comportement poussant et de gonflement : dans un rocher de faible résistance contenant des minéraux argileux, le processus d‟endommagement et de rupture s’accompagne de gonflement (dépendant lui aussi du temps).

Identification du comportement poussant

L‟identification du comportement poussant est très importante pour le dimensionnement et la construction des tunnels. Différentes approches basées sur des retours d‟expérience sont proposées pour identifier le phénomène de terrain poussant. D‟un point de vue empirique, Terzaghi (1946) a proposé une première identification en termes de charge sur le support initial. A partir de la qualité du massif rocheux et de la hauteur de couverture H, Singh et al. (1992) et Goel et al. (1995) ont tracé des abaques différenciant les cas « squeezing » et « non-squeezing». Ces deux méthodes sont basées sur la classification géotechnique de Barton (« Rock mass quality Qsystem »), Goel et al. utilisent plus précisément le paramètre « Rock mass number – N  = Q SFR=1 » et considèrent également l‟influence de la portée de l‟ouvrage B.

Table des matières

SOMMAIRE
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS SUR LE COMPORTEMENT DE TERRAIN POUSSANT
1.1 Introduction
1.2 Comportement poussant
1.3 Identification du comportement poussant
1.4 Méthode d‟excavation prenant en compte le comportement poussant du terrain
1.5 Méthode d‟auscultation
1.6 Prise en compte du comportement différé dans la modélisation des tunnels
1.7 Prise en compte de l‟effet anisotrope dans la modélisation des tunnels
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 DESCENDERIE DE SAINT-MARTIN-LA-PORTE
2.1 Introduction du projet
2.2 Contexte géologique
2.3 Méthode d‟excavation et soutènements mis en œuvre
2.4 Programme d‟auscultation
2.5 Données géologiques
2.6 Comportement du terrain
2.7 Réponse du soutènement
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 APPROCHES ANALYTIQUES POUR PRENDRE EN COMPTE LE COMPORTEMENT ANISOTROPE DU TERRAIN
3.1 Introduction
3.2 Interaction terrain-soutènement : Méthode convergence-confinement appliquée au cas d‟un terrain anisotrope
3.3 Tunnel de section non-circulaire
3.4 Interaction entre deux tunnels parallèles
3.5 Solution analytique en grande déformation pour un comportement anisotrope nonlinéaire
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 APPROCHES NUMÉRIQUES POUR LA MODÉLISATION DES TERRAINS POUSSANTS
4.1 Approches numériques pour la modélisation des tunnels
4.2 Modélisation par la méthode des différences finies
4.3 Comportement différé anisotrope des tunnels creusés en terrain poussant
4.4 Effet d‟anisotropie sur la réponse du soutènement déformable
4.5 Conclusion
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
Conclusions
Perspectives
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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