CREUSEMENT À LA TBM DANS UN SOL HÉTÉROGÈNE

CREUSEMENT À LA TBM DANS UN SOL HÉTÉROGÈNE

Stabilité du front de taille des tunnels creusés en terrain meuble- Évaluation de la pression au front

INTRODUCTION

Comme il a été discerné dans le chapitre précédent, l’analyse du comportement de l’excavation se focalise sur trois principaux points ; l’analyse des tassements en surface (Elément déjà vu dans le premier chapitre), l’analyse de la stabilité du front de taille (qui fera l’objet du chapitre présent) et enfin, la dernière, concernant l’évaluation des chargements sur le revêtement (qui ne rentre pas dans le cadre de cette étude mais si l’auteur voudra se documenter ; le travail de Moller (2010) présente une bonne référence).
La stabilité au front de taille est considérée comme la caractéristique la plus importante dans le creusement d’un tunnel en configuration tridimensionnelle, les recherches consacrées à ce type d’études ne cessent d’évoluer jusqu’à nos jours. Le chapitre présent exposera les analyses développées depuis des décennies pour la compréhension de cette thématique.
Sachant qu’une analyse de stabilité au front d’un tunnel se relie directement à la pression frontale appliquée au font ; l’évaluation correcte de cette pression pour éviter l’instabilité du front fut l’obligation cruciale de divers chercheurs qui ont proposé des approches analytiques pour déterminer la pression requise pour stabiliser le front. La plupart de ces approches sont basées sur l’une ou l’autre méthode : celle de l’équilibre limite (appelée LEM) introduite par Broms & Bennermark (1967) ou celle de l’analyse limite (LAM).
Ce chapitre est consacré à la présentation du phénomène de rupture au front des tunnels creusés en terrain meuble ainsi qu’à des méthodes dont on dispose pour l’estimation de la pression au front. On clôtura le chapitre par un large aperçu des contributions menées dans ce cadre de travail.

STABILITÉ DU FRONT DE TAILLE ASSOCIÉE AUX SOLS MEUBLES

Un des aspects majeurs de la conception d’un tunnel est de connaître les conditions de sa stabilité, cette dernière est mise en état de cause lors du creusement en sol meuble entrainant la perturbation du champ initial des contraintes ainsi que les conditions hydrogéologiques.
Cette modification des contraintes s’accompagne, en général, d’une convergence des parois du tunnel (chapitre 1), ainsi que d’un déplacement instantané du front vers l’excavation. Dans le cas particulier des sols fins, la modification du champ des pressions interstitielles peut induire des déplacements différés (l’explication sera donnée dans le chapitre 3), cette connaissance joue un rôle capital pour le choix de la méthode de creusement utilisée et, bien sûr, pour la sécurité des travaux.
Parallèlement, l’étude de la stabilité au front fournit des indications sur les mécanismes de rupture les plus probables et les paramètres à prendre en compte dans l’étude de la réponse du massif. Il apparait que la quantification de cette stabilité est abordable lorsque le milieu à excaver est purement cohérent, et devient relativement difficile à exprimer si le terrain a des propriétés de cohésion et de frottement, ce qui nous amène à dégager deux situations distinctes (Dias, 1999) :
(1) Les terrains purement cohérents.
(2) Les terrains pulvérulents.
Cette distinction, classique en mécanique des sols, est justifiée également par la mise en évidence de modes de rupture fondamentalement différents pour chaque situation (Leca, 2000 et Leca et al., 2007).
Différents travaux de recherches destinés à caractériser la stabilité des tunnels en milieu argileux ont été menés au cours de ces quarante dernières années. En revanche, le problème de la stabilité au front de taille en terrain pulvérulent n’a été abordé que récemment, avec des constructions de tunnels dans des sables sous la nappe à la l’aide des tunneliers pressurisés (Leca, 2007).
En terrain argileux, les mécanismes de rupture du front de taille intéressent habituellement des volumes de sols importants qui se traduisent en surface, par la formation de large cratère, résultat mis en évidence grâce à des essais sur modèles réduits établit par Shofield (1980), tandis que pour les terrain sableux ; il a été décelé par Chambon & Corté (1989) que la rupture reste généralement beaucoup plus localisée et se propage sous la forme d’étroite cheminée en direction de la surface.
De telles conclusions sont conformes aux résultats fournis par des études théoriques (Chambon & Corté, 1989, 1990 ; Dormieux & Leca, 1993 ; Leca & Dormieux, 1990, 1992 ; Leca & Panet, 1988) aussi bien que des observations in situ (Clough et Leca, 1993), elles sont cependant basées sur la considération des conditions simplificatrices et devraient, évidemment, être ajusté aux conditions réelles de chaque chantier.
En plus, la stabilité au front construit sous la nappe est un cas particulier car les forces d’infiltration dues à l’écoulement d’eaux souterraines peuvent sérieusement affecter la stabilité au front. Cependant, il y’a peu de recherches qui donnent de l’importance aux problèmes de stabilité au front de tunnel construit sous la nappe (Lee & Nam, 2004).

Cadre général de l’étude de stabilité

Apparemment ce sont les sols cohérents qui ont pris la plus grande part des études, selon Leca & Dormieux (1992), qui furent parmi les premiers qui ont traité le phénomène de rupture dans les sols meubles ; le problème de la stabilité du front d’un tunnel en milieu cohérent a été abordé pour la première fois par Broms et Bennermark (1967), plusieurs auteurs se sont intéressés à ce problème par la suite. Les travaux les plus récents portent sur l’utilisation de modèles réduits en centrifugeuse et l’application de la théorie du calcul à la rupture (Salençon, 1990) ; le problème posé étant caractérisé par un nombre fini de paramètres de chargements, l’analyse de la stabilité consiste à déterminer le domaine des sollicitations supportables dans l’espace de ces paramètres de chargements.
Comme nous l’avons déjà signalé dans le chapitre préalable ; l’intérêt pour les calculs tridimensionnels y compris, bien sûr, l’analyse de la stabilité au front ne s’est manifesté que tardivement, avec la réalisation de tunnels dans des sols meubles.
De même, de nombreux auteurs se sont penchés sur l’étude de cette stabilité dans le cas des tunnels à faible profondeur dans un terrain meuble tant du point de vue expérimental, analytique que numérique. Dans la plupart des cas, les études ont été réalisées en considérant un tunnel circulaire de rayon R (Figure 2.1), soutenu jusqu’au front de taille ce qui présentait des incohérences vu qu’il excite une partie non soutenu devant le front (appelée P, Voir fig.2.1c).
Le chargement de la structure peut être défini par trois paramètres : g (poids volumique du terrain environnant), sS (surcharge qui peut représenter la charge transmise par une fondation ou encore le poids d’une couche de sol située au-dessus de la côte H), et sT (pression appliquée au front de taille, appelée aussi Pf).
À partir des travaux effectués dans ce domaine et d’une analyse de problèmes survenus pendant la construction de plusieurs ouvrages, Broms et Bennermark (1967) ont proposé des estimations du paramètre N, situées entre 6 et 8, valeurs au-delà desquelles l’instabilité de l’ouvrage apparaîtrait.
Ces valeurs ont été modifiées par la suite, à partir des analyses de retours d’expériences d’ouvrages creusés à faibles profondeurs dans des argiles par Peck (1969) qui a proposé la valeur de N≤5-7,
Dans cet esprit, les travaux de Davis et al. (1980) ont permis de préciser les conditions d’utilisation du critère de stabilité établi par Broms & Bennermark (1967), en mettant Figure 2.1. Schématisation du problème : (a, c) Coupe longitudinale, (b) Coupe transversale (Dias, 1999 ; Leca & Dormieux, 1992) notamment en évidence l’effet de la profondeur relative du tunnel, c’est-à-dire le rapport entre
la couverture du tunnel et son diamètre (C/D).
Néanmoins leurs résultats ne permettaient pas d’aboutir à une quantification précise du risque d’instabilité du fait de l’écart important existant entre les approches par l’intérieur et l’extérieur (que nous verrons plus loin). Cet écart constitue évidemment un obstacle à l’élaboration de méthodes de dimensionnement basées sur une analyse théorique de la stabilité. Selon ces auteurs, l’analyse d’essais d’effondrement en centrifugeuse semblait, par ailleurs, indiquer que les conditions de rupture observées expérimentalement (Schofield, 1980) étaient proches de celles déduites de l’approche par intérieur.
Leca & Dormieux (1992) ont trouvé naturel de tenter d’améliorer les approches par extérieur disponibles, ceci présentait le fond de leur étude qui s’inscrit dans le cadre de la théorie du calcul à la rupture et examine un ensemble de nouveaux mécanismes de rupture virtuels en géométrie tridimensionnelle.
L’université de Cambridge a prit sa part de calculs au début des années 80 en réalisant des essais sur modèles réduits effectués par Shofield (1980) et grâce à un développement théorique par analyse limite établit par Davis et al. (1980). Ces travaux ont permit de préciser le domaine de la validité du critère de Broms & Bennermark (1967) en introduisant deux paramètres supplémentaires susceptibles d’intervenir dans la stabilité du front de taille ; il s’agit là du rapport C/D et le rapport gD/Cu ; ceci a été mis en évidence par d’autres auteurs comme Leca (2000), Mollon (2010).
De même la longueur de galerie non soutenue (P) a également été étudiée et pouvait participer à la stabilité du front ; il a été observé une perte de stabilité très significative entre 0≤P/D≤1, tandis que, pour les valeurs de 2≤P/D≤3, la réponse du massif s’apparente à celle obtenue en conditions bidimensionnelles de section courante (Mair, 1979 ; Kimura & Mair, 1981). Ce qui nous semple logique vu que l’excavation présente des instabilités à environ un diamètre après le front ; ceci peut être causé par l’effet de cette partie non soutenue (Voir chapitre1 figure 1.2).
L’ensemble de ces résultats est synthétisé sur la figure (2.2), où les valeurs de N à la rupture sont présentées (Armando, 1997).

Sols cohérents

Dans le cas des sols cohérents, les études théoriques comme les observations expérimentales montrent que le niveau de stabilité à court terme du front de taille peut être apprécié essentiellement par le facteur de charge, les observations et calculs ont montré que le niveau de déformation au front est lié à la valeur de ce facteur.
Plusieurs auteurs affirment que dans le cas des terrains argileux, le schéma de rupture obtenu montre que les déplacements affectent une part importante du massif situé devant le front ; la rupture se traduit en surface par la formation d’un cratère de dimensions supérieures à celles du diamètre du tunnel ; dans ce cas, l’expérience montre que les ruptures au front mettent en jeu des volumes de sol considérables (figure 2.3).
Les travaux de Mair (1979) ont permis de préciser quelques idées sur la rupture dans les argiles, il a été constaté que la rupture est très rapide, mais progressive et se propage rapidement en surface. Après l’effondrement, il a été noté la présence d’une zone de rupture non déformée devant le front de taille à peu près un cylindrique (Leca, 2000).
D’autres travaux de recherches liés à ce cadre de résultats seront exposés plus loin dans le paragraphe dédié aux travaux antérieurs (Cf. Paragraphe 2.4).

Sols Pulvérulent

Le cas des sols pulvérulent est plus complexe : le paramétrage de la résistance du sol par deux facteurs j et c ne permet plus de définir le niveau de stabilité par un seul facteur. Il faut avoir alors recours aux approches numériques ou aux calculs à la rupture de type analyse limite dont les résultats peuvent s’exprimer sous forme d’abaques.
Il apparait, grâce aux recherches publiées à l’AFTES (1995) que la rupture du front de taille au niveau des sols pulvérulents s’accompagne de la formation d’une cheminée de largeur réduite au-dessus du tunnel (figure 2.4). Si le processus d’effondrement n’est pas arrêté, le mécanisme se développe en direction de la surface. Ce mécanisme a notamment été mis en évidence sur des essais en centrifugeuse réalisés sur du sable sec.
Ces constatations sont cohérentes avec les résultats obtenus par études théoriques (nous citons ; Dormieux & Leca, 1993, 1990,1992, Leca & Pantet, 1988).

Table des matières

RÉSUMÉ
ABSTRACT
ملخص
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FUGURES
PRINCIPALES NOTATIONS ET ABREVIATIONS
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1. COMPORTEMENT MECANIQUE DES TUNNELS EN CONFIGURATION TRIDIMENSIONNELLE
1.1 INTRODUCTION
1.2 INTÉRÊT D’UNE ANALYSE TRIDIMENSIONNELLE
1.2.1 Position du problème
1.2.2 Limitations de la configuration bidimensionnelle
1.3 COMPRÉHENSION DU PHÉNOMÈNE TRIDIMENSIONNEL AUTOUR DES TUNNELS
I.3.1 Déformation du front de taille
I.3.2 Phénomène de décompression du massif autour du front de taille
1.4 COMPORTEMENT DES SOLS DU AU CREUSEMENT DES TUNNELS DANS LES SOLS MEUBLES
1.4.1 Creusement des tunnels dans les sols meubles
1.4.2 Analyse des mouvements engendrés par le creusement
1.4.3 Estimation des tassements
1.4.4 Déplacements horizontaux
1.5 PRÉSENTATION DE CAS D’ÉTUDES (au lieu de travaux antérieurs)
1.6 CONCLUSION
CHAPITRE 2. STABILITE DU FRONT DE TAILLE DES TUNNELS CREUSÉS EN TERRAIN MEUBLE- ÉVALUATION DE LA PRESSION AU FRONT
2.1 INTRODUCTION
2.2 STABILITÉ DU FRONT DE TAILLE ASSOCIÉE AUX SOLS MEUBLES
2.2.1 Cadre général de l’Etude
2.2.2 Sols cohérents
2.2.3 Sols pulvérulents
2.3 ÉVALUATION ANALYTIQUE DE LA PRESSION AU FRONT DANS LES SOLS MEUBLES
2.3.1 Méthode basée sur l’équilibre limite (LEM)
2.3.2 Méthode basée sur l’Analyse limite (LAM)- Calcul à la rupture
2.4 PRÉSENTATION D’ÉTUDES CONSACRÉES A LA STABILITÉ DU FRONT (1961-2013)
2.5 CONCLUSION
CHAPITRE 3. COMPORTEMENT HYDRAULIQUE DES SOLS MEUBLES AUTOUR
DES TUNNELS – ÉTAT DE L’ART
3.1 INTRODUCTION
3.2 INTERACTION HYDRAULIQUE ENTRE LES TUNNELS ET LES EAUX SOUTERRAINESPOSITION
DU PROBLÈME
3.2.1 Effet du creusement des ouvrages souterrains sur les eaux souterraines
3.2.2 Influence de l’eau souterraine sur le creusement des tunnels
3.3 PRÉDICTION ET MODÉLISATION DES VENUES D’EAU DANS LES TUNNELS EN TERRAIN
MEUBLE
3.3.1 Approches analytiques pour l’évaluation du débit en régime permanent
3.3.2 Approche numérique
3.4 STABILITÉ AU FRONT DES TUNNELS EN PRESENCE D’EAUX SOUTERRAINES
3.4.1 Influence de la pression appliquée au front (σT) sur la stabilité
3.4.2 Influence de la pression interstitielle sur le front
3.5 SYNTHÈSE DES TRAVAUX ANTÉRIEURS (1981-2012)
3.6 CONCLUSION
CHAPITRE 4. ANALYSE DU COMPORTEMENT MECANIQUE ET HYDRAULIQUE DES SOLS MEUBLES AUTOUR DES TUNNELS EN 2D ET 3D
4.1 INTRODUCTION
4.2 PRÉSENTATION DE L’OUTIL DE CALCUL : PLAXIS 3D TUNNEL
4.2.1 Modélisation Élément Finis
4.2.2 Présentation de PLAXIS 3D Tunnel
4.3 CADRE GÉNÉRAL DES ANALYSES
4.3.1 Méthodes de calcul adoptées dans le cadre de l’étude 2D pour tenir compte de la tridimensionnalité dans les tunnels
4.3.2 Techniques de creusement adoptées dans le cadre de l’étude
4.3.3 Modèles de comportement adoptés
4.3.4 Modélisation des différentes phases du creusement
4.4 ANALYSE DU PREMIER CAS D’ÉTUDE- CREUSEMENT À LA TBM DANS UN SOL HÉTÉROGÈNE
4.4.1 Résultats du Calcul empirique et Numérique 2D- Analyse sans écoulement
4.4.2 Analyses Numériques en 3D (Conditions sèches)
4.4.3 Analyses Numériques en 2D : Cas avec écoulement
4.5 ANALYSE DES TASSEMENTS DU 2ÈME CAS D’ÉTUDE – CREUSEMENT À LA NATM
4.6 ANALYSE DU 3ÈME CAS D’ÉTUDE – CREUSEMENT À LA TBM DANS UN SOL HOMOGÈNE
4.6.1 Définition du problème
4.6.2 Analyses empirique et numérique en 2D (sans écoulement)
4.6.3 Analyses Numériques en 3D (Conditions sèches)
4.6.4 Comparaison entre les analyses 2D et 3D pour le 3èmeCas d’étude (Cas sec)
4.6.5 Analyses 2D des deux cas de figure pour le modèle 3- Cas avec écoulement
4.7 CONCLUSION
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES A Techniques de Creusement
ANNEXES B Méthode Convergence Confinement

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