Méthode de calcul des tunnels

Depuis des centaines d’années, poussé par la curiosité et la nécessité, l’homme a tenté d’exploiter les espaces souterrains. Aujourd’hui dans nos villes modernes, la réalisation des ouvrages souterrains et en particulier la construction de métro s’impose. Ce fait est dicté par le développement démographique accéléré ce qui permettrai une fluidité du transport et son efficacité. D’un autre côté la réalisation des cavités souterrains et leur équipement continuent de défier les spécialistes compte tenu des dangers liés au creusement des tunnels. C’est pourquoi la recherche de nouvelles solutions afin d’améliorer constamment les techniques, les équipements et les matériaux utilisés dans la construction des tunnels s’impose dans les conditions affectées de mouvements du sol induits par les travaux dont l’extension A de la ligne 1 du métro d’Alger en fait partie . En milieu urbain, les ouvrages souterrains sont généralement creusés à faible profondeur pour des causes économiques et environnementales, mais ce choix peut induire des déformations au niveau des terrains adjacents et au-dessus de l’ouvrage et par conséquence l’affectation des infrastructures à la surface. Cependant l’amplitude de déformation dépend des conditions géologiques, géotechniques, de la géométrie de l’ouvrage souterrain et de la méthode d’excavation.

L’ingénieur se trouve ainsi face à deux problèmes majeurs: d’une part assurer le bon déroulement des travaux en préservant la stabilité de l’ouvrage, et d’autre part, contrôler les déformations du massif encaissant pour éviter l’interaction avec les constructions avoisinantes. Dans les zones fortement urbanisées, le creusement d’ouvrage peut en effet engendrer des désordres importants aux structures existantes, avec des conséquences humaines et économiques non négligeables. Ainsi, dès la phase de projet, l’estimation correcte des tassements est nécessaire afin de concevoir les systèmes de soutènement et pré-soutènement les plus adaptés au site où l’ouvrage va être réalisé. Ces systèmes peuvent ensuite être corrigés si nécessaire sur la base des mesures prises in situ pendant les travaux . Le creusement du tunnel est une opération très délicate où la moindre erreur peut causer des dégâts très importants et très coûteux. Pour assurer une meilleure stabilité de l’ouvrage, faire le bon choix des méthodes de creusement, plusieurs mesures de précaution doivent être prises durant les différentes phases des travaux.

Méthode de calcul des tunnels

Méthodes empiriques et semi-empiriques de pré-dimensionnement

Pour calculer ou concevoir un tunnel, certains auteurs ont proposé des synthèses sous forme de classifications. Ces méthodes, rapides d’emploi et donc économiques, reposent sur différents paramètres géotechniques. C’est donc le choix de ces paramètres et la façon de les utiliser pour le dimensionnement de l’ouvrage qui va faire la différence d’une méthode à l’autre. Au stade des études préliminaires, on dimensionne fréquemment les ouvrages souterrains à partir des classifications des massifs rocheux, ces méthodes sont en effet rapides d’emploi, donc économiques. Il existe de nombreuses méthodes de classification se basant sur différents paramètres géotechniques. C’est le choix de ces paramètres et la façon de les utiliser pour le dimensionnement de l’ouvrage qui font la différence d’une méthode à l’autre.

Les méthodes les plus utilisées actuellement sont :
● Classifications de l’AFTES.
● Classification de BIENIAWSKI.
● Classification de BARTON.
● Méthode de l’indice de résistance géologique GSI (Geological Strength Index).

Les méthodes analytiques

Les méthodes analytiques permettent de déterminer quantitativement les paramètres de dimensionnement à partir d’un modèle, destiné à schématiser le comportement de l’ouvrage sous l’effet des sollicitations qui lui sont appliquées. Ainsi, permettent rapidement d’obtenir des ordres de grandeur des paramètres de calcul et d’estimer l’influence de certains paramètres sur la réponse de l’ensemble terrain-soutènement. Toutefois, leur domaine d’application directe est limité en raison des hypothèses de calcul très restrictives sur lesquelles elles reposent. Les méthodes analytiques se basent sur des hypothèses simples visant à simplifier la modélisation du problème rencontré.

Ces simplifications portent sur les hypothèses suivantes :
● La géométrie : le tunnel est supposé à section circulaire et d’axe horizontal;
● La stratigraphie : on ne prend en compte qu’une seule couche de terrain supposée homogène;
● La loi de comportement du sol : supposée élastique linéaire ou élastoplastique;
● L’état initial de contraintes est supposé isotrope et homogène;
● Les formules sont exprimées dans le plan et dans le cadre des petites déformations.

Les méthodes analytiques peuvent se diviser en deux groupes :
● Méthode analytique élastique.
● Méthode analytique élasto-plastique.

Les méthodes analytiques élastiques

Sont des méthodes qui traitent l’entourage de l’excavation comme un milieu élastique. Nous citons essentiellement les auteurs ayant développé des méthodes de calcul destinées à évaluer les mouvements dans le massif, sans entrer cependant dans le détail des équations :
● GOUDMAN-SHI (1982).
● EINSTAIN-SCHWARTZ (1979).
● KIRSCH (1898).
● LAME (1852).
● WARBURTON.

Les Méthodes analytiques élasto-plastique

Sont des méthodes qui rendent en compte le développement d’une zone plastique autour de la cavité souterraine due de l’excavation du tunnel. Parmi les analyses élasto-plastiques on a :
● Théorème limite [CAQUOT, ATKINSON, MÜHLHAUS] (1950).
● PANET (1979).
● Convergence-confinement (1980) .

Méthode de convergence-confinement 

L’utilisation de cette méthode a été suggérée par FENNER (1938) ensuite reprise par PACHER (1964), cité par AFTES (2002). Le défaut principal de ces premières approches était de ne pas tenir compte des déformations du terrain qui interviennent avant la mise en place du soutènement. Pour traiter ce défaut, LOMBARDI (1973) a proposé une méthode en utilisant une ligne caractéristique du « noyau », une notion de convergence au front, alors que PANET (1973) ont proposé de prendre en compte les déformations qui interviennent avant la mise en place du soutènement par le truchement du taux de déconfinement. Cette méthode a fait par ailleurs l’objet de recommandations de l’AFTES (2002). Pour ramener le problème tridimensionnel à un problème de déformation plane, on admet que la pression initiale σ0 supportée par le noyau cylindrique de terrain avant son excavation (qui est égale à la contrainte géostatique initiale du terrain) n’est pas réduite brutalement à zéro en deçà du front de taille du fait de sa disparition, mais qu’elle se réduit progressivement au fur et à mesure que l’on s’éloigne du front, ce qui correspond en fait à l’effet d’arc-boutement longitudinal. Le problème de l’étude de la déformation du terrain encaissant et de la convergence des parois au voisinage du front est ainsi ramené à l’étude de la convergence dans une section plane lorsque l’on fait décroître progressivement à partir de σ0 la pression centripète exercée sur la paroi ou pression de confinement. La méthode de convergence-confinement permet d’analyser l’interaction entre le massif et le soutènement. C’est une méthode de dimensionnement du tunnel simple pour tenir compte des conditions de mise en œuvre du soutènement derrière le front de taille au prix d’une simplification des lois de comportement et d’une homogénéisation d’un certain nombre de zones du massif (SVOBODA et al 2010). Elle conduit à un pré dimensionnement satisfaisant du soutènement et elle oriente au stade de l’avant-projet, le choix des caractéristiques de soutènement et donne l’ordre de grandeur des déformations à attendre.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 Etude bibliographique
1. Introduction
2. Méthode de calcul des tunnels
2.1. Méthodes empiriques et semi-empiriques de pré-dimensionnement
2.2. Les méthodes analytiques
2.2.1. Les méthodes analytiques élastiques
2.2.2. Les Méthodes analytiques élasto-plastique
2.2.2.1. Méthode de convergence-confinement
1. Introduction
2. Définition de la convergence
3. Hypothèses
4. L’application de la méthode convergence-confinement
5. Limites d’utilisation de la méthode convergence-confinement
6. Principe général de la méthode convergence-confinement
7. Détermination du taux de déconfinement à l‟application du soutènement
8. Méthodes fondées sur la convergence du tunnel non soutenu
8.1. Comportement élastique du massif
8.2. Comportement élasto-plastique du massif
9. Méthodes fondées sur la convergence du tunnel soutenu
10. Le comportement mécanique des soutènements
10.1. Anneau circulaire d‟épaisseur constante e (e << R)
10.2. Cintres métalliques circulaires espacés appliqués contre le terrain
10.3. Soutènement par boulons
10.4. Béton projeté
2.3. Les méthodes numériques
1. Introduction
2. Principe de la méthode
3. Application au calcul des ouvrages souterrains
4. Maillage et conditions aux limites
5. Loi rhéologique des matériaux
6. Résolution du système
7. Principes de code de calcul
7.1. Les lois de comportement dans PLAXIS
A. Modèle de MOHR-COULOMB
B. Le modèle HARDENING Soil (HSM)
3. Exécution du creusement d‟un tunnel en milieu urbain
4. Méthode de creusement
4.1. La méthode d‟excavation par section (séquentielle)
4.1.1. Le creusement à pleine section
4.1.2. Le creusement en demi-section
4.1.3. Le creusement en section divisée
4.2. Exécution du creusement dans un milieu rocheux
4.2.1. Creusement à l‟explosif
4.3. Creusement mécanique des tunnels
4.3.1. Creusement à attaque ponctuelle
4.3.2. Creusement au tunnelier (Tunnel Boring Machine TBM)
4.3.3. Exécution du creusement dans les terrains meuble
4.3.3.1. Les différents types de boucliers
5. Conclusion
CHAPITRE 2 Contexte du tunnel de l’extension ‘A’ de la ligne 1
Partie 1 : Présentation et description du projet
1. Introduction
2. Description de l‟extension „A‟ de la Ligne 1
3. Description des ouvrages de l‟extension „A‟ de la Ligne 1
3.1. Station ALI BOUMENDJEL
3.2. Station Place des Martyrs
3.3. Puits de ventilation PV1
3.4. Puits de ventilation PV2
3.5. Projet à étudier
Partie 2 : Reconnaissances géologiques, hydrogéologiques et géotechniques
1. Introduction
2. Les objectifs de ces études sont représentatifs
3. Galerie de reconnaissance
4. Reconnaissances géologiques
4.1. Moyens de reconnaissances géologiques
4.1.1. Inventaire des données géologiques existantes
4.1.2. Levé géologique de surface
4.1.3. Géophysique
4.1.4. Sondages
5. Reconnaissances hydrogéologiques
5.1. Moyens de reconnaissances hydrogéologiques
5.1.1. Inventaires des données existantes
5.1.2. Levé hydrogéologique de surface
5.1.3. Géophysique
5.1.4. Sondages
6. Reconnaissances géotechniques
6.1. Moyens de reconnaissances géotechniques
6.1.1. Inventaires des données existantes
6.1.2. Géophysique
6.1.3. Sondages
6.1.4. Essais de laboratoire
6.1.5. Sondage carotté
7. Conditions tectoniques
8. Conditions sismiques
8.1. Les zones sismiques
9. Présentation et description des conditions géologiques et hydrogéologiques du site (Extension „A‟ de la ligne 1)
9.1. Programme de reconnaissance
9.1.1. Sondages réalisés
10. Conditions géologiques du site (Extension „A‟ de la ligne 1)
10.1. Formations récentes
10.2. Roches métamorphiques
11. Conditions hydrogéologiques du site (Extension „A‟ de la ligne 1)
11.1. Piézomètres
12. Résultats des essais
12.1. Echantillon des sols
12.1.1. Essais de pénétration dynamique (Nspt)
12.1.2. Essais pressiométriques
12.1.3. Pression limite et module pressiométrique
12.2. Echantillons des roches
12.2.1. Identification
12.2.2. Essais de compression uniaxiale
12.2.3. Essai de résistance à la traction (essai Brésilien)
12.2.4. Essais de perméabilités du type “ Lugeon ”
13. Conclusion
CHAPITRE 3 Evaluation des charges
1. Introduction
2. Types et origines des poussées souterraines
2.1. Poussées de détente
2.2.Poussées géologiques (Poussées souterrains réelles)
2.3.Poussées de gonflement
3. Les différentes méthodes de calcul des charges
3.1. Evaluation des pressions verticales σv
3.1.1. Théorie de TERZAGHI
3.1.2. Théorie de BIERBAÜMER
3.1.3. Théorie des pressions des terres
3.1.4. Théorie de PROTODIAKONOV
3.2. Evaluation des pressions horizontales σh
3.2.1. Théorie de TERZAGHI
3.2.2. L’expérience SOVIETIQUE
3.2.3. Théorie de PROTODIAKONOV
3.2.4. Méthode de COULOUMB-RANKINE
3.2.5. Théorie des pressions des terres
3.3. Evaluation de la pression agissant au niveau du radier
3.3.1. Méthode de TSIMBARIEVITCH
3.3.2. Méthode de TERZAGHI
3.4. Evaluation des pressions hydrostatiques
3.5. Charges et surcharges utiles
3.5.1. Charges intérieures
3.5.2. Charges extérieures provenant de la surface du terrain
4. Calculs des charges agissant sur le soutènement du tunnel
4.1. Application du Calcul des charges au PK : 29+375 (profil C)
4.1.1. Hauteur maximale d‟équilibre pour la poussée de détente
4.1.2. Calcul des charges verticales σv
4.1.2.1. Théorie de TERZAGHI
4.1.2.2. Théorie de BIERBAÜMER
4.1.2.3. Théorie des pressions des terres
4.1.2.4. Théorie de PROTODIAKONOV
4.1.3. Calcul des charges horizontales σh
4.1.3.1. Théorie de TERZAGHI
4.1.3.2. L’expérience SOVIETIQUE
4.1.3.3. Théorie de PROTODIAKONOV
4.1.3.4. Méthode de COULOUMB-RANKINE
4.2. Détermination de la pression au niveau du radier au PK-0+625
4.2.1. Méthode de TSIMBARIEVITCH
5. Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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