Perturbations du sol en milieu urbain lors du creusement par tunnelier pressurisé

Les ouvrages à grande profondeur

Les tunnels alpins ont apporté de nombreuses informations sur la construction à très grande profondeur (hauteur de couverture supérieure à 1000 m). Les roches qui, à la surface, semblent très résistantes (RC > 150MPa) peuvent avoir un comportement complètement différents lors de leur traversée (CETU, 2012). Un autre phénomène, autrement plus violent, est le rockburst, il s’agit d’une explosion soudaine de la roche en paroi, comprimée bien au-delà de sa résistance par le poids des terrains sus-jacents. Ces projections sont extrêmement dangereuses pour les ouvriers, si le rocher ne cède pas brutalement, il s’écaille par plaques (Fig. 1.2). La schistosité et autres discontinuités de la roche sont des zones de rupture privilégiées à isoler et à renforcer le plus rapidement possible. Les convergences enregistrées sont centimétriques, voire décimétriques (alors qu’elles sont usuellement de quelques millimètres) et les soutènements doivent donc être « souple ». À cette profondeur, il est illusoire de vouloir retenir ces poussées par des cintres métalliques rigides. Pour accompagner les déformations, la pose de boulons à ancrage ponctuel très rapprochés et à forte ductilité s’est avérée efficace dans certaines situations2. L’emploi de cintres coulissants, accompagnant le déconfinement, est souvent une solution avantageuse.

Les zones aquifères : Problèmes et Solutions La traversée des zones aquifères a toujours posé d’énormes problèmes, on ne peut pas dire que ce problème soit entièrement résolu à l’heure actuelle, la difficulté est d’autant plus grande que les terrains sont presque toujours de nature boulante, avec très peu de cohésion. Le pire accident que l’on puisse redouter est le débourrage, lorsque les terrains liquéfiés sous de forts gradients hydrauliques, et libérés par le creusement du tunnel, envahissent la galerie3. Dans n’importe quelle situation, quoi qu’il arrive, il faut éviter ou tout au moins maîtriser les infiltrations d’eau par des reconnaissances adaptées – sondages à l’avancement par exemple. Lorsqu’une zone aquifère est localisée, plusieurs solutions s’offrent alors à l’ingénieur en charge du chantier. Si le creusement se fait au tunnelier, l’excavation a lieu sous bouclier fermé. Une bonne étanchéité est à prévoir entre les voussoirs ainsi qu’entre voussoirs et bouclier. Dans les méthodes conventionnelles, selon le débit et le gradient hydraulique ainsi que la qualité du terrain traversé, on peut :

Injecter le terrain pour en modifier les caractéristiques mécaniques, mais surtout pour le rendre étanche lors du passage du front de taille. On injecte habituellement du coulis de ciment tout autour du tunnel. 2 Congeler le terrain en parois pour les mêmes raisons. Le glaçon de roche est étanche et résiste mieux. 3 Deux techniques sont envisageables selon la configuration géotechnique et la durée du chantier : la congélation à l’azote liquide ou à la saumure. Dans tous les cas, la méthode consiste à faire circuler le fluide frigorifique dans un circuit de forages fermé. Le front de glace se propage jusqu’à former un ensemble homogène.

Technique de creusement mécanisé

À la fin du 19ème siècle, l’emploi de l’explosif dans les mines et les travaux souterrains a marqué vraiment une étape décisive pour le développement de ces travaux, il est vrai que l’une des préoccupations majeures des techniciens, aujourd’hui, est de s’affranchir des inconvénients liés à l’explosif qui sont essentiellement : l’ébranlement et la désorganisation du terrain encaissant, les hors profils, les risques d’accidents spécifiques, les coûts induits par ces inconvénients, notamment en matière de soutènement et de revêtement. Mais le passage du creusement à l’explosif au creusement mécanique s’est très longtemps heurté à un obstacle économique majeur à cause du coût relativement faible de l’énergie chimique contenue dans l’explosif par rapport à l’énergie mécanique, dite noble. La raréfaction des équipes de mineurs, personnel très spécialisé, a accéléré l’évolution, alors qu’une meilleure connaissance théorique des conditions d’attaque du terrain par des outils mécaniques et les progrès dans la configuration des têtes d’abattage permettaient d’en élargir le champ d’application à des gammes de terrains de plus en plus variées et d’en améliorer le rendement. On peut distinguer deux classes de tunneliers selon qu’il s’agit de simples machines de creusement ou de véritables machines de construction de tunnels intégrant les fonctions correspondant à la réalisation d’un ouvrage finalisé de point de vue génie civil. L’organigramme qui suit regroupe les principales catégories de tunnelier existantes.

MACHINES DE CONSTRUCTION DES TUNNELS – TUNNELIERS ET BOUCLIERS

Les machines de construction des tunnels sont destinées au creusement et à la construction de tunnels dont les parois nécessitent un soutènement où même un revêtement définitif immédiat ; mais dont le front d’attaque est stable pendant une durée suffisante pour ne nécessiter aucun soutènement. Les tunneliers constituent un outil aujourd’hui irremplaçable pour le creusement d’ouvrages dans des situations géologiques extrêmement diverses. Ils ont complètement transformé l’organisation même de ces chantiers parce qu’ils ont obligé à une analyse plus rigoureuse des tâches de chacun des membres de l’équipe. Ces tâches se sont trouvées à la fois allégées physiquement, mais aussi responsabilisées. Actuellement, le creusement de tunnels à faible profondeur en site urbain est essentiellement réalisé par des tunneliers à front pressurisé (pression de terre, de boue ou d’air).

Dans ce cas, une grande attention doit être apportée à l’évaluation des mouvements induits par le creusement, en particulier les tassements de surface qui peuvent affecter les constructions. Les différentes opérations réalisées par le tunnelier, on parle de : excavation, soutènement du front de taille, pose du revêtement, injection du vide annulaire,… rendent très complexes la compréhension des phénomènes induits par le creusement et l’identification des paramètres de fonctionnement du tunnelier prépondérants. Ces paramètres sont en effet liés à de nombreux éléments tels que la nature et les caractéristiques des sols rencontrés, les dimensions du tunnel, son tracé et la performance du creusement assurée par le tunnelier. Toutefois, la connaissance des paramètres influençant les mouvements du sol peut aider à mieux contrôler ceux-ci lors du creusement.

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre 01 conception des tunnels : Notion de bases- Technique pressurisée
1.1 INTRODUCTION
1.2 NOTIONS DE BASES LIÉES AUX OUVRAGES SOUTERRAINS
1.3 PROCÉDÉS DE CREUSEMENT DES OUVRAGES SOUTERRAINS DANS LES MILIEUX URBAINS
1.3.1 Méthode traditionnelle
1.3.2 Technique de creusement mécanisé
1.4 MACHINE DE CONSTRUCTION DES TUNNEL – TUNNELIER ET BOUCLIER
1.4.1 Étude historique
1.4.2 Description générale
1.4.3 Les différents types de bouclier
1.5 DOMAINE D’APPLICATION DES TUNNELIERS
1.6 PRÉCAUTION D’EMPLOI
1.7 CONCLUSION
Chapitre 02 Perturbations du sol en milieu urbain lors du creusement par tunnelier pressurisé
2.1 INTRODUCTION 26
2.2 MOUVEMENT DES SOLS ENGENDRÉS PAR LE CREUSEMENT
2.3 STABILITÉ DES TUNNEL EN MILIEU URBAIN
2.3.1 Le creusement dans le milieu urbain
2.3.2 Prévision des mouvements du terrain
2.3.3 Modélisation des techniques de creusement au tunnelier
2.4 TASSEMENT EN SURFACE
2.4.1 Méthodes empiriques de prédiction des tassements
2.4.2 Une approche empirique insuffisante
2.4.3 Méthodes numériques
2.5 MOUVEMENTS HORIZONTAUX
2.6 PRISE EN COMPTE DU BÂTI EN SURFACE
2.6.1 Type de désordres subis par les constructions en surface
2.6.2 Critère de dommages liés aux constructions
2.7 CONCLUSION
Chapitre 03 Tunnel urbain : interaction creusement – structure
3.1 INTRODUCTION
3.2 GÉNÉRALITÉS SUR LE PHÉNOMÈNE DE L’INTERACTION TUNNEL– OUVRAGE AVOISINANT
3.3 INTERACTION CREUSEMENT- FONDATION PROFONDE
3.4 INTERACTION : TUNNEL- STRUCTURE EN TUNNEL EN SURFACE
3.5 MODÉLISATION DU CREUSEMENT À L’AIDE DE TUNNELIER
3.5.1 Principe du tunnelier à front pressurisée
3.5.2 Étude numérique du problème de l’interaction
3.6 REVUE DE LITTÉRATURE
3.7 CONCLUSION
Chapitre 04 Modélisations numériques du creusement pressurisé du tunnel en terrain meuble
4.1 INTRODUCTION
4.2 BREF APERÇU SUR L’OUTIL DE CALCUL : PLAXIS V 8.2
4.3 PRÉSENTATION DU MODÈLE DE CALCUL RÉALISÉ
4.3.1 Caractéristique des matériaux
4.3.2 Modélisation par élément finis- Maillage retenu
4.4 RÉSULTATS DE CALCUL DU MODEL DE RÉFÉRENCE
4.4.1 Les déplacements verticaux
4.4.2 Les mouvement horizontaux
4.4.3 Comparaison entre les cuvettes de tassement
4.5 INFLUENCE DES PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES
4.5.1 Influence de la profondeur du tunnel
4.5.2 Influence de la position du bâtiment
4.5.3 Influence de la largeur du bâtiment
4.5.4 Influence de la hauteur des pieux
4.6 CONCLUSION
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE