Infrastructures Souterraines 2 1 [PDF]

Zitiervorschau

Semestre : 5 Unité d’enseignement : UED 3.1 Matière :Infrastructures souterraines VHS : 22h30 (cours : 1h30) Crédits : 1 Coefficient : 1

Objectifs de l’enseignement Ce cours a pour objet d’initier l’étudiant à se familiariser avec les règles de conception et de réalisation des tunnels routiers et autoroutiers, des tunnels ferroviaires et des parkings souterrains.

Connaissances préalables recommandées Résistance de matériaux, Mécanique des sols, Béton armé, Matériaux de construction.



Contenu de la matière Chapitre 1 Généralités sur les travaux en souterrain 2 semaines Principales catégories de souterrains (tunnels routiers et autoroutiers, tunnels ferroviaires, parkings souterrains, ouvrages particuliers), Données naturelles et contraintes à respecter. Chapitre 2 Notions de mécanique des roches 6 semaines Définition, Discontinuité du massif rocheux, Propriétés mécaniques de la matrice rocheuse, Modélisation du massif rocheux, Méthodes de calcul des ouvrages au rocher (stabilité des versants rocheux, calcul des fondations au rocher, calcul des ouvrages souterrains).

Chapitre 3 Méthodes de réalisation des ouvrages souterrains 5 semaines Phasage classique de réalisation des tunnels par la méthode conventionnelle (explosifs, purge et marinage, pose du soutènement, pose de l’étanchéité, pose du revêtement), Les différents types de soutènement (la nouvelle méthode autrichienne NATM, cintrage, soutènement au front de taille), Les différents types de revêtement (béton coffré, voussoirs préfabriqués). Chapitre 4 Gestion du patrimoine et mise en sécurité 2 semaines Le rôle des inspections, L’entretien et la mise en sécurité des ouvrages.

Références bibliographiques 1 A. Bouvard-Lecoanet, G. Colombet, F. Esteulle. Ouvrages souterrains : Conception, réalisation, entretien. Presses des Ponts, France, 1992. 2 B. Brady, E. Brown. Rock Mechanics for underground mining. Springer, 2004. 3 CFMR. Manuel de mécanique des roches : Fondements. Presses de l’ENSMP, Paris, 2000. 4 CFMR. Manuel de mécanique des roches : Les applications. Presses de l’ENSMP, 2004. 5 J.-L. Durville, H. Héraud. Description des roches et des massifs rocheux (c352). Techniques de l’ingénieur, traité de construction, 1995. 6 M. Panet. Le calcul des tunnels par la méthode convergence confinement, Presses des Ponts, France, 1995. 7 Z. -T. Bieniawski. Engineering Rock Mass Classifications. Wiley, 1989. 8 K. Szechy. Traité de construction des tunnels. Dunod, 1970. Collections OPU, Algérie.

Chapitre 1 Généralités sur les travaux en souterrain 1.1 Croissance de la construction des tunnels et d'ouvrages souterrains La construction des tunnels est l'une des premières activités d'ingénierie qui ait laissé des traces importantes sur l'histoire récente de la civilisation humaine. «Le tunnel le plus ancien actuellement connu semble bien être celui qui a été construit en Mésopotamie sous l 'Euphrate il y a 4 000 ans à l'époque de la reine Sémiramis. Ce tunnel est d 'une longueur de 1 km, il reliait le palais royal de Babylone au temple de Jupiter»

Aujourd'hui, cette branche du génie civil est en pleine expansion, soutenue par une série d'innovations technologiques et par les soucis écologiques dont témoignent les politiques de transport et d'urbanisme. Les civilisations modernes ont élargi le génie des souterrains afin de répondre aux besoins croissants de : communication,  transport (marchandise, eau), le stockage de matières dangereuses (pétrole, gaz), Décongestionner la surface des villes (parkings souterrains) loger des unités de production d'énergie (centrales enterrées ).

L'importance

croissante

des

considérations

environnementales et la saturation du terrain urbain conduisent à un accroissement de la construction d'ouvrages souterrains

(tunnels routiers et autoroutiers, tunnels

ferroviaires, parkings souterrains, ouvrages particuliers). La figure 1 qui donne la longueur cumulée des ouvrages souterrains construits dans le monde entre 1999 et 2004, montre ainsi la permanence du nombre d'ouvrages souterrains construits durant ces dernières années.

La construction des tunnels à faible profondeur rencontre souvent des problèmes de stabilité dus aux mauvaises conditions géologiques ou à la présence d'eau souterraine. C'est pourquoi : la conception, la réalisation et l'exploitation des ouvrages souterrains, Reposent aujourd'hui sur à des études géotechniques approfondies et des analyses de risques afin assurer la sécurité des ouvrages et de leurs usagers.

1.2 Risques liés aux tunnels urbains et ouvrages souterrains La construction en souterrain, particulièrement dans le cas des tunnels urbains engendre des risques spécifiques pendant tous les stades du projet et en particulier durant:  sa construction, son exploitation et après son abandon.

En raison des incertitudes inévitables, sur la réponse du terrain:  à l'effet du creusement, sur les conditions hydrologiques liées à la présence potentielle de l'eau souterraine, sur l'efficacité du soutènement et autres incertitudes géologiques, géotechniques ou géo‐mécaniques.

Les ingénieurs, les ouvriers et les usagers et les riverains de l'ouvrage s'exposent à différents risques dont les impacts peuvent être considérables sur la sécurité des personnes et des biens. Du fait que les tunnels se situent souvent dans des secteurs urbains, les conséquences des accidents peuvent être graves et toucher à la fois:  l'ouvrage, les personnes, l'environnement et l'économie (impacts socio‐économiques ).

Les ouvrages souterrains en milieu urbain, les tunnels en particulier, ont des caractéristiques spécifiques liées à leur fonction et à la nature des milieux traversés. Ils sont en effet, habituellement situés à faible profondeur dans des zones saturées

aux

infrastructures

multiples

souterraines en présence de populations.

aériennes

et

•En plus des conditions environnementales, la complexité des milieux traversés sur le plan géotechnique et topographique participe à accroître la probabilité d‘erreurs durant l'étape préliminaire de la conception et d'incidents ou d'accidents durant les travaux d'exécution et l'exploitation de l' ouvrage.

Les risques principaux rencontrés dans la construction et l' exploitation de tels ouvrages ont plusieurs origines : 1. Risques géotechniques et géologiques : ces risques sont liés à l'insuffisance des informations obtenues à travers la campagne de reconnaissance, à la capacité de prévoir la réponse du terrain à l'action de creusement ; 2. Risques hydrologiques : les risques hydrologiques sont associés à l'insuffisance des informations recueillies en ce qui concerne l‘hydrologie souterraine dans la zone du projet ; 3. Risques d'étude : liés surtout à la difficulté du projet à s' adapter aux conditions géomécaniques rencontrées réellement, aux défauts de construction, à l'expérience du bureau d'étude ainsi qu'aux contraintes contractuelles ;

4. Risques de construction ou de creusement : liés au choix de la méthode de construction non appropriée ou mal maîtrisée, aux phénomènes d’instabilité, à l’expérience de l’équipe du constructeur et aux contraintes contractuelles ; 5. Risque opérationnel, liés aux défauts de fonctionnement et  aux accidents ; 6. Risque financier, lié aux contraintes sociales et politiques, à la non–acceptation des responsabilités, aux contentieux et à la sécurité.

Nous pouvons distinguer plusieurs risques liés aux instabilités dans les ouvrages souterrains et les classer selon une échelle de gravité des impacts correspondants, 1.2.1 Effondrements Les effondrements représentent une menace concrète sur la stabilité des ouvrages souterrains, notamment pendant la phase de construction. Dans les ouvrages situés à faible profondeur un effondrement se produisant dans le tunnel peut remonter jusqu’à la surface et engendrer des dégâts conséquents.

1.2.2 Désordres Les désordres ont des conséquences moins graves que les effondrements. La chute et le glissement de blocs, les éboulements,

les

fissurations,

l’infiltration

de

l’eau

souterraine, le soulèvement de radier, les ruptures et les déformations localisées du soutènement sont les exemples les plus fréquents de désordres rencontrés dans les ouvrages souterrains.

1.2.3 Tassements en surface Les tunnels urbains sont des ouvrages souterrains situés à une profondeur généralement faible et souvent creusés dans des terrains meubles ou de sols. Le creusement de ces ouvrages engendre, souvent, un tassement du sol au‐dessus du tunnel, pouvant endommager les infrastructures situées en surface. La cuvette de tassement ou la dépression provoquée à la surface du sol par le creusement d'un tunnel est définie par le tassement maximal (Smax ) et la distance du point d’inflexion caractérisant l’extension latérale de la cuvette, figure 2.

Dans cette expression, x représente la distance du point considéré à l’axe du creusement, Smax est le tassement maximal et i est l’abscisse du point d’inflexion de la cuvette. La cuvette de tassement est également caractérisée par sa demi largeur Lc = 2.5ꞏi (figure 2) et son volume total Vs = 2.5ꞏiꞏSmax.

Afin d’évaluer les déformations provoquées par le tassement, la construction est assimilée à une poutre fléchie qui subit intégralement les tassements et les déformations du sol de fondation. Comme le montre la figure 3, on distingue plusieurs zones suivant la concavité de la déformation, zone A et zone B.

Les différents types d’instabilités des ouvrages souterrains sont liés aux conditions géotechniques, géologiques, hydrologiques et techniques du projet souterrain.

Chapitre 2 Notions de mécanique des roches 2.1 Méca roches et méca sols Il convient tout d’abord de bien différencier ce que nous appellerons par la suite roches et sols. Voici une définition d’origine mécanique : – Roches : Géomatériaux possédant une cohésion (C ≠ 0) et une résistance à la compression simple supérieure à 10 MPa. – Sols : Géomatériaux pulvérulents ou cohésifs mais ne présentant pas ou pratiquement pas de résistance à la compression simple. La cohésion disparaît par dissolution.

La règle plus générale veut que l’on désigne par roches les terrains profonds et par sols les terrains de surface. Certaines roches, telles les marnes à faible % de CaCO3 ou les granites très fracturés et altérés, sont inclassables. Leur comportement, au cœur de la recherche, n’est ni celui d’un sol ni celui d’une roche classique. Tout est affaire de compromis !

Applications La mécanique des roches trouve ses applications dans divers domaines de l’ingénierie et de la recherche : – Géologie : déformations tectoniques entraînant plissements, diaclases et failles ; – Physique du globe : comportement sous haute pression et température, séismes ; – Mine : stabilité des excavations, des tailles, galeries et puits ;

– Pétrole : extraction des fluides en milieu poreux, stabilité des forages profonds ; – Stockages souterrains : stabilité, transport des polluants, perméabilité, couplages thermo-mécaniques ; – Géothermie : échange de chaleur entre fluides et massif rocheux fracturé, durée de vie d’un pompage; – Génie Civil : fondations des grands ouvrages (barrages, centrales électriques, viaducs), terrassements routiers, stabilité des talus et versants, travaux souterrains, concassage et travaux de carrière, utilisation comme matériau (enrochements, pierre de construction, granulats).

La roche à l’échelle d’ingénierie est Discontinue, Inhomogène, Anisotrope, et Non‐linéairement Elastique. Origine des roches La roche est une substance solide composée de minéraux. La formation des roches dépend de 3 origines : les roches ignées du magma (magmatiques) (granite, basaltes, etc)., les roches sédimentaires de la lithifaction des sédiments (calcaires, grés, roches argileuses, etc) et les roches métamorphiques par métamorphisme (marbre,  quartzites, schistes et micaschistes, gneiss..).

Les discontinuités de la roche Dans les massifs rocheux, l'étude de la fissuration du massif est très importante pour la définition de la nature et de la quantité de soutènement à mettre en œuvre. Les joints des roches Les joints sont les principales discontinuités des roches. Ils sont normalement disposés en systèmes parallèles. Ils sont généralement considérés comme éléments du massif rocheux. L’espacement des joints est généralement de l’ordre que quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres. Pour l’ingénierie, les joints sont des éléments constants du massif rocheux.

Les failles Les failles sont des fractures planes de la roche qui mettent en évidence un mouvement relatif.

Les plis Le pli est le résultat de la flexion d’une strate rocheuse sous l’effet d’une force tectonique ou d’un mouvement.

Les plans de stratification La stratification est l’interface entre les couches de roche  sédimentaire.

Une classification des massifs rocheux basée sur le pourcentage de carottage modifié (appelée RQD "Rock Quality Designation"), en ne prenant en compte que les carottes ayant une longueur supérieure à 10 cm. Les massifs rocheux sont classés en 5 catégories :

On peut distinguer au point de vue de la fissuration 4 types de massifs rocheux 1‐ les massifs pratiquement continus, lorsque les discontinuités sont très rares et ont une fréquence hectométrique, 2 ‐ les massifs à familles de discontinuités lâches; la distance moyenne entre les plans de discontinuité d'une même famille est de l'ordre du mètre ou de quelques mètres, 3 ‐ les massifs à familles de discontinuités denses, où la distance moyenne entre les plans de discontinuité est de quelques décimètres à à quelques mètres, 4 ‐ les massifs très fissurés; la fissuration est très dense et le massif est découpé en éléments qui ont des dimensions de l'ordre du centimètre; ces massifs se comportent comme des milieux pulvérulents à angle de frottement interne plus ou moins élevé.

Des indications sur la dureté et la forabilité des roches sont aussi très utiles pour choisir les méthodes de creusement. La roche à l’échelle de l’ingénieur: Pour les travaux de génie civil, p.ex. fondations, glissements de terrain et tunnels, l’échelle des projets se situe généralement entre quelques dizaines de mètres et quelques centaines de mètres. La roche à l’échelle de l’ingénierie est généralement une masse en place. Il est formé de la roche intacte et des discontinuités (joints, failles, etc).

Composition des massifs rocheux Un massif rocheux contient: (i) du matériau rocheux sous forme de blocs de roche intacte  de tailles variées, et  (ii) des discontinuités qui coupe le massif sous forme de  fractures, joints, failles et plans de stratification. Massif rocheux = Matrice rocheuse + Discontinuités

Rôle des joints rocheux dans le comportement d’un massif rocheux • Coupe la roche en plaques, blocs et coins, libres de tomber et de bouger ; • Agissent comme plan de faiblesse pour le glissement ; • Facilite l’écoulement d’eau et crée des réseaux d’écoulement; • Entraîne de grandes déformations; • Change la distribution et l’orientation des contraintes; Le comportement d’un massif rocheux est largement régi par la présence de joints.

Un champ de forces peut produire 2 types de transformations sur un volume de roche : • un déplacement global du volume par translation et rotation rigide ; * un changement des positions relatives des particules constituant le volume: cette dernière transformation correspond à la déformation au sens strict. Elle est ductile ou fragile (rupture). Selon le champ de forces, il se produit une compression, une extension ou un cisaillement.

Figure 1: Déplacement et déformation

Figure 2: type de déformation en fonction des forces appliquées

1.2 Etat de contrainte Un volume de roche ou de sol qui subit l'action de forces est soumis à un certain état de contrainte. Une surface isolée dans ce volume reçoit l'action d'une force, donc une pression, caractérisée par sa direction, son sens et son intensité. Pour une surface tendant vers 0, on définit au point O un état de contrainte exprimé mathématiquement par un tenseur défini par une matrice et géométriquement par un ellipsoïde des contraintes dont les 3 axes 1,2 et 3 représentent les 3 composantes normales de la contrainte .

Dans le cas de l'enfouissement, un volume de roche subit selon l'axe vertical une pression lithostatique crée par le poids des roches surincombante qui correspondent à 1 ; il subit dans le plan horizontal l'action des roches voisines exerçant une pression de confinement exprimée par 2 et 3 qui sont égales.

Figure 3: ellipsoïde des contraintes

1.3. Propriétés rhéologiques des corps La rhéologie est l'étude du comportement mécanique des corps. On étudie expérimentalement la réaction d'un corps à l'action d'un champ de contrainte en lui appliquant une force de valeur croissante et en mesurant la déformation totale produite. Pour ce type d'essai, on utilise des cylindres de roches soumis à l'action d'une presse hydraulique. La déformation du corps est mesurée par son élongation e: L0 = Longueur initiale L1 = Longueur finale e= (L1 - L0) / L0 En fonction des résultats obtenus, on distingue 3 modèles rhéologiques fondamentaux.

* Les corps élastiques La déformation est réversible et proportionnelle à l'intensité de la contrainte. Le temps n'intervient pas dans la déformation. Le modèle pratique est donné par un ressort à spires parfaitement élastique et sans masse. * Les corps plastiques La déformation ne se produit qu'à partir d'un certain seuil de contrainte. Lorsque ce seuil est atteint, la déformation se produit sans qu'il soit possible d'augmenter la valeur de la contrainte. La déformation conserve la valeur atteinte lorsque la contrainte cesse. Le modèle rhéologique est un patin frottant sur une surface horizontale; si on tire sur le patin, il se déplace lorsque la force de traction atteint un certain seuil.

* Les corps visqueux La valeur de la déformation dépend de la durée d'application de la contrainte. Pour une contrainte donnée non nulle, la déformation se fait à vitesse constante. Après suppression de la contrainte, le système conserve son état final. Le modèle est réalisé par un piston perforé se déplaçant dans un liquide parfait: si on tire sur ce piston, il se déplace quelque soit la contrainte.

Figure 4: comportement rhéologique des corps

* Comportement des corps réels Les corps réels ne sont jamais parfaitement élastiques, plastiques ou visqueux. De plus, leur comportement peut changer au cours de la déformation. Dans le cas général, il combinent les propriétés des 3 types fondamentaux. C'est le cas des roches qui sont élastiques pour une contrainte faible et deviennent plastiques lorsque la contrainte devient plus forte.

Le passage du comportement élastique au comportement plastique s'appelle le durcissement: la roche subit des modifications

irréversibles

dans

sa

structure.

La

déformation de la roche peut rester ductile mais s'accroître au cours du temps, bien que la valeur de la contrainte reste constante: c'est le fluage. Dans d'autres cas, il apparait une rupture, la roche devient fragile.

Contraintes In Situ Contrainte verticale et couverture En profondeur, la contrainte dans la roche est la contrainte de couverture dégénérée par le poids des matériaux. La densité spécifique moyen des roches est de 2.7. La valeur de la contrainte en profondeur peut donc être estimée par σv (MPa) ≈ 0.027 z (m)

l'état initial des contraintes au niveau des ouvrages, indispensable à la détermination des modifications d'équilibre du massif engendrées par le percement de la galerie. Cet état de contrainte ne peut être calculé rigoureusement, car il dépend de très nombreux paramètres difficilement quantifiables. Au stade de l'avant-projet, il sera évalué en admettant une pression de type hydrostatique, soit où  est le poids volumique apparent du massif et hr la couverture. La contrainte verticale v sera prise égale à P0 = hr et la contrainte h égale à v  variant généralement entre 0.4 et 1 dans les massifs alpins.

Le champ des contraintes in situ  peut aussi être modifié par des  facteurs et processus géologiques : • La surface topographique • L’érosion • Les intrusions • Les failles et la création de failles.

Mesure des contraintes In Situ La mesure des contraintes in situ  montre que la contrainte verticale  vaut à peu près 0.027z, poids des  couches de couverture. Le rapport entre la contrainte  horizontale moyenne (σH+σh)/2 et  la contrainte verticale varie de 0.5 à 3.0, généralement limitée  entre (100/z +0.3) et (1500/z +0.5).

Il convient donc d'être prudent dans l'utilisation des valeurs  proposées plus haut. Pour des ouvrages importants, ou des  conditions géologiques et tectoniques particulières, des  mesures in situ de ces contraintes seront effectuées au stade  du projet définitif. Dans la roche, la contrainte horizontale est normalement la contrainte principale, alors que la contrainte verticale ou l’autre contrainte horizontale représentent les contraintes principales mineures. σH > σh > σv ou σH > σv > σh

les caractéristiques mécaniques du massif; pour une galerie ou un tunnel les propriétés déterminantes sont la fissuration et l'anisotropie, la résistance et la déformabilité; il sera donc nécessaire de déterminer au minimum: • le module de déformation linéaire • la résistance à la compression simple • le coefficient de Poisson • l'angle de frottement interne • la cohésion apparente • la résistance au cisaillement des discontinuités par des essais de laboratoire et in situ si nécessaire.

Eau souterraine Les conditions hydrogéologiques régnant dans le massif rocheux jouent un rôle prépondérant sous 3 aspects essentiels: 1. la position de la nappe phréatique par rapport au niveau de la galerie, qui sera déterminante pour les pressions extérieures sur la galerie et les pertes d'eau de cette dernière; 2. les venues d'eau en cours de construction qui dépendront aussi de la position de la nappe; 3. la protection des eaux souterraines, dont le régime ne devra pas être notablement modifié par la réalisation de la galerie.

Les effets de l’eau souterraine et des pressions L’eau souterraine est importante en mécanique des roches: (i) L’eau souterraine contribue à la modification du champ de contrainte; (ii) L’eau modifie les paramètres de la roche, p.ex., le frottement; (iii) Quand l’eau est présente, cela augmente la complexité de la construction en rocher, p. ex., il est plus difficile de percer un tunnel avec des infiltrations d’eau et une forte pression d’eau.

Altération et roches altérées Toutes les roches se désagrègent lentement suite à : (i) Une altération mécanique: destruction de la roche en particules sans changer la composition chimique de ses minéraux. (ii) Une altération chimique: destruction de la roche par réaction chimique, principalement par l’eau et l’air.

Roches altérées L’érosion est progressive, entre de la roche fraîche et du matériel totalement altéré (sols), la roche peut être légèrement, modérément ou fortement altérée. Ces roches altérées sont encore intactes et ont encore une structure et texture de roche. Cependant, en raison de l’altération, leurs propriétés ont été affectées et altérées. L’altération réduit sensiblement la résistance de la roche.

Roche gonflante Certaines roches ont le pouvoir de gonfler; lorsque la roche est exposée à l’eau (directement en contact avec l’eau ou à l’air),

elle

gonfle.

Cela

est

principalement

dû

au

comportement gonflant des minéraux composant la roche, typiquement le minéral d’argile montmorillonite. Les roches et les sols qui contiennent une forte quantité de minéraux de montmorillonite auront des caractéristiques de gonflement et de retrait.

Résistance et déformation

Résistance à la traction Les roches ont généralement une faible résistance à la traction, due aux microfissures préexistantes. L'existence de ces microfissures peut également être la cause de la rupture soudaine de la roche en traction sous une faible contrainte. La résistance à la traction de la roche peut être obtenue à partir de plusieurs types d'essais. L'essai de traction le plus connu est l’essais brésilien.

Résistance au cisaillement La roche résiste à l'effort de cisaillement par deux mécanismes internes, cohésion et frottement interne. La cohésion est une mesure de liaison interne de la roche. Le frottement interne résulte du contact entre les particules, et est défini par l'angle de frottement interne. La résistance au cisaillement de la roche peut être déterminée par l'essai de cisaillement direct et par des essais de compression triaxiale.

Résistance au cisaillement par essais triaxiaux. A partir d’une série de tests triaxiaux, les contraintes max (σ1) sont obtenues pour différentes contraintes latérales (σ3). En traçant les cercles de Mohr, on définit la courbe intrinsèque et on obtient la cohésion et l'angle interne de frottement.

Résistances à la compression, au cisaillement et à la traction La résistance à la traction ou au cisaillement sont importantes, car la roche se rompt souvent en traction ou en cisaillement, même si la charge apparaît être en compression. Les roches ont en général une résistance à la compression très forte, la rupture en compression pure est donc rare. Théoriquement, les trois résistances sont liées. Ceci sera discuté dans les critères de résistance.

Résistance et critères de résistance La limite de résistance est définie par la contrainte à laquelle le matériau commence à se déformer de façon plastique. Cela représente généralement une limite supérieure à la charge qui peut‐être appliquée. Un critère de résistance limite est une hypothèse qui concerne la limite de contrainte sous n’importe quel état de contraintes. Ceci est généralement décrit par trois contraintes principales.

Critère de Mohr‐Coulomb pour la roche Le critère de Mohr‐Coulomb dépend de deux paramètres. Il prend en compte le cisaillement. Il considère seulement les contraintes principales majeure et mineure (les deux contraintes principales ayant la plus grande différence). Le critère suppose qu’un plan de cisaillement se développe dans le matériau rocheux. Quand une rupture apparaît, les contraintes développées sur le plan de rupture sont sur la surface limite (enveloppe en 2D).

  

La résistance au cisaillement de Coulomb se compose de deux  parties, une cohésion constante (c) et une contrainte normale  (σn) dépendant de la composante de frottement, l’angle de  frottement interne (φ), τ = c + σn tanφ C’est une ligne droite, avec une intersection de c sur l’axe des  τ et un angle de φ avec l’axe des σn.

Du diagramme des cercles de Mohr

En combinant les deux équations ci‐dessus avec τ = c + σn tanφ,

EXEMPLE No 1 a) Tracer le cercle de Mohr de l’élément montré à la figure suivante; b) Déterminer la contrainte normale et la contrainte de cisaillement pour un angle α = 35o; c) Déterminer la contrainte de cisaillement maximale τmax.

La roche se fracture avec la formation d’un plan de cisaillement a‐b, par ex., l’état des contraintes sur le plan a‐b satisfait la condition de résistance au cisaillement. Dans le diagramme, lorsque le cercle de Mohr touche l’enveloppe de résistance de Mohr‐Coulomb, la condition de la contrainte sur le plan a‐b atteint celle du critère de résistance. A partir du cercle de Mohr, le plan de rupture est défini par θ, et θ=¼π+½φ

  

Critère de rupture Mohr‐Coulomb: = 45ο +φ/2 À la rupture :

Les résistances actuelles à la traction des roches sont inférieures au critère. Un seuil de traction est normalement fixé à une valeur de la contrainte de traction uniaxiale, σt′, égale à environ 1/10 σc.

RÉSISTANCE MOBILISÉE – RÉSITANCE DISPONIBLE &  FACTEUR DE SÉCURITÉ RÉSISTANCE MOBILISÉE La résistance mobilisée est la contrainte de cisaillement totale ou moyenne (S) mobilisée par le poids de la pente  qui prévoit à un angle αf = 45ο +φ/2 pour un état de  contrainte donnée. RÉSISTANCE DISPONIBLE La résistance disponible est la contrainte de cisaillement  critique déterminée à partir du critère de rupture τ = c+σ tanφ pour la contrainte σ en question. FACTEUR DE SÉCURITÉ F.S = Résistance disponible (τ) / Résistance mobilisée (S)

(S = cd+σΝ’tanφd)

Chapitre 3 Méthodes de réalisation des ouvrages souterrains

1.1 Description d’un tunnel La figure ci‐dessous présente les termes couramment associés à l’excavation d’un puits ou d’un tunnel. Le terrain se déforme à deux endroits : ‐ Au front de taille on parle d’extrusion et ‐ En parois on parle de convergence.

Coupe transversale et longitudinale d’un tunnel au  voisinage du front de taille.

Petit lexique – Auscultation : instrumentation et mesure de grandeurs physiques permettant de comprendre et de maîtriser d’une part le comportement de l’ouvrage, d’autre part son incidence sur l’environnement (terrain, tunnel, ouvrages voisins). – Blindage : enfilage de plaques métalliques ou de planches en bois entre les cintres de soutènement. Le blindage sert souvent de coffrage perdu lorsqu’il est accompagné d’un remplissage béton, il a également un rôle structurel de maintien.

– calotte : partie supérieure d’un tunnel dans une excavation par demi‐ sections (section supérieure). – Cintre : profilé métallique normalisé (IPE, HEA, HEB...) cintré selon la géométrie du tunnel et qui sert à soutenir le terrain. – Confinement : application d’une pression sur les parois d’un tunnel, par le biais d’un soutènement principalement. – Convergence : rétrécissement diamétral d’une section de tunnel. – Débourrage : venue d’eau et/ou de matériaux meubles violente et inattendue suite à l’excavation du front de taille. – Déconfinement : réorganisation des contraintes autour du tunnel, de part et d’autre du front de taille. On dit que le terrain est entièrement déconfiné lorsqu’il a atteint son équilibre final.

– Front de taille : zone où l’excavation se réalise, fin provisoire du tunnel en creusement. Souvent le terme désigne la paroi verticale de terrain. – Décousu : zone de terrain proche du front de taille non soutenue. – Exhaure : évacuation des eaux qui s’infiltrent naturellement dans le tunnel ou qui sont utilisées pour les besoins du chantier. – Fontis (fondis) : cloche formée par l’effondrement des terrains de proche en proche verticalement. Dans le pire des cas les fontis peuvent se propager jusqu’en surface.

– Injection : terme générique désignant les techniques de substitution et de comblement des vides dans les terrains par un coulis durcissant. Les injections ont deux utilités : augmenter la résistance et/ou étancher. – Marinage : évacuation des marins issus de l’excavation. – Marins : déblais formés par l’excavation d’un pas d’avancement. – Pas d’avancement : longueur de terrain excavée en une seule phase. – Plan de tir : plan du front de taille où figurent les trous de forage, les différents retards et microretards de détonateurs, les lignes de tir pour les tirs séquentiels ainsi que les quantités d’explosifs utilisées. – Rameau : galerie reliant deux ouvrages souterrains

– Stross : partie inférieure d’un tunnel dans une excavation par demi‐ sections (section inférieure). – Tunnelier : machine pleine section destinée à réaliser des tunnels, pouvant aller du creusement à la pose du revêtement final. On parle aussi de TBM (Tunnel Boring Machine). – Volée : pas d’avancement d’un tunnel creusé à l’explosif. La volée correspond à la longueur de forage des trous pour les explosifs. – Voussoir : écaille de béton armé préfabriquée. Plusieurs voussoirs forment un anneau, et plusieurs anneaux forment le revêtement de certains tunnels.

1.3 Phasage classique de réalisation d’un tunnel : méthode conventionnelle Il existe plusieurs méthodes pour creuser un tunnel. On distingue deux  grandes tendances : – Le creusement conventionnel (ou traditionnel) ; – Le creusement au tunnelier.

1.3.1 Explosifs / Attaque ponctuelle Attaque à l’explosif La technique de l’excavation à l’explosif est très ancienne mais reste  encore, dans de nombreuses  situations, la plus économique.

Les explosifs actuels sont dits de sûreté car ils ne peuvent détoner sous l’action d’un simple choc ou d’une élévation de température. Ils détonnent sous l’action d’une onde de choc générée par l’un des quatre types de détonateurs : 1. à mèche (non‐utilisés en tunnels) ; 2. électriques instantanés ou à retard (très utilisés en tunnel) ; 3. non‐électriques ; 4. électroniques.

Plan de tir séquentiel optimisé pour le tunnel de Chamoise (1993).

Machines à attaque ponctuelle Dans les roches tendres (craies, marnes, schistes altérés...), l’usage de l’explosif est efficacement remplacé par l’emploi de machines à attaque ponctuelle. un bras articulé vient "gratter" et abattre le terrain du front. Lorsque le terrain s’y prête (Rc < 80MPa), le rendement de cette méthode est bien meilleur que l’explosif. Ce procédé de creusement apporte toutefois son lot d’inconvénients : bruits, poussières et chaleur dégagée difficiles à combattre dans un milieu confiné.

1.4 Théorie du soutènement et du revêtement Les efforts supportés par le soutènement et/ou le revêtement d’un tunnel dépendent à la fois : — de l’état de contraintes préexistant dans le massif avant le creusement de l’ouvrage ; — du comportement mécanique de ce massif ; — de l’action de l’eau dans le massif ; — des phases successives et du calendrier de l’exécution (aspect tridimensionnel et influence du temps) ; — de la raideur du soutènement ou du revêtement.

1.4.1 Les différents types de soutènement 1.4.1.1 La Nouvelle Méthode Autrichienne (NMA ou NATM) Apparue dans les années 60, la technique de soutènement combinant boulons et béton projeté s’est imposée sur presque tous les chantiers de tunnels, tant son efficacité est grande. Il s’agit avant tout d’une méthode, celle du soutènement léger accompagnant les déformations du terrain.

(a) Application de la New Austrian Tunnelling Method

(b) Boulonnage du front.

Les boulons d’ancrage radiaux On peut facilement en poser deux ou trois à un endroit, en prévention là où la roche risque de se rompre. On définit alors une densité de boulonnage (1,5 par m2 par ex.), une longueur (environ un rayon de tunnel) et un diamètre (Ø 18 par ex.). Le béton projeté Il ressemble d’ailleurs de très près à un mortier à prise rapide. Le béton projeté a deux principaux usages, qui peuvent s’additionner : – Pour de faibles épaisseurs (< 5cm) il a un rôle protecteur. Il empêche les blocs de roche ou le sol de s’altérer et de se détacher de la paroi ; ‐ Il peut aussi avoir un véritable rôle structurant, et reprend les charges issues du terrain. Son épaisseur est alors variable en fonction du terrain, de l’ordre d’une vingtaine de centimètres.

La combinaison magique En couplant l’usage du béton projeté avec un boulonnage radial systématique, on s’est aperçu que dans la majorité des terrains rencontrés en tunnel, on obtenait des résultats intéressants.

1.4.2 Cintres réticulés Dans certaines circonstances, notamment pour les mauvais  terrains, les grandes sections et les sections divisées, il peut  s’avérer nécessaire de renforcer le béton projeté‐boulonné  par des armatures plus résistantes qu’un simple treillis soudé. 

1.4.3 Cintres lourds et blindage Pour les terrains poussant, de mauvaise qualité, ou lorsqu’on traverse une zone plus difficile que prévue, les soutènements "classiques" présentés ci‐avant, utilisant pleinement les propriétés de déformabilité du rocher trouvent leurs limites. On choisit alors des techniques de soutènements lourds plus rigides, qui se déforment moins et qui doivent par conséquent reprendre plus de charges. On réalise parfois un blindage ou un remplissage béton entre les cintres  pour trois raisons principales : – pour éviter que le terrain ne s’éboule sous le voutain naturel (rôle  protecteur) ; – pour répartir les charges sur les éléments porteurs lorsque le terrain  ne permet pas d’avoir un effet de voûte suffisant (blindage lourd) ; – pour éviter un effet "domino" en cas d’effondrement au front de taille  (rôle d’écartement et de maintien). Le blindage est réalisé le plus souvent par un remplissage de béton  (projeté ou coffré).

1.5 Les différents types de revêtement 1.5.1 Revêtement en béton coffré sans radier On réalise le bétonnage par plots successifs, chaque "levée" de bétonnage pouvant atteindre une dizaine de mètres. Le revêtement ne travaille pratiquement pas en tension, essentiellement en flexion composée. Certains endroit doivent tout de même résister en traction; il est alors tout à fait possible d’y loger une plaque de treillis soudé. L’épaisseur d’un revêtement de tunnel est de l’ordre d’une trentaine de centimètres minimum. 1.5.2 Revêtement en béton coffré avec radier contre‐voûté Le revêtement précédent est celui que l’on rencontre dans la majeure partie des cas : la partie inférieure — le radier — n’est pas coffrée et la structure de chaussée est réalisée à même le terrain. Les sollicitations du revêtement sont alors relativement faibles. Le radier, souvent très ferraillé, agit véritablement comme une voûte de tunnel : il clave le profil et permet de "circulariser" la section pour bénéficier au maximum de l’effet de voûte

1.5.3 Voussoirs préfabriqués Il existe une technique permettant de réaliser des tunnels au tunnelier avec un procédé de revêtement similaire au béton coffré. Il s’agit de l’extrusion. Un voussoir est une écaille de béton armé (anciennement de fonte) qui arrive sur le chantier déjà fabriquée et prête à poser. Par un assemblage précis, plusieurs voussoirs forment un anneau. Ce sont ces anneaux qui, mis bout à bout, constituent le revêtement du tunnel. L’étanchéité est assurée par des joints posés sur chaque élément. Entre le terrain et l’anneau de voussoir, un vide annulaire est laissé par le bouclier lors de son avancement. Pour le combler on vient injecter du mortier ou des graviers. Cette opération porte le nom d’injection de bourrage.