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RÉSUMÉ
Cet article présente les techniques de construction des tunnels en lien avec les conditions géologiques, hydrogéologiques, géotechniques et environnementales.
Après une revue des méthodes d’investigation et de classification des terrains destinées à guider les concepteurs, il détaille les techniques à la disposition des constructeurs, allant des plus traditionnelles, elles-mêmes en constante évolution pour s’adapter à des conditions toujours plus difficiles, jusqu’aux plus récentes, très mécanisées, utilisant des tunneliers.
Il développe ensuite les critères de choix des techniques en adéquation avec le comportement des terrains, puis traite les aspects de modélisation et dimensionnement des tunnels, en soulignant l’apport des approches de calculs d’interaction sols-structures.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Alain GUILLOUX : Expert Géotechnicien - Société TERRASOL, Paris, France
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Hervé LE BISSONNAIS : Expert Travaux souterrains, Directeur Général Délégué - Société TERRASOL, Paris, France
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Martin CAHN : Délégué parisien Cellule « ouvrages souterrains » - Société TERRASOL, Paris, France
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Jean Pierre JANIN : Responsable Cellule « ouvrages souterrains » - Société TERRASOL, Lyon, France
INTRODUCTION
Le creusement des tunnels fait partie des techniques de construction où les interactions entre les différents aspects des métiers du Génie Civil sont particulièrement nombreuses. Au-delà de la bonne connaissance des matériaux de construction et de leur comportement, des matériels disponibles ou à « inventer », des impératifs de sécurité, tant que pour le personnel de chantier que vis-à-vis de l’environnement, de la règlementation, etc… il y a un acteur essentiel : le terrain !
C’est en effet « le terrain » qui va guider le projet, depuis la conception en adaptant autant que possible les tracés et profils à la recherche d’une géologie « favorable », jusqu’au chantier en adaptant les méthodes de réalisation au comportement réel du terrain.
L’objet de cet article est ainsi de présenter les différentes méthodes de construction des tunnels en relation avec les conditions de nature géologique, hydrogéologique et géotechnique (qui seront réunies dans la suite de cet article sous l’appellation de « conditions géologiques »).
Il s’agit bien sûr d’abord de décrire au mieux ces conditions géologiques, et ce sera l’objet du chapitre 1 où seront présentés les principaux facteurs géologiques pouvant influencer le choix des méthodes de creusement, les méthodes de reconnaissance spécifiques ou tout au moins essentielles pour les projets de tunnels, et enfin les classifications usuelles des sols et roches utilisées en travaux souterrains.
Puis les chapitres 2 à 3 seront consacrés aux descriptions des techniques de construction elles-mêmes, depuis les méthodes dites « traditionnelles » jusqu’aux méthodes mécanisées utilisant des tunneliers, ainsi que des techniques de traitement de terrain qui accompagnent souvent les précédentes dans les projets particulièrement difficiles. Ces descriptions chercheront, au-delà de la technologie, à intégrer la dimension géologique en expliquant comment ou pourquoi telles ou telles méthodes ont été développées pour répondre à des problématiques géologiques spécifiques.
Ensuite, le chapitre 6 s’intéressera plus en détails au choix des techniques de construction selon les conditions géologiques prévues en phase conception, ou réellement rencontrées en phase construction. Enfin, le chapitre 7 présentera quelques éléments sur les grandes catégories de méthodes de calcul et de dimensionnement, et plus globalement de modélisation, couramment utilisées dans les études de tunnels.
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La construction d’un tunnel fait appel à de multiples spécialités : la pluridisciplinarité est essentielle,
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Les interactions entre les conditions géologiques et les méthodes de construction sont un des enjeux fondamentaux des projets souterrains.
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5. Description des techniques de traitements de terrain
Pour faire face à des conditions géologiques difficiles, assurer la stabilité des terrains et maitriser les déformations générées dans le massif, il peut être nécessaire de mettre en place des techniques de traitement des terrains préalablement au creusement ou à l’avancement.
Par ailleurs, et dans le cas spécifique de entrées ou sorties de tunneliers dans des stations ou puits déjà excavés, le confinement du terrain ne peut être effectif que lorsque le premier ou le dernier anneau de voussoir est clavé contre la paroi du soutènement. Des traitements de terrains sont alors classiquement réalisés pour créer un massif de sol amélioré et/ou étanche de manière à garantir la stabilité du front et limiter les déformations en surface. La section traitée est généralement élargie de de 2 à 3 m de part et d’autre du diamètre excavé et la longueur du traitement correspond à celle du bouclier également prolongée de 2 à 3 m.
Les principales techniques utilisées sont présentées dans ce paragraphe.
5.1 Rabattement de la nappe
Dans le cas d’un tunnel creusé sous nappe, dans un sol perméable ou une roche fracturée, la bonne gestion de l’eau est un élément essentiel pour garantir la stabilité de l’ouvrage à court et à long terme. Sans interventions, le tunnel agit en effet comme un drain horizontal créant un gradient hydraulique à l’avant du front et autour de l’ouvrage, pouvant compromettre sa stabilité.
Pour permettre de maitriser les venues d’eau, un rabattement de la nappe peut être mis en œuvre de deux manières :
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Depuis la surface, par le biais de puits de pompage, réalisés autour du tunnel dont l’objectif est de permettre le rabattement de l’eau en dessous du radier du tunnel. La faisabilité de cette technique dépend principalement de la charge d’eau à rabattre, de la perméabilité du massif et elle est souvent adoptée dans le cas de faibles linéaires à traiter (galeries de connexion, entrée/sortie en gare…).
Dans le cas de tunnels urbains creusés dans des sols plus ou moins compressibles, le rabattement de nappe peut engendrer des tassements de consolidation non acceptables pour le bâti en surface.
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À l’avancement depuis le tunnel, par le biais de drains mis en place à l’avant du front de taille...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ANAGNOSTOU (G.), KOVÁRI (K.) - The face stability of slurry-shield-driven tunnels. - Tunnelling and Underground Space Technology (1994).
-
(2) - ANAGNOSTOU (G.), KOVÁRI (K.) - Face stability in slurry and EPB shield tunneling. - Geotechnical aspects of underground construction in soft ground, Mair et Taylor (1996).
-
(3) - BARTON (N.R.), LIEN (R.), LUNDE (J.) - Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. - Rock Mechanics, 6 (1974).
-
(4) - BIENFAIT (P.), HINGANT (P.), MARIOTTI (G.), GUILLOUX (A.), LE MAOUT (J.-N.) - L’accident géologique du tunnel des Hurtières. - Journées d’études AFTES Chambéry (1996).
-
(5) - BIENIAWSKI (Z.T.) - Rock mechanics design in mining and tunnelling. - Balkema Eds. Rotterdam (1983).
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Caractérisation des massifs rocheux utile à l'étude et à la réalisation des ouvrages souterrains - GT1R1F1 - (2003)
-
Reconnaissances géologiques, hydrogéologiques et géotechniques nécessaires à la conception des ouvrages souterrains. - GT24R3F1 - (2020)
-
Prise en compte des effets induits par le creusement sur les constructions avoisinantes dans la conception et la réalisation des ouvrages souterrains - GT16R2F1 - (2018)
-
Apport des techniques pétrolières de forage et diagraphie à la reconnaissance des grands ouvrages souterrains - GT24R0F1 - (2004)
-
Les reconnaissances à l'avancement - GT24R1F1 - (2008)
-
Reconnaissances à l’avancement pour les tunneliers - GT24R2F1 - (2014)
-
Caractérisation des incertitudes et des risques géologiques, hydrogéologiques et géotechniques - GT32R2F1 - (2012)
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...
ANNEXES
Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
AFTES : Association Française des Tunnels et de l'Espace Souterrain
CETU : Centre d’études des tunnels
http://www.cetu.developpement-durable.gouv.fr/
ITA / AITES : International Tunneling and Underground Space Association / Association Internationale des Tunnels et de l’Espace Souterrain
ITACET : Foundation for Continuous Education and Training on Tunnelling and Underground Space Use
FSTT
France Sans Tranchées Technologies – Les techniques douces pour la pose et la réhabilitation des réseaux enterrés
ITFF
Inventaire des Tunnels Ferroviaires de France
http://www.tunnels-ferroviaires.org/
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