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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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Méthodes de construction des tunnels
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1. Classifications géologiques et géotechniques des terrains
1.1 Préambule
Il convient de souligner que, lors de la construction des tunnels, l’objectif premier est bien entendu d’assurer la stabilité de l’ouvrage, à court terme comme à long terme, pour le personnel comme pour l’environnement. Mais, pour tous les projets en milieu urbanisé ou d’une façon générale en environnement sensible, la maîtrise des déformations induites par le creusement est également un facteur clé, souvent dimensionnant vis-à-vis du choix des techniques.
La gamme des projets de tunnels et des conditions géologiques est extrêmement large, mais on peut citer au moins deux catégories extrêmes.
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Tunnels au rocher
Y compris à grande profondeur, où l’on a affaire à un milieu naturel résistant par rapport aux niveaux de contraintes, mais découpé par les discontinuités du massif, c’est-à-dire à un milieu fortement discontinu : la stabilité générale du tunnel et des terrains environnants y est le plus souvent assurée – il n’y a pas « rupture généralisée » sauf éventuellement à très grande profondeur –, et le principal enjeu est d’éviter les chutes de blocs rocheux, risque que l’on traite par boulonnage du rocher.
En revanche les failles y jouent un rôle majeur, d’autant plus délicat à traiter que l’on éprouve souvent de grandes difficultés à les localiser précisément à grande profondeur, à les qualifier mécaniquement, et à les traiter depuis la surface.
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Tunnels en sols ou roches tendres
Souvent relativement peu profonds, terrains que l’on peut traiter comme un milieu continu : la stabilité générale n’y est pas assurée « naturellement », ce qui impose la mise en œuvre de soutènements (provisoires) et revêtements (définitifs) pour garantir cette stabilité et donc la sécurité.
En outre, le rôle majeur des déformations induites par le creusement va nécessiter des études détaillées pour évaluer ces déformations, vérifier si elles sont acceptables pour l’environnement, et développer des méthodes de construction permettant de les limiter à des niveaux acceptables.
Il convient de compléter ces sujets d’ordre géologique et géotechnique par le rôle de l’hydrogéologie : les eaux...
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Classifications géologiques et géotechniques des terrains
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).
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(5) - BIENIAWSKI (Z.T.) - Rock mechanics design in mining and tunnelling. - Balkema Eds. Rotterdam (1983).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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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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