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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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Quelques indications sur les modélisations et méthodes de calcul
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6. Considérations sur le choix des méthodes de construction
6.1 Critères de choix
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De nombreux critères vont orienter le choix de la méthode de construction d’un ouvrage souterrain.
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Longueur de l’ouvrage
C’est un critère majeur vis-à-vis de l’intérêt de retenir une méthode mécanisée (tunnelier) : en effet, la fourniture d’un tunnelier est un investissement significatif, et seul un linéaire de tunnel suffisamment long permet de rentabiliser cet investissement.
On peut retenir une longueur minimale de tunnel de l’ordre du kilomètre pour justifier de retenir un tunnelier, avec bien sur des exceptions (par exemple infaisabilité de réalisation de l’ouvrage en méthode conventionnelle, disponibilité d’une machine adaptée au contexte géométrique et géotechnique de l’ouvrage).
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Section de l’ouvrage
Les tunnels routiers ou ferroviaires ont une section utile en « fer à cheval », alors que les tunneliers classiques excavent une section circulaire qui correspondra rarement à la section utile de l’ouvrage à réaliser (hormis les ouvrages hydrauliques) : la section circulaire va donc conduire à une sur-excavation par rapport au gabarit nécessaire.
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Profondeur
Les tunneliers à confinement sont a priori bien adaptés aux tunnels à faible profondeur (bonne maitrise des déformations, réduction du risque de rupture du front et de remonté de fontis, besoin d’emprise en surface importante en particulier pour les tunneliers à pression de boue).
A contrario, les fortes profondeurs peuvent compliquer la mise en œuvre de tunneliers, en particulier en présence de roches tendres : les fortes contraintes en place conduisent à des déformations importantes risquant de bloquer l’avancement de la machine.
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Conditions géologiques, géotechniques et hydrogéologiques
Un tunnel de longueur significative va potentiellement dans la plupart des cas rencontrer des formations géologiques de natures très différentes : en effet, même si le profil d’un tunnel peut aller rechercher une formation géologique favorable à son excavation (exemple du tunnel sous la Manche, où le tunnel a pu être calé sur une majeure partie de son tracé dans la craie saine), un tunnel devra s’adapter à différents conditions de creusement (roche, sol argileux ou sableux, failles, etc.). La conception d’un tunnel doit prendre en compte cette nécessité...
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Considérations sur le choix des méthodes de construction
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)
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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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