construction de tunnel dans un sol meuble

Rapport réalisé par:

RABENANTOANDRO ANDRY ZAID

MAGOURI MOHAMED TAREK

Spécificités de laconstruction d’un

tunnel dans un solmeuble

Spécificités de la construction d’un tunnel dansun sol meuble

1AGC1

ANNEE: 2013/2014

Avant-propos

Tout d’abord nous remercions les membres du jury qui ont accepté d’évaluer notre projet et nous leur présentons toute notre gratitude et nos profonds respects.

Ensuite, nous tenons à manifester l’expression de nos respects les plus distingués à Mr. Mehrez Jamei, notreencadreur, pour toute aide qu’il nous a apportée. Nous lui adressons nos plus vives gratitudes et notre profonde reconnaissance pour la confiance qu’il nous aaccordée et ses conseils fructueux par le biais duquel nous avons pu aboutir à ce travail avec les meilleures conditions d’encadrement.

RABENANTOANDRO Andry Zaïd & Tarek Magouri Page 1


Nos vifs remerciements à notre famille, nos amis et à tous ceux qui nous ont aidé et inspiré au quotidien. Nos remerciements vont aussi aux gens sans lesquels ce projet n’aurait jamais été mené à bien.

Tables des matières:Avant-propos.........................................................1Tables des figures:..................................................3

Introduction.........................................................4I. Tunnels:..........................................................5

A. Description d’un tunnel [1]:...................................51. Méthode de creusement [1]:...................................6

II. Sol meuble [2]:..................................................61. Probleme rencontré.............................................8

III. Spécificités de la construction en sol meubles:................10A. Méthode conventionelles........................................10

1. Injections traditionnelles [6] [8] [9]:......................122. Le systéme jet grouting horizontale [6][8]:...................12

3. Prédécoupage mécanique [3]:...................................13



4. Drainages et rabattement [5]:.................................13

5. Tubes en résine renforcée de fibres de verre (VTR) [3]:.......146. Le systéme “Anvers” [4]:......................................16

7. La nouvelle méthode de “l’arc cellulaire” [4] :...............17B. Méthode de creusement au tunnelier [1].........................21

1. Les boucliers à front ouvert..................................222. Les boucliers à front pressurisé..............................22

IV. Ouvrages annexes...............................................24Conclusion..........................................................25

BIBLIOGRAPHIE.......................................................26

Tables des figures:

Figure 1: LE TUNNEL [1]

Figure 2: Synoptique du sol, Echelle de A à E du facilement utilisable au nécessitant une grande prudence [7]

Figure 3: l’effet de voûte [3]

Figure 4: cuvette de tassement [6]

Figure 5 : action de confinement et de pré-confinement [3]

Figure 6: méthode de confinement et pré-confinement [3]



Figure 7: jet grouting horizontale [3]

Figure 8: Pré-découpage mécanique à pleine section [3]

Figure 9: Tubes en résine renforcée de fibres de verre [3]

Figure 10: creusement à pleine section méthode VTR [3]

Figure 11: le système Anvers [4]

Figure 12 : Creusement du piédroit (par section divisé) [4]

Figure 13: Préparation des chambres de poussées pour l’effondrement (méthode de pousse tube) [4]

Figure 14: phase d’exécution de l’arc [4]

Figure 15 : Arc cellulaire [3]

Figure 16: bouclier mécanique et hydrobouclier [3]

Figure 17: constituant d’un tunnelier [1]

Introduction



L’encombrement des zones urbaines a atteint un tel niveau que la construction de tunnel dans celle-ci est devenue nécessaire.

Construire dans les zones urbaines où la plupart du temps on rencontre des terrains essentiellement meublesnous a amené à nous concentrer plus précisément sur lesspécificités de la construction de tunnel dans un sol meuble.

Les diverses méthodes développées, ces dernières années, ont permis un avancement considérables dans la construction des tunnels, dans des endroits avant non adaptée à la construction d’ouvrages souterraines.

La construction dans un sol meuble dépend de plusieurs facteurs, cependant le plus gros soucie de l’ingénieur lors de la construction d’un tunnel reste la stabilité du front de taille pour cela nous allons voir les diverses méthodes de construction spécifiques dans le sol meuble en voyant en premier lieu les méthodes conventionnels de construction, en second lieu la construction par tunneliers et enfin les ouvrages annexes qui nous donnerons un aperçu de la réalisabilité de certaine méthodes.



I. Tunnels: Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier,elle est classée dans les ouvrages souterrains dans les applications du Génie civile

A. Description d’un tunnel [1]:

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. Le front de taille est une surface plane dont le contour forme le profil du tunnel.



Figure1: LE TUNNEL [1]

1. Méthode de creusement [1]:

Il existe plusieurs méthodes pour creuser un tunnel. On distinguedeux grandes tendances :

Creusement conventionnel: Elle rassemble des techniques d’excavation comme les attaques à l’explosif, les attaques ponctuelles, le creusement par section divisés…



Creusement au tunnelier:

Il existe divers types de tunneliers, elles diffèrent surtout surle type de roche sur laquelle va être creusé le tunnel (ex: tunnelier a front pressuriser pour les sols meubles).

Le creusement des tunnels passent par plusieurs phases :

Creusement. Purge et marinage. Pose du soutènement. Pose de l’étanchéité. Pose du revêtement.

II. Sol meuble [2]:Un sol meuble est un sol caractérisé par un faible indice de cohésion, il regroupe les sols qui sont face à de faibles contraintes subissent des déformations importantes.

Dans la classification des sols on distingue les groupes principaux de sols:

Les sols pulvérulents (grenus):Ils contiennent des particules suffisamment grosses pour être visibles à l'œil nu, ce sont les graviers et les sables.

Les sols fins:Ils contiennent des particules invisibles à l'œil nu, ce sont lessilts et les argiles, les argiles étant couramment appelées sols cohérents.

Les sols organiques:Ils contiennent un pourcentage élevé de matières organiquesMO < 3% : sol inorganique3 < MO < 10% : sol faiblement organique10 < MO < 30: sol moyennement organiqueRABENANTOANDRO Andry Zaïd & Tarek Magouri Page 8


Figure 2: Synoptique du sol, Echelle de A à E du facilementutilisable au nécessitant une grande prudence [7]



1. Problème rencontré La construction d’un ouvrage souterrain aboutie à des modifications du sol; elle induit des réactions. Pour un tunnel ces modifications constituent l’excavation faites pendant le creusement; en avançant elle créé des vides dans le sol et produit des perturbations en réponse à la déformation.

a) “L’effet de voûte”: L’effet de voûte constitue les déformations que peuvent rencontrer la voûte du tunnel, les instabilités liées au creusement peuvent aboutir à des effondrements de celle –ci.



Figure 3: l’effet de voûte [3]

b) Le tassement: Les tassements: ce sont des déformations qu’on peut apercevoir à la surface du terrain si les instabilités de creusement ne sont pas bien gérer.

Figure 4: cuvette de tassement [6]

c) Le débourrage et inondation [5]: La traversée des zones aquifères, autrement dit des zones situéesdans une nappe phréatique ou qui font l’objet d’une circulation



d’eau (lits d’une rivière, failles, etc...), a toujours posé d’énormes problèmes. La difficulté est d’autant plus grande que les terrains sont presque toujours de nature boullante (sol meuble), avec très peu de cohésion. Le pire accident que l’on puisse redouter est le débourrage, lorsque les terrains liquéfiéssous de forts gradients hydrauliques, et libérés par le creusement du tunnel, envahissent la galerie. L’inondation des galleries ou la venue d’eau au front de taille affectent aussi lastabilité du terrain.

III. Spécificités de la construction en sol meuble:

A. Méthodes conventionnelles: SOLUTIONS DE STABILISATION DE FRONT DE TAILLES:

Les effets de voûtes peuvent être stabilisés par des actions de confinement et de pré-confinement elles diffèrent selon la méthode d’application; on a les interventions directes, indirectes et mixtes.



Figure 5 : action de confinement et de pré-confinement [3]

La méthode de construction rassemblant les différentes actions deconservation est l’ADECO-RS principalement utilisé en Italie ellea aboutie à des résultats exceptionnels surtout sur les terrains peu cohérents et incohérents.



Figure 6: méthode de confinement et pré-confinement [3]



1. Injection traditionnelle [6] [8] [9]:Injecter le terrain pour en modifier les caractéristiques mécaniques, mais surtout pour le rendreétanche lors du passage du front de taille. On injecte habituellement du coulis de ciment (à basse pression) tout autourdu tunnel. On peut aussi congeler le terrain en parois pour les mêmes raisons. Le glaçon de roche est étanche et résiste mieux. Deux techniques sont envisageables selon la configuration géotechniqueet la durée du chantier: la congélation à l’azote liquide ou à lasaumure. Dans tous les cas, la méthode consiste à faire circuler le fluidefrigorifique dans un circuit de forage fermé. Le front de glace se propage jusqu’à former un ensemble homogène.

2. Le système jet-grouting horizontale [6][8]:La méthode consiste à réaliser de manière auréolaire en avant du front sur une zone de terrain à traiter un jet rotatif qui projette des coulis de ciment à partir d’un train de tiges de forage à très haute pression (400 bar). Elle assure un remplissage des vides par un coulis enrobant les agrégats des terrains naturels.



Figure 7: jet-grouting horizontal [3]

a) Application [3]:Le système jet-grouting horizontal a été utilisé en Italie pour le tunnel “Campiolo” ligne de chemin de fer entre Pontebba-Tarvisio (1983).

3. Pré découpage mécanique [3]:Une méthode qui a été développé en France, elle utilise le pré-découpage mécanique à l’aide d’une haveuse pouvant réaliser un pré-découpage au front de taille sur une profondeur de 3m. La saignée ainsi réalisée, d’une épaisseur de 14 à 20 cm peut ensuite être immédiatement rempli de béton projeté accéléré. ElleRABENANTOANDRO Andry Zaïd & Tarek Magouri Page 16


permet de réduire considérablement les tassements consécutifs auxcreusements.

Figure 8: Pré-découpage mécanique à pleine section [3]

4. Drainages et rabattement [5]:Le creusement de tunnel en milieu aquifère nécessite des méthodescomme le drainage et le rabattement pour éviter les écoulements au front de taille. Le but du drainages et rabattement est de rabattre le niveau de la nappe d’eau par pompage pour pouvoir réaliser les travaux d’excavation à sec et réduire la pression del’eau en même temps dans les couches du sol. Le rabattement de lanappe phréatique aux voisinages du front de taille n’est possibleque les débits pompés restent limités aux centaines de m3/h.

5. Tubes en résine renforcée de fibres de verre (VTR)[3]:

La méthode consiste à pratiquer “à sec” sur le front, une série de trous régulièrement sur la surface d’interventions des tubes en VTR sont introduit dans les trous et immédiatement injectés demortier de ciment. La profondeur de l’intervention (longueur du RABENANTOANDRO Andry Zaïd & Tarek Magouri Page 17


tube) est régi par le diamètre du tunnel et son intensité (nombres et diamètre du tube) varient en fonction de la résistance du terrain au cisaillement et des dimensions de la section d’excavation et de l’importance de l’effet à obtenir.

Figure 9: Tubes en résine renforcée de fibres de verre [3]

Cette méthode permet d’avoir une amélioration sensible des caractéristiques de résistance et de déformabilité du terrain.



a) Application du système VTR:Elle a été appliquée pour la première fois en 1988 sur les excavations faites dans les tunnels à voie unique “Talleto” et “Caprenne” pour raccorder la nouvelle ligne de chemin de fer “Diretissima” Rome-Florence et la ligne à la hauteur de Montevarchi.

Le massif traverse était constitué de terrains sablonneux-limoneux et limoneux- sablonneux avec des intercales argilo-limoneux contenant des poches lenticulaires et des niveaux de sables saturés d’eau.

Figure 10: creusement à pleine section méthode VTR [3]



6. Le système “Anvers” [4]:Elle consiste à enfoncer dans le terrain une série de tubes côte à côte dans un plan horizontal avec un pousse tubes, les tubes sont ensuite armés et remplis de bétons et tandis que leterrains alentours est traité de façon à obtenir une plaque monolithique sous laquelle on peut commencer les travaux d’excavation. Ce système a permis de construire des tunnels



ayant des diamètres allant jusqu’à 18m dans les terrains meubles; cependant elles ne peut être utilisés pour des tunnelde dimensions supérieurs car les risques de tassements et de déformations du terrains seront trop importantes.

Figure 11: le système Anvers [4]

7. La nouvelle méthode de “l’arc cellulaire” [4] :Pour le creusement de tunnel dans des terrains non cohérents avecun diamètre d’excavation largement supérieurs a 20m, la méthode



de l’arc cellulaire est adapté puisqu’elle permet de surmonter les difficultés en réalisant la totalité de la structure portante, le confinement du terrain et le revêtement de la cavitéavant même d’avoir effectué l’excavation.

C’est une structure composite qui ressemble à une grille de section semi-circulaire, dont les éléments longitudinaux (cellule) sont constitués de tubes en béton armés et qui collaborent par une série de gros cintres transversaux (arc).

Elle est aussi une évolution du système « Anvers » car au lieu demettre les tubes de bétons à l’horizontale on les place de façoncirculaire de telle sorte à avoir des “effet d’arc” artificiellesindispensables à la stabilité.

Réalisation:

a) Depuis un tunnel de services on réalise des actions de pré-consolidation du terrain tout autour du tunnel avenir.

b) Creusement du piédroit (par section divisé).



Figure 12 : Creusement du piédroit (par section divisé) [4]

c) Préparation des chambres de poussées pour l’effondrement (méthode de pousse tube)



Figure 13: Préparation des chambres de poussées pour l’effondrement (méthode de pousse tube) [4]

d) Réalisation de micro-tunnel de calotte.e) Excavation des coffrages (parois constituer par le terrain)

par le biais des micros tunnels.



Figure 14: phase d’exécution de l’arc [4]

f) Coulée des piédroits du tunnel final.g) Coffrages et remplissage des arcs et micro-tunnel.h) Excavation du terrain à l’intérieur du tunnel.i) Coulé de l’arc revere.

Figure 15: Arc cellulaire [3]

a) Application: Le système de “l’arc cellulaire” a été réalisé en zone urbaine sur des terrains incohérents et peu cohérents sans cause d’affaissement en surface pour la station “Venezia” de la transversale Milano.



B. Méthode de creusement au tunnelier: [1]Les premiers tunneliers ont été construits au Japon (afin de creuser dans les plaines côtières riches en alluvions). Prototypeadapté aux besoins du chantier, le tunnelier se compose en sa partie avant d'un bouclier (blindage cylindrique fermé si l'étanchéité est nécessaire); il soutient le front grâce à une pression de confinement qui peut être obtenue par air comprimé, terre ou par un mélange eau-bentonite.La bentonite est l'un des meilleurs alliés des tunneliers lorsqu'ils rencontrent des sols trop tendres et trop instables. Cette argile provenant de cendres volcaniques possède la propriété de gonfler au contact de l'eau, en se transformant en une boue qui comprime et maintient en place le terrain à attaquer.Un tunnelier est une machine conçue pour forer des tunnels en souterrain en effectuant de manière quasiment continue les opérations suivantes:

1. Creusement du terrain (en pleine section ou ponctuellement).

2. Soutènement du front de taille (si nécessaire).

3. Soutènement de l'excavation (grâce à la forme cylindrique desa virole métallique).

4. Mise en place du revêtement à l'abri de sa jupe (ou virole) métallique de diamètre légèrement supérieur à celui de la



galerie à réaliser, puis injection de remplissage du vide annulaire.

5. Evacuation des déblais à l'arrière de la machine.

6. Guidage et avancement du tunnelier à l'aide d'un système de vérins s'appuyant sur le revêtement déjà posé en aval (voussoir préfabriqué).

La partie avant du tunnelier, comprenant l'outil excavateur et lesystème de stabilisation du front d'attaque et de soutènement de l'excavation (cylindre métallique) porte le nom de bouclier.

Il existe deux grandes classes de tunneliers se distinguant par leur bouclier: les boucliers à front libre (ou ouvert) et les boucliers à front pressurise.

1. Les boucliers à front ouvert:Ces boucliers ne possèdent pas de système de stabilisation du front de taille, ils ne peuvent donc être utilisés que pour le creusement en terrains de bonne tenue, telles que des zones rocheuses ou très cohérentes.

2. Les boucliers à front pressurisé:Ces boucliers sont utilisés lorsque le front de taille n'est pas stable, en particulier dans le cas de travaux en terrain meuble et sous la nappe phréatique, comme celui nous concernant. Leur particularité est en effet d'exercer une pression stabilisatrice sur le front d'attaque.

Cette stabilisation peut être assurée par :



o Une pression mécanique.o Une pression fluide (air comprimé ou boue

bentonitique).o Une pression de terre du terrain lui-même.

Quel que soit le mode de pressurisation, il doit être parfaitement maîtrisé: une perte de pression dans la chambre d'attaque entraîne immédiatement des tassements de surface conséquents et tout à fait inadmissibles en zone urbaine.

Figure 16: bouclier mécanique et hydro bouclier [3]



Figure 17: constituent d’un tunnelier [1]

a) Application [11]: Métro de Cologne - ligne Nord-Sud, lot Sud Allemagne, le

terrain est constitué de Sables quaternaires/Graviers.

MÉTHODE D’EXÉCUTION : avancement au tunnelier avec 2 boucliers à confinement mixte, bouclier Ø 8,39m, anneau de voussoirs mise en œuvre de mesures d’amélioration complexestelles que la congélation et la consolidation du sol (injections à haute pression et injections de comblement), rabattement de la nappe phréatique, avancement sous air comprimé avec congélation du sol et voûtes parapluie.

Diabolo-Projet Belgique, terrain constitué de sable avec bancs de grés.



MÉTHODE D’EXÉCUTION : avancement au tunnelier à bouclier mixte à confinement hydraulique, Bouclier Ø 8,27 m, anneau de voussoirs épais de 25 cm, en tranchée couverte.

IV. Ouvrages annexes:Face à ces méthodes de creusement qu’on a proposé tout au long dece rapport, le dilemme de l’ingénieur est de pouvoir choisir quand utiliser une méthode? Où l’utiliser? Dans quelles conditions? Et les coûts de celles-ci. La construction de tunnelssurtout en terrain meuble dépend de beaucoup de facteur, la profondeur du tunnel, la présence ou non d’une nappe phréatique, ces dimensions…

C’est dans cette optique que l’ingénieur est amené à choisir lequel des méthodes connues est la plus optimal pour la situationdans laquelle il fait face.

a) Propriétés et coût de la congélation : [12]Tous les terrains sont congelable et les avancées sur ce domaine assurent des résultats d’étanchéité et de stabilité impressionnantes dans un délai garanti pour un prix assez moyen dans les 152,5 € par mètre de congélation pour la congélation verticale peu profonde , à 762.5€ par mètre de congélation pour la congélation horizontale réalisé en galerie et dans des condition de forages difficiles (présence d’eau en fortes pression).



b) Coût d’un tunnel creusé au tunnelier : [11]Métro de Cologne - ligne Nord-Sud, lot Sud Allemagne.

Projet: métro de Cologne – ligne Nord-Sud, lot Sud, tubes monovoie.Client: Kölner Verkehrsbetriebe AG, Cologne.

Mandataire adjudicataire: Wayss & Freytag Ingenieurbau AG en groupement momentané d’entreprises.

Durée des travaux: novembre 2003 à la mi-2012.

Montant des travaux, TTC: 470 millions d’euros.

Descriptif du projet: ligne de 3.260 m avec 2 tunnels monovoie, longueur totale 5.400 m,diamètre intérieur 7,30 m, 7 stations; 1 aiguillage; 1 zone d’entrecroisement.

Méthode d’exécution: avancement au tunnelier avec 2 boucliers à confinement mixte, bouclier Ø 8,39 m, anneau de voussoirs mise enœuvre de mesures d’amélioration complexesTelles que la congélation et la consolidation du sol (injections à haute pression etInjections de comblement), rabattement de la nappe phréatique, avancementsous air comprimé avec congélation du sol et voûtes parapluie.

Géologie: Sables quaternaires/Graviers.



Conclusion

En bref, suite aux conjonctures actuelles la construction dans un sol meuble est devenue très répandues.

Certes, les diverses méthodes qu’on a présenté, nous permettent de paliers a certain problèmes de construction surtout au niveau de la stabilisation du front de taille mais la difficulté ici réside sur le choix de la méthode à utiliser puisque celle-ci n’étantpas unique, elle dépend de plusieurs critères en particulier les conditions géotechniques et hydrogéologiques.

La plupart de ces méthodes étant délicates et coûteuses, elles requièrent du personnelles expérimentés et qualifiés pour les appliquer ceci en vue de ne pas se risquer dans des pertes inutiles.



BIBLIOGRAPHIE[1] Mécanique des Roches et Travaux Souterrains, Cours et

exercices corrigés, Centre d’Études des Tunnels, François MARTIN, Adrien SAÏTTA, Novembre 2005.

[2] Cours mécanique des sols tome I, Pr. Mounir BOUASSIDA, ENIT (Ecole Nationale d’Ingénieur de Tunis].

[3] LA STABILITE DU FRONT DE TAILLE DANS LES OUVRAGES SOUTERRAINE EN TERRAIN MEUBLES : ETUDES ET EXPERIENCES SUR LE RENFORCEMENT DU NOYAU D’AVANCEMENT P.LUNARDIE, Université de Parme Italie.

[4] UN NOUVEAU SYSTEME CONSTRUCTIF POUR LA REALISATION DE TUNNEL DE GRANDE PORTEE DANS DES TERRAIN NON COHERENT S:“ L’ARC CELLULAIRE” Pietro LUNARDIE, Entreprise ROCKSOIL, Italie.

[5] Compte rendu des journées d’études internationales: le creusement des Tunnels en terrains meubles et aquifère: Méthode de pré-soutènement et pré-étanchement pour les travaux en souterrain P.LUNARDIE, Université de Florence,Italie C .Louis Simecsol, Paris, France.

[6] MODELISATION du CREUSEMENT d'un TUNNEL en TERRAIN MEUBLE,thèse Doctorale, Sylviane BERNAT Ingénieur de l’Ecole Centrale de Lyon.



[7] M35 2001 – 2002 construction, chapitre 3: L’ETUDE GEOTECHNIQUE.

[8] Experiences of Ground Improvement for Urban Tunnels in Difficult Conditions, Akira Koshima, Giorgio Guatteri, CEO Novatec consolidation and construction.

[9] Consolidating a collapsed tunnel via compaction grouting from the surface and horizontal jet while progressing, LADUCHÈRE TUNNEL, FRANCE, Enterprise SOLETANCHE BACHY.

[10] JET GROUTING, Entreprise BILFINGER, Foundations and constructions.

[11] Wayss & Freytag Ingenieurbau AG, Eschborner Landstraße 130–132 | D-60489 Frankfurt am Main, constructions de tunnel.

[12] Tunnels et micro-tunnels en terrain meuble (du chantier à la théorie) Presses Ponts et chaussées.


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