TUNNELS METHODES DEXECUTION THIẾT KẾ VỎ HẦM

Elle consiste à réaliser rapidement un anneau de béton projeté + boulons très souples.. 1.4.2 Prédécoupage mécanique avec prévoute.Le principe consiste à réaliser à partir du front de ta

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS

METHODES

D’EXECUTION

1 SOUTERRAINS EN TERRAIN MEUBLE

1.1 Définition du terrain meuble

Un terrain meuble est un terrain granuleux avec cohésion faible à nulle : , argile, marnes, sable, cailloutis

Pour l’AFTES : à partir de la catégorie 5

Ces terrains sont délicats à excaver et nécessitent un

soutènement provisoire qui sera complété ultérieurement par un revêtement définitif

1.2 Soutènement provisoire : principe de base

Cette expression regroupe un ensemble de dispositifs

utilisés ensemble ou séparément et concourant à la stabilité

Blindage

Cintre réticulé

Types de cintres

1.2.3 Boulons

De nombreux types de boulons existent Pour les terrains

meubles on utilise des boulons à ancrage réparti sur toute

la longueur Le scellement peut être assuré soit par un

coulis de ciment (préparé sur place ou en cartouches)., soit par une résine époxy (en cartouches en général).

Cette dernière technique est en général chère par rapport au coulis de ciment

Un type de boulon très particulier existe : boulons

Rappel : résistance au cisaillement d’une discontinuité = frottement + dilatance

Boulon à ancrage ponctuel Boulon à ancrage réparti

Soutenir des blocs et des dalles découpés par les discontinuités

Bloc pesant et glissant

Contribution d’un boulon à la résistance au cisaillement le long d’une discontinuité (Panet, 1987) :

Rôles du boulonnageRôle d’ancrage ou porteur

Na étant la traction admissible dans le boulon

Exemple :

θ = 45 ° et ϕ = 35° δ = 0° → Tb = 1,07 Na δ = 15° → Tb = 1,20 Na

Dans les deux cas :

→ ancrage au-delà du plan de rupture

→ pour des boulons à ancrage ponctuel, mise en tension des boulons nécessaire pour que la force requise soit mobilisée immédiatement c’est-à- dire sans allongement supplémentaire du boulon après sa pose

b

² tan 4 1

² tan 1 N R

et tan

4

1 tan

avec sin

R tan cos

ξ +

= δ

+ θ

= ξ ξ

+ θ +

ϕ ξ +

θ

=

Renforcement des structures en empilage de bancs pour combattre leur flambement

et leur fléchissement sous poids propre

Les boulons limitent les écartements entre bancs (travail en traction) et les glissements bancs sur bancs (travail en cisaillement ou « effet goujon ») → solidarisation des bancs

L’inertie d’une poutre d’épaisseur « e x n » constituée de « n » bancs d’épaisseur

« e » solidarisés par boulons est n 2 fois celle d’un empilement de « n » bancs

d’épaisseur « e » si on néglige le frottement banc sur banc.

Rôles du boulonnage

Rôle restructurant

Rôles du boulonnage

Rôle confinant (et porteur)

Boulons

Boulonnage manuel

Boulonnage semi-mécanisé (jumbo + pose manuelle)

Boulonnage semi-mécanisé (jumbo + pose manuelle

à partir d’une nacelle)

Boulonnage semi-mécanisé (jumbo + pose manuelle depuis la plateforme du tunnelier)Procédés de pose des boulons

Choix du type

de boulon

Tableau récapitulatif

Pour finir sur le chapitre des boulons…

Quelques considérations à ne pas perdre de vue !!!!!

1.3 Méthodes traditionnelles d’exécution

1.3.1 Méthode par section divisée

Méthode « belge » : galerie de faite

Méthode Autrichienne

Méthode Allemande, 3 galeries

Méthode par ½ section

Autres méthodes

Méthode belge

Méthode autrichienne

Méthode allemande

Méthode par ½ section

Quelques sections types

Autres méthodes

Autres méthodes

1.4 Méthodes récentes

1.4.1 N.A.T.M (New Austrian Tunnelling Method).

Elle consiste à réaliser rapidement un anneau de béton

projeté + boulons très souples

Quelques accidents ont conduit à revenir à une méthode

plus classique impliquant cintres plus ou moins lourds, béton projeté épais et boulons

Cette méthode s’appuie sur le béton projeté

Deux types de béton projeté :

Béton projeté voie sèche

Béton projeté voie humide

Béton projeté

1.4.2 Prédécoupage mécanique avec prévoute.

Le principe consiste à réaliser à partir du front de taille une saignée dans le terrain à l’aide d’une sorte de tronçonneuse

et à la remplir de béton projeté

La longueur de la « prévoute » ainsi réalisée varie de 1.0 m

à 5.80 m, l’épaisseur de 15 à 25 voire 35 cm

La stabilité du fruit de taille est améliorée par des boulons

« fusibles » en fibre de verre

Les différentes prévoutes sont imbriquées les unes dans les autres comme des tuiles

Prévoute

1.4.3 Les vỏtes parapluie.

L’idée est semblable à celle de la prévoute Il y a

recouvrement entre les différentes voutes

On peut par exemple enchainer plusieurs vỏtes parapluie

de 20 m avec un recouvrement de 3 à 5 m

Elle est nécessairement associée à des cintres qu’il n’est pas toujours facile de caler du fait de l’éloignement des tubes

Voute parapluie

1.4.4 Les voutes articulées

Voute Jacobson

Vỏte active (procédé « Jacobson »)

Vỏte active (procédé « Jacobson »)

1.4.5 Principes communs à ces méthodes.

Machine à attaque ponctuelle

Outil pour machine à attaque ponctuelle

1.5 Creusement mécanisé en terrain meuble Bouclier

le soutènement est exercé en continu

l’opération de soutènement ne consomme plus de matériaux Cette technique a été utilisée à Londres entre 1825 et 1841 pour un ouvrage de 412 m de long sous la Tamise.

Le nom donné à cet ouvrage “la Tonnelle” serait à l’origine du mot tunnel.

1.5.2 Définitions.

Le terme de bouclier s’applique à une machine utilisant une simple virole et celui de tunnelier (TBM: Tunnel Boring

Machine)à une machine plus complexe constituée en

général d’une roue de coupe, d’une virole assurant le

soutènement (la jupe) et d’un système complexe

d’évacuation des matériaux

Les matériaux abattus tombent dans la chambre de coupe

(pressurisée ou non)

A l’intérieur de la jupe est assemblé le revêtement

généralement constitué d’éléments préfabriqués appelés

voussoirs.

L’étanchéité entre jupe et revêtement est assurée par le

joint de queue.

Le tunnelier est propulsé par des vérins de poussée.

Tous les autres éléments sont localisés sur le train suiveur.

Tunnelier fermé

Schéma de principe d’un tunnelier

1.5.3 Principaux types de tunneliers.

On les classe par type de confinement appliqué au front

{ Front ouvert:

Le front de taille ne nécessite pas de confinement

permanent

Le creusement est effectué:

manuellement pour les petits diamètres

par un bras excavateur équipé de dents de ripage ou

d’une fraise

par une roue de coupe

La reprise de l’effort horizontal se fait par simple frottement

de la jupe sur le terrain

Les vérins ne sont utilisés que pour foncer la jupe dans le sol

Ils peuvent être rétractés pendant la phase de creusement et

le revêtement est assemblé en temps masqué

Les déblais sont évacués par bande transporteuse

Front ouvert

{ Boucliers à confinement:

Le front nécessite pour être stable qu’une pression

permanente (dite de confinement) soit exercée Plusieurs

moyens sont disponibles

A L’air comprimé

Le principe de bouclier à air comprimé consiste à placer

sous air comprimé la chambre de coupe qui est isolée du reste de la galerie par une cloison étanche à travers laquelle

sont aménagés des sas.

Limites du système:

perméabilité à l’air du sol

pression maximale : 4 à 6 bars avec des contraintes très fortes pour le personnel

Air comprimé

B La boue bentonitique

Cette technique est extrapolée de celle des parois moulées

La boue bentonitique crée au contact de la paroi une

membrane appelée cake qui permet de maintenir une

pression constante sur la paroi

Dans le cas du tunnelier la pression est assurée par

pompage dans la chambre de coupe

La pression à appliquer dépend des conditions de stabilité

du front

La régulation de cette pression est délicate.

Deux techniques existent:

régulation très sophistiquée entre pompe d’injection et pompe d’évacuation (procédé allemand)

régulation plus simple en ménageant en tête une poche d’air plus facile à réguler (procédé japonais)

Boue bentonitique

La rhéologie de cette boue doit être suivie et adaptée aux caractéristiques du sol.

La sanction de la non-maỵtrise de ces paramètres est grave: “blow out” de la boue en surface en cas de surpression ou

de boue trop liquide

effondrement du front et fontis en cas de confinement

insuffisant

L’abattage est assuré par une roue de coupe

L’évacuation des déblais se fait par la boue bentonitique en circulation

La boue extraite du front est dirigée vers une station de

séparation ó sont séparés:

les déblais mis en décharge

la boue recyclable

Les limites d’utilisation sont les suivantes:

la pression hydrostatique 0.2 à 0.4 Mpa

la création du cake qui dépend d’un grand nombre de

facteurs (ajout de polymères si nécessaire)

C La pression de terre

Une autre technique, imaginée par les ingénieurs japonais consiste à se servir du matériau excavé comme “fluide” de confinement

On les appelle EPBS: Earth Pressure balanced shield

Idéalement cela fonctionne bien avec des sols plus ou moins argileux relativement plastiques

Le matériau extrait par la roue de coupe tombe dans la

chambre dont il est extrait par une vis sans fin

La pression est régulée par la vitesse de rotation de la vis et donc par la vitesse d’extraction

Les limitations du procédé sont les suivantes:

pression hydrostatique maxi de 0.2 Mpa pour que la

chambre soit visitable

un sol se prêtant à l’établissement d’une pression

régulable

les couples en jeu nécessaires au malaxage du terrain, d’ó une limitation des diamètres à 9 à 10 m

EPBS

1.5.4 Choix du type de tunnelier

Critères à examiner:

Géométriques:

{ diamètre

{ rayon des courses

{ géométrie des ouvrages entrée / sortie

Environnementaux

{ Tassements

{ Mise en décharge

{ Géotechnique ≠ géologie

{ Etablir la continuité

{ Paramètres non classiques / rhéologie

Perméabilité “en grand”

Granulométrie

Limites d’Atterberg

{ Essais / modèles réduits

Economiques

But Ö le meilleur compromis

Ö anticiper les mesures complémentaires

Choix du tunnelier

Méthode mécanisée :

• Bouclier à plate-forme

• Bouclier mécanisé ouvert

Appui radial Appui longitudinal

Principaux types de tunneliers

Méthode mécanisée :

• Bouclier mécanisé fermé (appui sur revêtement)

Air comprimé Pression de terre Pression de boue

Les principaux types de tunneliers

1.5.5 Revêtement

{ Voussoirs en béton préfabriqué:

La solution la plus couramment utilisée pour réaliser le

revêtement des galeries creusées au tunnelier consiste à

assembler des éléments de béton armé préfabriqués

appelés voussoirs pour former des anneaux La mise bout à

bout de ces anneaux constitue le revêtement du tube

Généralement ces anneaux ne sont pas des tronçons de

cylindre mais des tronçons de tore; ainsi en faisant pivoter ces anneaux autour de leur axe, à la pose,peut-on adapter le revêtement aux courbes ou aux changements de profils en long

Voussoirs pleins Voussoirs alvéolés ou nervurésVoussoirs

La conception d’un revêtement en voussoirs préfabriqués

pose des problèmes de plusieurs ordres:

de géométrie:

Le nombre de voussoirs par anneau est essentiellement

fonction du diamètre du tunnel et du poids maximum admis pour les manipulations ou montage;

La longueur de l’anneau et le pincement (c’est-à-dire l’angle que forment les 2 faces de l’anneau) sont fonction du tracé du tunnel Certains cas de courbes serrées peuvent nécessiter la création d’anneaux de voussoirs spéciaux, plus courts

La rotation complète de l’anneau autour de son axe permet d’adapter le revêtement à tous les types de courbe: ce

système est appelé anneau universel Il suppose une

symétrie de révolution du revêtement

La montage d’un anneau de voussoirs est une opération quasi mécanique nécessitant des tolérances géométriques très

faibles (de l’ordre du mm) sur les dimensions, des pièces

Tout défaut génère des imperfections sur le revêtement

(desaffleurs) ou des efforts parasites qui fissurent ou

épaufrent les voussoirs

Voussoirs en forme de rectangle et trapèzePrincipe de montage des voussoirs

Voussoirs en forme de rectangle et trapèze

Succession d’anneaux universels

Clé montée selon n’importe quelle

position angulaire

Succession d’anneaux « gauche-droite »Clé située systématiquement au-dessus

du diamètre horizontalPrincipe de pose

Fabrication des moules Détail des inserts dans le mouleFabrication des voussoirs

Cage d’armatures préfabriquée Pose d’une cage d’armatures dans un mouleFerraillage

Stockage sur parc des anneaux par pilesStockage

Approvisionnement des anneaux au front du tunnelApprovisionnement

Pose des voussoirs à l’aide de l’érecteurMise en place

d’assemblage:

L’anneau complètement monté est autostable En phase de montage la stabilité est assurée en plaquant les éléments contre l’anneau précédent grâce aux vérins de poussée

Néanmoins un assemblage mécanique des voussoirs entre eux est nécessaire afin de maintenir la géométrie, de pallier une défaillance des vérins et de maintenir comprimés les joints d’étanchéité

De nombreux systèmes sont utilisés:

boulons avec écrous

boulons courbes

tire-fond sur douille noyée

Dans leur définition le projeteur doit penser à limiter les

dimensions des boîtes de réservations qui affaiblissent la résistance mécanique du voussoir

Ces assemblages, qui sont des points faibles vis-à-vis de la corrosion et donc de la pérennité du revêtement sont parfois retirés à l’arrière

Exemple d'assemblage démontable à l'aide de boulons droitsAssemblage

Exemple d'assemblage indémontable à l'aide de boulons droitsAssemblage

Exemple d'assemblage de platines à l'aide de boulons courts Assemblage

Exemple d'assemblage à l'aide de boulons courbesAssemblage

Exemple d'assemblage à l'aide de tire-fond inclinés Assemblage

Contacts plans

Contacts circonférentiels ou transversaux

Contacts à géométrie conjuguéeNature des contacts

Contacts cylindriques concave-convexe

Contacts radiaux ou longitudinaux

Contacts cylindriques convexe-convexeNature des contacts

de dimensionnement:

Les sollicitations géotechniques et hydrostatiques à long terme sont évidemment à prendre en compte Mais entrent, également, en ligne de compte de façon déterminante:

{ les sollicitations de manutention

{ les efforts exercés par le tunnelier (poussée)

Ceux-ci sont des efforts concentrés qui nécessitent d’être répartis par des frettages adaptés

d’étanchéité:

Les tunneliers sont généralement utilisés pour réaliser des galeries sous la nappe; Il est donc nécessaire d’assurer

l’étanchéité du revêtement Deux systèmes principaux

existent, utilisés parfois de manière redondante:

{ des joints compressibles incorporés dans des rainures et

maintenus comprimés à la pose

{ des joints hydrogonflants: ces joints contiennent une

résine hydrogonflante Le gonflement au contact de l’eauassure l’étanchéité

Garnitures d’étanchéité compressibles en élastomère

Etanchéité

Garnitures d’étanchéité hydro-expansives

PARTIES HYDRO-EXPANSIVES

PARTIES NEUTRES

Etanchéité

Garnitures d’étanchéité mixtes

Elles combinent les deux natures des joints précédents.

Etanchéité

La préhension des voussoirs est assurée soit sur des inserts, soit par des ventouses.

Les voussoirs sont mis en place par des bras érecteurs à

vérins hydrauliques à plusieurs degrés de liberté (rotation à360°, translation dans l’axe, basculement suivant les 2 axes

La progression du tunnelier est alors interrompue, les vérins

de poussée étant rétractés pour dégager l’espace nécessaire;Lorsque le tunnelier progresse, sa jupe coulisse sur l’extrados des voussoirs dégageant un espace annulaire correspondant

à son épaisseur

Cet espace doit être rempli afin d’assurer le calage de

l’anneau de voussoirs et surtout d’éviter les tassements qui seraient causés par l’effondrement du terrain dans cet espace libre On y injecte donc un mortier de composants inertes

(sable) et actifs (cendre, ciment, chaux) de façon à assurer une prise plus ou moins rapide suivant les efforts supportés par l’anneau à sa sortie de la jupe