MINISTÈRE DE L’ÉQUIPEMENT, DES TRANSPORTS ET DU LOGEMENT DIRECTION DES ROUTES dossier pilote des tunnels g é n i e c i v i l section 3 conception et dimensionnement Juillet 1998 CENTRE D’ÉTUDES DES TUNNELS 25, AVENUE FRANÇOIS-MITTERRAND - CASE N°1 - 69674 BRON CEDEX - FRANCE TEL : 04 72 14 34 00 - TELECOPIE : 04 72 14 34 30 I.S.B.N. 2-11-084743-3 SOMMAIRE Chapitre 1 Préambule 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Facteurs à prendre en compte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.1 Parti fonctionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.2 Environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.3 Terrain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Choix de la section. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Profils en travers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2 Division de la section. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3 Rôle du soutènement et du revêtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.1 Rôle du soutènement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Fonction mécanique du revêtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Profils-types de soutènement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5 Creusement au tunnelier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Chapitre 2 Conception du soutènement 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Fonctionnement du soutènement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.1 Principes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 Importance du phasage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.3 Incidence de l’eau souterraine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Critères de choix du soutènement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1 Classifications de BIENIAWSKI et de BARTON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2 Classification de l'A.F.T.E.S.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.3 Limite d'emploi des classifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3 Pré-soutènement et renforcement du front de taille . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Principaux facteurs influant sur la déformation et la stabilité du front de taille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Procédés de pré-soutènement et de renforcement. . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Récapitulation - Choix principaux de conception. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Chapitre 3 Dimensionnement du soutènement et évaluation des mouvements du terrain 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Méthodes usuelles de dimensionnement du soutènement . . . . . . . . . . . 21 3.1.1 Approche empirique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.2 Méthodes d'analyse et de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Méthodes de calcul par éléments finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1 Apport de la méthode des éléments finis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2 Domaine d'utilisation du calcul aux éléments finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3 Stabilité du front de taille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3.1 Méthodes d'analyse de la stabilité du front de taille . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3.2 Soutènement du front de taille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3.3 Déformation du front de taille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4 Estimation des tassements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Chapitre 4 Conception et dimensionnement du revêtement 29 . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Règles de conception du revêtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.1 Constat des règles de l'art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.2 Différents types de revêtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2 Actions à prendre en compte et calcul des sollicitations. . . . . . . . . . . . . . 30 4.2.1 Charges à reprendre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2.2 Principales combinaisons de charges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.2.3 Méthodes de détermination des sollicitations dans le revêtement. . . . . 32 4.3 Vérification du revêtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.3.1 Pondération des charges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.3.2 Démarche de vérification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Bibliographie 34 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Annexes 3.1 Présentation des recommandations AFTES 3.2 Mécanismes de rupture et champ de déplacements autour des tunnels 3.3 Exemples de profils types de soutènement et de revêtement Chapitre 1 Préambule 1.1 - Facteurs à prendre • la présence de nappe aquifère (niveau à maintenir et qualité des eaux à conserver). en compte Pour ces questions, on peut se reporter à la section 9 ("Impact de la construction sur l'environnement"). Pour ce qui concerne le Génie Civil, l'opération de 1.1.3 - Terrain conception d'un tunnel prend en compte trois types de contraintes qui sont liés respectivement : La connaissance de la réaction du terrain au creuse- • au parti fonctionnel retenu, ment est bien sûr fondamentale. En particulier les • à l'environnement de l'ouvrage, problèmes et les solutions sont de nature très diffé- • au terrain encaissant. rente selon que l'on a affaire à : Ces facteurs interviennent en priorité dans la défini- • des massifs rocheux globalement stables où le sou- tion du profil en travers de l'ouvrage et dans le choix tènement n'intervient que pour s'opposer à d'éven- des procédés de construction. tuelles chutes de blocs, Rappelons d'autre part que le tracé et le profil en • des terrains dans lesquels le front de taille est stable long de l'ouvrage sont eux-mêmes définis en tenant mais qui nécessitent un soutènement proche du front, compte des contraintes liées à l'environnement et au • des terrains dans lesquels le front de taille est terrain. Des indications à ce sujet sont données en instable ou bien dans lesquels il faut parfaitement section 2 ("Géologie - Hydrogéologie - Géotech- maîtriser les mouvements pour respecter des nique"). contraintes de tassement en surface. La recommandation AFTES portant sur le choix des 1.1.1 - Parti fonctionnel paramètres et essais géotechniques utiles à la conception, au dimensionnement et à l'exécution des Les conditions d'utilisation du tunnel en service déter- ouvrages creusés en souterrain (cf. annexe 3.1) a minent le volume utile nécessaire : recensé cinq familles de paramètres à prendre en • à la circulation des véhicules, tel que défini dans le compte : document "Géométrie", • les paramètres liés aux contraintes naturelles, • aux différents équipements assurant l'éclairage et la sécurité, • les paramètres physiques, • à la ventilation, • les paramètres mécaniques, • aux conduites transitant par l'ouvrage (caniveaux • les paramètres hydrogéologiques, d'évacuation d'eau, égouts, câbles, etc...). • les paramètres liés aux méthodes d'exécution des ouvrages. 1.1.2 - Environnement Ces paramètres sont notamment utilisés dans des classifications établies à partir de l'expérience accu- Les contraintes liées à l'environnement concernent mulée lors de la construction de nombreux ouvrages essentiellement : (cf. 2.2. Critères de choix du soutènement) ou dans • la sensibilité aux déformations et vibrations des des méthodes de calcul (cf. Chapitre 3. ouvrages, constructions, sites naturels à proximité des Dimensionnement du soutènement et évaluation des travaux de creusement ; mouvements du terrain). •7• 1.2 - Choix de la section 1.2.1 - Profils en travers (figure 1.1) La définition géométrique du profil en travers excavé résulte de la recherche de la forme optimale permet- tant de satisfaire les exigences relatives : Tunnel ancien en maçonnerie • aux dispositions constructives induites par le res- (Tunnel du Col de Tende) pect du parti fonctionnel ; • aux conditions de stabilité imposées par la qualité géomécanique du terrain encaissant ; dans un terrain très déformable ou soumis à des contraintes impor- tantes (faible valeur du module de déformabilité, très importante épaisseur de couverture, terrain gonflant, comportement différé très marqué, charge d'eau impor- tante, etc...) il sera recherché la forme la plus circulaire possible ; alors que dans un terrain où l'excavation au rocher est autostable, il pourra être adopté un profil en travers en voûte surbaissée à plusieurs rayons ; • au procédé d'exécution : l'emploi d'un tunnelier implique un profil circulaire alors que dans le cas de Tunnel plein cintre en béton tranchées couvertes réalisées depuis la surface, le profil en travers est quasiment toujours rectangulaire. Les variations longitudinales de lithologie et de qua- lité mécanique des matériaux encaissants peuvent conduire à des changements de méthode ou de sec- tion d'excavation (ou des deux en même temps) au cours de l'avancement. Pour des raisons d'économie et d'esthétique, il convient d'adopter un profil, le plus uniforme possible, tout au long de l'ouvrage ; en par- ticulier, dans les cas où un profil circulaire ne s'impo- se que sur une longueur assez courte, il vaudra sou- vent mieux renforcer très fortement (augmenter l'épaisseur du revêtement, ferrailler le béton, mettre Voûte surbaissée en place un radier contre-voûté...) le profil courant (Tunnel de St Cloud) non circulaire, plutôt que d'appliquer sur toute la lon- gueur de l'ouvrage la forme circulaire. Il faut avoir à l'esprit que la détermination de la géométrie de l'ouvrage peut impliquer une limi- tation dans le choix par l'Entreprise des procé- dés d'exécution. Il peut arriver que des variantes dans la géométrie rendant possible l'emploi de procédés plus économiques, ne peuvent plus être acceptées car elles n'ont pas été prévues assez tôt. 1.2.2 - Division de la section La puissance des moyens de terrassement et le déve- Tunnel circulaire creusement au tunnelier loppement des procédés de pré-soutènement et de (Tunnel de l'A86 Ouest) renforcement du front de taille permettent de plus en plus souvent d'envisager le creusement des tunnels en s Fig. 1.1 pleine section, ou tout au moins avec une demi-section Exemples de profils en travers supérieure importante (cf. annexe 4.4 de la section 4 "Procédés de creusement et soutènement"). pour un tunnel routier. •8• Les recommandations développées ci-après tiennent Lorsqu'on ne met pas en oeuvre de revêtement, la compte implicitement de cette hypothèse. La réalisa- pérennité de l'action du soutènement doit être assu- tion d'ouvrages spéciaux avec un fractionnement rée : protection contre la corrosion ou contre un multiple du soutènement et du revêtement, sort du vieillissement prématuré, vérification de la non-évolu- cadre de ces recommandations. Un aperçu du creu- tion des caractéristiques du terrain à long terme. sement en section divisée est simplement donné en annexe 4.5 de la section 4. 1.3.2 - Fonction mécanique du Pour ce qui concerne le choix de la méthode d'excava- tion, on se reportera à la section 4 du Dossier Pilote. revêtement La mise en place d'un revêtement définitif dans un tunnel routier peut être justifiée par d'autres considé- rations que celle de sa fonction mécanique vis-à-vis de la stabilité de l'excavation. Celles-ci sont dévelop- 1.3 - Rôle du soutènement pées en section 5 du Dossier Pilote ("Etanchement et revêtement"). et du revêtement Les cas où le revêtement peut être appelé à jouer un rôle important dans la stabilité à long terme de l'ex- cavation sont les suivants : • lorsque le revêtement est mis en place rapidement 1.3.1 - Rôle du soutènement à l'avancement, derrière un bouclier par exemple ou avant qu'un équilibre se soit instauré entre terrain et Le creusement d'une galerie nécessite généralement soutènement ; la mise en place d'un soutènement d'importance • lorsque le massif encaissant est affecté par un com- variable selon la nature du terrain, la dimension de portement différé très actif résultant du fluage, de l'excavation et la méthode utilisée. contraintes d'origine tectonique ou du gonflement Celui-ci peut être inexistant dans les cas les plus favo- par exemple ; rables (galerie forée dans une roche résistante homo- • lorsque l'action du soutènement est supposée dimi- gène et peu fracturée) ou aller jusqu'à l'exécution nuer dans le temps en raison d'une dégradation de d'un présoutènement en avant du front de taille, voire ses constituants : corrosion des boulons, altération jusqu'à l'utilisation d'un bouclier à front pressurisé en des scellements, délavage du béton projeté, etc... ; très mauvais terrain. • lorsque le tunnel est implanté dans une zone sis- Le soutènement a pour but : mique active ; • lorsque la charge hydraulique susceptible de s'exer- • de garantir la sécurité du personnel travaillant dans cer sur l'ouvrage définitif est très importante. la galerie, • d'assurer la stabilité des parois de celle-ci dès la phase d'abattage du terrain et, si nécessaire, d'en limiter les déformations, • de protéger le terrain dans le cas où celui-ci est sus- ceptible de subir une évolution défavorable (altéra- 1.4 - Profils-types de tion, déconsolidation, etc...) après ouverture, condui- sant à une diminution inacceptable de ses caractéris- soutènement tiques. Les méthodes courantes d'exécution conduisent à l’utilisation d'un soutènement métallique (boulons, cintres métalliques, voussoirs en fonte) ou en béton Le profil en travers et les méthodes de creusement et (béton projeté, prévoûte bétonnée avec ou sans de soutènement étant choisis, le projet se matérialise incorporation de cintres, voussoirs en béton armé) et par l'établissement de profils-types qui définissent les à son maintien en place lors du bétonnage du revête- soutènements et revêtements d'une section transver- ment définitif éventuel. sale de tunnel, ceci pour chaque zone pouvant être considérée comme homogène vis-à-vis des Le soutènement assure la stabilité de la galerie pen- contraintes de terrain et d'environnement. dant l'exécution des travaux, mais participe aussi à la stabilité définitive de l’ouvrage en réduisant les Sont précisés suivant le niveau d'étude : efforts supportés par le revêtement qui est mis ensui- • la forme et le volume de terrain excavé, te à l'intérieur. La conception du soutènement a le plus souvent une influence directe sur l'importance et • l'avancement unitaire, c'est-à-dire la longueur exca- la répartition des efforts que devra supporter le revê- vée avant mise en place du soutènement, tement définitif. (cf. 4.2) • le phasage du terrassement, •9• • les soutènements (géométrie, nature et qualité des Dans un tel cas, on cherche la plupart du temps à rédui- matériaux), re le plus possible les mouvements du terrain engen- • le phasage de leur mise en oeuvre, drés par le creusement (cf. 3.4 Estimation des tasse- ments) en appliquant une pression de confinement au • le revêtement (nature, qualité des matériaux, joints front de taille (cf. 3.3 Stabilité du front de taille) et en de reprises), assurant un parfait remplissage du vide annulaire entre • le système d'étanchement et de drainage. les voussoirs de revêtement et le terrain. Les soutènements doivent être définis avec une Corrélativement, les pressions qui se développent sur ces voussoirs peuvent être élevées, mais la forme cir- précision suffisante pour garantir leur efficacité. culaire de ceux-ci autorise la reprise d'efforts impor- Il faut porter une attention particulière aux élé- tants (quelques indications sont données en 4.2). ments suivants : • capacité d'adaptation à la forme de la Quelques indications sur les paramètres significatifs section ; et caractéristiques d'une solution comportant l'em- ploi d'un bouclier sont données en section 2 • continuité des soutènements, jonction entre ("Géologie-Hydrogéologie-Géotechnique"). éléments mis en place lors de phases succes- sives ; • contact soutènement-terrain, possibilité de Des développements plus substantiels sur le creuse- conserver un soutènement de forme régulière ment au tunnelier peuvent être trouvés dans les bien plaqué au terrain malgré les irrégularités publications suivantes : de l'excavation ; • A.F.T.E.S. Recommandations sur le choix d’un type • possibilité de renforcement rapide du soutè- de tunnelier ou de bouclier mécanisé (Tunnels et nement. Ouvrages Souterrains n°spécial - Mai 1988). Des exemples de profils-types sont donnés en • A.F.T.E.S. La conception, le dimensionnement et Annexe 3.3. l’exécution des revêtements en voussoirs préfabri- qués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier (TOS n°147 - Mai-Juin 1998). • A.F.T.E.S. Rapport de synthèse du projet national TUNNEL 85-90 (24 Avril 1991). 1.5 - Creusement au • A.F.T.E.S. Recueil de fiches signalétiques de chan- tiers mécanisés. tunnelier • Tunnels et Ouvrages Souterrains (n°119 - Septembre- Octobre 1993). • Tunnels et Ouvrages Souterrains (n°128 - Mars-Avril 1995). Les considérations développées dans les chapitres Spécial Journée d'Etudes de l'A.B.T.U.S. (8 Novembre suivants s'appliquent essentiellement au cas des tun- 1994). nels creusés de manière "séquentielle", c'est-à-dire où l'on peut séparer les opérations de creusement et • C. RAYNAUD - Les Tunneliers (FAURE et Associés - de pose du soutènement ou du revêtement. Paris 1992). • B. MAIDL, M. HERRENKNECHT, L. ANHEUSER - Lorsqu'on utilise un tunnelier, des éléments spé- Mechanised Shield Tunneling (Ernst & Sohn - 1996). cifiques au procédé utilisé sont à prendre en compte, tout particulièrement lorsqu'on doit avoir recours à un tunnelier comportant un bou- clier (cf. Annexe 4.12 de la section 4 "Procédés de creusement et de soutènement"), c'est-à- dire dans des terrains particulièrement difficiles et/ou avec des contraintes d'environnement très sévères. •10• Tunnelier Un tunnelier est une machine réalisant en continu le creusement d'un tunnel et, si nécessaire, la mise en place d'un revêtement à faible distance du front de taille. Sauf exception, le tunnelier réalise un tunnel de forme circulaire : • Dans le rocher, l'excavation peut ainsi se faire par attaque globale à l'aide d'une machine foreu- se pleine section qui prend généralement appui directement au terrain par l'intermédiaire de grip- pers ou patins d'ancrage latéraux. • En terrain tendre nécessitant un soutènement important, la forme circulaire est la mieux adaptée à la reprise des efforts. Le tunnelier comporte alors un bouclier et le front peut être pressurisé (*). En grand diamètre, l'excavation se fait par attaque globale à l'aide d'une roue de coupe à l'avant de la machine avec un procédé de marinage adapté au mode de confinement. La machine pro- gresse en s'appuyant contre le revêtement mis en place au fur et à mesure de l'avancement par l'intermédiaire de vérins. Le revêtement mis en place est généralement le revêtement définitif. Dans certains cas il peut être complété par un anneau intérieur qui assure d'autres fonctions que la seule fonction de résistance mécanique. Coupe de la machine Voussoirs Grue à voussoirs Tête de coupe Bouclier Train suiveur Erecteur Retour boue marinage Verins de Poussée Arrivée boue bentonite (*) Bouclier à air comprimé, à pression de boue, à pression de terre, à boue lourde. •11• Chapitre 2 Conception du soutènement 2.1 - Fonctionnement du à supporter, de manière passive, des charges impor- tantes sans que l'on n'ait maîtrisé non plus pour soutènement autant les déplacements du terrain. Ce cas de figure, qui peut se produire par exemple avec un soutène- ment par cintres lourds profilés mal bloqués au ter- rain, est bien sûr à éviter. 2.1.1 - Principes Finalement, on peut dire qu'un soutènement bien conçu doit opposer au terrain une pression de confi- Au cours de la réalisation d'un tunnel, les contraintes nement dès que ce dernier tend à se déformer et doit préexistant dans le massif se canalisent sur le contour tendre à conserver autant que possible les caractéris- de la cavité, créant un "effet de voûte" qui rend pos- tiques de résistance du massif autour du tunnel. Pour sible la tenue de cette cavité - tout au moins lorsque jouer ce rôle, le soutènement doit, dans certains cas, l'état des contraintes initiales et les caractéristiques assurer une fermeture complète de la section exca- de résistance et de déformabilité du terrain l'autori- vée, par exemple au moyen d'un radier provisoire en sent. Le rôle du soutènement est de permettre l'éta- béton projeté mis en place le plus près possible du blissement de cet état d'équilibre dans de bonnes front de taille. A l'extrême, le soutènement peut conditions en limitant l'extension du volume de ter- même conduire à une amélioration de la résistance du rain décomprimé autour de la cavité (cf. annexe 3.2.). terrain (rôle d'armature des boulons, traitement par Lorsque le terrain est de bonne qualité (rocher sain injection ou jet-grouting). peu fracturé), le rôle du soutènement peut se limiter à la maîtrise d'instabilités locales (blocs isolés décou- D'un autre côté, le soutènement ne doit pas conduire pés par le réseau de discontinuités).(1) - en raison d'une trop grande rigidité - au développe- ment d'efforts exagérés qu'il serait incapable de Cette conception d'un rôle actif du soutènement s'est reprendre. Ce problème est à examiner particulière- développée parallèlement à l'utilisation des modes de soutènement qui assurent la participation effective ment dans le cas des tunnels à grande profondeur. du terrain à sa propre stabilité (boulons, béton proje- Pour ces tunnels d’autres problèmes, liés à l’excès de té, cintres légers mis en oeuvre rapidement après contrainte dans des roches très peu déformables, l'excavation). peuvent apparaître (éclatement du rocher). Antérieurement, le soutènement était plutôt perçu Un modèle simple de l'interaction entre terrain et comme une structure appelée à supporter des soutènement, suffisamment loin du front de taille, est charges appliquées par le terrain, charges sur les- celui d'un équilibre atteint lorsque la "demande" de quelles on ne pouvait pas influer. Ce cas peut se pré- soutènement de la cavité, qui va en se réduisant senter notamment lorsque le soutènement est mis en lorsque la convergence des parois augmente, est oeuvre de telle façon qu'il n'évite pas la désorganisa- égale à l'apport effectif du soutènement qui, lui, aug- tion du terrain autour de la cavité ; il peut alors avoir mente avec la convergence (figure 2.1). (1) Dans un tel cas, l’approche de type convergence-confinement, développée plus loin, n’est pas nécessaire. •13• P pression de confinement A courbe de convergence du terrain courbe de confinement du soutènement F E P s D C C C O convergence s Fig. 2.1 Graphique confinement-convergence L'interaction entre le terrain et le soutènement peut être représentée sur le graphique pression de confinement-convergence. Le comportement du terrain est représenté par la courbe de conver- gence AED, celui du soutènement par la courbe de confinement CEF, la valeur de Co corres- pondant à la convergence qui se produit avant que le soutènement soit effectivement sollicité. L'équilibre est réalisé à l'intersection des deux courbes en E. Pour l'utilisation de ce concept, on peut se référer à fonction des résultats de mesures de contrôle la recommandation de l'AFTES portant sur l'emploi (convergences, contraintes... ). de la méthode convergence-confinement (cf. annexe En cas de creusement en demi-section ou en section 3.1) et à l'ouvrage de M. PANET cité en bibliographie. divisée, le soutènement est nécessairement posé en Cette méthode permet, d'autre part, de prendre en différentes phases, qui peuvent être assez éloignées compte, de manière simple, la présence du front de les unes des autres. Il faut alors tenir compte pas à pas taille, qui joue un rôle essentiel en établissant à son de la redistribution des efforts et de l'évolution éven- voisinage un état de contrainte et de déformation tuelle des caractéristiques du terrain induites par les temporaire stable et acceptable, dans l'attente de la phases de creusement et de soutènement successives. mise en place du soutènement. Dans le cas où le front de taille, dans son état naturel, D'une manière générale, le facteur temps est un s'avère insuffisant pour jouer ce rôle, une intervention élément important qu'il ne faut jamais négliger. de renforcement du terrain au front de taille ou en De nombreuses natures de terrain ont un com- avant du front de taille est nécessaire. Quelques indi- portement dépendant du temps : les déforma- cations à ce sujet sont données en 2.3. (Pré-soutène- tions et les charges qu'elles entraînent sur les ment et renforcement du front de taille). soutènements sont dues non seulement à l'avancement de l'excavation mais aussi à la rhéologie du massif. Une modification des 2.1.2 - Importance du phasage conditions d'avancement des travaux peut nécessiter une adaptation du soutènement, par La mise en place du soutènement se fait souvent par exemple un renforcement en cas d'arrêt. étapes, non seulement pour faciliter l'avancement des travaux, mais aussi pour ajuster progressivement Enfin, la sécurité même du chantier peut nécessiter un l'action de confinement nécessaire à l'obtention de phasage : par exemple, mise en place de premiers l'équilibre désiré. La nouvelle méthode autrichienne éléments de soutènement (boulons à action immédia- (cf. annexe 4.11. de la section 4 "Procédés de creu- te notamment) ayant davantage une fonction de sup- sement et de soutènement") a même posé comme portage que de confinement, puis soutènement sys- principe l'adaptation du soutènement mis en place en tématique plus en arrière du front. •14• 2.1.3 - Incidence de l’eau stratifié ou non, de la fracturation, de la nature des joints, de la déformabilité, de l'altération et (ou) du souterraine gonflement de la roche. Pour chaque classe, TERZA- GHI propose un type de soutènement et une estima- L’eau souterraine est toujours une source de difficultés tion de la charge rocheuse s'exerçant sur ce soutène- importantes pour la réalisation des ouvrages. Les problè- ment, mais l'analyse des critères et l'attribution d'une mes posés par l’eau sont rappelés en section 2 "Géolo- classe restent essentiellement qualitatives. gie - Hydrogéologie - Géotechnique" : • problèmes liés à la circulation de l'eau engendrée LAUFFER (1958) propose de classer les terrains en par le creusement (érosion, altération, imbibition de fonction de deux paramètres expérimentaux caracté- terrains sensibles à l'eau), ristiques du comportement en souterrain : l la longueur d'excavation stable sans soutènement et t la durée de • problèmes liés à la pression de l'eau et à sa dissipa- cette stabilité. En fonction des valeurs de ce couple de tion (pressions interstitielles dans les sols fins, renards, paramètres, LAUFFER distingue 7 classes de terrains débourrages), pour chacune desquelles est préconisé un type de sou- • problèmes liés à la modification de l'équilibre tènement. Bien que d'une mise en pratique très diffici- hydrogéologique (dénoyage, consolidation engen- le parce que, a priori, les valeurs des paramètres l et t drant des tassements). ne sont pas connues, cette classification est très inté- L'eau peut donc modifier fondamentalement la réaction ressante parce que LAUFFER introduit pour la premiè- du terrain au creusement, notamment en aggravant re fois le principe de l'interaction terrain-soutènement considérablement les risques d'instabilité à court terme. dans la stabilité de l'excavation au voisinage du front et l'importance de la longueur découverte. En outre, l'irruption d'eau avec des débits importants est susceptible dans certains cas de poser des pro- blèmes d'exhaure ou même de noyer le chantier. 2.2.1 - Classifications de BIENIAWSKI et de BARTON Plus récemment, 1973, BIENIAWSKI, et 1974, BAR- 2.2 - Critères de choix TON, ont proposé deux classifications géoméca- niques : le R.M.R. (Rock Mass Rating) pour le premier du soutènement et le Q.System pour le second dont le principe est de décrire de manière détaillée le massif au sein duquel est creusé l'ouvrage et de déterminer à partir de cette description la classe de soutènement adéquate. L'art des tunnels est demeuré jusqu'à ces vingt der- nières années une science essentiellement empirique a) Pour le R.M.R. (BIENIAWSKI)(1), les dont les spécialistes se constituaient un savoir-faire au paramètres descriptifs du massif sont les travers d'expériences passées, la transmission des suivants : enseignements tirés de ces expériences étant soit directe pour les spécialistes suivant eux-mêmes le • la qualité rocheuse caractérisée par le R.Q.D. ; déroulement des travaux, soit assurée par l'intermé- diaire de relations écrites : comptes-rendus, rapports, • l'altération ; communications... etc... • la résistance de la matrice rocheuse caractérisée par la résistance à la compression simple ; Pour essayer de structurer ce savoir et surtout fournir aux projeteurs des outils d'aide à la conception, certains • la distance entre les discontinuités ; auteurs ont très tôt (1909 - PROTODIAKONOV, 1946 - • l'ouverture des discontinuités ; TERZAGHI) proposé, sous forme de classifications, des • la persistance des discontinuités ; synthèses dont l'objectif était de déterminer le soutè- • l'orientation des discontinuités ; nement en fonction de critères géomécaniques. • et le débit de percolation. La première classification élaborée par PROTODIA- Pour chacun de ces paramètres, il est distingué, sui- KONOV en 1909 distinguait 10 classes de terrains vant la valeur, cinq classes et à chaque classe est attri- caractérisées par la valeur de la résistance à la com- buée une valeur numérique. La classe de soutène- pression simple. ment est déterminée par la valeur du total des huit TERZAGHI (1946) distingue 9 classes de terrains en valeurs numériques correspondant aux huit classes fonction de leur comportement en souterrain, com- résultant de la description du massif selon les huit portement dépendant de la résistance, du caractère paramètres. (1) BIENIAWSKI Z.T. The geomechanics classification in rock engineering application (4èmecongrès ISRM Montreux 1979). BIENIAWSKI Z.T. Classification of Rock Masses for Engineering : The RMR System and Future Trends. Comprehensive Rock Engineering Volume 3 “Rock testing and Site Characterisation”, pp 553-573. •15•