P. LUNARDIRock Sorl

Via Petrarca, 324100 Bergame (Italie)

Conception et exécutiondes tunnels: rôle et résultatsde la recherche expérimentale

Cet article résume les résultats d'une rechercheexpérimentale menée depuis vingt-cinq années,selon un programme qui a êté appliquésystématiquement au cours de la construction de plus de25O km de tunnels, en présence des types les plus diversde terrain,soumis à différents états de contrainte.Les résultats permettent de montrer commentla rigidité du noyau de terrain au front de taille (noyaud'avancement) influence le comportement contrainte-déformaton du tunnel et comment il est possibled'utiliser le même noyau comme instrument de stabilisation.

l'qlIEl5lull.sllÉ

Tunnel design and construction:importance and resultsof exp erimental res earch

This article illustrates the results of experimental researchcarried out by the author over the last 25 years. The researchwas based on a programme that was systematicallyimplemented during the construction of more than 250 kmof tunnel driven through many different types of ground subjectto different stress-strain conditions.The results show that the rigidity of the core of ground aheadof the face (the advance core) affects the stress-strain behaviourof a tunnel, and that it is possible to use this core as a toolto regulate the short and long term stability of a cavity.

REVUE FRANçAIsE or cÉorcctNteuEN'84

3e trimestre 1998

l{JlLtt(oILIPlull-ot<

49

EIntroduction

On peut résumer comme suit les considérationsdéveloppées dans un article précédent intitulé < Pré-soutènement et préconfinement >> l12l:1) la tenue et la durée d'une excavation dans le sous-soldépendent de la formation de l'effet de voûte, autre-ment dit de la déviation des contraintes sur Ie contourde la cavité;

2) par voie de conséquence, l'objectif premier et le plusimportant du projeteur de tunnels consiste à étudier sil'effet de voûte peut s'amorcer au moment de l'excava-tion d'une cavité et comment;

3) la confirmation de la mobilisation de I'effet de voûteest fournie par la lecture et par l'interprétation de laréponse en déformation du milieu à l'action d'excava-tion;4) Ia réponse en déformation se produit en amont dufront de taille, dans le cadre de la zone perturbée à lasuite de l'augmentation des contraintes provoquéesdans le milieu sur le contour de l'excavation. Elledépend de la nature du milieu soumis à un certainétat de contrainte (consistance) et des modalités sui-vies dans la réalisation de l'avancement du front(action);

5) la réponse en déformation se manifeste toutd'abord au front de taille, par des phénomènesd'extrusion et de préconvergence, puis sur lecontour de la cavité par des phénomènes deconvergence du front conditionnés dans une largemesure par les premiers. Extrusion, préconver-gence et convergence dépendent directement ouindirectement de la rigidité du noJ/au au front ounoyau d'avancement et donc de même que toutesle s manife stations d'instabilité qui s'ehsuivent ;

6) dès lors, la stabilité d'un tunnel ne peut pas ne pasdépendre de celle de son noJ/au au front de taille, dontle comportement contrainte-déformation devra fairel'objet d'une étude prioritaire de la part du projeteur detunnels;7) dans cette optique, le problème de la stabilité d'untunnel est intrinsèquement tridimensionnel et seratraité en tant que tel même en ce qui concerne le choixdes instruments de calcul;

B) le noJ/au d'avancement peut être vu comme l'instru-ment principal de la stabilisation à court et à long termedu tunnel. A court terme car il est à même de condi-tionner Ia réponse en déformation. A long terme car ilest à même d'uniformiser et de réduire au maximumIes charges qui se mobilisent, à la suite de I'avance-ment, sur le revêtement final et sur la base desquellesce dernier est dimensionné et vérifié. Le comportementdu noyau peut donc être adopté comme référence pourun nouveau type d'encadrement des ouwages souter-rains, et non par des classes géomécaniques mais surdes catégories de comportement contrainte-déforma-tion;9) cette découverte a permis, d'une part, de mettre aupoint le nouveau concept de préconfinement de lacavité ainsi que des interventions innovantes de stabili-sation (a interventions de conservation )) et, d'autrepart, de commencer à penser à une nouvelle approchede conception et de constructioh, basée sur l'analysedes déformations contrôlées dans les roches et dans les

sols, valable pour n'importe quel type de terrain et dansn'importe quelle condition de contrainte et de défor-mation (A.DE.CO-RS);

10) il est devenu enfin possible de concevoir et deconstruire des tunnels quel que soit Ie contexte géomé-canique et quelle que soit la situation de contrainte etde déformation, tout en respectant les délais et lescoûts prévus par Ie devis.

Nous sommes parvenus à ces importantes conclu-sions après vingt-cinq années de recherches menéesselon un programme d'études et d'observations quis'est développé progressivement en trois phases prin-cipales et qui a été appliqué systématiquement au coursde la construction de plus de 250km de tunnels, en pré-sence des tSrpes les plus divers de terrain, assujettis àdifférents états de contrainte.

A ce stade, avant d'entrer dans le détail et d'exposerles concepts de base de la nouvelle approche deconception et de construction des tunnels basée surl'analyse des déformations contrôlées dans les rocheset dans les sols, il est indispensable d'illustrer larecherche et les observations qui nous ont mené à for-muler les affirmations précédentes, non sans avoir sou-ligné auparavant que les exemples qui suivent se sontrenouvelés et répétés dans de nombreuses autres réali-sations souterraines que nous ne pouvons pas toutesdévelopper ici.

-

ta recherche,sur la rëponseen délormation du milieu

En partant de la considération que la stabilité d'uneexcavation à court et à long terme est strictement liée àla < formation de l'effet de voûte > et que sa formation etsa position par rapport à la cavité sont signalées par Iaa réponse en déformation > du milieu à l'action del'excavation en termes d'importance et de ffiologie,, Iebesoin se fit résolument sentir de mener des étudesapprofondies sur les rapports entre la modification del'état de contrainte dans le milieu, provoquée parI'avancement d'un tunnel et la réponse en déformationqui s'ensuit.

Nous estimons qu'il est tout particulièrement indis-pensable de focaliser l'attention sur la genèse, l'évolu-tion, le contrôle et la stabilisation de la réponse endéformation. A ces fins (Fig. 1):

1) nous avons décidé de consacrer une premièrepériode - appelée première phase de la recherche - àl'observation systématique du comportement en défor-mation du système front de taille-noyau d'avancementetnon de la cawté seule, comme l'a proposé et continuede le proposer même aujourd'hui la NATM et lesméthodes qui en dérivent;2) dans une seconde période - appelée deuxième phasede la recherche - sur la base des analyses approfondiesdes phénomènes d'instabilité observés au cours del'exécution de nombreux tunnels dans les types de ter-rains les plus divers et dans les situations les plus dis-parates de contrainte et de déformation, sur le planchronologique notamment, nous avons essayé de véri-fier l'existence de /iens entre le comportement en défor-mation du système front de taille-noyau d'avancement(extrusion et préconvergence) et celui de la cavité(convergence);

50REVUE FRANçAIsE or cÉorucrNreuEN" 843e trimestre 1998

tlllltltlgf*Èl$ Phases du programme de recherche sur lagenèse et l'évolution des phénomènes dedéformation du système <r front detaille-noyau d'avancement n.1) Observation systématique ducomportement en déformation du systèmefront de taille-noyau d'avancement et nonseulement de la cavité;2) Vérification de I'existence de liaisonsentre le comportement en déformation dusystème front de taille-noyaud'avancement et de la cavité;3) Vérification du fait qu'en réglant larigidité du noyau on peut contrôler laréponse en déformation de la cavité.Outline of the research phases.

3) une fois constaté que le comportement en déforma-tion de la cavité est systématiquement conditionné parla rigidité du noyau de terrain au front de taille, dansune troisième période de temps - appelée troisièmephase de la recherche - nous avons cherché à vérifierjusqu'à quel point, en agissant sur la rigidité et donc surIa déformabilité du noyau, iI était possible de régler etde contrôler Ia réponse en déformation de Ia cavité.

mPremi ère phase de la rccherche

La première phase de recherche (observation systé-matique du comportement en déformation du systèmefront de taille-noyau d'avancement) a éte menée en fai-sant des contrôles visuels et par instruments du com-portement en déformation des parois d'excavation, erce qui concerne notamment les phénomènes suivants(Fis .2),a) I'extrusion du front de taille. En fonction du matériauet de l'état de contrainte, elle peut se manifester selondes géométries de déformation plus ou moins axis5rmé-

triques (gonflement du front) ou de renversement gra-vitationnel (rotation du front);b) la préconvergence de la cavité, c'est-à-dire la conver-gence du profil théorique en amont du front de taille.EIle dépend strictement des caractéristiques de défor-mabilité du noyau en relation avec I'étai présent descontraintes;c) Ia convergence de la cavité qui se manifeste par laréduction de Ia section théorique d'excavation.

Pour les contrôles expérimentaux, en plus del'exécution systématique des mesures de conver-gence de la cavité superficielles et profondes déjàconnues, nous avons étudié, mis au point et effectuéde nouveaux types de contrôles qui devaient nouspermettre d'étudier à fond, dans une section donnée,Ie comportement en déformation du milieu avant,pendant et après l'arrivée du front de taille et toutparticulièrement Ia zone même du front. En particu-lier des mesures de préconvergence on été effectuéesà partir de Ia surface avec Ia mise en æuvre, toutesles fois que Ia morphologie du terrain et l'importancede la couverture le permettaient, d'instruments mul-tibase pour la mesure des déformations (tassomètresou s,lidrng micrometres), introduits verticalement dansIe terrain à la hauteur de la clef et des reins du tunnelà réaliser.

Dans la plupart des cas, les mesures de préconver-gence s'accompagnaient de mesures d'extrusion dunoyau d'avancement, réalisées par l'introduction hori-zontale dans le noyau même d'un slidlngmicrometer etcomplétées, pour ces typologies de déformation, pardes ratissages topographiques des cibles de référencepositionnées sur Ie front.

Les observations visuelles effectuées systématique-ment à l'intérieur de Ia cavité nous ont permis de leurassocier les manifestations d'instabilité localisées soitsur le front soit sur le contour de Ia cavité.

reDeuxième phase de la recherche

Après avoir défini les typologies de déformation etles manifestations d'instabilité qui peuvent se pro-duire sur le noyau au front de taille et sur le contourde la cavité d'un tunnel, nous nous sommes posé laquestion de savoir si à travers l'observation des pre-mières il était possible d'être en quelque sorte orientéssur le type et sur l'importance qu'auraient eu lessecondes. Nous avons ainsi commencé Ia deuxièmephase de recherche [vérification de l'existence de ]iai-sons éventueiJes entre le comportement en déforma-tion du système front de taille-noyau d'avancement(à extrusion et préconvergence) et celui de la cavité(à convergence)l qui a été menée par l'étude, I'obser-vation et Ie contrôle des événements de déformationdu front et de la cavité, en tenant tout particulièrementcompte de leur importance et de leur succession chro-nologique en fonction des méthodes, des phases etdes cadences d'excavation adoptées au cours des tra-VAUX.

Avant de présenter les résultats obtenus danscette phase expérimentale, il est indispensable d'illus-trer les observations faites par quelques exemplessignificatifs.

2

3

51REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" g4

3e trimestre i998

AU FIT{}NT i}Ë TAILLË

CFNJT-SS DË BI,CICSSOUS L'][PTET DU /

POU}S PROPRË

ÀL} T{}NT{}LJI-{NH LÂ CÂVITË

CFIUïHS Dh BLOCSSOUS L'EFFET I}U

POII)S PROPRI]

ECAILLAGLS

sxT"RT^,1$I$Tît i FR^R{J{}hi$XË.{}Ll}dflH*

1

I

li

ËTN\TSR*H}i'CË

À[r

ECRASEME}.ITDELA CAVITE

:*::i:ffi::.-f$ troon'n o,rfinwtoN À ïrÀvcns u pnoru nrÉonrow DË rA cAVrÉ

WffiSynthèsedela1.ephasederecherche:typologiesdedéformationetmanifestationsconséquentesde l'instabilité (par instabilité on entend I'intrusion de terrain à travers le profil théorique d'excavation).Outline of the 1"t research ohase.

,WLe tunnel autoroutier duFréjus (1975)

Le tunnel de I'autoroute du Fréjus traverse sur 95 %de son tracé (13 km de longueur, avec des couverturesatteignant 1 700m) une formation métamorphique decalcschistes lithologiquement homogène le long de sontracé.

A I'appui du projet du tunnel, une campagne géo-logique et géomécaniqu e a été menée dans le tunnelferroviaire adjacent (réalisée en 1860) et dans les tun-nels de service. Les essais de résistance et de déforma-bilité effectués sur des échantillons de calcschistes indi-quaient les paramètres géotechniques moyenssuivants :

- angle de frottement interne: 35"'-cohésion:3Mpa;- module élastique: 10 000 MPa.

Dans le cadre du projet originaire (1975), aucuneprévision n'avait eté formulée quant au comportementen déformation du tunnel car à l'époque, cela ne rele-vait pas des pratiques habituelles.

Compte tenu de l'expérience acquise un siècle plustôt par Sommeiller au cours de la réalisation du tunnelferroviaire adjacent, nous avons choisi d'avancer àpleine section en stabilisant immédiatement l'anneaude roche autour de la cavité, sur une épaisseur de4,5m environ, par des boulons actifs à ancrage ponc-tuel intégrés dans du béton projeté. Le revêtementdéfinitif en béton dont l'épaisseur moyenne était de70 cm, était coulé par la suite et complétait l'ouwage.

L'étude des phénomènes de déformation a consti-tué la partie la plus significative de la campagned'observations et de mesures pratiquée en plein chan-tier pour tenir sous contrôle la réponse du massifrocheux face aux interventions de stabilisation opérées.Compte tenu notamment du fait exceptionnel que nousnous trouvions pour la première fois devant un tunnel

qui allait être réalisé dans un massif homogène (calc-schiste) avec des couvertures variables, soumis à unchamp de contraintes croissantes et variant selon lacouverture (O - 1700 m).

Jusqu'à 500 m environ de couverture, les contraintess'exerçaient dans un champ élastique et le tunnel révé-lait un comportement à front stable, avec des phéno-mènes de déformation négligeables et des manifesta-tions d'instabilité limitées sur le front de taille et sur lacavité, dues exclusivement à des arrachements de typegravitationnel.

Avec l'augmentation de la couverture et par consé-quent l'augmentation de L'état de contrainte, le massifrocheux passait en élastoplasticité, le tunnel adoptaitun comportement à front stable à court_terme, avec desphénomènes de convergence sur Ie contour de la cavitéde l'ordre de quelques décimètres (convergence dia-métrale 10 à 20 cm). L'anneau de roche armée collabo-rait efficacement à la statique du tunnel limitant leurimportance et évitant l'apparition des manifestationsd'instabilité qui en découlent.

L'avancement, notamment grâce à la bonne qualitéde la roche, continuait sans problèmes, à la vitesse de200 m par mois, jusqu'a ce que les travaux soientmomentanément arrêtés (au P.M. 5172) pour lesvacances d'été dans une zone de massif homogène, enprésence d'une couverture de 1200m environ (Fig. 3).

La station no 6 de mesure des convergences, miseimmédiatement en place à un mètre du front de taille(P.M. 5172), présentait, au bout de 15 jours d'arrêt, unedéformation maximale de 10 cm environ. Il s'agissaitincontestablement d'une déformation de simple fluage(à charge constante), le front étant resté complètementimmobile entre-temps. A la reprise des excavations, laconvergence diamétrale, dans la même section, aug-mentait assez brusquement jusqu'à atteindre desvaleurs jamais mesurées auparavant de 60 cm au boutde trois mois. Puis, poursuivant l'avancement, Ia

59REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 843e trimestre 1998

Profil longitudinol

ortïfrt$Ë. | 'r * * o t< :F lot< *

MESURE DE CONVERGENCE

'll650

600

500

.50

400

300

230

200

600

550

500

450

400

350

STATION DE MESURE N.6RECOUVREMENT H=l2OOm.

-.-.'-'"F=too -/Æl

{'''' TU"T'çn"iIMZ

i

t ffii {.--'=S! wI

:!

I ; ..........---...'7, ll1ç:;-*-;,l*l,!(

4' 'mituÈ!

3+000 (K-)

lv= 1 OO m/moisl

{< DEFORMATION AFRONT ARRETÊ

it=roo -Æ'-l

Progr. 2+000

T - STJCCESION CHRONOLOGIQUE DES EVENEMENTS

300.

250.

200

r50

100

50

T=1

COI'{\€RGENCES DECIMETRIOUESRetÂcxeuEus AU coNTouR

,'l^\lf tlr\ . , rl. 12.00 m

SECTION 51O 30 60 90 (tours)

Tunnel autoroutier du Fréjus.Fréjus motorway tunnel.

convergence retrouvait des valeurs normales aprèsquelques dizaines de mètres (convergence diamétralede 20 cm environ).

Il convient de préciser qu'avant I'interruption des tra-vaux, Ia cavité avait été consolidée jusqu'à un mètre dufront de taille avec plus de 30 boulons par mètre linéairemais aucune intervention n'avait eu lieu sur le noyau.Une fois I'avancement repris, f intervention de stabilisa-tion sur le contour de la cavité s'était poursuMe avec lamême intensité et à la même cadence qu'auparavant.

Nous en avons déduit qu'au cours de la fermeture duchantier d'avancement, Ie noyau de teruain au front detaille, non aidé par des interventions de consolidation,avait eu tout le temps d'extruder en élastoplasticité,amorçant un phénomène de détente par fluage du mas-sif sur son contour (préconvergence) qui a produit à sontour l'augmentation très importante des convergencesde }a cavité par rapport aux valeurs normales (Fig. 3).

Le tunnel de San Stefano (1 984)

Le tunnel de San Stefano fait partie du nouveautracé à double voie de Ia ligne de chemin de fer Gênes-Vintimille, dans le tronçon compris entre San Lorenzoal Mare et Ospedaletti.

L'ouvrage traverse Ia formation de Flysch à Hel-mintoïdes caractéristique de la Ligurie occidentale. Ils'agit de schistes argileux et argileux-arénacés avec deminces bancs de grès et de calcaires marneux repliéset intensément fracturés . La composante argilo-schis-teuse est fortement laminée. ljne zo:ne de transitionassez tectonisée marque le passage entre Ia partie H2et la partie H1 la plus calcaire-marneuse de la forma-tion (Fig. a).

ÈÈ$Èr-\-Ër Ligne ferroviaire Gênes-Vintimille:portion déformée du tunnelde San Stefano.San Stefano railway tunnel : out of shape part.

Les essais de résistance effectués en laboratoire surdes échantillons prélevés donnaient des valeurs d'anglede frottement variant entre 20 et 24 degrés avec unecohésion de L,5 MPa à 0.

Dans ce cas aussi, lorsque nous avons commencéles travaux, en 1982, aucune prévision n'avait été faitesur le comportement en déformation du tunnel.

Le projet initial prévoyait l'avancement à pleine sec-tion, avec la mise en place de cintres et de béton projetécomme revêtement de première phase et d'un anneaude béton de grande épaisseur fiusqu'à 1,10 cm) en tantque revêtement définitif.

Au cours des travaux d'excavation, il a été possiblede constater que tant que l'on avançait dans des condi-tions d'élasticité, Ies phénomènes en déformation dufront et de la cavité étaient tout à fait négligeables. Lesmanifestations d'instabilité localisées étaient pratique-ment absentes (comportement à front stable). Au fur età mesure que les excavations avançaient et que l'onpénétrait dans une zone intéressée par des états decontrainte résiduels d'origine tectonique, le massif se

trouvant dans des conditions d'élastoplasticité, Iesmanifestations en déformation commençaient à entraî-ner quelques difficultés compte tenu notammentd'importantes poussées dissSrmétriques dues à la pré-sence dans le terrain de masses rigides dispersées dansla matrice plastique. En même temps, oo observait surIe front de taille, des détachements de plaques de maté-riau, signal sûr et certain de la présence d'un mouve-ment extrusif, typique d'une situation de front stable à

court terme, et avec des Convergences dont les valeursétaient de l'ordre de quelques décimètres.

A un moment donné, la situation de contrainte dumassif ayant manifestement évolué jusqu'au champ derupture, c'était l'effondrement du front de taille toutentier (situation de front instable) suivi, dans l'espace

53REVUE FRANçAIsE or cÉorucHNreuE

N'843e trimestre 1998

z7 39s 4507 59 66

90 500 580 90 40 200 400 530 40

I

I

i aol

i roli zol

'i"^'

Tunnel San Stefano :

effondrement de la cavité.San Stefano tunnel : collapse of the cavity.

de quelques heures, de l'écrasement de la cavité, avecdes convergences diamétrales de plus de 2 mètres,même dans la partie déjà stabilisée par des cintres etdu béton projeté, sur une longueur très significative(plus de 30m en aval du front de taille (Fig. 4 et 5).

Il convient, à ce stade, de souligner que Ie type deterrain traversé dans les trois situations de contrainteet de déformation citées était fondamentalement lemême et que Ie seul phénomène d'écrasement de lacavité, avec des convergences de l'ordre de 2 mètres,bien que dans une partie de tunnel déjà stabilisé, nes'est produit en fait que lorsque la contribution de rigi-dité du noyau au front de taille a fait défaut.

Le tunne I du Tasso (1988)

Le tunnel du Tasso fait partie d'une série de tunnelsexcavés vers le milieu des années B0 pour la réalisationde la nouvelle ligne < G.V. > Rome-Florence (Fig. 6). Lazone où l'ouwage se situe appartient au bassin lacustredu Valdarno Superiore, constituée de sables limoneuxet de limons sablonneux intercalés de strates argilo-limoneuses contenant des lentilles et des niveauxsablonneux saturés d'eau.

Initialement, le projet prévoyait d'avancer à demi-section, €r renforçant les parois de l'excavation par descintres et du béton projeté. Les cintres étaient fixés aupied par des tirants sub-horizontaux et fondées sur lesmicropieux ou sur des colonnes de terrain consolidépar jet-grouting.

Initialement, l'excavation - qui se trouvait dans desconditions de front stable à court terme - ne manifestapas de phénomènes de déformation appréciables, ni dufront, ni de la cavité.

Au fur et à mesure que les couvertures et donc I'étatde contrainte du milieu augmentaient, du fait notam-ment de s car acléri stique s gé omé canique s insuffi s ante s

du matériau traversé, on est passé en très peu de tempsd'une situation de front stable à court terme à unesituation de front instable. Après l'effondrement dufront, malgré un avancement en demi-section, il seproduisit, pendant une seule nuit, I'écrasement de lacavité avec des convergences diamétrales de l'ordre de3-4mètres sur 30-40 mètres de tunnel déjà excavé etprotégé par des cintres et du béton projeté (Fig. 6).

ÉvÊrueueNT 1: EFFoNDREMENT DU FRoNT DE TAILLE

ffiÉvÊttEtueNT 2:

i+t--tirjtii+ Ligne ferroviaire ( G.V. >> Rome-Florence.High speed railway line Roma-Firenze.

Résultats de la deuxième phase de la recherche

L'étude et l'analyse des cas illustrés ainsi que d'autrescas analogues nous ont permis de constater que :

- lorsqu'on avance dans des conditions d'élastoplasti-cité du massif,, il est extrêmement important de ne paslaisser au noyau le temps de se déformer. A cet égard,l'exemple du Fréjus dont nous avons parlé est trèssignificatif puisque dans un massif lithologiquementhomogène, l'arrêt de I'avancement du front dans unmilieu contraint en champ élastoplastique a comporté,avec Ia reprise des travaux, une augmentation trèsimportante des phénomènes d'extrusion, de précon-vergence et enfin de convergence de la cavité. Une foisl'avancement repris, ces phénomènes reprirent rapi-dement les valeurs qui avaient été mesurées aupara-vant. Cela signifie que si nous conservons une cadenced'excavation soutenue et constante, il est possibled'éviter l'amorce des phénomènes d'extrusion et depréconvergence qui constituent l'antichambre desphénomènes de convergence de la cavité qui s'ensui-vent;- l'effondrement du noyau et l'écrasement de la caviténe se produisent jamais sans que l'un suive I'autre eten particulier sans que le second ne soit précédé dupremier. Cette situatioh,, observée plusieurs fois aucours de la réalisation de nombreux tunnels en plus deceux qui viennent d'être cités, souligne, au-delà de toutdoute possible (Fig .7),

A $grcrn') Cu I kg/cm' !

ffi^W

''-"'

54REVUE FRANçAIsE oE cÉorccHNteuEN" 843e tnmestre 1998

Y =2.r ùfirfd - o.e kccnt'

âlI ffir*o,*

W ,**o^,*t1'rt{rÊ(rsrûri îÊÂvËÊs LË. PRoFTL ît{Èofttoue r}Ê tA PÂvr1É :.. :..: ::ri??iltrii?f"t ffy;'iii'tu

;1È*-Ë|$$Ë-È,T.1-i Synthèse de la 2u phase de recherche :

le comportement en déformation dusystème << front de taille-noyaud'avancement > conditionne celui de lacavité.Outline of the 2nd research phase.

1) l'existence d'un lien étroit entre le phénomèned'extrusion du noyau au front de taille et les phéno-mènes de préconvergence et de convergence;2) l'existence de liens étroits entre l'effondrement dunoyau d'avancement et l'écrasement de Ia cavité mêmedéjà stabilisée;3) que les phénomènes de déformation de la cavité sonttoujours chronologiquement postérieurs aux phéno-mènes qui impliquent le noyau d'avancement dont ilsdépendent.

Ce que nous avons observé dans la seconde phasede recherche montre clairement le besoin de faire ensorte que l'effet de voûte - dont la formation, nous lesavons, conditionne Ia stabilité du tunnel - s'amorcedéjà en amont du front de taille pour continuer à êtreopérationnel dans une section donnée, même aprèsque le front se sera éloigné d'elle.

reTroisi ème phase de la recherche

Les résultats de la seconde phase de la rechercherenforçaient notre impression que la rigidité du noyaud'avancement d'un tunnel jouait un rôle déterminantdans sa stabilité à court et à long terme. Puisque lecomportement de la cavité répondait corrolairement àla rigidité du noyau, il est apparu logique d'envisager lapossibilité d'utiliser le noyau comm e instrument de sta-bilisation pour Ie tunnel en cours d'avancement, aprèsconfirmation de la possibilité de modifier sa rigidité pardes interventions appropriées.

-lrlous avons donc travaillé sur la rigidité du noyaupour vérifier jusqu'à quel point ceci pouvait permettrede contrôIer la réponse en déformation de la cavité. Pource faire, il nous a fallu étudier et mettre au point destechnologies nouvelles pour agir sur le noyau, pourfaire varier sa résistance au cisaillement ainsi que lescaractéristiques de déformabilité : c'est l'origine dessystèmes de conservation directs, indirects et mixtes.

Ces nouvelles idées ont été expérimentées au coursde la réalisation de plusieurs tunnels dans des condi-

tions de contrainte et de déformation difficiies. Voyonstout particulièrement ce qui a été fait dans un chantierexpérimental particuiièrement significatif.

WrffiLe tunnel de San Vitale (1991 )

Le tunnel de San Vitale a 4200 mètres de longueur,avec des couvertures variabies jusqu'à 150 m. Il fait par-tie du projet de doublement et de renforcement de laIigne de chemins de fer Caserta-Foggia entre les garesd'Apice et de Vitulano, artx portes de Benevento.

Le tracé se développe dans des terrains appartenantà deux unités litho-stratigraphiques. L'<Unità di Alta-villa > et l'< Unità delle Argille Varicolori > (voir profil dela Fig. B).

L'Unità di Altavilla, moyennement tectonisée, estconstituée d'alternances de niveaux de sables, parfoismême peu cimentés, et de niveaux d'argiles marneuseset d'argiles silteuses.

L'Unità delle Argille Varicolori qui se trouve au-dessous est constituée de deux différents lithotypes.L'un essentiellement argileux-marneux, l'autre essen-tiellement calacaréo-marneux. Tous deux ont faitl'objet d'une tectonisation intense qui leur a conféréune structure écailleuse désordonnée et chaotique etles a rendus extrêmement altérables, donnant iieu àune fragmentation très menue des parties lithoïdes lesplus compétentes. Actuellement, celles-ci ont pris Iaforme de massifs isolés enfermés dans une matriceargiieuse ou argilo-marneuse et non en niveaux conti-nus comme c'était le cas initialement. Le terrain se pré-sente réduit en menus fragments qui tendent à luiconférer le comportement d'un massif incohérent,avec des boucles de matériaux pierreux pliés par lesforces tectoniques et dispersés dans la matrice argi-leuse dont les écailles ne sont plus de l'ordre du déci-mètre mais du millimètre, ce qui Ia rend très sensible à]'humidité de l'air.

ffiTrès rapidement, I'histoire de l'excavation

L'excavation du tunnel a commencé en mars 1.986.Le projet initial reposait sur des critères de la NATM. IIprévoyait pour tout le tunnel, I'excavation en classe Vben sections divisées, avec l'exécution d'un boulonnageradial en aval du front de taille. La fermeture del'anneau résistant de Ia première phase était réalisée à30m environ de distance du front de taille. Grâce à cesystème, il a été procédé par fronts opposés jusqu'à tafin de 1988, dans un segment qui se caractérisait par laprésence du faciès marno-arénacé de l'Unità di Aita-villa, avec des couverlures de I'ordre de 30 à 40 mètres.Comme on le voit sur la figure g, Ia méthode d'avance-ment mise en place ne prévoyait aucun type de confi-nement du terrain en amont du front de taille. Parconséquent aussitôt arrivés dans les argiles écailleuses,il se produisait des phénomènes d'extrusion trèsvisibles du noyau d'avancement doublés de phéno-mènes importants de préconvergence qui se répercu-taient immédiatement en aval sur la demi-section avecdes convergences radiales importantes, jusqu'à desvaleurs de I'ordre de 1 m, qui compromettaient com-plètement l'épaisseur utile pour le revêtement en béton,obligeant l'arrêt les travaux d'excavation.

i:, ;.,CHUTE$ DE BLOCS SOUS

UEFFET DU POIDS PROPRE

PRECONVCRGËNCË ËTCONVTRGËNCË

ECÊASEMENÏ Û€LÂ tÀvlÏË

55REVUE FRANçAIsE oE cÉorrctNleuE

N" 843e trimestre 1998

iri ij FOGGIAo

si$e;6

si+iUrir

<l-uiE2iYEiu& i0-

i

i

s2fJ

ç).qQo, lc,àl$i':, I +* ld)Ki:3lrâ,ieÊia

s aer iÈ

cAsçFT.TAiiri il:q'ËiEf:ifi,Rîn,74i-

'F

2'Y9i*n- it

s21s 103

-'

1()(]{) æ...-25ClO

AfR(3ILEËCA,I LLE tJSË'

\\

FArLLËs tJt TtTË r)ËALT-A\./ILLA

ARGILE ECAILLEUSE

Ns = ..-c'Gu

Essai

d'extrusion0çCu

A 2 4 S I 10 1? 1.r.(fjPâ)

ffiLigmeferroviaireCaserta-Foggia:phasedereconnaissanceautunneldeSanVita]e.Caserta-Foggia railway line: survey phase at San Vitaie tunnet.

A la suite de cela, eh 1989, un nouveau projet fut éla-boré, spécialement pour le segment dans le argilesécailleuses . L'avancement était prévu encore par demi-section, avec emploi de tubes métalliques perforés, de

tirants radiaux prétendus au niveau des reins et de tubesen résine armée de fibres de verre sur le front de taille.

L'exécution d'un radier provisoire complétait l'inter-vention de la première phase (Fig. 9).

Creusem€nt type 1 (tgBS)

Creusement type Z (f g9O)

Creusement type 5 (tg9O)

æI.,igneferroviaireCaserta-Foggia-TunneldeSanVitale(phasedethérapie).Caserta-Foggia railway line - San Vitate tunnel (therapy phase).

5ôREVUE FRANçAIsE or cÉorrcHNteuEN" 843e trimestre 1998

12 16 20gf

\xs/"^z'1

L'introduction du renforcement du noyau, effectuéepar ailleurs selon des procédures et des critères noncorrects, n'avait aucun effet efficace. Les résultatsétaient désastreux tant du point de vue de Ia produc-tion (80 m seulement d'avancement en un an) que dupoint de vue statique. Le court segment exc avé étaiteffectivement assujetti à des chutes de matériauconstantes, à des convergences élevées, à des rupturesdu revêtement de la première phase, etc.

Au cours de toute l'année 1,991, aucun avancementne fut fait. Le Groupe d'entreprises COFERI, en accordavec le client (les Chemins de fer italiens) décidait deconfier le projet à Rocksoil S.p.A. de Milan qui, comptetenu des indications fournies par le programme derecherche appliqué jusqu'alors, abandonnait totale-ment tous les projets précédents, adoptant pour les1 800 m de tunnel restants un nouveau critère d'avan-cement dont les principes reposent sur le contrôle desphénomènes de déformation au moyen du raidisse-ment du noyau au front de taille, produisant donc desactions de préconfinement de la cavité.

Phase de reconnaissance pour le tunn el de San Vitale

Avant de commencer le nouveau projet, nous avonspensé qu'il était utile de procéder à une caractérisationgéotechnique plus approfondie des matériaux impli-qués par les excavations. En plus des essais habituelsde laboratoire qui nous ont permis de construire lescourbes intrinsèques du matériau et qui ont révélé Iagrande capacité qu'avaient ces terrains d'absorberrapidement l'humidité et donc de réduire considéra-blement la résistance au cisaillement (Fig. 10), nous

ESSAIS DE RfSISTANCE

1,,) Cu. (0uv vc" 9'

ESSAIS DE DEFORM,A,BILITE

Àli) ru i\ E,

avons procédé à différents essais d'extrusion à vitessede charge constante, en cellule triaxiale et aussi en cen-trifugeuse.

Les deux derniers, conçus et mis au point par Rock-soil S.p.A. de Milan, pour être utilisées spécialementau cours de la phase de diagnostic, permettent d'étu-dier la future réponse en déformation du système frontde taille-noyau d'avancement, simulant en laboratoiresur des bases vraisemblables l'avancement de l'exca-vation d'un tunnel dans quelque état de contrainte quece soit.

Tout particulièrement dans les essais en celluletriaxiale, l'échantillon de terrain est introduit dans lacellule en reconstituant l'état de contrainte initial dumassif. Grâce à la pression d'un fluide, cet état decontrainte est exercé également à l'intérieur d'unvolume cylindrique particulier (qui simule le tunneldans Ia zone du front de taille) préparé avant l'essai àf intérieur de l'échantillon et coaxial par rapport à lui.

En conservantl'état de contrainte sur Ie contour del'échantillon et en réduisant progressivement la pres-sion du fluide à l'intérieur du volume cylindrique, noussimulons la modification de contrainte au front provo-quée par l'excavation et nous obtenons une évaluationde l'importance du phénomène d'extrusion au front detaille en fonction du temps.

Il est particulièrement utile de se servir des essaisd'extrusion en centrifugeuse lorsqu'il est nécessaire deprendre en considération l'effet de la gravité. Ces essaispermettent, d'une part,, de considérer l'effet des pres-sions géostatiques agissant sur le contour de l'excava-tion même dans le cas de couvertures moyennes ouhautes et, d'autre part, ils nous permettent de suivreméticuleusement, grâce à des transducteurs de pres-sion et de déplacement correctement introduits à l'inté-rieur du modèle, le comportement du phénomèned'extrusion dans le temps.

Le lecteur intéressé peut trouver une illustrationplus ample des essais d'extrusion en centrifugeuseeffectués pour la réalisation du tunnel de San Vitaledans le mémoire l10l cité dans la bibliographie.

Les essais d'extrusion, intégrés dans des modèlesmathématiques simples aux éléments finis, sont extrê-mement utiles même pour l'étalonnage des paramètresgéomécaniques (c, A, E) à utiliser dans les phases sui-vantes de diagnostic et de thérapie.

Pour compléter cette phase de reconnaissance nousavons effectu é in situ des essais d'extraction des tubesen résine armée des fibres de verre du front pourdéterminer la résistance limite d'adhérence entre lemortier de cimentation et le terrain, à la profondeur duprojet.

Les résultats de ces essais, onéreux et difficiles àexécuter, ont été confrontés et intégrés à ceux précé-demment obtenus dans des terrains analogues.

Phase de diagnostic pour le tunn el de San Vitale

Dans la phase de diagnostic, l'étude des résultatsdes essais d'extrusion et des lignes caractéristiques dutunnel penchait, en l'absence d'interventions de stabili-sation et de contrôle des phénomènes de déformation,en faveur d'un comportement à front résolumentinstable (Fig . 11 et 12). La situation apparaissait encoreplus compromise car, comme cela a été montré par les

o 2 4 6 E rO

t (%)

ESSAIS DE SENSIBILIÏEA L'HUMIDITE

ESSAIS DEGON FLEM E NT

0."=f(w) ù *o, o.c.R,

o * rtT :! 3;: I 2 r"

;], ,ï;-i,

i,ilï+litilËfu_-- Ligne ferroviaire Caserta-Foggia - Tunnelde San Vitale: €ssais géotechniques(phase de reconnaissance).Caserta-Foggia railway line - San Vitale tunnel :

geotechnical tests (survey phase).

5lREVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 843e trimestre 1998

12 16 20

"f $s/cm2)

D'ITAIL DU TROU iD'EXTRUSTON i

/-T".,VIPY*,'Ji* Q.,"(qqfÈ'cu'muoN oo

\${-gs"38n;igE;\o

(Broms et Bennermork) + n.- *L =Coefficient de stobiliteUU

Les essais d'extrusion étaient également modélisésnumériquement avec des programmes aux élémentsfinis pour étalonner d'une part les paramètres de résis-tance et de déformabilité en fonction des états decontrainte initiaux et de l'autre, pour évaluer qualitati-vement Ie type probable de cinématique attendu aufront de taille, le volume de terrain impliqué par le phé-nomène d'extrusion et l'importance des charges mobi-lisées.

TxiïÈuff+'iiul+1

Phase de thërôpie pour le tunn el de San Vitale

Dans la phase de thérapie, compte tenu des résul-tats de la phase de diagnostic, des caractéristiques desterrains à creuser et des expériences acquises dans descas analogues, nous avons choisi d'intervenir en amontdu front de taille en empêchant d'une part la diminu-tion de la contrainte principale mineure sur le noyau etde l'autre, en essayant d'amorcer artificiellement l'effetde voûte que le terrain n'aurait pas réussi à mobiliser àlui tout seul.

Nous avons donc projeté une intervention deconservation de type mixte qui répondrait à cettedouble fonction (Fig. 13) et qui comprendrait:- un renforcement du noyau d'avancement par destubes en résine armée de fibres de verre à adhérenceaméliorée;- un prérenforcement du contour de la cavité par unécran de matériau cimenté réalisé selon la technique duprédécoupage mécanique ;

- des drainages;- un radier en béton armé coulé derrière le front detaille.

L'intervention de la première phase était compl étéepar un revêtement de cintres et de béton projeté ren-forcé de fibres d'acier alors que le revêtement en bétonde la seconde phase était coulé aussitôt après.

Dans le cadre du projet, nous avons prévu égale-ment une solution alternative à celle du prédécoupage,

ement contrôlèe

zoo

II

I1@p

U

cB^Re€ À[^tconP^RAmJR XeSUnfYlnl^mrs 0t u t{ lrIE

cturÀt rRr{ruf

onr'uctsrrP[Btln

cft-ir9Rt -I}.l PrÛrCuS

uo.t DE lEsnE qrvoLrl/t DEnRJ9tr

CHA[,IBRTD'TXTRUSION

PTCRRI PORtt St

TCHAT}JOI

!ûJgRrffto{ L Tf-t

\ .r":s D! DRÆlNc!5 Pi:S9ùr nfiiiQslmJl

TI

AUDt\Iô

Pi

0.o50

0.045

o.o40

o.o25

0.0?0

o.o15

0.or 0

o.oo5

0.000

Temps (min)

QO= f H l0 2Cr J0 40

Pi(trzm'?)

iritillÈi.Ëiiiffi Li gne ferroviaire C as erta- Fo g gia - Tunnelde San Vitale: essais d'extrusion (phase dediagnostic).Caserta-Foggia railway iine - San Vitale tunnel :

extrusion test (diagnostic phase).

essais d'extrusion en laboratoire, à la suite du relâche-ment du terrain du fait de l'excavation, il se produisaitsur le contour de la cavité une variation rapide de lateneur en eau de l'argile suivie d'une réduction du fac-teur de stabilité à l'extrusion.

I

I

@lr>

P(t/mq )

ffiLigneferroviaireCaserta-Foggia-TunneldeSanVitale:étudeparlesligmescaractéristiques(phasedediagnostic).Caserta-Foggia - San Vitale tunnel: caracteristic lines study (diagnostic phase).

58REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN'843e tnmestre 1998

-l

SOLUTION BASE(PRÉDÉcouPAGE MÉcANreuE + VTR)

riËXiil Ligne ferroviaire Caserta-Foggia - Tunnelde San Vitale : phase de thérapie.Caserta-Foggia - San Vitale tunnel : therapyPhase.

prévoyant le remplacement des tuiles de béton projetérenforcé de fibres par une anneau de terrain renforcépar des tubes en résine armée de fibres de verre, équi-pés pour l'exécution d'injections de recompression etinjectés à haute pression (Fig. 14).

Le dimensionnement des interventions de clouageau front, en termes d'intensité, de profondeur et de géo-métrie, a éT,é effectué, dans une première approxima-tion, par deux méthodes différèntes. TJne méthode

HËiiï1ffi Tunnel de San Vitale: avancement par lasolution alternative.San Vitale tunnel : wofk with the alternate soiu-tion.

expérimentale, basée sur f interprétation des essaisd'extrusion et une méthode théorique, basée sur lathéorie des lignes caractéristiques (Fig. 15).

Dans le premier cas, sur les diagrammes obtenuspar les essais d'extrusion,, nous avons défini la pressionde préconfinement nécessaire à la stabilisation dufront. L'intensité de f intervention (nombre de tubes enfibre de verre à mettre en æuvre pour garantir cettepression) a été donc évaluée sur la base des résultats

S EXPERIMENTALIS POUR LAINATION DU NOMBRE DTS IUBESrFERENcE À l'accnotssEMENTISTANCE

0.4 l0 6 0.80.J 0.5 0.7 0.9

F-rqtrDJ

Évaluation de l'étendue du renforcement du noyau pour éviter son instabilité (phase de thérapie).Size assessment of the nucleus reinforcement to avoid instability (therapy phase).

solùTroN ALTEÈNATIvE(VTR + VTR)

PAR LIGNES CARACTERISTIQUESCOURBESDE-I'ERMINAAVTC RTFE

DE RISIST,

Rcl

e(t/m2)

lltlRc: f (C*,9): RISISTANCI DU D[Ml NOYAU

APRES RINFORCEMTNT

PAR ESSAIS D'EXTRUSION

o.o50

0.045

0.040

0.0J5

0.0J0

0.02s

0.020

0.015

0.010

0.005

0.000

COURBES EXPIRIMENTALES POUR LADIIIRMINATION DU NOMBRE DTS ÏUBESAVtc REFERINcE À u RrsrsTANcELTMTTE Â L'ExrRacTroN

I

ux

td

-:{E* F

-T

lÂ, I

\Fli î#l

_-l F_ pi

P: PRESSION LIMITE DE CONFINEMENT

DE L'IXTRUSION

59REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 843e trimestre '1998

des essais d'extraction. Lorsqu'ils n'étaient pas dispo-nibles, des hypothèses fiables ont été avancées sur labase d'essais faits dans des terrains analogues.

Des évaluations analogues ont été faites avec laméthode des lignes caractéristiques en tenant compte,d'une manière simplifiée, de l'effet du clouage du front detaille dans le calcul de la lign e caractéristique du noyau.Les deux approches ont fourni des résultats comparablesentre eux et confirmé l'analogie conceptuelle existante.

La profondeur de l'intervention (longueur des tubes)a été enfin définie en fonction des mécanismes cinéma-tiques révélés par la simulation numérique des essaisd'extrusion.

Pour éliminer les simplifications que nous sommesobligés d'adopter lorsque nous évaluons l'effet de pré-confinement exercé par les tubes en résine armée defibres de verre au front de taille, nous mettons au pointun type d'essai d'extrusion en centrifugeuse qui four-nira une évaluation directe de f intensité de f interven-tion de clouage nécessaire.

Enfin, la vérification des solutions adoptées et lamise au point de Ia géométrie de l'intervention ont étéeffectuées à l'aide d'un modèle numérique tridimen-sionnel aux éléments finis en domaine non linéaire.

Le modèle a largement confirmé I'importance ducontrôle exercé par le noyau d'avancement sur la sta-tique de la cavité. II a souligné que les cinématiquesactivées dans la phase d'excavation peuvent êtrecontrôlées en agissant sur l'intensité des interventionsde renforcement du noyau.

En définitive, l'étude de thérapie soulignait, pour lasolution de base, le besoin de renforcer le noyaud'avancement au moyen de 50 tubes en résine arméede fibres de verre A 40/10 de 18 m de longueur. Pour lasolution alternative, l'étude confirmait la possibilité deremplacer les tuiles du prédécoupage par une cou-ronne de terrain renforcé par 49 tubes en résine arméede fibres de verre A 60/40, équipés de vannes pourl'exécution d'injections de recompression.

*rt-Ï1$ul.,1,

Phase opérationnelle pour le tunnel de San Vitale

Rassurés par le résultat des vérifications effectuéesgrâce au calcul numérique, nous avons procédé àI'application pratique des interventions choisies dansla phase conceptuelle, dans le cadre des sections typeprévues (Fig. 13).

Les 300 premiers mètres de tunnel ont été excavésavec de bons résultats, en adoptant la solution de base.Par la suite, l'interception le long du tracé d'intercalationscalcaires importantes souvent doublées d'amples replisd'origine tectonique, rendait difficile Ie fraisage de l'arcde prédécoupage, créant des problèmes inacceptablesde géométrie et de statique de Ia voûte. Ne pouvant pluscompter sur Ia collaboration de l'anneau de protectionsur le contour de la cawté, constitué par le prédécoupagemécanique car sa continuité aurait fait défaut, nousavons décidé de passer à la solution alternative qui don-nait des garanties de continuité par l'emploi du préren-forcement à l'aide de tubes en résine armée de fibres deverre, même sur le contour de la cavité.

L'adoption de la nouvelle section type nous a per-mis d'augmenter, par des mesures opérationnellesappropriées, les productions déjà bonnes que nousobtenions avec le prédécoupage mécanique (Fig. 16).

l$t**È$-----*ï* Ligne ferroviaire Caserta-Foggia - Tunnelde San Vitale: productions par typologied'avancement.Caserta-Foggia railway line - San Vitale tunnel:production with different methods.

Nous avons constaté que dans des situations particu-lièrement critiques, le renforcement du noyau seul peutne pas suffire à s'opposer efficacement aux phénomènesde déformation, même en intensifiant le traitement.

Nous avons bien vu que ces situations peuvent êtresurmontées:- en travaillant sur la forme du noyau afin de créer dansl'avancement une bande de teruain renforcé sur lecontour du no)zâu;- en opérant éventuellement par des interventionsradiales de renforcement sur le contour de la cavité,dimensionnées pour absorber les convergences rési-duelles que le noyau n'est pas capable d'empêcher à luitout seul.

A l'heure actuelle, l'excavation du tunnel de SanVitale se fait avec Ia section type alternative, sans ren-contrer de difficultés.

il,,

Phase de v,ërification en cours de cha ntierdu tunnel de San Vitale

Le système d'avancement adopté dont l'objectif estde créer l'effet de voûte en anticipation sur I'excavation,exige, pour vérifier son comportement, le contrôlecontinu des phénomènes de déformation. Cela permetau système lui-même d'être mis au point en temps utile,en fonction de son évaluation face aux interventions destabilisation opérées. Le contrôle prévoit l'exécutionde:- mesures tassométriques de la surf ace, dans les seg-ments à couverture réduite,, opérées de manière à pou-voir connaître le comportement des préconvergenceset des convergences en amont et en aval du front detaille du tunnel à la hauteur de la station de mesure ;

- mesures d'extrusion du noyau au front de taille;- mesures de convergence de la cavité par banded'acier Invar;- mesures de pression au contact entre les structuresde revêtement et le massif environnant;- mesures au moyen de vérins plats à l'intrados durevêtement définitif en béton pour les relevés de l'étatde contrainte.

@

X4nÈ

aq)

\q)

E

PREDECOUPAGEMECANIQUE A PLEINESECTIOI.I + WR AUFRONT DE TAILLE

VIR AU FRONT DETAILLE fl AU CONÏOUR

ot u cnvtrÈ

60REVUE FRANçAIsE or cÉorucrNreuEN'843e trimestre 1998

Situoiion SituotionOctobre 1 990 Septernbre 1991

Naturellement, à ces contrôles de base sont associésd'autres contrôles lorsque les particularités de la situa-tion l'exigent.

Dans le tunnel de San Vitale, nous avons notam-ment fait, pour la toute première fois dans l'histoire deIa construction des tunnels, des mesures systématiqueset simultanées d'extrusion et de convergence.

Les mesures d'extrusion du front de taille, effec-tuées par ISMES S.p.A. de Bergame au moyen deI'introduction d'un sliding micrometer dans Ie noyaud'avancement, ont montré des valeurs moyennes deprès de 2 cm contre les 20 cmmesurés en 1990 (Fig. 17).Les mesures de convergence à leur tour ont montré desvaleurs moyennes de 7 cm seulement contre les 100 cmet davantage observés en 1990. La réduction significa-tive des valeurs mesurées démontre l'efficacité de lanouvelle approche conceptuelle.

Ce qui est particulièrement intéressant, c'est lecomportement des extrusions et des convergences àI'intérieur d'un cycle complet de travaux comportantle renforcement du noyau avec des tubes en résine surune profondeur de 18 m et l'excavation d'avancementsur une profondeur minimale de 6, et maximale de9 m. Notons à cet égard que les profondeurs d'avan-cement sont définies au fur et à mesure,, en fonctiondu comportement et de l'importance des conver-gences de la cavité qui ne doivent pas dépasser leseuil établi par le concepteur afin de maintenir laréponse en déformation le plus possible dans ledomaine élastique. La lecture des diagrammes extru-sion-convergence de la figure 18 (qui se réfèrent à unsegment de tunnel excavé dans un terrain particuliè-

SITUATION OCTOBRE I99O

PROFIL LONGITUDINAL

SITUATION SEPTEMBRE I993SLIDING

PROFIL LONGITUDINAL

rement médiocre) montre que l'avancement du front,au fur et à mesure de la réduction à 10,5 m de Ia pro-fondeur du noyau initialement renforcé à 18 m et parconséquent de la réduction de sa rigidité moyenne, estsuivi d'un comportement en déformation du noyaumême (extrusion) et de la cavité en aval du front detaille (convergence) qui passe progressivement dudomaine élastique vers l'élastoplastique. Les courbesde convergence passent notamment d'un comporte-ment initial typique d'une situation qui évolue rapide-ment vers la stabilité à des comportements qui révè-lent une difficulté croissante des phénomènes dedéformation à se stabiliser.

La convergence de la cavité apparaît ainsi commeun signal très important pour Ie projeteur pour choisirle moment où il sera nécessaire d'arrêter l'avancementpour effectuer un nouveau renforcement et rétablir laprofondeur minimale du noyau renforcé pour mainte-nir le massif dans le domaine élastique.

reRésultats de la troisième phasede la recherche

L'étude et les expériences faites dans le tunnel deSan Vitale ont montré, d'une part, l'existence d'un lienétroit entre les phénomènes de déformation qui se pro-duisent à I'intérieur du noyau d'avancement du tunnel(extrusions) et, de l'autre, ceux qui se produisent plustard sur le contour de la cavité, en aval du front de taille

t 1= 62h

| 2: 24h

9 12 15 18

DISTANCE DU FRONT DE TAILLE

27 (nn)

POINTS DE MTSURE05

DISTANCE DU

1s (-)FRONT DE TAILLE

E

S zoozÊ

5 rootLLrJô

27 (rn)

il:-- ---7-:__/

2A

0 5 10 ls (m)

ffiLigneferroviaireCaserta-Foggia-TtrnneldeSanVitale:mesuresd.extrusionaufrontdetaille(phasedevérification).Caserta-Foggia railway line - San Vitale tunnel : extrusion measurements of tunnel face (monitoring phase).

10

E

5 zoozOF-

$ rooGt!O

61REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N. g4

3e trimestre 1998

JU

E()

220o:)El-->< 1^ )-'*--

(.-)ôn

1nIt z-)

c: STATIONS Dt MESURE DE tA CONVERGINCI

3:STATIONS DE MESURE DE L'EXTRUSION

JU

IU

IU

0

E()

t. I

zbJ

atrJ

za\

_+

(n".')

(m)

ffiLigneferroviaireCaserta.Foggia-TunneldeSanVitale:diagrammesextrusion.convergenceenfonctionde l'avancement (phase de vérification).Caserta-Foggia railway line - San Vitale tunnel : extrusion-convergence diagrams as a function of the production(monitoring phase).

62

(convergences). Elles ont également réve\é que les phé-nomènes de déformation de la cavité peuvent êtrecontrôlés et sensiblement réduit en réglant artificielle-ment Ia déformabilité du noyau d'avancement et doncsa rigidité (confinement des extrusions). Ceci est pos-sible grâce à l'exécution d'interventions appropriées destabilisation dimensionnées et distribuées entre lenoyau au front et la cavité, en fonction de la résistanceet de la déformabilité du milieu ainsi que de la situationde contrainte existante.

Compte tenu de cela, dans le cas d'un milieucontraint en domaine élastoplastique :

- si l'état de contrainte en fonction des caractéristiquesdu milieu n'est pas trop élevé, il se peut qu'il suffised'agir exclusivement sur la cavité par des interventionsradiales, évitant toute intervention longitudinale sur lenoyau d'avancernerlt;- si l'état de contrainte est élevé, il faudra en revancheagir surtout sur le noyau en le consolidant par desinterventions longitudinales, évitant totalement Iesinterventions radiales en aval du front de taille.

Au cas où le milieu serait contraint dans le domainede rupture, il devient impératif de durcir le noyaud'avancement par des actions de préconfinement de lacavité qui pourront être intégrées à des actions deconfinement appropriées en aval du front de taille. Acet égard, les expériences faites (et celles décrites pré-cédemment sont particulièrement significatives) nousrecommandent de travailler à l'avancement sur Iaforme et sur le volume du noyau au moyen de la réali-sation d'une couronne de protection de terrain ren-

forcé sur le contour du noyau. Au cours de la réalisa-tion du tunnel de San Vitale, nous avons vu que poursurmonter les problèmes dans des sections particuliè-rement difficiles, il a éte extrêmement utile d'opérerainsi.

Si cela devait s'avérer insuffisant, il faudrait procé-der à des interventions radiales supplémentaires derenforcement sur le contour de la cavité, dimension-nées pour absorber les convergences résiduelles que lenoyau, bien que durci, n'est pas en mesure d'empêcherà lui seul.

ELe noyau d'avancement entantqu'instrument de stabilisation

Les résultats consécutifs à la recherche peuvent serésumer comme suit:- dans la première phase de la recherche, nous avonsdéfini trois typologies fondamentales de déformation(extrusion du front de taille, préconvergence et conver-gence de la cavité) et les manifestations d'instabilité quien découlent (chutes de blocs sous l'effet du poidspropre, écaillages, effondrement du front et écrase-ment de la cavité);- dans la deuxième phase de la recherche, nous avonsobtenu la confirmation expérimentale que tous lesphénomènes de déformation (extrusion du front detaille, préconvergence et convergence de la cavité)

REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN'843e trimestre '1998

I z.so I z.so I z.so | 10.s0 |

ainsi que les manifestations d'instabilité visibles del'intérieur de la cavité qui en découlent (chutes deblocs sous l'effet du poids propre, écaillages, effondre-ment du front et écrasement de la cavité) dépendentdirectement ou indirectement de Ia rigidité du noyaud'avancement;- dans la troisième phase de la recherche, nous avonsexpérimenté qu'il était possible d'utiliser le noyau aufront comme un instrument de stabilisation, en agissantartificieilement sur la rigidité du noyau pour contrôlerles phénomènes de déformation de la cavité.Par ailleurs, les résultats de Ia recherche:- confirment notre opinion que la réponse en déforma-tion du milieu au cours de l'excavation doit servir depoint de référence principal au projeteur de tunnels, àplus forte raison parce qu'elle est l'indice de Ia forma-tion et de Ia position de l'effet de voûte par rapport auprofil d'excavation, autfement dit de la condition destabilité atteinte par Ie tunnel;- soulignent l'importance de tenir sous contrôle laréponse en déformation du système front de taille-noyau d'avancement au lieu de se limiter au seulcontrôle de la cavité, dans la mesure où, comme nousl'avons vu, I'importance des charges agissant à longterme sur le revêtement dépend également de la rigi-dité du noyau;- montrent que la réponse en déformation s'amorce enamont du front de taille, à Ia hauteur du noyau d'avan-cement et qu'elle évolue en aval, le long de Ia cavité;- indiquent clairement l'existence d'un lien direct entreIa réponse en déformation du système front de taille-noyau d'avancement et celle de la cavité, dans le sensque cette dernière est la conséquence directe de la pre-mière;- prouvent qu'en agissant sur la rigidité du noyaud'avancement par des interventions de protection et derenforcement, il est possible de contrôler sa déforma-bilité (extrusion, préconvergence) et par voie de consé-quence, de contrôler également la réponse en défor-mation de la cavité (convergence).

En définitive, les résultats de la recherche permet-tent de considérer le noyau d'avancement comme unnouvel instrument de stabilisation à court et à longterme de la cavité. Un instrument dont Ia résistance etla déformabilité jouent un rôle déterminant dans Iamesure où elles peuvent conditionner l'aspect qui doitpréoccuper le plus Ie projeteur de tunnels, c'est-à-direle comportement de la cavité à l'arrivée du front detaille.

C'est pourquoi, il est permis d'affirmer que le proje-teur de tunnels doit, pour être à même de mettre enplace un projet capable de garantir la stabilité à court età long terme de l'ouwage, concentrer toute son atten-tion sur les phénomènes de contrainte et de déforma-tion du système front de taille-noyau d'avancement,c'est-à-dire sur ses conditions de stabilité.

Il s'ensuit que le comportement du système frontde taille-noyau d'avancement peut être adoptécomme point de référence pour une standardisationdes tunnels, avec en plus, l'avantage de constituer unparamètre conservant sa propre valeur quel que soitle type de terrain et quelle que soit la situation sta-tique.

Dans cette optique, Ies trois situations fondamen-tales de contrainte et de déformation du système frontde taille-noyau d'avancement définissent également lestrois types possibles de comportement de la cavité(Fig.19):

FRONT STABLE

FRCINT STABLË

A counr rËRMË

cONVERGËNcË DË LA cRvlrÉ

,'nt,1 !v,.r

FRONT INSTABLE

: : :3iffii:i,?i;: if ;l"i#''-ÈiËiiiffi Définition des catégories de

comportement en se référant au noyaudu front de taille considéré commeun instrument de stabilisation.Definition of the behaviour categories, thenuclear of the tunnel face beinq considered as astabiiisation tool.

- comportement à front stable (catégorie de comporte-ment A);- comportement à front stable à court terme (catégoriede comportement B);

- comportement à front instable (catégorie de compor-tement C).

Dans la situation à front stable,Ia stabilité globaledu tunnel est pratiquement assurée, même en l'absenced'interventions de stabilisation. Dans les situations B etC, les résultats de la recherche indiquent que pour évi-ter les phénomènes d'instabilité du front et donc de lacavité, et pour essayer de revenir à une condition àfront stable (A), il faut opérer par des interventions cor-rectement équilibrées entre le front et la cavité et avecune intensité appropriée à la situation de contrainteréelle en fonction des caractérlstiques de résistance etde déformabilité du milieu.

Si le système front de taille-noyau d'avancementconstitue d'une part le ( voyant lumineux l du com-portement futur de la cavité et de I'autre, uD instru-ment de stabilisation dans les mains du projeteur, ilest nécessaire de pousser aux conséquences extrêmesles connaissances extraordinaires acquises et dedévelopper, au niveau du projet et au niveau de laconstructior, une approche collant davantage à laréalité par rapport à celles qui ont été utiliséesjusqu'ici.

L'approche selon l'analyse des déformations contrô-Iées dans les roches et dans les sols, dont les conceptset les informations seront illustrés dans une troisièmeétude, représente en ce sens la réponse logique et sanséquivoque aux résultats de la recherche.

A)

EFF

ô3REVUE FRANÇAISE DE GÉOTECHNIQUE

N" 843e trimestre 1998

î î(*l*lËXTFTUSI()N*

1!ttl

h./t

TTYTEYËTT

Bibliographie

[1] Kastner H. - Statik des Tunnel und Stol-lenbauses, 1,962.

[2] Rabcewicz L.V. - < The New AustrianTunnelling Methodr. Water Power,1969.

[3] Tamez E. - ( Estabilidad de tunelesexcavados en suelos >. Confer enzapresso la Mexican Engineering Aca-demy, Mexico, 1,984.

[4] Kovari K. - <c On the Existence of theNATM: Erroneus Concepts behind theNew Austrian Tunnelling Method >.Tunnel, 1,/1,994.

[5] Lunardi P. - cr Progetto e costruzione digallerie : pre s€ntazione dell'approccioADECO-RS ). ISMES, Programma diistruzione permanente, Bergam o, 1,4-16novembre 1988.

[6] Lombardi G., Amberg W.A. - < Uneméthode de calcul élasto-plastique del'état de tension et de déformationautour d'une cavité souterraine >. Inter-national Congress ISRM, Denver, 1974.

l7l Lunardi P., Bindi R., Focaraccia. -< Nouvelles orientations pour le projet etla construction des tunnels dans des ter-rains meubles. Études et expériencessur le préconfinement de la cavité et lapréconsolidation du noyau au front >.

Tunnels et micro-tunnels en terrainmeuble, Paris 7-10 février 1989.

[B] Lunardi P. - cc Aspetti progettuali e cos-truttivi nella realizzazione di gallerie insituazioni difficili: interventi di precon-tenimento del cavo >. Convegno Inter-nazionale < Il consolidamento del suoloe delle rocce nelle realizzazioni in sotter-raneo >, Milan , 18-20 mars 1991.

tgl Lunardi P., Focaracci A., Giorgi P.,Papacella A. - < Tunnel face reinforce-ment in soft ground design and controlsduring excavation>. InternationalCongress Towards New Worlds in Tun-nelling, Acapulco, 16-20 mai 1992.

[10] Lunardi P. - < Glass-resin tubes to sta-bilize the face of tunnels in difficultcohesive soils ). SAIE. Seminario The

application of Fiber Reinforced Plastics(FRP) in civil structural engineering,Bologn a, 22 octobre 1993.

[11] Lunardi P. - aLa stabilité du front detaille dans les ouvrages souterrains enterrain meuble : études et expériencessur le renforcement du noyau d'avance-ment >. Symposium International Ren-forcement des so/s : expérimentations enwaie grandeur des années quatre-vingt,Paris 18 novembre 1993, Presses desponts et chaussées, 1993.

[12] Lunardi P. - < Présoutènement et pré-confinement>. Reyue française de géo-technique no 80, 1,997 , p. 17 -34.

[13] Autostrade S.p.A. - ( Norme Tecniched'Appalto >, 1992.

[14] Italferr Sis T.A.V. S.p.A. - < Capitolato diCostruzione Opere Civili D,1992.

[15] A.N.A.S. - < Capitolato Specialed'Appalto, Parte II : Norme Tecniche >,

1 993.

64REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 843e trimestre 1998