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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS

Michel Pré

2020 - 2021 1

Lötschberg 1908 Saint-Martin-la-Porte 2018

https://educnet.enpc.fr > Cours > Mastères spécialisés > Génie Civil Européen

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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS

Panorama généralLes ouvrages, leur nature

2020 - 2021 2

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Historique : grandes étapesFin XIXeFin XIXe

Début XXe

• Tunnels ferroviaires « de faîte »• Métros des grandes capitales : Budapest, Londres, Paris, …

Années Années 1960 -1980

• Traversées routières alpines : Gothardt, Mont-Blanc, Fréjus• Aménagements hydroélectriques• Premiers projets urbains mécanisés : en France, RER A

1988 1988 –1994

• Tunnel sous la Manche

Années Années 1990 –2000

• Développement de la mécanisation• Relance des transports urbains : à Paris Meteor, Eole, Lille, Toulouse, Marseille,…

Fin des Fin des années 2000

• Grands projets de tunnels ferroviaires « de base » : Loetschberg, Gothardt, Lyon-Turin, Brenner

AujourdAujourd’hui

• Accélération du développement des transports urbains : Copenhague, Crossrail, Grand Paris,…• Projets d’enfouissement : Andra• Nombreux projets titanesques dans le monde : Riyadh, Doha, Moscou, Chine,…

2020 - 2021 3

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Le Tunnel sous la Manche

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Les tunneliers du tunnel sous la Manche

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Un des 9 tunneliers

Logistique concentrée dans le puits de Sangatte

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2020 - 2021 7

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8

Les nouvelles traversées ferroviaires alpines

2020 - 2021

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2020 - 2021 9

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2020 - 2021 10

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Duplex A86

2020 - 2021 11

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2020 - 2021 12

Les grandes gares souterraines de la ligne EOLE(construction 1994 -1999)

Haussmann Saint Lazare

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Prolongement d ’EOLE à l’Ouest :

Partie souterraine de 8 km Deux gares nouvelles souterraines, dont une sous la voûte du CNIT Début de travaux: 2015 - Horizon de mise en service : 2022

La gare La Défense sous la voûte du CNIT

2020 - 2021 13

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Grand Paris Express : 200 km de ligne et 68 gares nouvelles

2020 - 2021

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Grand Paris Express : les travaux en cours92 km de souterrain, 41 gares

20 tunneliers

2020 - 2021

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2020 - 2021 16

Grand Paris Express : les tunnels

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2020 - 2021 17

Grand Paris Express : les gares

Exemple: Villejuif- IGR

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2020 - 2021 18

Grand Paris Express

Planning du tronçon T3C : 8,2 km, 5 gares, 8 ouvrages annexes

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Lyon-Turin section transfrontalière

2020 - 2021Fin août 2020: 30km / 162 km de galeries creusées

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ANDRA : projet CIGEO, 500 km de galeries, à 500 m de profondeur

2020 - 2021 20

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2020 - 2021 21

CERN : le projet FCC

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Évolution de la demande des aménageurs

Fiabilisation et sécurisation des techniques de construction

En guise de conclusion de ce panorama

• utilisation maximale de l’espace souterrain dans les grandes villes, enminimisant les impacts en surface, y compris pendant la construction

• développement des moyens de transport des personnes, mais aussides marchandises, en alourdissant le moins possible la factureénergétique

• besoins d’amélioration de l’environnement et de la sécurité :

– Besoins d’enfouissement,

– Traitement des risques d’exploitation.

• utilisation de techniques de creusement en souterrain là où l’on secontentait autrefois de tranchées ouvertes ou couvertes,

• ouvrages placés dans des situations d’interaction de plus en plus complexeavec des ouvrages et bâtiments avoisinants

• souci des impacts sur l’environnement des ouvrages (tassements,vibrations, impacts sur les nappes).

• sécurisation des techniques de construction

2020 - 2021 22

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Les entrants de la conception d’un tunnel

Tunnel

Terrain:- nature: sol ou rocher

- pour un sol: sableux ou marneux- pour un rocher: sain, fracturé, ou altéré

- circulation d’eau, nappe phréatique

Fonctionnalités de l’ouvrage à construire:- destination (routier, ferroviaire, autre)- équipements liés à la fonction- réseaux

Environnement :- sensibilité aux tassements- sensibilité aux vibrations- incidence sur la nappe

phréatique

2020 - 2021 23

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Exemple de tunnel routier

2020 - 2021 24

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Exemple de tunnel ferroviaire

2020 - 2021 25

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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS

Techniques conventionnelles ou « traditionnelles »Les composants

2020 - 2021 26

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Les techniques dites « traditionnelles » ou « conventionnelles » en travaux souterrains : principe

2020 - 2021 27

Tâches élémentaires se succédant selon un enchaînement cyclique (travail « séquentiel »):

Cinématique au front1) excavation: abattage mécanique (pelle, fraise), explosif2) marinage: traction thermique, traction électrique, par

convoyeur à bande3) soutènement: cintres métalliques, béton projeté, boulons

radiaux4) compléments: amélioration du terrain, présoutènement

Cinématique à l’arrière du front1) étanchéité: géomembrane2) revêtement: béton coulé en place

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L’excavation

• Mécanisation : pelle mécanique, machine à attaque ponctuelle

• Explosif

• Prédécoupage

2020 - 2021 28

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Excavation : abattage mécanique

2020 - 2021 29

La pelle mécanique et le brise-roche

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Excavation : abattage mécanique

2020 - 2021 30

La fraise ou machine à attaque ponctuelle (« MAP »)Roadheader

Principe :

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Perforatrice à air comprimé de Sommeillier (vers 1860):

Tir séquentiel

Sa version moderne :

L’excavation à l’explosif drill and blast

Excavation

2020 - 2021 31

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Excavation

2020 - 2021 32

Phase 1 : 0,7 à 1,0 milliseconde Phase 2 : 1,3 millisecondes

Phase 4 : 12 millisecondes

Phase 3 : 8 millisecondes

Schéma des évènements à la suite de la détonation NITRAML’excavation à l’explosif

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RQD (Rock Quality Designation) =

totalelongueur

cm10carrottesdelongueursx100

2020 - 2021 33

Ic = indice de continuitévlm = vitesse sur échantillonvlc= vitesse calculée à partir de la composition minéralogique

RQD15%

RQD 80%

RQD 45%

RQD 60%

E :Pelle mécaniqueavec renforcement préalable du terrain

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342020 - 2021

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35

Marinage

2020 - 2021

purge

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36

Marinage

2020 - 2021

Dumpers

Convoyeur à bande

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Ventilation

2020 - 2021

Aspiration: fumées de tir, poussières

Soufflage: dilution gaz d’échappement

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Le soutènementexpression équivalente : soutènement provisoire ,

terme anglais : primary lining

• Supportage: cintres

• Consolidation de terrain: boulons

• Confinement: béton projeté

• Confinement et armature: boulons+ béton

projeté

2020 - 2021 38

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Cintres coulissants

Cintres lourds

Cintres réticulés

2020 - 2021 39

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Exemple d’emploi de cintres lourds

2020 - 2021 40

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Cintres coulissants

2020 - 2021 41

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Exemple de coulissement :

2020 - 2021 42

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Le boulonnage :

Soutènement

2020 - 2021 43

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2020 - 2021 44

Deux objectifs principaux

Assurer la stabilité locale et générale Limiter les déformations du terrain

Deux modes de fonctionnement

Fonction "d'accrochage" Rôle Porteur

Fonction "de Renforcement"Rôle de confinement

Rôle de Renforcement

Soutènement : l’action du boulonnage

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Divers types de boulons d’ancrage

boulon autoforeur

2020 - 2021 45

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Interaction entre le terrain encaissant et le boulon Swellex pendant sa mise en œuvre:

(a) Swellex placé dans le forage

(b) haute pression d ’eau gonflant le tube et provoquant une petite expansion du diamètre du forage

(c) relâchement de la pression d ’eau: le terrain encaissant se contracte, en provoquant le « serrage » du boulon

Le boulon à friction type Swellex :

2020 - 2021 46

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BOULONS

CRITERES

Boulons à ancrage ponctuel

Boulons à ancrage répartiBoulons

autoforeursBoulons à Friction

Scellementmortier

Scellementrésine

Type "Ischebeck" Type "Swellex"

Traction +++ ++++ ++++ +++ +++

Cisaillement + ++++ +++ +++ ++

Terrain fracturé ++ ++ + ++++ ++

Forabilité terrain médiocre o + + ++++ +

Caractère permanent + ++++ +++ +++ ++

Action immédiate ++++ o +++ ++ ++++

Action différée ++ +++ ++++ ++++ +++

Eau / présence et venues ++++ + +++ R + ++++

Eau / Drainage ++++ ++ + ++ ++

Eau / Etanchéité o ++ +++ R ++ +

Temps de mise en œuvre ++++ ++ +++ +++ ++++

Aide à la décision dans le choix du type de boulon

2020 - 2021 47

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Le béton projetégunitage, shotcrete, spitzbeton

2020 - 2021 48

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Soutènement Le béton projeté: mise en œuvre

2020 - 2021 49

manuelle : robotisée :

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50

Béton projeté: deux modes de projectionVoie sèche :

2020 - 2021

Voie humide :

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Projection par voie sèche Projection par voie humide

Mélange véhiculé par flux d’air•Possibilité de distance de transfert importante•Faible pression dans les tuyaux

Béton véhiculé par pompage•Pas de poussières à la machine•Teneur en eau régulière•Transferts en grande distance difficiles•Pressions importantes dans les conduites•Tuyau rempli de béton lourd à manipuler•Formulation exigeant une mise au point rigoureuse en termes de plasticité et de fluidité

Vitesse élevée dans le jet•Compactage important favorisant les résistances élevées•Pertes par rebond•Projection de granulats•Risque de détérioration de support fragile

Vitesse réduite dans le jet•Peu de poussières•Peu de pertes par rebond•Possibilité de projection sur support fragile ou à faible cohésion•Compactage limité•Adhérence au support faible

Comportement de la couche de béton•Excellente adhérence•Bonne cohésion•Obtention aisée de BHP•Faible teneur en eau limitant les risques de fissuration

Comportement de la couche de béton•Accélérateur ou raidisseur nécessaire•Dosage en fibre régulier•Dosage élevé en ciment•Retrait deux fois plus important qu’en voie sèche

Matériels de projection•Large gamme

Matériels de projection•Machines puissantes permettant des débits élevés•Robotisation préférable

2020 - 2021

Béton projeté: deux modes de projection

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2020 - 2021 52

L’incorporation de fibres dans les bétons projetés (voie humide)(macro-fibres)

Le béton projeté

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2020 - 2021 53

L’incorporation de fibres dans les bétons projetés (voie humide)(macro-fibres)

Le béton projeté

Intérêt:- Donner un comportement ductile au béton- Absorber l’énergie de fissuration et redistribuer les

contraintes mécaniques - Limiter le rebondInconvénient des fibres métalliques : blessure de l’étanchéité

-> généralisation de l’emploi de fibres synthétiques et abandon de solutions de type treillis soudé ou fibres métalliques avec couche finale non fibrée

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Le béton projeté : modes de fonctionnement

TYPE 1

peau protectrice

(2 à 5 cm)

TYPE 2

peau résistante

(8 à 20 cm,

en plusieurs couches)

TYPE 3

anneau de

structure

(10 à 30 cm,

en plusieurs couches)

Limitation des déformations

élasto-plastiques du terrain

Confinement des terrains non

Boulonnables

Confinement des terrains

Gonflants

Réparations de tunnels

évite l ’altération

du terrain encaissant:

- dessication par

l’atmosphère du tunnel

- délavage des matériaux

- amorces de gonflement

liées à la migration de

l’eau interstitielle

- phénomènes de

micro-rupture

Cimentation des fissures

Clavage des blocs instables

Filet tendu entre les

boulons ou les cintres

(béton projeté fibré ou

armé d’un treillis soudé)

2020 - 2021 54

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L’amélioration du terrain et le présoutènement

• Injections, drainage

• Boulonnage du front de taille

• Haveuse (prédécoupage + présoutènement)

• Voûte parapluie

2020 - 2021 55

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2020 - 2021 56

Injection, drainage

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Boulonnage du front de taille

2020 - 2021 57

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Boulons en fibre de verre:

2020 - 2021 58

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Haveuse pour la réalisation de pré-voûtes

2020 - 2021 59

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2020 - 2021 60

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Principe des voûtes-parapluies

2020 - 2021 61

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Voûtes- parapluies en jet-grouting

2020 - 2021 62

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Le revêtementexpression équivalente : revêtement définitif

termes anglais : secundary lining, final lining

• Stabilité de l ’excavation

• Étanchéité

• Fonctions liées à l ’exploitation

2020 - 2021 63

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64

Étanchéité et revêtement

2020 - 2021

L’étanchéité par D.E.G. (Dispositif d’Etanchéité par Géomembrane)

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2020 - 2021 65

Étanchéité et revêtement

Le coffrage par coffrages-outils

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2020 - 2021 66

Étanchéité et revêtement

Bétonnage et vibrage

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Béton non armé en tunnel:composition et conditions de mise en œuvre

• limitation de l ’exothermie et du retrait, tout en restant compatible avec les cycles de bétonnage

=> mixte CEM I/CEM II 350 kg/m3 max

• épaisseur minimum: 20 à 30 cm

• fortes épaisseurs difficiles à vibrer (vibreurs extérieurs au coffrage)

• pas de joints de retrait (inutiles), mais plots de bétonnage limités à 8 à 10 m

2020 - 2021 67

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OUVRAGES SOUTERRAINS

Techniques conventionnelles ou « traditionnelles »

La composition des méthodes

2020 - 2021 68

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Creusement en demi-section avec cintres lourds :

2020 - 2021 69

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Creusement en pleine section

2020 - 2021 70

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71

La méthode italienne du prof.LunardiADECO-RS: Analisi delle deformazioni controllate nelle rocce e nei suoli

2020 - 2021

Excavation en pleine section

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NATMNew Austrian Tunnelling Method

2020 - 2021 72

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2020 - 2021 73

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742020 - 2021

La « NATM », New Austrian Tunnelling Method

Exemple : avant-gares de la EOLE CNIT-La Défense

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2020 - 2021 75

Autres méthodes :

Entonnement Ouest gare CNIT La Défense

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762020 - 2021

Autres méthodes :

Voûte active (voûte Jacobson) : gares METEOR

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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS

Les risques

2020 - 2021 77

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Galerie de Saint-Martin-la-Porte: reprofilage avril 20062020 - 2021 78

Exemple de risque:fluage, plastification

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Tunnel de Toulon 15/03/19962020 - 2021 79

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2020 - 2021 80

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Paris ligne 14, station Olympiades 21/02/2003

2020 - 2021 81

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2020 - 2021 82

Mais aussi des risques plus “ordinaires” :désordres aux constructions avoisinantes dus aux tassements

Munich 1994

Heathrow 1994

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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS

Les principes régissant l’amélioration continue de la construction en vue d’une

meilleure maîtrise des risques

2020 - 2021 83

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Exigences générales du projet

Projet

Construction

Suivi de la constructionécart

restant à

l'intérieur

des

prévisions

?

mesures

en accord

avec les

prévisions

?

poursuite de la

construction tel que prévu

modification

du projet

mise en œuvre des

modifications

prévues

ouinon

oui

non

Diagramme de suivi de la construction méthode observationnelle

Caractérisation géotechnique

2020 - 2021 84

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Document SOLDATA

2020 - 2021 85

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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS

Le partage d’expérienceL’AFTES

2020 - 2021 86

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L’organisation du partage d’expériencesL’AFTES est née, en 1972, de ce constat que l’ensemble des

acteurs du secteur avaient à gagner à travailler ensemble

(démarche « gagnant-gagnant »):

Les maîtres d’ouvrage

Les ingénieries

Les constructeurs

Mais aussi:

Les architectes

Les institutionnels

Les assureurs

Les fournisseurs de matériels

2020 - 2021 87

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L’AFTES aujourd’hui: 660 adhérents individuels, 140 adhérents collectifs

23 groupes de travail actifs (environ 320 membres) coordonnées

au sein du Comité Technique

90 Recommandations publiées

Une revue trimestrielle

Un Congrès triennal

Un Mastère spécialisé

2020 - 2021 88

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2020 - 2021 89

Le prochain Congrès de l’AFTES :

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Adhérez à l’ AFTES :

Statut étudiant: 10 € pour 1 année, comprenant:- Le service de la revue- L’accès au site et aux différentes activités comme membre actif

2020 - 2021 90

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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS

Organisation du module

2020 - 2021 91

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• Cours magistraux et « petites classes » (12 séances)– 50% de cours magistraux délivrés par différents spécialistes des

disciplines concernées– 50% de petites classes, une moitié consacrée à la géotechnique

appliquée aux travaux souterrains, une autre consacrée aux méthodes de calcul

• Contrôle des connaissances: test sur table en fin de module

2020 - 2021 92

Contenu prévisionnel du programme du module Ouvrages souterrains

Nota: l’ensemble de la documentation du module (supports de cours,annales des contrôles, liens utiles) est disponible sur le sitehttps://educnet.enpc.fr/ . Le nom du cours est COTU1

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MERCI DE VOTRE ATTENTION :

C’EST LE BOUT DU TUNNEL !

2020 - 2021 93