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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
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Panorama généralLes ouvrages, leur nature
2020 - 2021 2
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,…
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Le Tunnel sous la Manche
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2020 - 2021 5
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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8
Les nouvelles traversées ferroviaires alpines
2020 - 2021
2020 - 2021 9
2020 - 2021 10
Duplex A86
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Les grandes gares souterraines de la ligne EOLE(construction 1994 -1999)
Haussmann Saint Lazare
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
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Grand Paris Express : 200 km de ligne et 68 gares nouvelles
2020 - 2021
15
Grand Paris Express : les travaux en cours92 km de souterrain, 41 gares
20 tunneliers
2020 - 2021
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Grand Paris Express : les tunnels
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Grand Paris Express : les gares
Exemple: Villejuif- IGR
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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
ANDRA : projet CIGEO, 500 km de galeries, à 500 m de profondeur
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2020 - 2021 21
CERN : le projet FCC
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
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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
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Exemple de tunnel routier
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Exemple de tunnel ferroviaire
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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Techniques conventionnelles ou « traditionnelles »Les composants
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Les techniques dites « traditionnelles » ou « conventionnelles » en travaux souterrains : principe
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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
L’excavation
• Mécanisation : pelle mécanique, machine à attaque ponctuelle
• Explosif
• Prédécoupage
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Excavation : abattage mécanique
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La pelle mécanique et le brise-roche
Excavation : abattage mécanique
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La fraise ou machine à attaque ponctuelle (« MAP »)Roadheader
Principe :
Perforatrice à air comprimé de Sommeillier (vers 1860):
Tir séquentiel
Sa version moderne :
L’excavation à l’explosif drill and blast
Excavation
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Excavation
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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
RQD (Rock Quality Designation) =
totalelongueur
cm10carrottesdelongueursx100
>Σ
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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
342020 - 2021
35
Marinage
2020 - 2021
purge
36
Marinage
2020 - 2021
Dumpers
Convoyeur à bande
37
Ventilation
2020 - 2021
Aspiration: fumées de tir, poussières
Soufflage: dilution gaz d’échappement
Le soutènementexpression équivalente : soutènement provisoire ,
terme anglais : primary lining
• Supportage: cintres
• Consolidation de terrain: boulons
• Confinement: béton projeté
• Confinement et armature: boulons+ béton
projeté
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Cintres coulissants
Cintres lourds
Cintres réticulés
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Exemple d’emploi de cintres lourds
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Cintres coulissants
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Exemple de coulissement :
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Le boulonnage :
Soutènement
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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
Divers types de boulons d’ancrage
boulon autoforeur
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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 :
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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
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Le béton projetégunitage, shotcrete, spitzbeton
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Soutènement Le béton projeté: mise en œuvre
2020 - 2021 49
manuelle : robotisée :
50
Béton projeté: deux modes de projectionVoie sèche :
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Voie humide :
51
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
2020 - 2021 52
L’incorporation de fibres dans les bétons projetés (voie humide)(macro-fibres)
Le béton projeté
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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
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)
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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
2020 - 2021 56
Injection, drainage
Boulonnage du front de taille
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Boulons en fibre de verre:
2020 - 2021 58
Haveuse pour la réalisation de pré-voûtes
2020 - 2021 59
2020 - 2021 60
Principe des voûtes-parapluies
2020 - 2021 61
Voûtes- parapluies en jet-grouting
2020 - 2021 62
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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Étanchéité et revêtement
2020 - 2021
L’étanchéité par D.E.G. (Dispositif d’Etanchéité par Géomembrane)
2020 - 2021 65
Étanchéité et revêtement
Le coffrage par coffrages-outils
2020 - 2021 66
Étanchéité et revêtement
Bétonnage et vibrage
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
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OUVRAGES SOUTERRAINS
Techniques conventionnelles ou « traditionnelles »
La composition des méthodes
2020 - 2021 68
Creusement en demi-section avec cintres lourds :
2020 - 2021 69
Creusement en pleine section
2020 - 2021 70
71
La méthode italienne du prof.LunardiADECO-RS: Analisi delle deformazioni controllate nelle rocce e nei suoli
2020 - 2021
Excavation en pleine section
NATMNew Austrian Tunnelling Method
2020 - 2021 72
2020 - 2021 73
742020 - 2021
La « NATM », New Austrian Tunnelling Method
Exemple : avant-gares de la EOLE CNIT-La Défense
2020 - 2021 75
Autres méthodes :
Entonnement Ouest gare CNIT La Défense
762020 - 2021
Autres méthodes :
Voûte active (voûte Jacobson) : gares METEOR
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Les risques
2020 - 2021 77
Galerie de Saint-Martin-la-Porte: reprofilage avril 20062020 - 2021 78
Exemple de risque:fluage, plastification
Tunnel de Toulon 15/03/19962020 - 2021 79
2020 - 2021 80
Paris ligne 14, station Olympiades 21/02/2003
2020 - 2021 81
2020 - 2021 82
Mais aussi des risques plus “ordinaires” :désordres aux constructions avoisinantes dus aux tassements
Munich 1994
Heathrow 1994
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Les principes régissant l’amélioration continue de la construction en vue d’une
meilleure maîtrise des risques
2020 - 2021 83
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
Document SOLDATA
2020 - 2021 85
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Le partage d’expérienceL’AFTES
2020 - 2021 86
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
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
2020 - 2021 89
Le prochain Congrès de l’AFTES :
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
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Organisation du module
2020 - 2021 91
• 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
MERCI DE VOTRE ATTENTION :
C’EST LE BOUT DU TUNNEL !
2020 - 2021 93