FORMATION INTEGRATION TUNNELS Tunnels et … · Géologie Conception et méthode construction ......

Tunnels et Travaux

Souterrains

Pierre Hingant

FORMATION

INTEGRATION TUNNELS

2003

Octobre 2009 – Présentation Intégration tunnels - P.Hingant

Tunnels et Ouvrages Souterrains

1. Généralités et définitions

2. Méthodes de réalisation

3. Fonctionnalité des ouvrages

4. Géométrie et intégration de l’ouvrage

5. Déroulement du projet

Tunnels et Travaux

Souterrains

1.Généralités et définitions

FORMATION

INTEGRATION TUNNELS


Qu’est ce qu’un tunnel ?

Suivant circulaire 87-88 sont considérés comme tunnels et OA non

courants :

tous les tunnels creusés, q.que soit longueur L

tous les tunnels immergés

les tranchées couvertes L > 300 m

OA non courants EPOA, APOA, etc.


Circulaire Sécurité 2000-63

Attention !

En principe s ’applique aux tunnel L > 300 m

Mais contient quelques dispositions qui s ’imposent aux tunnels de 200

m et plus.


Acteurs

APS : CETE, CETU (études et contrôles)

IGS, IGOA, DR,…

APA :

M.Ouvrage + C.Op

M.Oe : EGIS STRUCTURES ET ENVIRONNEMENT, EGIS TUNNELS, EGIS RAIL, …

CETU, IGOA, DR

AFTES : Association Française des Travaux en Souterrain

AIPCR - AITES

Bureaux d ’Etudes, Laboratoires, Entreprises,...


Coûts : élevés !

Section courante autoroute : 5 à 8 M€/km

Tunnel difficulté moyenne 2Tx2voies 50 à 60 M€/km

25 M€/km (TC) à > 150 M€/km (T immergé)

Equipements : éclairage, ventilation, signalisation, sécurité : 3 à

4 M€/km de tube


Pourquoi un tunnel ?

Pour franchir un relief :

PL air libre < 6% à 8%

PL en tunnel, si possible <1,5% à 2%

Pour franchir un plan d’eau

Pour éviter d’autres types d’ouvrages

Ex : réseaux en site urbain

Pour protéger l’environnement


Caractères particuliers

La géométrie :

Profil en long

Tracé en plan

Profil en travers

On ne peut plus changer une fois l’ouvrage construit…


Etroite interaction avec la géologie

Géologie Conception et méthode construction

Comportement ± favorable Méthode de construction ± adaptée

Aléas : coûts, délais…

Caractères particuliers


Données de Trafic

Les données des études de trafic sont indispensables pour l ’étude

d’un projet de tunnel

TMJA

Trafic heure de pointe uvp/h

% vl et % PL

Taux de croissance

Impossibilité élargir un tunnel viser trafic année mise en service + 20 ans

Phasage transversal : 1er tube bidirectionnel, 2ème tube différé.


Conditions d ’exploitation

Sécurité et confort de l’usager

Intervention des services d’exploitation et de secours


+1.45

Z0

Lr =8.50mHm=4.50m

R5.45

PROFIL 4.2

Soutènement: 1 boulon / 1.60m213 boulons(l=4.00ml) / 1.00ml de tunnel

1.25m

1.25m

C

P P'

P C P'

1 cintre TH29/58 / 1.25ml de tunnel

Béton projeté fibré e=17cm

7 boulons sous radier / 1.00ml de tunnel

12 boulons(l=6.00ml) / 1.00ml de tunnel

Revêtement: Béton coffré e=50cmBéton de radier e=60cm

Radier provisoire de la demi-section e=25cm

R10.20

Béton de radier provisoire

Zone ferraillée

Béton projeté non fibré e=3cm

Front stabilisé par béton projeté e=5cm

EXCAVATION 1/2 section

Phasage excavation

1

2

3

1 - Demi-section supérieure

2 - Demi section inférieure

3 - Contre voûte

Tunnels et Travaux Souterrains

2. Méthodes de réalisation

FORMATION

INTEGRATION TUNNELS


Pre-soutènement

Boulons

Techniques de pré-soutènement / pré-confinement par boulonnage (d’après Lunardi , 1998)


Coupe longitudinale Coupe transversale

Prévoûtes bétonnées Saignée


Principe du bouclier à pression de boue (d’après Fujita, 1989)

Cutter driving

motor

Agitator

Erector

motorTail seal

Shield jacksSegments

Erector

Cutter face

Slurry

supply

Slurry

return


Le tunnelier


Domaine/application des tunneliers

Tunnels longs permettant d’amortir :

le délai de fabrication (12 à 15 mois)

le coût d’investissement (12 à 18 M€ pour 6 à 12 m de diamètre)

Tunnels en milieu urbain :

bonne maîtrise des tassements

sécurité améliorée en phase travaux

possibilité d’opérer dans des terrains très difficiles, tels que sables sous la nappe


Use of compensation grouting (after Osborne et al., 1997)

Tassomètresde profondeur

Puits

Tubes à manchette

Grave de la Tamise

Argile de Londres

Tunnel

Bâtiment

Injections de compensation mises en œuvre sur le chantier de la Jubilee Line à Londres (d’après Obsborne et al., 1997)

Injections de compensation


Cas des tranchées couvertes

Caractéristiques / techniques de réalisation :

terrassement à l’air libre

mise en place d’ouvrages de soutènement

conception d ’ouvrages en béton armé

Par rapport aux tunnels forés :

coût et durée des travaux plus faibles

incidence plus forte sur l’environnement et les réseaux de surface

aléa mieux maîtrisé


Coupe transversale tranchée couverte


Tranchée couverte - Sol de Roques


Solution monotube - profil en travers caisson

immergé


Techniques sans tranchée : Microtunneliers


Techniques sans tranchée: Forages dirigés

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Souterrains

3. Fonctionnalité des ouvrages

FORMATION

INTEGRATION TUNNELS


On construit un ouvrage pour assurer une

fonction

Tunnel routier: passage de véhicules

Tunnel ferroviaire: passage de trains

Tunnel hydraulique: passage de fluides

Galerie technique: passage de réseaux

Galerie de sécurité: passage des secours et évacuation des personnes

Déterminant pour la conception de

l’ouvrage


Fonctions à assurer / tunnel routier

Passage des véhicules:

gabarit en hauteur

largeur de chaussée

Ventilation

Eclairage / Signalisation / Télécommunication

Gestion Technique Centralisée

Evacuation / Intervention en cas d’accident

Drainage


Passage des véhicules


Cas de véhicules en panne


Ventilation

Deux fonctions:

exploitation courante: ventilation sanitaire

situation accidentelle: ventilation incendie

Trois systèmes:

ventilation longitudinale

ventilation semi-transversale

ventilation transversale


« Backlayering » et vitesse critique

Vitesse longitudinale nulle ou faible

Vitesse longitudinale faible

Vitesse longitudinale critique

Air frais


Ventilation longitudinale


Ventilation semi-transversale


Ventilation transversale


Eclairage


Signalisation / Télécom. / GTC


Sécurité / Evacuation / Intervention


Drainage


Ouvrages d’accompagnement (1)


Sécurité: la Circulaire 2000-63

Tunnels du réseau routier national (y/c autoroutes concédées) de

longueur > 300 m

Evaluation comparative des risques

prise en compte du caractère confiné

Analyse comparative des risques TMD

évaluation: probabilité d’occurrence / gravité

comparaison des solutions avec ou sans TMD

Intégration de l’analyse TMD dans les procédures de mise en service et

de suivi


Position actuelle / TMD: trois régimes sont

considérés

Aucune restriction n’est imposée

Interdiction du tunnel aux véhicules TMD identifiés comme tels

Interdiction aux véhicules transportant des matières explosives ou

facilement inflammables

Possibilités:

d’introduire des seuils

d’imposer une escorte

d’interdire les TMD aux heures de pointe


Objectifs des mesures préventives

Détection incidents + communication usagers

surveillance, détection, signalisation

postes d’appel d’urgence

Protection des usagers et accès des secours

issues de secours, abris, garages

éclairage sécurité

ventilation

Lutte incendie

résistance au feu

moyens d’extinction


Dispositions / conception générale

Choix nbre de tubes / uni- ou bi-directionnel

trafic total et PL, risques de congestion

régime / TMD

géométrie et tracé, déclivité

moyens de protection, dispositifs de détection

équipements, mesures d ’exploitation

Bitube unidirectionnel si trafic PL>4000 véh/j.

Issues de secours si L>500m (300 en urbain)

Choix: ouvrage long / plusieurs ouvrages


Dispositions de Génie Civil

Chaussées et trottoirs

Evacuation des usagers

Accès des véhicules de secours

Niches de sécurité

Niches incendie

Hélisurface

Etanchéité aux fumées entre tubes

Garages

Accessibilité aux personnes handicapées


Accès secours & évacuation

Tous les 400 m (200 m en urbain)

Tunnels peu profonds: com. directe / ext.

Bitube: rameaux intertubes

Monotube: 2 options:

galerie de sécurité parallèle

abris reliés à l’extérieur

+ accès engins motorisés si L > 5 000 m

Passage des véhicules de secours:

Communication ou retournement tous les 800 m

(si L > 1 000 m)


Particularités / tunnels ferroviaires

Mode d’exploitation:

mode de transport: passagers, fret, LGV

vitesse d ’exploitation

Géométrie:

rayons de courbure fonction de la vitesse

pente: 0 à 35 mm/m; < 12 mm/m pour le fret

profil en travers déterminé par le gabarit des trains et la vitesse d ’exploitation

(section d’air)

Environnement:

ouvrage anti-pistonnement nécessaire aux têtes pour les grandes vitesses (270 -

300 km/h)


Problèmes d’aérodynamique propres aux tunnels

ferroviaires

Résistance à l’avancement des trains

Gène aux passagers provoquée par les ondes de pression

Booms soniques au passage des têtes

Courants d’air dans les stations de métro

Augmentations de température nécessitant la mise en place d’un

système de refroidissement


Sections d’air à prévoir en fonction de la

vitesse d’exploitation

Vitesse(km/h)

160(fret)

220(passagers)

270(passagers)

300(passagers)

Section d’airbitube(m

2)

2 x 47 2 x 43 2 x 59 2 x 70

Section d’airmonotube

(m2)

65 61 71 100


Ex.1: Tunnel sous la Manche

Longueur: 50,2 km

Section d’air: 42,2 m2

Section droite des trains: 21,2 m2

Vitesse des trains: 160 km/h

Longueur des trains: 790 m

Gradient de pression longitudinal: 5-8 Pa/m

Pression devant la locomotive: 4-6 kPa

Masse d ’air déplacée: 5t

Puissance nécessaire: 6-14 MW


Ex.2: Tunnel de Guadarrama

Tunnel de 27 km de long en site montagneux

Une section de 48,5 m2 (soit Di = 8,5 m) :

310 km/h en palier

290 km/h en rampe à 0,5 %

Etude avec rameaux de pistonnement:

saut de pression (1 par 3s): problème / confort

risques de phénomènes de résonance

Nécessité de prévoir un entonnement en tête

longueur: 400 m

section: 48,5 à 110 m2


Options de sécurité

Tunnel sous la Manche:

bitube avec galerie de secours centrale

Tunnels Alpetransit (Loetschberg / Gothard):

bitube simple: un tube secoure l’autre

gare centrale avec accès intermédiaire par puits ou descenderie: amenée

secours + évacuation

Monotube avec cloison:

les deux voies.sont séparées par cloison étanche

gaine d’évacuation sous les voies

ex.: Groene Hart et 2nd Lien Fixe Transmanche

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4.Géométrie et intégration de l’ouvrage

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INTEGRATION TUNNELS


Géométrie tracé en plan

Les rayons en plan doivent assurer la visibilité

d = distance d ’arrêt = f(v)

e > d2/8R


Tunnels longs : éviter les alignements droits

Pas de bifurcation ou insertion à moins de 300 m des entrées

Rechercher tracé en plan qui permette d ’éviter un changement de

dévers en tunnel

Si tracé en S si possible conserver grands rayons


Interaction avec le tracé général

Nécessité d ’écarter les tubes

TPC section air libre 3 à 5 m

Ecartement entre tubes 15 à 20 m

Ecartement + important si 2ème tube différé

Un tunnel constitue une coupure sur le tracé

Problème de réutilisation des matériaux extraits du fait des cadences

(nécessité de mise en dépôt, temporaire ou définitif)


Géométrie profil en long

Recommandé ne pas dépasser 2%

Quand L > 400 m, si possible < 1,5 %

Si pentes + fortes :

Dans sens descendant

taux accidents vitesse + forte

Dans sens montant

émission polluants : CO, Nox, fumées

vitesse, donc + de véhicules en tunnel, donc + de besoins de ventilation


effet cheminée + fort en cas incendie

taux pannes en rampe

La pente entraîne une incidence directe

sur le niveau de service

Tous ces paramètres doivent être considérés

avant choix du profil en long

VSR

Tunnel

Fin VSR

50 m mini


Visibilité points hauts/bas


Incidence du mode de construction

sur le profil en long


Modification du champ de contraintes autour

du tunnel


Instabilité de blocs en paroi Incidence de la fracturation


Effet d’échelle


Etudes géologiques et géotechniques


LES PRINCIPAUX PROCEDES DE RECONNAISSANCES

Bibliographie

- documents

- cartes géologiques

Photogéologie, et analyses morphologiques

Levés de terrain

Reconnaissances par méthodes géophysiques

Sondages

- essais in situ

- essais de laboratoire

Galeries de reconnaissances


L’utilisation de moyens modernes d’analyse et traitement de données

informatiques ne dispense pas du travail de terrain : fastidieux mais

indispensable

DANGER ! ! !

Le temps passé devant les consoles d’ordinateurs ne doit pas se substituer au temps à passer sur le terrain.

Un modèle est toujours réducteur d’une réalité de terrain infiniment plus complexe. Seul le temps passé sur le terrain peut permettre de garder la

conscience de ces incertitudes et des approximations du modèle.


METHODES GEOPHYSIQUES

Sismique réfraction

Sismique réflexion

Tomographie sismique

Méthodes électriques et électromagnétiques

Radar

Gravimétrie

Code de bonne pratique de géophysique appliquée.

‘‘AGAP’’


SONDAGES

CAROTTÉS :

à privilégier en priorité malgré un coût pouvant sembler parfois élevé (faux

problème).

Seul moyen d’avoir une vision exacte du massif traversé : matrice +

discontinuités

Il faut accepter de payer le vrai prix pour avoir un carottage de qualité : carottiers

au diamant, carottage en gros diamètre (> 85 mm), etc...


DESTRUCTIFS + enregistrement des paramètres de forage

Coût direct sensiblement moins élevé que les sondages carottés, mais :

à utiliser avec prudence et moyennant certaines précautions. - ne jamais travailler en aveugle, (identification lithologique obligatoire moyennant

l’analyse des éclats) ;

- nécessité d’avoir des sondages carottés d’étalonnage ; - à réserver à des contextes adaptés.

Nombreux exemples d’interprétations ‘‘rapides’’ mais erronées…

Fausse économie, si on ajoute le coût de l’interprétation indispensable...


LES ESSAIS D’EAU

Rocher : Essais LUGEON ;

Sols : Essais LEFRANC ;

ce sont des essais “ ponctuels ”.

Ne jamais baser un projet (estimation de débits, perméabilité en grand)

uniquement sur des essais “ ponctuels ”.

Procéder à un calage plus global : essais de pompage.


Plan type mémoire de synthèse géologique et géotechnique pour un

projet de tunnel

Constitue une check list des points qui doivent être traités.

Il s’agit d’un document contractuel : à cet égard il convient d’attacher une attention particulière à sa rédaction et sa présentation.

Il faut éviter, autant que possible, toutes les formes de rédactions imprécises, ambigües pouvant donner lieu à des interprétations divergentes.


De même, les indéterminations qui peuvent encore subsister lors de

l’établissement du mémoire ne doivent pas être occultées, mais

honnêtement mentionnées.

Ce document auquel il est généralement fait référence en cas de

réclamation après travaux, se doit d’être aussi complet et objectif que

possible afin de ne pas constituer en lui même une source de contentieux.

Tunnels et Travaux

Souterrains

5. Déroulement du projet

FORMATION

INTEGRATION TUNNELS


Notions générales

Un tunnel coûte cher :

180 à 540 € par mètre cube excavé ;

30 à 120 K€ par mètre de tunnel.

L’aléa est important compte tenu de la connaissance imparfaite du

terrain rencontré

La rencontre de conditions inattendues peut induire des surcoûts sans

proportion avec le coût de réalisation du tronçon concerné


Par exemple:

Liaison EOLE à Paris:

coût initial de la totalité des travaux: 4000 MF

surcoût lié à l’effondrement rue Papillon: 100 MF

cause: présence d’une zone de dissolution de gypse non identifiée sous le radier

Tunnel des Hurtières sur l’A43:

coût des travaux: 100 MF

surcoût lié à un éboulement du terrain pendant les travaux: 100 MF

cause: rencontre d’un sillon glaciaire


Conséquences pour les projets

La mise au point du projet : une démarche longue et complexe

Nécessité de savoir anticiper les conditions géotechniques qui seront

rencontrées

ì importance des reconnaissances géotechniques

Nécessité de bien définir les contraintes d’exploitation et de sécurité

en amont

ì la géométrie de l’ouvrage dépend directement des caractéristiques des

équipements à prévoir


Ex.1: 2ème Lien Fixe Transmanche

Choix d’un tracé proche du lien fixe actuel, notamment pour profiter de

conditions géotechniques favorables bien reconnues.

Pour l’option routière les besoins en ventilation sanitaire/incendie ont

décidé :

de la nécessité ou non de construire une île artificielle pour installer un puits

intermédiaire.

du diamètre du tunnel, c’est-à-dire de la faisabilité d’une solution bitube à deux

niveaux.


Ex.2: LGV Lyon - Turin


Les phases du projet Pré-faisabilité / Faisabilité

Avant Projet Sommaire

Etude Préliminaire d’Ouvrage d’Art

Campagnes/reconnaissances géotechniques

Dossier de Commission de Sécurité

Avant Projet d’Ouvrage d’Art

Projet / Dossier de Consultation Entreprises

Consultation

Etudes d ’exécution / Visa de plans

Travaux, Direction des Travaux

Récolement

Marche à blanc


Objectifs des études de faisabilité

Déterminer un corridor de passage

prise en compte des contraintes du projet

prise en compte de la fonctionnalité attendue

Choisir une méthode d ’exécution:

tunnel foré / tranchée couverte (caisson imm.)

tunnelier / méthode traditionnelle

Donner un ordre de grandeur des coûts / délais


Quelques points importants

Prévoir des reconnaissances géotechniques / géologiques adaptées à

chaque phase

pour la faisabilité: carte géologique + quelques vieux sondages

pour le projet (DCE): établissement du mémoire de synthèse géotechnique qui

est contractuel (Fascicule 69 du CCTG)

Affiner la définition des équipements au cours du déroulement du

projet


Exemple de planning travaux


Dispositions / Circulaire 2000-63

Procédure préalable à la mise en service

Modalités de suivi de l’exploitation

exercices périodiques

retour d’expérience

Cas particuliers:

ouvrages au stade des études

ouvrages non mis en service

ouvrages en exploitation


Préalablement à la mise en service

Etudes préalables / établissement dossier OA

consultation des services de sécurité par le MO

Approbation du dossier OA: dossier sécurité:

description de l’ouvrage

étude prévisionnelle de trafic + étude TMD

étude Spécifique de Dangers

avis Expert Sécurité

Ouverture de l’ouvrage à la circulation

mise à jour dossier sécurité

Plan Intervention & Sécurité + retour/expérience

avis du Comité d ’Evaluation


Les textes

Circulaires / contenu dossiers et missions

Etudes amont:

dossier pilote CETU ou règles SNCF

circulaire 81.109 / équipements d’exploitation

circulaire 2000-63 / sécurité dans les tunnels

circulaire 2000-82 / TMD

Avant-Projet / Projet:

CCTG - Fascicule 69 (maj 2011)

Normes AFNOR / Eurocodes

Recommandations AFTES (aftes.asso.fr)


Pour tous renseignements complémentaires - Tél. 033.04.50.27.39.39

Fax. 033 04.50.27.39.40 E-mail : [email protected]

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