Modélisation physique 1g du creusement de tunnels en ... · La poussée des terres et les...

Branque & Berthoz & Wong & Subrin 08 décembre 2010 Journée technique CFMS

Modélisation physique 1g du creusement de tunnels en

terrain meuble par tunnelier à pression de terre

Denis BRANQUE1, Nicolas Berthoz1, Henry WONG1, Didier SUBRIN2

1 Université de Lyon, Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat, Vaulx-en-Velin, France

2 Centre d’Etude des Tunnels, Bron, France

1


Principe théorique :

Le terrain est abattu au moyen d’une roue de coupe en face avant du tunnelier,

La poussée des terres et les pressions hydrostatiques au niveau du front de taille

sont équilibrées par un confinement contrôlé du matériau abattu et contenu à

l’arrière du bouclier.

Le creusement au tunnelier à pression de terre

σ’h+u

Source : Herrenknecht AG


Objectifs des recherches

3

Analyser et comprendre les mécanismes physiques mis en jeu.Régimes idéaux / régimes extrêmes

Comportement d’interaction sol – machine

Contribuer au développement et à la validation d'outils de dimensionnement

Calcul de stabilité du front de taille

Modélisation numérique du processus de creusement pressurisé des tunnels.

Apporter des réponses concrètes aux questions posées sur chantiers :Pertinence des paramètres de contrôle du pilotage

Aide au dimensionnement de la machine (rôle du bouclier, de la surcoupe, ….)

Deux approches complémentaires :

Expérimentale : Essais sur modèle réduit de laboratoire,

Retours de chantiers,

Théorique : Calcul à la rupture,

Méthodes Eléments Finis.


Le modèle réduit de tunnelier à pression de terre

1.3m

2 m

Chambre d’abattage

Jupe de

soutènement

Vérins de

poussée Caisson

Roue de coupe

Roues de coupe à fort (80%) et faible (35%)

taux d’ouverture (D=0.55m)

4


Instrumentation du modèle réduit

5

?

Instrumentation embarquée sur la machine :

Pressions dans chambre d’abattage

Couple sur roue de coupe

Couple sur vis d’extraction

Effort de poussée horizontale

Débit d’extraction

Vitesse d’avancement,…

capteurs de pression

Arbre de coupe Vis d’extraction


Instrumentation du massif de sol

Déplacements verticaux de surface

Déplacements internes

Contraintes internes

6


Un matériau devant respecter les lois de similitude

Une similitude partielle privilégiant les notions de rigidité (E*) et de résistance

mécanique (c*, φ*)

Le choix du sable Hostun S28 sec ou faiblement humide (w<3%)

Un matériau mis en place dans un état lâche

Essais en massifs homogènes ou massifs stratifiés

Matériau modèle et caractéristiques des essais

6

Nom γγγγ (kN/m3) eEt

(MPa)

C’

(kPa)

φφφφ’

(°)

ψψψψ

(°)

q

(kPa)

MF11 13.8 0,90 5 0 39 2 0

MF12 13.7 0,98 5 0 39 2 0

MF13 13.7 0,98 5 0 39 2 0

MC2 13.4 1,03 10 2 36 5 0

MC3 13.4 1,03 10 2 36 5 0

MC4 13.4 1,04 10 1.5 36 5 0

MC5 13.25 0,92 10 0.5 36 5 0

MC6 13.05 1,02 10 0.5 36 5 50

MC7 13.05 1,00 10 0.5 36 5 50

MC8 13.05 1,00 10 0.5 36 5 0

Massifs purement frottants

Massifs cohérents -frottants


Classification des régimes de creusement

Observations expérimentales: le comportement en contraintes- déformations du

massif dépend de la nature du régime entretenu

Régimes de creusement idéaux : régimes qui minimisent les déplacements et

déformations au sein du massif.

Régimes de creusement extrêmes: régimes qui génèrent des déformations

importantes au sein du massif, voire conduisent à sa rupture s’ils sont maintenus

durablement.

Régime de sur extraction(rupture par effondrement)

Régime de sous extraction

(rupture par refoulement)


Conditions d’obtention du régime idéal

Etat initial d’équilibre stable entre machine et terrain:

) , ., (Péquilibrefront. ibles,...nts admissde tassemecritèreterraintiques du caractérispbdugéométrief=

Trois conditions nécessaires à l’obtention des régimes idéaux:

1Qc

Qt

excavationd' massiquedébit

extractiond' massiquedébit R ===

Maintien d’une quantité constante de matériau dans la chambre d’abattage

ω roue > ω seuil avec ω seuil= f (vitesse d’ avancement, … )

(condition d'absence de mise en butée du massif par perte de l’homogénéité des

contraintes au front de taille).


Identification en temps réel du régime entretenu

Deux grandeurs « machine » complémentaires:

Les pressions mesurées sur les parois de la chambre d’abattage renseignent sur

l’état de remplissage et de confinement de la chambre d’abattage (cond.1)

Les pressions dans la chambre d’abattage peuvent différées de la pression appliquée au front de

taille (rôle d’écran joué par la roue de coupe )

!!

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

Eff

ort

de

po

uss

ée f

ron

tal

/ S

ecti

on

bo

ucl

ier

(kP

a)

Pression moyenne aux reins de la chambre d'abattage (kPa)

Essais en milieu cohérent-frottant avec roue de coupe à fort taux d'ouverture (80%)

Essais en milieu purement frottant avec roue de coupe à faible taux d'ouverture (35%)

Essais en massif stratifié avec roue de coupe à faible taux d'ouverture (35%)

Courbe de tendancemilieu CF avec roue à fort taux d'ouverture

Courbe de tendance milieu PF avec roue de coupe à faible taux d'ouverture

Essais réalisés avec pression de surface

Roue de coupe:

taux d’ouverture: 35%Roue de coupe:

taux d’ouverture: 80%


Contrôle en temps réel du régime entretenu

Les variations relatives du couple sur la roue de coupe renseignent sur la condition

d’invariance de la quantité de matière dans la chambre d’abattage (cond. 2)

0 10 20 30 40 50 60 70

0

10

20

30

40

50

60

Co

up

le s

ur

la t

ête

d'a

batt

ag

e (

m.d

aN

)

Déplacement horizontal du tunnelier (cm)

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

σ x1

arrêt 24 heures

(kP

a)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

ratio

RCouple sur la tête d'abattage

Contrainte frontale axiale dans le massif (sx1)

Ratio R

Qt < Qc Qt > Qc Qt = Qc

Ratio R = Qt/Qc


Exemple de déplacements de surface observés

Une stationnarité des déplacements de surface dans la direction longitudinale.

Des tassements transversaux de formes gaussiennes conformes à la formulation empirique

de Peck (1969)4 utilisée dans la pratique.

Des amplitudes de tassements (de l’ordre du mm) en accord (au facteur d'échelle près)

avec les tassements observés in situ (de l’ordre du cm)

1Peck R.B. (1969), Deep excavations and tunneling in soft ground, Proceedings of the 7th International Conference on Soil

Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, State of the Art Volume, pp. 225-290.

Courbe

maîtresse


Synthèse des profils de tassements longitudinaux

30 à 50 % des tassements mesurés à 1D à l'arrière du front de taille ont lieu à l'avant du

bouclier ( pertes de volume au front)

1Attewell P.B., Woodman J.P. (1982). Predicting the dynamics of ground settlement ant its derivatives caused by tunneling in soil, Ground Engrg, London, 15(8), 13-22

Profils de tassements longitudinaux en bon accord avec la formule d’Attewell et al. (1982)1


Zone de sol

en traction

Les tassements à l'avant du front sont d'autant plus faibles que les conditions de stabilité

du massif sont bonnes

Synthèse des profils de tassements longitudinaux

!! Une pression frontale élevée limite les tassements à l’avant du front mais peut

favoriser leur accentuation à l'arrière du front (zones de sol en traction)

CqPf


Comportement autour d’une section courante

Tendance générale observée pour les déplacements radiaux : refoulement à l’avant

et convergence à l’arrière du bouclier.

Une convergence accentuée en clé sous l’action de la gravité

Mise en évidence de l’influence de la pression frontale

Correspondance avec le comportement en contraintes.

Pf=0,6.σh0Pf=6,5.σh0


Comportement autour d’une section courante

Tendance générale observée pour les déplacements radiaux : refoulement à

l’avant et convergence à l’arrière du bouclier.

Une convergence accentuée en clé sous l’action de la gravité

Mise en évidence de l’influence de la pression frontale

Correspondance avec le comportement en contraintes.

Pf=6,5.σh0


Une stationnarité de l’évolution de la contrainte verticale au dessus de la clé du

tunnelier.

Effets de voûte longitudinaux et transversaux

Courbe

maîtresse


Géométrie de la zone de sol déconfinée verticalement

Point issu de

l'absence d'allègement

mesuré par le capteur 40

Point directement

tiré des courbes

maîtresses dans la

direction longitudinale

+1D

+0,5D

+0,2D

0-0,5D

-0,7D

-1,5D

D=

0,5

5m 0

,2D

0,3

D0

,3D

C=

0,9

5D

q=50kPa

Distance au

bouclier (D)

σv<σv0

σv=σv0

Tenseur des

contraintesDirection d'avancement

du tunnelier

Y

Z

q=50kPa

0,2

D0

,3D

0,3

D

+0,7D

X

Z

+0,7D

Coupe longitudinale dans l'axe du tunnelier

Coupe transversale au passage du bouclier

+1D+1D

Point extrapolé à

partir des courbes

maîtresses dans la

direction transversale

Légende :

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

σzz

/σzz

-in

itia

le

Distance à l'axe du tunnelier / Diamètre D du bouclier

MC6 (c=0,5kPa ;

Pf<0,5.sh0 ; q=50kPa)

MC7 (c=0,5kPa ;

Pf=0,5.sh0 ; q=50kPa)

(Essais MCF-01-08 et MCF-02-08)


Rupture par effondrement du front de taille

Confrontation modèles théoriques 3D (Subrin et al)4 / Expériences

Rupture par refoulement du front de taille

4 Subrin D. (2002), Etudes théoriques sur la stabilité et le comportement des tunnels renforcés par boulonnage, thèse de doctorat de l’ENTPE/INSA Lyon.

8


Mécanismes de rupture par effondrement du front de taille

Ma

ssif

Co

hé

ren

t F

rott

an

t

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Ux7

Ux8

Ux9

Ux61

qsurface

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Temps (en s)

Dé

pla

ce

me

nt

fro

nta

l (m

m)

(refoulement)

(extrusion)

Pre

ss

ion

ap

pli

qu

ée

en

su

rfa

ce

du

ma

ss

if (

kP

a)

Essai MC7

0,2D

60

cm

D =

55 c

m1

5 c

m

X

Z

Axe du tunnel

7 8

0,1

D

0,1D

961 0

,1D

9

Rupture par bloc en massif cohérent frottant (c=0.5kPa)

Bonne correspondance entre cinématiques de rupture expérimentale et

théorique


Pressions frontales limites

Observations expérimentales Stabilité théorique

Essai c (kPa) qini

(kPa) Front stable à chambre vide ?

qmax (kPa)

Front stable pour qmax ?

σTcin

(kPa) Front théoriquement

stable à chambre vide ?

MC2 2,5 0 OUI 0 OUI -2,7 OUI

MC3 2,5 0 OUI 50 OUI -2,7 OUI

MC4 1,5 0 OUI 50 OUI -1,4 OUI

MC5 0,5 0 OUI 45 NON 0 Limite stabilité

MC7 0,5 50 OUI 85 NON 0 Limite stabilité

MC8 0,5 0 NON -- -- 0 Limite Stabilité

Pressions limites de rupture: bonne correspondance entre les approches

théoriques et expérimentales :

Massifs de cohésion c ≥ 1.5kPa : Front de taille stable à chambre d’abattage vide

et lors de l’application d’une pression de surface.

Massifs de cohésion c' = 0.5kPa : Front de taille en limite de stabilité.

10


Mécanisme de rupture par refoulement du front de taille

5000 5500 6000 6500 7000 7500

0

1

2

3

σx/ σx initiale à l'axe du tunnelier

σz/ σ z initiale à l'axe du tunnelier

0.9

0.95

1

1.05

1.1

σx / σ

x i

nit

iale

Temps (s)

distance du capteur au bouclier : 1,4D

σz / σ

z in

itiale

blocage

14500 15000 15500 16000 16500 17000 17500

0

1

2

3

4

5

6

σx/ σx initiale à l'axe du tunnelier

σz/ σz initiale à l'axe du tunnelier0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

σx /

σ x

in

itia

le

Temps (s)

distance du capteur au bouclier : 0,65D

σz / σ

z in

itiale

Recul du tunnelierblocage

11


Pressions limites (et volumes de sols mobilisés) inférieurs expérimentalement

que théoriquement

Critère retenu pour la pression frontale limite expérimentale : apparition du premier

mouvement de refoulement en surface.

Faible pertinence du modèle théorique: de grands déplacements sont nécessaires pour

mobiliser la totalité des conditions cinématiques (irréaliste du point de vue pratique)

Pressions frontales limites

Rupture considérée c (kPa) q (kPa) σTexp (kPa) σT

cin (kPa)

MC1-B1 2,5 0 34 612

MC1-B2 2,5 0 10 612

MC3-B2 2,5 0 21 612

MC5-B1 0,5 0 47 515

MC5-B3 0,5 0 21 515

MC6-B2 0,5 50 70 3854

MC7-B2 0,5 50 76 3854

MC7-B3 0,5 50 43 3854

12


Conclusion

Aide à

la com

préhensio

n des

mécanism

es mis en je

u

Chantiers (EPBS) :

(?) Compréhension de la phénoménologie / Aide au

pilotage / Outils de dimensionnement(+ ) Données in situ

Modélisation physique 1g:Observation et analyses des

mécanismes mis en jeu sur

modèle réduit.

Lois de similitude

Aide à la compréhension des

mécanismes mis en jeu

Modélisation théorique

et numérique(Calcul à la rupture /

MEF, MDF)

Validation de la modélisation physique

(effets d’échelle ?)

Aide au dévelo

ppement e

t

au calage d

es modèle

s

Outil de dimensionnem

ent et

d’aide au pilotage

Validation de l’outil de

dimensionnem

ent réalisé

3

Pertinence des essais sur modèle réduit 1g

Bonne compréhension de la phénoménologie

Réponses concrètes à des problèmes de la pratique

Base de données consistante pour la modélisation théorique du problème


Merci de votre attention

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