SPECIALISE TUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINSTUNNELS et ... 2011-2012/4241-Module-4... · Conception...

MASTERE SPECIALISE

TUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINSTUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINSDe la conception à l’exploitation

Module 4. « Conception et Justification »

ETUDE DE CAS : TUNNEL DE MEKNES (MAROC) : conception et réalisation d’un tunnel en terrain conception et réalisation d’un tunnel en terrain

meuble sous faible couverture

H. LE BISSONNAISTERRASOL

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Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes

PLAN DE LA PRESENTATION

1. LE PROJET

2. LES ETUDES

3. LE CHANTIER

INSA Lyon ‐ ENTPE MS TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS 2011‐2012

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1. PROJET –Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes

Tunnel ferroviaire

Ligne Rabat -Meknès

Linéaire : 400 ml

Section : 87 m²

Ouverture : 12 m excavés

Hauteur : 8 5 m


Hauteur : 8,5 m

Couvert. max : 26 m

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1 PROJET 2 LES ETUDES 3 LES TRAVAUX

ff d déb d ê

1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX

Effondrement en 1999 au début des travaux en tête nord (18 ml d’excavation en pleine section), fontis remontant en surface

Reprise des études par Terrasol / Setec TPI en 2000- Expertisep- Avant projet- Projet- DCE- suivi des travaux


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1. PROJET –Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes

1 PROJET 2 LES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX

Profil en long géologique

Marnes du Miocène compactes, avec de rares niveaux plus sableux et quelques traces de gypse, et seulement 1 à 2 m d'éboulis ou zones lté é f


altérées en surface

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Caractéristiques mécaniques des marnes

Plasticité : IP = 15 à 30

q q

Plasticité : IP 15 à 30Teneur en eau w = 18 à 22 % en moyennePressiomètre : pl = 1,3 à 3 MPa et EM = 15 à 40 MPaPressiomètre : pl 1,3 à 3 MPa et EM 15 à 40 MPaRésistance au cisaillement : c' = 10 à 40 kPa

et ’= 25 à 28°Cohésion non drainée : cu =100 à 200 kPa

Marnes beiges (tête sud) plus médiocres (cu = 120 kPa) que les marnes grises (cu = 200 kPa)


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Deux types de soutènement envisageables

Pleine sectionbé j é d’é ibéton projeté 25 cm d’épaisseur

boulons HA25

maille de 1,25 x 1,25


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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX

Section divisée

Béton projeté 25 cm d’épaisseur

Section divisée

Béton projeté 25 cm d épaisseur

Cintres lourds HEB 180

espacés de 1,25 m


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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUXCALCUL CONVERGENCE-CONFINEMENT TERRASOL V 1 3 du 30/06/19991. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUXCALCUL CONVERGENCE-CONFINEMENT TERRASOL - V 1.3 du 30/06/1999

Formules de Panet Notation AFTES G.T. n°7Elastoplasticité, critère de Mohr-Coulomb Unités kPa, m

Affaire n° 16985Marnes MIOCENE

E0 = 45000 C0 = 225 = 0= 0.49 r = 5 o = 630

450 U 0 1043 U 0 0373

Calcul de la courbe du terrain

0TUNNEL MEKNES

LES ETUDES :

c = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373e = 0.36 re = 405 Kp = 1.00

Calcul de la courbe du soutènementso = 0.75

Uso = 0.1119Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + Cintres

Raideur : ks = 740241Pression max : Ps = 638

En étude préliminaire

Pression sur soutènement à l'équilibre : Pse = 154 FS = 4.1Béton Cintres HEB 180

fc28 = 15000 Type Acier = 240FS b = 0.6 FS a = 0.75

Eb = 1.0E+07 Ea = 2.1E+08

Epaisseur = 0.25 Espacement = 1.25k béton = 520833 k cintres = 219408

P bét 450 P i t 188

pApproche convergence

confinement

Ps béton = 450 Ps cintres = 188

600

700 Courbe du soutènement

Courbe du terrain Calcul Court Terme

(approches empiriques type RMR ou Barton peu 300

400

500

r (

kPa)

yp ppertinentes pour terrain

type sol) 100

200


yp00.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250

Déplacement Ur (m)

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Méthode convergence confinementRappel des conditions d’utilisation :pp

chargement isotrope couverture >5Dtunnel circulairephasage non pris en comptep g p p

Difficulté : détermination du taux de déconfinement à la pose du soutènement


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Contrainte initiale o = 30 * 21 = 630 kPao

Cohésion court terme cu = 200 à 250 kPau(en moyenne 225 kPa) avec u = 0°

Module d'Young E = 1,5 * EM = 45 Mpa

Rayon du tunnel R = 5 m


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CALCUL CONVERGENCE-CONFINEMENT TERRASOL - V 1.3 du 30/06/1999


0TUNNEL MEKNES

CALCUL CONVERGENCE-CONFINEMENT TERRASOL - V 1.3 du 30/06/1999


Affaire n° 169850TUNNEL MEKNES

Affaire n° 16985Marnes MIOCENE

E0 = 45000 C0 = 225 = 0= 0.49 r = 5 o = 630c = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373e = 0.36 re = 405 Kp = 1.00



Affaire n 16985Marnes MIOCENE

E0 = 45000 C0 = 225 = 0= 0.49 r = 5 o = 630c = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373e = 0.36 re = 405 Kp = 1.00


Uso = 0.1119


Uso = 0.1119Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + Cintres


Pression sur soutènement à l'équilibre : Pse = 154 FS = 4.1Béton Cintres HEB 180


Eb = 1.0E+07 Ea = 2.1E+08

Uso 0 9Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + Boulons


Pression sur soutènement à l'équilibre : Pse = 157 FS = 3.8Béton boulons HA25


Eb = 1.0E+07 Ea = 1.0E+08L 4

Epaisseur = 0.25 Espacement = 1.25k béton = 520833 k cintres = 219408

Ps béton = 450 Ps cintres = 188

600



Longueur = 4Epaisseur = 0.25 Maille = 1 pour 1.25 m2

k béton = 520833 k boulons = 43312Ps béton = 450 Ps boulons = 147

600



400

500

600

r (kP

a)

400

500

r (kP

a)

100

200

300

r

100

200

300


00.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250

Déplacement Ur (m)

00.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250

Déplacement Ur (m)

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STABILITE DU FRONTSTABILITE DU FRONT

Critère de stabilité du front N = / c < 5 vérifiéCritère de stabilité du front N = o / cu < 5 vérifié (N = 3 au maximum).

Pas de renforcement par boulonnage du front systématique (boulons en fibre de verre)systématique (boulons en fibre de verre)

A prévoir de façon localisé (aux têtes et dans lesA prévoir de façon localisé (aux têtes et dans les zones à faible couverture).


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Proposition de reconnaissances complémentaires 3 d tté 13 30 15 58 l- 3 sondages carottés : 13 + 30 + 15 = 58 ml,

- 3 sondages pressiométriques : 20 + 40 + 20 = 80 m 11 élè t d’é h till i t t- 11 prélèvements d’échantillons intacts

- Essais en laboratoire (identification, triaxiaux)


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APS /APD : première étape :p p

Synthèse des reconnaissances complémentairesy p

Profil en longg

Définition des caractéristiques de calculsq


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Calcul éléments finis (Plaxis au (stade APS puis CESAR LCPC

au stade APD-DCE))


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Caractéristiques de calculsCaractéristiques de calculs

Poids volumique(kN/m3)

Module instant. Eo(MPa)

Coef. de poisson

Cohésioncourt terme Cu (kPa)

Angle de frot.u

K0

Formations superficielles 20 10 0,3 5 30 0.5

Marnes beiges 21 20 0,3 120 0 1

Marnes grise 21 40 0,3 200 0 1


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Calculs avec excavation en pleine section (C1)Calculs avec excavation en pleine section (C1)phasage de calcul :C11 : Excavation du tunnel, avec un taux de déconfinement pris, pégal à = 0,7.

C12 i è ( é j é 2 )C12 : Mise en place du soutènement (béton projeté sur 25 cm),prise en compte des boulons et fin du déconfinement ( =1).

C13 : Mise en place du revêtement (mini 60cm). Application de lapression hydrostatique sur le revêtement (module PHS). Passage àp y q ( ) glong terme avec mise en charge du revêtement par consolidationdes terrains (module EFD, Effet différé).


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Calculs avec excavation en demi-section couverture maxi (C2)h d l lphasage de calcul :

C21 : Excavation de la demi section sup du tunnel, avec un taux de déconfinement = 0,7 (calcul non drainé).

C22 : Mise en place du soutènement en demi section supérieure (béton projeté sur 25cm, cintres HEB 180 espacés de 1,25 m) et fin du déconfinement ( =1).

C23 : Excavation de la demi section inférieure du tunnel, avec un taux dedéconfinement pris égal à = 0,8

C24 : Mise en place du soutènement en demi section inférieure (béton projeté sur 25cm) et fin du déconfinement ( =1). (calcul non drainé).

C25 : Mise en place du revêtement (mini 60cm, voir dessin). Application de la pressionhydrostatique sur le revêtement (calcul drainé) et passage à long terme avec mise encharge du revêtement par consolidation des terrains (module EFD)


charge du revêtement par consolidation des terrains (module EFD).

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Résultats : déformations en tunnel

POSITION Phase C11 Phase C12 Phase C13 déplacements verticaux en m A Clé de voûte -0.18 -0.17 -0.16

C Mi-Piédroit -0.18 -0.18 -0.17

G Clé de radier 0.2 0.29 0.31

p(pleine section)

POSITION Phase C21 Phase C22 Phase C23 Phase C24 Phase C25

A Clé d ût 0 18 0 22 0 3 0 3 0 3

déplacements verticaux en mA Clé de voûte -0.18 -0.22 -0.3 -0.3 -0.3

C Mi-Piédroit -0.1 -0.13 -0.21 -0.21 -0.21

G Clé de radier 0.15 0.35 0.5 0.5 -0.51

verticaux en m (sections divisées)


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Résultats : déformations en surface

dé l t ti à l’ d t l l i ti 8déplacements verticaux à l’axe du tunnel en pleine section : 8cm

déplacements verticaux à l’axe du tunnel en section divisée : 12 cm


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Résultats : efforts / contraintes dans le soutènement

Efforts béton projeté (pleine Phase c12 EFFORTS CONTRAINTES

SECTION N en kN M en kN.m T en kN intrados en Mpa extrados en Mpa

A Clé de voute 144 5 2 0.0 1.1 p j (psection)

B Rein 264 11 -9 0.0 2.1C Mi-Piédroit 685 -13 -19 4.0 1.5D Bas Piédroit 956 -177 -291 21.6 -13.6E naissance Radier 1062 -160 220 20.2 -11.4F mi-radier 1103 64 2 -1.7 10.5G Clé de radier 1101 63 13 1 6 10 5G Clé de radier 1101 63 -13 -1.6 10.5

SECTION EFFORTS BETON ACIERNef (kN) Mef (kN.m) Nb (kN) Mb (kN.m) intrados (MPa) extrados(MPa) Na (kN) Mb (kN.m) intrados (MPa) extrados(MPa)

A 1848 -84 1276 -56 -0.2 10.6 572 -28 28.2 190.7B 1652 -161 1141 -108 -5.7 15.0 511 -53 -58.8 254.6C 275 -28 190 -18 -1.0 2.5 85 -9 -10.5 43.0D 6 2 4 1 0 1 0 1 2 1 1 3 2 0D 6 -2 4 -1 -0.1 0.1 2 -1 -1.3 2.0E 5 -1 3 -1 -0.1 0.1 1 0 -0.9 1.5F 7 0 5 0 0.0 0.0 2 0 0.0 0.8G 9 0 6 0 0.0 0.1 3 0 0.1 0.9


(sections divisées : béton projeté et cintres)

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Résultats : revêtementPhase c13b EFFORTS CONTRAINTES

SECTION N en kN M en kN.m T en kN intrados en Mpa extrados en Mpa

A Clé de voute 1587 299 24 -2.5 7.5 Efforts béton coulé B Rein 1664 -39 -163 3.4 2.1C Mi-Piédroit 1887 -391 -2 9.9 -3.1D Bas Piédroit 2055 -542 134 11.5 1.6E naissance Radier 1963 -333 657 8.8 0.8F mi radier 1705 920 845 5 9 9 9

(pleine section)

F mi-radier 1705 920 845 -5.9 9.9G Clé de radier 1835 1742 0 -6.0 8.8

Phase c25 EFFORTS CONTRAINTESSECTION N en kN M en kN.m T en kN intrados en Mpa extrados en Mpa

A Clé de voute 1595 278 24 -2.1 7.2B Rein 1670 -49 -158 3.6 2.0C Mi-Piédroit 1981 -371 -17 9.7 -2.7D Bas Piédroit 2106 562 92 11 8 1 4

Efforts béton coulé (section divisée)

D Bas Piédroit 2106 -562 92 11.8 -1.4E naissance Radier 1979 -373 649 9.2 -1.0F mi-radier 1720 872 844 -5.4 9.5G Clé de radier 1850 1691 0 -5.7 8.6


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Comparaison des deux méthodes :

Résultats en terme de déformations :

Intérêt de la pleine section : réduction des déf ti t l (20 li ddéformations en tunnel (20 cm au lieu de 30 cm) et en surface (8 cm au lieu de 12 cm) du fait de la fermeture plus rapide de l’ensemble de section

Réduction de la plastification du terrain


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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX

Ré l d’ ff


Résultats en terme d’efforts

Intérêt de la pleine section : réduction des sollicitation du soutènement du fait de la rigidité plus faible, et de la soutè e e t du a t de a g d té p us a b e, et de aforme plus circulaire (diminution de la flexion)

D l d l’ ti ti di i é l iDans le cas de l’excavation en section divisée, la reprise de l’excavation en demi section inférieure vient f t t lli it l tè t d l d ifortement solliciter le soutènement de la demi section supérieure


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C i i é i éDCE : pas de solution imposée : choix de la méthode laissé à l’initiative de l’entreprise


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1 PROJET 2 LES ETUDES 3 ES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX

Début de l’excavation à l’été 2003 par une entreprise Chinoise (TEC) sur la base de la solution en section divisée


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Début de l’excavation en souterrain en octobre 2003Début de l excavation en souterrain en octobre 2003

demi section supérieure percée début mai 2003 et lademi section supérieure percée début mai 2003 et la demi section inférieure un mois plus tard, soit environ 7 mois pour 350 ml en souterrains avec une excavationmois pour 350 ml en souterrains, avec une excavation avec deux attaques à partir de février 2004.

L’avancement par tête a été de l’ordre de 6 à 7 ml par semaine avec un espacement des cintressemaine, avec un espacement des cintres progressivement passé de 1 m à 1,25 m.


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Mesures en surface

Tassements en surface

3

01020

60+.3

61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75

mm

3040506070asse

men

t en

m

708090

Ta

01/11/2003 15/11/2003 01/12/2003 15/12/2003 27/12/200314/01/2004 24/01/2004 13/02/1900 30/02/2004 14/05/2004

Tassements en surfaces :5 à 7 cm au niveau des têtes


5 à 7 cm au niveau des têtesinférieurs à 4 cm dès que la couverture augmente.

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Cuvette de tassementsCuvettes de tassements

0-30 -20 -10 0 10 20 30

Distance à l'axe (m)

Cuvettes de tassements PT64i = 11,5 m ; so = 42 mm ; d = 2

50 30 10 10 30 50

Distance à l'axe (m)

10

20

30

ts e

n m

m

PT 61PT 62

PT 63PT 64

PT 65PT 66

0

5

10

15

20

-50 -30 -10 10 30 50

s en

mm

PT 6440

50

60

Tass

emen

t PT 66

PT 67

PT 68PT 69

PT 74PT 75

20

25

30

35

40

45

Tass

emen

ts PT 64Théorique

i = 10,5 m,

7045

, ,tassement différentiel max de l’ordre de 2/1000rapport i/z de 0,42


pp ,Vs/V de l’ordre de 1,1%.

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Mesures en tunnelPT63 tassement en voûte

2628303234

Excav. 1/2 inf PT61 convergence horizontale (haute )

-50.0

-45.0

25/Nov

2/Dec

9/Dec

16/Dec

23/Dec

30/Dec

6/Jan

13/Jan

20/Jan

27/Jan

3/Feb10/F

eb17/F

eb24/F

eb2/M

ar9/M

ar16/M

ar23/M

ar30/M

ar

date

mm

)

101214161820222426

asse

men

t (m

m)

-40.0

-35.0

-30.0

-25.0

-20.0de d

éfor

mat

ion

(m

-202468

10

18/D

ec22

/Dec

26/D

ec30

/Dec

3/Jan

7/Jan

11/Ja

n15

/Jan

19/Ja

n23

/Jan

27/Ja

n31

/Jan

4/Feb

8/Feb

12/Feb

16/Feb

20/Feb

24/Feb

28/Feb3/M

ar7/M

ar11

/Mar

15/M

ar

date

t

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

vale

ur

Excav. 1/2 inf

Tassement de la clé de voûte pour le profil 63 : 32 mmconvergence (corde haute du PT61) avec une divergence forte

18 22 26 30 1 1 1 2 2 3 4 8 12 16 20 24 28 3 7 1 15 date

10.0

convergence (corde haute du PT61), avec une divergence fortependant un mois (35 mm), puis une convergence de 10 mm et ànouveau une reprise de divergence


nouveau une reprise de divergence

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Etudes : elles mettent en évidences les avantages eti é i hé i d d é h d ili blinconvénients « théoriques » de deux méthodes utilisablesen terrain déformable sous faible couverture. Excavation

l i i è " l " ( béen pleine section avec soutènement "souple" ( bétonprojeté et boulons) : réduction des déformations du

if à i d i imassif, par rapport à une excavation en demi sectionavec soutènement plus rigide (cintre lourd et béton

j té)projeté).


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La réalisation du chantier avec la deuxième méthode aLa réalisation du chantier avec la deuxième méthode anéanmoins montré que cette méthode permettait de bienmaîtriser ces déformations et qu’elle était compatible à unq pavancement correct pour une petite longueur à excaver.


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Avertissement

Ce document est un support de cours du Mastère Spécialisé “Tunnels et Ouvrages Souterrains :

de la conception à l’exploitation”de la conception à l exploitation .Il est strictement réservé aux étudiants de ce mastère et ne peut être

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SPECIALISE TUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINSTUNNELS et ... 2011-2012/4241-Module-4... · Conception...

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