TUNNELS : CRUSEMENT ET SOUTENEMENT
I.7. Pré-dimensionnement et choix de soutènement
I.7.1. Approche empirique
Elle se base sur des paramètres géotechniques, dont le choix de leurs l’utilisation font la différence entre elles (Gaudry. Givet, 2017).Cette approche représente ainsi le point de départ de l'évaluation qualitative et quantitative du soutènement. Parmi les méthodes existées et utilisées la méthode : de Terzaghi, de Lauffer, de Bieniawski (RMR), de Barton, de GSI, et de l’AFTES.
I.7.1.1. Méthode de Terzaghi
Terzaghi (1946) suppose une cinématique de rupture ou de décompression du terrain autour de l’ouvrage sol se décomprime et a tendance à converger vers le tunnel sous l'effet de la gravité et il propose d’une charge apportée par le sol sur le soutènement
Le soutènement est calculé à partir de la hauteur de terrain décomprimée (cloche) au-dessus de la voûte (Hp), dont les dimensions de la cloche sont déterminées en fonction des caractéristiques du terrain avec :
a )
b )
Université de M.S.B.Y -Jijel Master II GIG 21 Fig. II.11. Principe de la méthode de Terzaghi
Cette méthode distingue 9 classes de terrains en fonction de leur comportement en souterrain, dont il dépendant de la résistance, du caractère stratifié ou non, de la fracturation, de la nature des joints, de la déformabilité, de l'altération et (ou) du gonflement de la roche. Pour chaque classe, Terzaghi propose un type de soutènement et une estimation de la charge rocheuse s'exerçant sur ce soutènement, mais l'analyse des critères et l'attribution d'une classe restent essentiellement qualitatives (Guo, 1995) (Tableau 5).
Tableau. II.5. Classification de Terzaghi
Nature de la roche Charge Hp Remarques
Dure et intacte 0 à 0,25 B Quelques ancrages s'il y a la chute de
pierres
Dure et stratifiée 0 à 0,5 B Soutènement léger
Massive avec quelques joints 0 à 0,25 B La charge peut changer brusquement d'un point à l'autre
Modérément ébouleuses 0,25 à 0,35 (B+Ht) Pas de pression latérale
Très ébouleuse 0,35 à 1,1 (B+Ht) Peu ou pas de pression latéral
Complètement broyée Chimiquement
inerte 1,1 (B+Ht) Pression latérale considérable
Roche fluant à profondeur modérée 1,1 à 2,1 (B+Ht) Grande pression latérale cintres circulaires recommandés Roche fluante à grande profondeur 2,1 à 4,5 (B+Ht) Grande pression latérale cintres
circulaires recommandés Roche gonflante
Jusqu' à 75 m
indépendant de (B+Ht )
Cintres circulaires dans les cas extrêmes, cintres coulissants
I.7.1.2. Méthode de Lauffer
Lauffer (1958) propose de classer les terrains en fonction de deux paramètres expérimentaux caractéristiques du comportement en souterrain :
1) La longueur (L) d'excavation stable sans soutènement
2) La durée de cette stabilité (t) en fonction des valeurs de ce couple de paramètres. Lauffer distingue 7 classes de la qualité de la masse rocheuse, de très bonne qualité (classe A) à très mauvaise qualité (classe G) pour chacune desquelles est préconisé un type de soutènement.
Bien que d'une mise en pratique très difficile parce que, a priori, les valeurs des paramètres (L) et (t) ne sont pas connues, cette classification est très intéressante parce que LAUFFER a introduit pour la première fois le principe de l'interaction terrain-soutènement dans la stabilité de l'excavation au voisinage du front et l'importance de la longueur découverte.
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Fig. II.12. Relation entre la portée active et stand-up time et la qualité de la masse rocheuse.
I.7.1.3. Méthode de Bieniawski
En 1979 Bienweski a établi une relation entre les classes du système RMR 79 et la méthode de Lauffer pour estimer le temps de soutènement pendant l’excavation (fig. 13).
Fig. II.13. Relation entre le stand-up time selon le système RMR (Bieniawski, 1979)
La classification de Lauffer a été modifiée par Bieniawski en 1993 pour estimer la stabilité du tunnel sans soutènement pour une longueur (L) et une durée (t) selon les classes du RMR89
Université de M.S.B.Y -Jijel Master II GIG 23 Fig.II.14. Relation entre le Stand -up- time et le RMR avec la portée du tunnel (Bieniawski, 1993)
En 1989, Bieniawski a établi des règles pour le creusement et le soutènement des tunnels dans les masses rocheuses de 10 m de section selon les classes de RMR89
Tableau. II.6. Directives en fonction de RMR pour le creusement et soutènement des tunnels de 10 m selon RMR (Bieniawski, 1989).
Rock mass
class Excavation
Rock bolts (20 mm diameter, fully grouted
Shotcrete Steel sets I - RMR:
81-100 Very good rock
Full face 3 m advance Generally, no support required except bolting
II - Good rock RMR : 61-80
Full face 1-1,5 m advance. Complete support 20 m from
face.
Locally, bolts in crown 3m long, spaced 2,5 m with occasional wire mesh.
50 mm in crown where required.
None.
III - Fair rock RMR : 41-60
Top heading and bench 1,5-3m advance in top
heading. Commence support after each blast. Complete support 10 m from face.
Systematic bolts 4 m long, spaced 1,5 - 2 m in crown and walls with wire mesh in crown.
50-100 mm in crown and 30 mm in sides None. IV - Poor rock RMR : 21-40
Top heading and bench 1,5-3m advance in top
heading. Install support concurrentlywith excavation, 10 m from face.
Systematic bolts 4-5 m long, spaced 1-1,5 m in crown and walls with wire mesh. 100-150 mm in crown and 100 mm in sides Light to medium ribs spaced 1,5 m where required. V - Very poor rock RMR: <20 Multiple drifts 0,5-1,5 m
advance in top heading. Install support concurrently
with excavation, Shotcrete as soon as possible after
blasting
Systematic bolts 5-6 m long, spaced 1-1,5 m in crown and walls with wire mesh. Bolt invert.
150-200 mm in crown, 150 mm in sides,and 50 mm on face Medium to heavy ribs spaced 0,75 m with steel lagging and forepoling if required. Close invert.
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I.7.1.4. Méthode de Barton
Afin de pouvoir relier l’indice Q à des recommandations de soutènement dans les ouvrages souterrains, Barton & al ont défini une grandeur supplémentaire qui est la dimension équivalente
De de l’excavation :
De
(m)= 𝐵 𝐸𝑆𝑅De : Dimension équivalente de l’ouvrage, ESR : Excavation Support Ratio), B : largeur de tunnel.
ESR est un facteur dépendant de la finalité de l'excavation, autrement dit, du degré de sécurité recherché pour la stabilité. Ses valeurs par Barton selon les types des excavations souterraines
Lorsque la portée d'une excavation excède la portée limite prédite par l'équation ci-dessus, il est nécessaire d'installer un système de soutènement en vue de maintenir le massif rocheux entourant l'excavation dans des conditions acceptables de stabilité
Tableau II.7. ESR pour divers types d'ouvrages souterrains [Barton & al, 1974]
.
En 1975 Barton et al., ont établi une relation entre le système Q et la méthode de Lauffer pour estimer la stabilité du tunnel sans soutènement (longueur et durée) pendant l’excavation (fig. 15).
Type d'excavation ESR
A. Ouvertures temporaires dans les mines 3˗5
B. Ouvertures permanentes dans les mines Conduites forcées pour usines hydroélectriques Galeries pilotes pour grandes excavations
1.6
C. Chambres de stockage
Tunnels routiers et ferroviaires d'importance mineure Tunnels d'accès Cheminées d'équilibre
1.3
Centrales électriques
Tunnels routiers et ferroviaires d'importance majeure
Abris souterrains Têtes et intersection de galerirs
1.0
E. Centrales nucléaires souterrain Aménagements et publics
Entreprises
Université de M.S.B.Y -Jijel Master II GIG 25 Fig.II. 15. Stand-up time et le système Q (Barton et al., 1975).
En fonction des paramètres Q et de De Barton, Lien et Lun de ont proposé en 1974, 38 classes de soutènement (à base de boulonnage, de béton projeté, de revêtement en béton, ou de toute autre combinaison de ces types de renforcement. Lorsque les techniques de soutènement ont évolué depuis 1974, en 1993 Barton et Grimstad ont modifié les 38 classes de soutènement et remplacées par des catégories plus vastes, et des nouvelles techniques de soutènement ont été introduites. Par exemple, le béton projeté par voie humide et le béton projeté avec fibres d'acier ont remplacé le béton projeté associé au treillis soudé existant. Le boulonnage local, le boulonnage systématique et les revêtements en béton coffré sont toujours utilisés. Le graphique de la figure 17 représentant les nouvelles classes de soutènement en fonction de Q et De (Figure16):
Université de M.S.B.Y -Jijel Master II GIG 26 Fig. II.16. Classes de soutènement support selon le système Q (Grimstad and Barton, 1993).
I.7.1.5. Recommandations de l’AFTES
L’AFTES fournit des recommandations propres à orienter le choix du soutènement : béton projeté, boulons à ancrage ponctuel ou à ancrage réparti, cintres, voussoirs.
En effet, divers tableaux ont été élaborés afin d'indiquer, en fonction de la valeur des paramètres qui caractérisent les différents critères en question, si le soutènement considéré est :
1) Soit particulièrement recommandé.
2) Soit possible à condition que d'autres critères soient particulièrement favorables (plutôt favorable).
3) Soit très mal adapté bien qu'éventuellement possible (plutôt défavorable). 4) Soit en principe impossible (nettement défavorable).
La superposition des résultats relatifs à chacun des critères doit permettre de sélectionner le type de soutènement le plus approprié. Certaines remarques particulières sont ajoutées dans certains cas comme on peut s'en rendre compte dans l'exemple suivant :
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