Phénomène de décompression du massif

Au cours de l’excavation d’un tunnel, l’avancement du front de taille provoque une perturbation dans le terrain qui se propage longitudinalement et transversalement en altérant le champ de contrainte préexistant dans le cite, autrement dit le milieu dans le quel nous opérons.

Dès lors, le projet et la réalisation d’un tunnel ne peuvent pas se passer de la connaissance de :

 Le milieu à l’intérieur duquel nous opérons.

 L’action que nous accomplissons pour pratiquer l’excavation.

 La réaction attendue à la suite de l’excavation.

A. Le milieu : qui est dans la pratique, le terrain ou on va réaliser le projet (sable, argile et

roche). Donc ce milieu étant discontinu, non homogène, anisotrope. En surface, il présente des caractéristiques assez variées, mais qui dépendent exclusivement de sa nature intrinsèque (consistance naturelle). En profondeur, ces caractéristiques se modifient également en fonction de l’importance des contraintes exerçant sur lui (consistance acquise).

B. L’action : s’exprime par l’avancement du front à l’intérieur du milieu. Il s’agit donc d’un

phénomène strictement dynamique. Nous pouvons imaginer l’avancement d’un tunnel comme un disque (le front) qui procède à une certaine vitesse V à l’intérieur du massif, laissant derrière lui le vide. Il produit une perturbation longitudinale et aussi transversale dans le milieu qui modifie l’état de contrainte s’exerçant sur lui (figure III.1).

Figure III.1 : Action de l’avancement du front de taille sur le milieu.

A l’intérieur de la zone perturbée, le champ de contrainte préexistant que nous pouvons représenté comme un réticule de lignes de flux qui est dévié par la présence de l’excavation produit des contraintes importantes. Ces contrainte caractérisent dans chaque milieu l’ampleur de la zone perturbée (à l’intérieur de laquelle le terrain subit une chute des caractéristiques géomécaniques et par voie de conséquence une augmentation du volume en fonction de la résistance du massif ς_gd). Donc l’ampleur de la zone perturbée à proximité du front de taille est définie par le rayon d’influence du front 𝐑_𝐟.

Nous pouvons distinguer trois zones caractéristiques :

 Une zone non perturbée par l’excavation, loin devant le front, où le massif est soumis au champ de contrainte initial.

 Une zone perturbée (ou zone du front de taille), en avant du front et à proximité de celui-ci, limitée par le rayon d’influence du front, où le champ de contrainte est tridimensionnel.

 Une zone de stabilisation, loin derrière le front, où celui-ci n’a plus d’influence et où le champ de contrainte devient plan.

zone de stabilisation zone du front de taille zone non perturbée

Figure III.2 : Avancement du front de taille et les zone caractéristiques (Lunardi 2008).

C. La réaction : est la réponse en déformation du milieu à l’action d’excavation. Elle se

produit dans le cadre de la zone perturbée à la suite des sur tentions qui se sont créées dans le milieu sur le contour de la cavité et se manifeste par des phénomènes d’extrusion sur le front de taille et de convergence sur le contour de la cavité.

On définit le noyau d’avancement comme le prisme de terrain en amont du front de taille. Il s’étend sur une longueur correspondant au rayon d’influence du front soit environ le diamètre

du tunnel. L’arrivée du front de taille modifie le champ de contrainte autour de ce noyau d’avancement en supprimant la contrainte sur le front même (figure III.3).

Figure III.3 : Le champ de contrainte autour du noyau d’avancement.

Les déformations créées par l’annulation des contraintes au front peuvent être de différents ordres :

1. Si l’élimination de l’état de contrainte au front (𝜎₃ = 0) se fera avec le noyau au front sous contrainte en domaine élastique, la paroi libérée (front de taille) se maintiendra stable avec des déformations limitées et absolument négligeables.

Dans ce cas la canalisation des contraintes sur le contour de la cavité (effet de voûte) se fait par la voie naturelle.

2. Si l’élimination de l’état de contrainte au front (𝜎₃ = 0) se fait lorsque le noyau au front est sous contrainte en domaine élastoplastique, la réaction sera importante et la paroi du front de taille se déformera élastoplastiquement vers l’intérieur de la cavité (extrusion) et donnera lieu à une situation de stabilité à court terme. Cela signifie l’amorce d’un phénomène de plastification qui va se propager longitudinalement et radialement à partir du contour de l’excavation et qui produit le déplacement de (l’effet de voûte) plus à l’intérieur du massif. Ce processus ne peut être arrêté qu’à travers la réalisation d’interventions pertinentes de stabilisation de terrain.

3. Si l’élimination de l’état de contrainte au front (𝜎₃ = 0) se fait lorsque le noyau au front est sous contrainte en domaine de rupture, le noyau devant le front devient instable et c’est une situation évidemment inacceptable.

Donc les caractéristiques de résistance et de déformabilité du noyau d’avancement jouent un rôle déterminant sur l’apparition et sur l’évolution des phénomènes de déformation (figure III.4).

Chapitre № III Renforcement du front de taille d’un tunnel par boulonnage.

Front de taille

Figure III.4 : Comportement du noyau d’avancement en fonction de l’état de contrainte (Lunardi 2008).

Afin que le noyau d’avancement devienne un instrument fondamental de contrôle et de maitre de réponse en déformation, il faut opérer en amont du front des interventions de pré-consolidation exerçant une action que nous appellerons de pré-confinement pour la distinguer de l’action de simple confinement qui agit sur le contour de la cavité en aval du front (figure III.5).

Action de confinement Action de pré-confinement Figure III.5 : Action de confinement et de pré-confinement sur une cavité.

L’action de pré-confinement de la cavité s’oppose à la déformation de la réponse en amont du front. Elle limite donc son évolution en aval et facilite sa règlementation.

Si on donne au noyau une rigidité suffisante, il devient possible de maintenir le terrain à l’intérieur du rayon d’influence du front de taille, essentiellement en domaine élastique, et d’obtenir ainsi des phénomènes de déformation réduits.

Au cours de ces dernières années, la disponibilité des technologies d’excavation et de renforcement à abouti à une véritable révolution dans les tunnels, qui permet à P. Lunardi de proposer une méthode innovante de conception et de construction appelée l’approche

ADECO-RS (analyse des déformations contrôlées dans les roches et dans les sols). Dont

l’application en Italie [à partir des années quatre vingt] a donné lieu à des résultats exceptionnels voire incroyables.

Noyau d’avancement Front de taille

III.3.

L’analyse des déformations contrôlées dans les roches et dans les sols