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Anes Salih
Dédicace
Rien n’est aussi beau à offrir que le fruit d’un labeur qu’on dédie du fond du cœur à ceux qu’on aime et qu’on remercie en exprimant la gratitude et la reconnaissance
durant toute notre existence.
Je dédie ce modeste travail : A notre encadreur Lmara.M.
A celle qui a attendu avec patience les fruits de sa bonne éducation, son affection,
…. À ma mère, ma mère, ma mère.
A celui qui m’a indiqué la bonne voie en me rappelant que la volonté fait toujours les grands hommes … à mon père.
A tous mes frères.
A tous mes oncles et mes tantes.
A tous mes amis chacun à son nom ; Soutut Elhassen, Twati et Eldemagui.
A tous mes enseignants.
A toute la promotion 2017.
A mon collègue salih et sa famille.
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Dédicace
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durant toute notre existence.
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Résumé
La densification des agglomérations urbains et l’embouteillage ont conduit à une demande croissante pour la construction des ouvrages souterrains. Les techniques de réalisation de ces ouvrages ont connues une évolution importante dans les dernières décennies.
L’objectif de notre travail est d’étudier un tunnel autoroutier bitubes « Tunnel Texanna», faisant part de la pénétrante à l’autoroute Est-Ouest et reliant Jijel- El Elma d’une longueur de 1.9 Km. L’excavation a été réalisée selon la méthode NATM (New Austrian Tunnelling Method).
L’étude en question consiste à faire une modélisation numérique de l’ouvrage souterrain en question, de réaliser une étude paramétrique pour vérifier l’influence des différents paramètres géotechniques sur le comportement du sol et de l’état de sollicitation du tunnel, et de comprendre les impacts de creusement d’un tube par rapport à l’autre du même ouvrage.
La modélisation numérique réalisée dans notre mémoire a été faite en utilisant les logiciels qui sont basés sur la méthode des éléments finis SAP 200, pour vérifier la
agissant sur le tunnel et étudier son comportement en tenant compte les conditions de site.
Mots Clés : Tunnel, Déformation, Méthode d’éléments finis, SAP 2000, PLAXIS, Excavations, NATM.
Abstract
Summary
Urban areas densification and traffic conjunction have led to an increasing demand for the construction of underground structures. The techniques used to construct these structures have evolved considerably in recent decades.
The objective of our work is to study a twin-highway tunnel "Texanna Tunnel", as a part of the penetrating to east-west highway, linking Jijel-El Elma with a length of 1.9 km. The excavation was carried out using the NATM method (New Austrian Tunneling Method).
The study in question consists in carrying out a numerical modeling of the underground structure in question, to carry out a parametric study to verify the influence of the various geotechnical parameters on the behavior of the soil and tunnel condition, and understand the impacts of digging a tube with respect to the other of the same structure.
The numerical modeling carried out in our memory has been done using two software, which are based on the finite element method, SAP 200 to verify the stability of the supports and PLAXIS 8.2 to evaluate the different stresses acting on the tunnel and to study its behavior taking in account site conditions.
Keywords: Tunnel, Deformation, Excavations, NATM, Finite element method, SAP 200, PLAXIS.
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Introduction générale ... 1
Chapitre I : Généralité sur les tunnels I.1. Introduction ... 3
I.2. Historique des ouvrages souterrains... 3
I.3. Principaux types des tunnels ... 4
I.3.a. Les tunnels de communication ... 5
I.3.b. Les tunnels de transport et d’évacuation ... 5
I.3.c. Les tunnels et cavités de stockage ... 6
I.4. Facteurs d’implantation d’un tunnel ... 8
I.4.1. Choix du tracé en plan ... 8
I.4.2. Etude du profil en long ... 8
I.4.3. Choix de la section ... 9
I.5. Techniques de creusement ... 9
I.5.1. Processus de choix ... 10
I.5.1.a. Première phase ... 10
I.5.1.b. Deuxième phase ... 10
I.5.1.c. Troisième phase ... 10
I.5.2. Les différentes méthodes de creusements ... 11
I.5.2.a. Méthode à pleine section ... 11
I.5.2.b. Méthode de demi-section ... 12
I.5.2.c. Méthode de section divisée ... 12
I.5.3. Modes de creusements des tunnels ... 13
I.5.3.1. Exécution dans les terrains durs ... 13
I.5.3.1.a. Creusement à l’explosif ... 13
I.5.3.1.b. Principe de travail des explosifs ... 14
I.5.3.2. Creusement mécanique ... 16
I.5.3.2.a. Machine à attaque ponctuelle ... 16
I.5.3.2.b. Machine à attaque globale (T.B.M) ... 17
I.5.3.2.c. La haveuse ... 18
I.5.3.3. Creusement à l’aide du ciment expansif ... 18
I.5.3.4. Exécution dans les terrains meubles ... 19
I.5.3.4.a. La pelle hydraulique ... 19
I.5.3.4.b. Le Bouclier ... 19
I.5.3.4.b.1. Les boucliers ouverts ... 20
I.5.3.4.b.2. Les boucliers de type fermé ... 20
I.6. Conclusion... 22
Chapitre II : Prospections Géologiques et Etudes Géotechniques II.I. Introduction ... 23
II.2. Lieu et Caractéristiques du Tracé ... 23
II.2.1 Localisation de tunnel ... 24
II.2.2. Dimensions du tunnel ... 25
II.3.Prospections géologiques ... 27
II.3.1.Géologie régionale ... 27
II.3.2. La géologie locale ... 27
II.3.2. 1. Présentation du site ... 27
II.3.2.2. Géologie du tracé de tunnel ... 28
II.4. Etude géotechnique du site ... 33
II.4.1. Sondages carottés ... 33
II.4.2 Sondages TBH ... 36
II.4.3. Essai in Situ ... 37
II.4.3.1. Essais préssiométrique ... 37
II.4.3.3. Essais de perméabilité in situ... 38
II.4.4. Essais de Laboratoire ... 40
II.5 Etude Géophysique Du Portail Sud ... 42
II.6. Classification des massifs Rocheux du terrain ... 43
II.6.1. Paramètres Géotechniques ... 43
II.6.2. Evaluation des paramètres élastique et de classification ... 44
II.7. Recommandations ... 49
II.8. Conclusion ... 50
Chapitre III : Soutènement et Revêtement
III.1. Introduction ... 51
III.2. Pré-soutènement au front de taille ... 51
III.2.1. Définition de pré-soutènement ... 51
III.2.2. Classification de pré-soutènement ... 52
III.2.2.1. La voûte parapluie ... 52
III.2.2.2. Avantage du pré-soutènement par voûte parapluie ... 54
III.2.2.3. Anneau renforcé ... 54
III.3. Les soutènements... 55
III.3.1. Rôle du soutènement ... 55
III.3.2.Classification des modes de soutènement ... 56
III.4. Les différents types de soutènement ... 57
III.4.1. Les soutènements agissant par supportage ... 57
III.4.2. Les soutènements agissant à la fois par confinement et comme armature du terrain encaissant ... 59
III.4.3. Les soutènements agissant par confinement du terrain encaissant ... 60
III.4.4. Les soutènements agissant par consolidation du terrain et modification des Caractéristiques géotechniques ou hydrologiques ... 61
III.4.5. Choix d’un mode de soutènement ... 61
III.5. Revêtement... 62
III.6. Étanchéité ... 65
III.6.1Choix du système d’étanchéité ... 66
III.6.2.Type de produit d’étanchéité ... 66
III.7. Classes De Revêtements (Choix Du Soutènement)... 67
III.7.1. Système de Support selon la Classe de Roche RMR ... 68
III.7.2. Système de Revêtement selon la classe de support Q... 69
III.8. Paramètre de soutènement provisoire du tunnel ... 71
III.8.1. Les cintres lourds ... 71
III.8.2. Boulons d'ancrage ... 71
III.9. Méthode De Creusement ... 72
III.10. Conclusion ... 74
Chapitre IV : Méthodes des Calculs IV.1. Introduction ... 75
IV.2 Méthodes empiriques ... 76
IV.2.1. Méthode de K. Terzaghi ... 76
IV.2.2. Méthode de N-BARTON ... 78
IV.2.3. Méthode de BIENIAWSKI ... 79
IV.2.4. Classifications de l'AFTES (1993) ... 80
IV.2.4.1 Principe ... 80
IV.2.4.2. Recommandation de L'AFTES ... 81
IV.2.5. Méthode de l’indice de résistance géologique GSI ... 81
IV.3. Les méthodes analytiques... 82
IV.3.1. Les méthodes analytiques élastiques ... 84
IV.3.2. Les Méthodes analytiques élasto-plastique ... 84
IV.3.2.1. Théorème limite (1950). [Caquot, Atkinson, Mühlhaus]... 84
IV.3.3. Méthode convergence-confinement... 86
IV.3.3.1. Introduction ... 86
IV.3.3.2. Principe générale de la méthode ... 86
IV.3.3.3. Comportement du massif ... 86
IV.3.3.4. Comportement du soutènement ... 87
IV.3.3.4. L'équilibre final ... 87
IV.4. Les méthodes numériques ... 88
IV.4.1. Introduction ... 88
IV.4.2. Les différentes méthodes numériques ... 89
IV.4.3. Les différents types de modélisations de tunnel ... 89
IV.4.4. La modélisation 2D en déformations planes : ... 89
IV.4.5. La modélisation 2D en conditions axisymétriques ... 91
IV.4.6. La modélisation tridimensionnelle : ... 92
IV.5. Conclusion ... 93
Chapitre V : Evaluations des charges
V.1. Introduction ... 95
V.2. Les pressions souterraines ... 95
V.2.1. Types et origines ... 95
V.2.1.1 Poussée de détente ... 96
V.2.1.2. Poussée géologique ... 97
V.2.1.3. Poussée de gonflement ... 97
V.3. Les méthodes de détermination des pressions souterraines ... 97
V.3.1. Pressions verticales : (σv)………...97
V.3.1.1. Théorie de TERZAGHI ... 98
V.3.1.2. Théorie de BIERBAÜMER ... 99
V.3.1.3. Théorie des poids des terres ... 100
V.3.1.4. Théorie de PROTODIAKONOV ... 101
V.3.2. Pressions horizontales (σh) ... 103
V.3.2 Pressions horizontales (σh)………...103
V.3.2.1. Théorie de TERZAGHI ... 103
V.3.2.2 Théorie de PROTDIAKONOV………...103
V.3.2.3. Théorie de COULOUMB-RANKINE... 103
V.3.2.4. L’expérience soviétique ... 105
V.3.3. Evaluation des pressions agissant au niveau du radier ... 106
V.3.3.1. Méthode de TERZAGHI ... 106
V.3.3.2. Méthode de TSIMBARIEVITCH ... 108
V.4. Evaluation des pressions hydrostatiques ... 110
V.5. Charges et surcharges ... 110
V.5.1. Charges intérieures ... 110
V.5.2. Charges extérieures ... 110
V.6. Calcul des pressions agissant sur le soutènement de demi-section supérieure ... 111
V.6.1. Pression Verticale et horizontale ... 111
V.7. Calcule des pressions agissant sur le soutènement de la structure globale ... 113
V.7.1. Pression Verticale et horizontale ... 113
V.8. Calcul des pressions actives agissantes sur le niveau de radier ... 116
V.8.1. Pression Verticale et horizontale ... 116
V.9. Les résultantes des efforts agissantes à la direction de l'excavation... 117
V.9.1. L'effort horizontal décomposé en deux Composantes définit par (T0) ... 117
V.10. La contrainte sous le radier est calculée par la formule ... 118
V.11. Conclusion ... 118
Chapitre VI : Dimensionnement du soutènement provisoire VI.1. Introduction ... 119
VI.2. Soutènements provisoires ... 119
VI.2.1. Réalisation ... 119
VI.2.2. Système statique de soutènement ... 120
VI.2.3. Hypothèses du calcul ... 120
VI.2.4. Détermination des efforts ... 120
VI.2.5. Réactions d'appuis ... 122
VI.2.6. Répartition des efforts internes entre les cintres métalliques et la voûte en béton projeté ... 123
VI.2.6.1. Rigidités des cintres métalliques ... 123
VI.2.6.2. Rigidités de la voûte en béton projeté ... 124
VI.2.7. Les efforts agissant sur chaque élément de soutènement dans les cintres ... 125
VI.2.8. La vérification du cintre ... 125
VI.2.9. La Vérification du béton projeté ... 126
VI.2.10. Vérification du soutènement provisoire avec le logiciel SAP 2000 ... 126
VI.2.10.1. Principe général de la modélisation ... 127
VI.2.10.2. Les conditions aux limites ... 127
VI.3. Soutènement ... 127
VI.3.1. Introduction ... 128
VI.4. Définition des charges agissant sur l’ouvrage ... 128
V.4.1. Pour la demie - section supérieur ... 128
VI.4.2. Les réactions d’appuis ... 130
VI.4.3. Pour la structure globale ... 132
VI.4.4. les Réactions d’appuis ... 134
VI.4.5. Les caractéristiques du béton projeté ... 135
VI.4.6. Vérification du soutènement provisoire ... 136
VI.5. Répartition des efforts internes entre les cintres métalliques et la voûte en béton Projeté ... 140
VI.5.1. Rigidités des cintres métalliques ... 140
VI.5.2. Rigidité de la voûte en béton projeté ... 141
VI.5.3. La vérification ... 141
VI.5.3.A. Vérification à L’ELU : ... 143
VI.5.3.B. Vérification à L’ELS ... 143
VI.5.4. Vérification au cisaillement ... 144
VI.5.4.1. Vérification de cisaillement des cintres ... 144
VI.5.4.2. Vérification au cisaillement du béton projeté ... 144
VI.5.4.3. Vérification au cisaillement de l’assemblage... 145
VI.6. Conclusion ... 146
Chapitre VII : Auscultation VII.1. Introduction ... 147
VII.2. Auscultation pendant les travaux ... 147
VII.2.1 Objectifs et contraintes de l’auscultation………...147
VII.2.1.1 Objectifs………...147
VII.2.1.2 Contraintes ... 148
VII.2.2 Moyens mis en œuvre……….149
VII.2.2.1 En déformation……….149
VII.2.2.2 En Contrainte ... 151
VII.2.3. En hydrogéologie ... 152
VII.2.4. Acquisition et exploitation des données ... 152
VII.4 Conclusion……….152
Chapitre VIII : Méthode de convergence-confinement VIII.1 Introduction ... 154
VIII.2. Principe général de la méthode ... 155
VIII.3 Application de la méthode sur un tançons de tunnel ... 157
VIII.3.1 Etablissement de la Courbe de convergence ... 157
VIII.3.2 Etablissement de la Courbe de confinement ... 163
VIII.4 Conclusion ... 167
Chapitre IX : Présentation du logiciel Plaxis IX.1 Introduction ... 168
IX.2 Discrétisation d'un milieu continu ... 168
IX.3 Procédures de calcul ... 169
IX.4 Les lois de Comportements ... 172
IX.4.1 Loi élastique linéaire isotrope (Loi de HOOK) ... 172
IX.4.2 Comportement élasto-plastique ... 172
IX.4.2.1 Notions de bases fondamentales ... 173
IX.5 Les critères de rupture ... 175
IX.6 Présentation du logiciel PLAXIS ... 177
IX.7 Les Modèles de comportements implantés dans PLAXIS ... 179
IX.7.1 Généralités ... 179
IX.7.2 Modèle de Mohr-Coulomb ... 180
IX.8 Conclusion ... 182
Chapitre X : Modélisation numérique
X.1 Introduction ... 183
X.2 Caractéristiques du terrain et de soutènements ... 184
X.2.1 Caractéristiques géotechniques du terrain ... 184
X.2.2 Caractéristiques mécaniques du soutènement (cintre et béton projeté) ... 185
X.3 Modèle géométriques et conditions aux limites ... 187
X.3.1 1es Phase de calcul ... 189
X.3.2 Conditions initiales ... 190
X.4. Déformation du Maillage ... 190
X.5 Les déplacements dans les deux tunnels ... 191
X.5.1 Tube gauche de tunnel (phase N° : 08) ... 191
X.5.2 Tube droit de tunnel (phase N° : 16) ... 193
X.5.3 Interprétation des résultats ... 195
X.6 L’influence de creusement de tunnel droit sur le tunnel gauche ... 195
X.6.1 Les sollicitations (N, T, M) (phase 08) ... 195
X.6.2 Les sollicitations (N, T, M) (phase 16) ... 197
X.7 Etude paramétrique ... 200
X.7.1 l’influence des paramètres géotechniques sur les tassements en surface et au-dessus de la clé de voûte ... 200
X.7.1.a Influence de module de Young E ... 200
X.7.1.b Influence de l'angle de frottement φ ... 201
X.7.1.c Influence du coefficient de poisson υ ... 202
X.7.2 Interprétation des résultats ... 203
X.8 Conclusion ... 203
Conclusion générale ... 204
Tableau.II.1 : Les coordonnées des Forages Réalisés ... 35
Tableau.II.3 : Résultats de l’essai préssiométrique (à côté de FT-4) ... 39
Tableau.II.4 : Résultats des essais de perméabilité in situ ... 40
Tableau.II.5 : Tableau récapitulatif des tests de laboratoire en 2015 ... 41
Tableau.II.6 : Tableau récapitulatif des tests de laboratoire en 2013 ... 42
Tableau. II.7 : Paramètres géotechnique recommandés de l’unité située ... 44
Tableau.II.8 : Calculs du Module de Déformation pour l’unité constatée au niveau du Tunnel ... 46
Tableau.II.9 : Classification de RMR pour l’unité constatée au niveau du Tunnel ... 47
Tableau.II.10 : Paramètres relatifs au système de classification Q pour l’unité constatée au niveau du Tunnel ... 48
Tableau. II.11 : Paramètres de conception de l’unité située au niveau du tunnel entre le PK 24+840 et le PK 26+550 ... 49
Tableau III.1 : Différents types de profilés ... 59
Tableau III.2 : Paramètres Proposés du Jijel Tunnel ... 68
Tableau III.3 : Systèmes de Support Primaire Proposés dans les Tunnels d’Epaisseur de 5 à 12 mètres selon le Système de Classification du Massif Rocheux (RMR) ... 69
Tableau III.4 : Classes de Soutient selon le Système Q ... 70
Tableau IV.1 : Hauteur de terrain décomprimée au-dessous d'une cavité (d'après Terzaghi, 1946). ... 78
Tableau V.1 : Coefficient de réduction "α" ... 100
Tableau V.2 : Coefficient de résistance des roches(f) selon PROTODIAKONOV ... 103
Tableau V.3 : Coefficient prise en compte dans la théorie de COULOUMB-RANKINE ... 105
Tableau V.4 : Coefficient de résistance no ... 108
Tableau V.5 : Valeurs des paramètres géotechniques pour portail sud ... 112
Tableau V.6 : les résultats finals de calcul des contraintes ... 119
Tableau VI.1 : le rapport (f/l) et les coefficients correspondants... 123
Tableau VI.2 : le rapport (f/l) et les coefficients correspondants... 131
Tableau VI.4 : caractéristiques mécaniques ... 137
TableauVIII.1 : géométrie et couverture de du tunnel... 157
TableauVIII.2 : Propriétés mécaniques de différentes couches ... 157
Tableau VIII.3 : les valeurs des coefficients caractérise la courbe de convergence. ... 160
Tableau VIII.4 : résume la variation des paramètres de la convergence selon la variation de module de Young ... 161
TableauVIII.5 : Type de soutènement ... 163
TableauVIII.6 : propreté de profil HEB 220 ... 163
TableauVIII.7 : Les caractéristiques de Béton projeté ... 164
Tableau IX.1 : Loi de comportement classique ... 177
Tableau X.1 : Valeurs des paramètres géotechniques pour portail sud ... 185
Tableau X.2 : Caractéristiques mécaniques des profilés métalliques ... 186
Tableau X.3 : les propriétés mécaniques de la section composite ... 186
Tableau X.4 : Position des boulons d’ancrages ... 187
Tableau X.5 : L’influence de tunnel droit sur le tunnel gauche ... 199
1
Figure I.1 : Tunnels de communications ... 5
Figure I.2 : Tunnels de transport et d’évacuation... 5
Figure I.3 : Tunnels et Cavité de stockage ... 6
Figure I.4 : Tunnels selon mode d’exécution ... 6
Figure.I.5 : Organigramme Explicatif pour classification globale des ouvrages souterrains ... 7
Figure I.6 : Méthode à pleine section ... 11
Figure I.7: Méthode de la demi-section ... 12
Figure I.8 : Méthode de section divvisée ... 13
Figure I.9 : Charge ponctuelle effet brisant... 14
Figure I.10 : Plan de tir séquentiel ... 15
Figure I.11 : Illustration du cycle classique de creusement à l’explosif ... 15
Figure I.12 : Machines à attaque ponctuelle ... 16
Figure I.13 : Machines à attaque global ... 17
Figure I.14 : La haveuse schématisée... 19
Figure I.15 : La pelle hydraulique ... 20
Figure I.16 : Fonctionnement d'un boulier ... 21
Figure I.17 : Bouclier mécanisé à appui radiale ... 21
Figure I.18 : Bouclier à soutènement mécanique ... 21
Figue.II.1 : Images Satellites de la Zone du Projet on montant bien le relief accidenté ... 24
Figure.II.2 : Localisation du site du projet. ... 24
Figure. II.3 : Le tracé global de tunnel ... 25
Figure.II.4 : la Coupe et le gabarit transversal type du tunnel ... 26
Figure.II.5 : Localisation du tunnel sur un extrait de la carte géologique de Taxanna ... 27
Figure.II.6 : Vue en plan de l’altimétrie Au-dessus du tunnel ... 28
Figure.II.7 : Vue en plan de pentes du terrain naturel au-dessus du tunnel ... 28
Figure.II.8 : Versant sud avec localisation du tunnel ainsi que la position des forages ... 29
Figure.II.9 : Flysch sous forme d’alternance des bancs de quartzite ... 30
Figure.II.10 : Argilite très ferme à dure située à droite du portail sud en allant vers Sétif ... 31
2
Figure.II.12 : Schistes altérés près de forage FT-1 décapage lors de l’ouverture
de la piste pour les essais in situ ... 32
Figure.II.13 : Coupe géologique le long du tunnel ... 34
Figure.II.14 : Essai préssiométrique ... 37
Figures.II.15 : courbes préssiométriques a) essai 1 b) essais 2 ... 37
Figure.II.16 : Carte d’anomalie finale du site du tunnel ... 42
Figure.III.1 : Voûte parapluies 3D ... 53
Figure.III.2 : Enfilage ... 53
Figure.III.3 : Exemple de voûtes parapluies successives et emboîtées ... 54
Figure.III.4 : Arc cellulaire (Lunardi 2008) ... 54
Figure. III.5 : Anneaux renforcé ... 54
Figure III.6 : Cintres lourds ... 58
Figure. III.7 : Cintres léger ... 58
Figure.III.8 : Boulons à ancrage ponctuel et boulons à ancrage réparti ... 60
Figure.III.9 : Types de soutènement et de revêtement des tunnels ... 64
Figure.III.10 : coupe type de l’étanchéité en tunnel ... 65
Figure.III.11 : Drainage ... 65
Fig.III.12 : Etanchéité d'un tunnel ... 66
Figure.III.13 : Coupe Transversale Du Soutènement ... 70
Figure.III.14 : Boulons D’ancrage ... 71
Figure.III.15 : Diagramme de classification RMR ... 73
Figure.IV.1 : Organigramme de classification de différente méthode pour dimensionnement des tunnels ... 75
Figure IV.2 : Zone décomprimée au-dessus d’une cavité (K.Terzaghi 1946) ... 76
Figure IV.3 : Relation entre (Q - De) et les catégories de soutènement (Barton et al 1974). . 79
Figure.IV.4 : Les contraintes et déplacement selon Einstein-Schwartz ... 83
Figure IV.5 : Portée non soutenue d'un tunnel. ... 85
Figure IV.6 : Courbes de convergence, de confinement et assemblage. ... 87
Figure.IV.7 : Repère du problème 2D-plan... 90
Figure IV.8 : Modèle longitudinal et transversal du tunnel. ... 90
Figure. IV.9 : Repère du problème axisymétrique. ... 92
3
Figure.IV.11 : Exemple de maillage 3D ... 92
Figure V.1 : Processus d'affaissement du coin de voûte surmontant une excavation ... 95
Figure V.2 : Les principales hypothèses de la théorie de TERZAGHI ... 97
Figure V .3 : poussée selon BIERBAUMER ... 98
Figure V.4 : Répartition des charges selon la théorie de PROTODIAKONOV ... 100
Figure V.5 : Répartition des charges selon la théorie de PROTODIAKONOV ... 101
Figure V.6 : Répartition des contraintes selon COULOUMB-RANKINE ... 104
Figure V.7 : Répartition des poussées selon l’expérience soviétique ... 105
Figure V.8 : Répartition des poussées au niveau de radier selon TERZAGHI ... 106
Figure V.9 : La poussée au niveau de radier selon TSIMBRIEVITCH ... 108
Figure VI.1 : Représentation des symboles utilisés dans le soutènement provisoire. ... 122
Figure VI.2 : Modélisation en élément frame du soutènement provisoire ... 138
Figure VI.3 : Diagramme de l’effort normal ... 138
Figure VI.4 : Diagramme de l’effort tranchant ... 139
Figure VI.5 : Diagramme de moment fléchissant ... 139
Figure VI.6 : Diagramme de la déformée ... 140
Figure VII.1 : profil de mesures de convergence. ... 150
Figure VII.2 : courbe de convergence. ... 150
Figure VII.3 : profil de mesures extenso-métrique Dans le terrain. ... 151
Figure VII.4 : Exemple d'instrumentation depuis la surface. ... 151
Figure VIII.1 : Extrusion et instabilité au front de taille d’un tunnel ... 154
Figure VIII.2 : La méthode Convergence – Confinement ... 155
Figure VIII.3 : principe de la convergence- confinement ... 156
Figure VIII.4 : la courbe de convergence pou E = 400MPa ... 160
FigureVIII.5 : les courbes de convergence pour E = (600, 400 et 200) MPa ... 161
FigureVIII.6 : les courbes de convergence pour φ = (40o, 32o et 24o) MPa ... 162
FigureVIII.7 : Evolution de rayon plastique Rp = f(λ) ... 162
Figure VIII.8 : les courbe de confinement pour ks = (369,75 ; 618,9 et 821,51) N/mm3 .... 166
Figure IX.1 : Discrétisation d’un milieu continu. ... 169
Figure IX.2 : Différents types d’éléments pour le cas bidimensionnel ... 169
Figure IX.3 : Comportement élasto-plastique avec écrouissage ... 173
Figure IX.4 : Représentation de Surface de charge dans le plan Octaédrique ... 174
4
Figure IX.6 : Organigramme de la structure de différentes taches en code Plaxis ... 178 Figure IX.7 : Pyramide de Mohr-Coulomb tracée pour c=0 ... 180 Figure IX.8 : Définition du module d’Young E ... 181 Figure IX.9 : Résultats d’essais triaxiaux drainés et le modèle élasto-plastiques de type Mohr-Coulomb ... 182 Figure X.1 : modèle de calcul tunnel de Taxanna ... 183 Figure X.2 : Coupe transversal de la section composite ... 186 Figure X.3 : le modèle géométrique ... 188 Figure X.4 : La forme de la section du tunnel ... 188 Figure X.5 : génération du maillage ... 189 Figure X.6 : contrainte éffictive - phase initiale- ... 190 Figure X.7 : Déformation du maillage ... 191 Figure X.8 : Déplacements totaux ... 191 Figure X.9 : Déplacements horizontaux ... 192 Figure X.10 : Déplacements verticaux ... 192 Figure X.11 : Déplacements totaux ... 193 Figure X.12 : Déplacements horizontaux ... 194 Figure X.13 : Déplacements verticaux ... 194 Figure X.14 : l’effort normal ... 195 Figure X.15 : l’effort tranchant ... 196 Figure X.16 : le moment fléchissant ... 197 Figure X.17 : l’effort normal ... 197 Figure X.18 : l’effort tranchant ... 198 Figure X.19 : le moment fléchissant ... 199 Figure X.20 : Influence de module de Young «E »sur la variation des déplacements en
surface ... 200 Figure X.21 : Influence de module de Young« E » sur la variation des déplacements a’ la clé de voûte ... 200 Figure X.22 : Influence de l'angle de frottement «φ »sur la variation des déplacements en surface ... 201 Figure X.23 : Influence de l'angle de frottement « φ » sur la variation des déplacements a’ la clé de voûte ... 201
5
surface ... 202 Figure X.25 : Influence du coefficient de poisson « υ » sur la variation des déplacements a’ la clé de voûte ... 202
TBM Tunnel Boring Machine AGF All-ground-fasten
R.Q.D Rock Quality Designation RMR Rock Mass Rating
SRF Stress Reduction Factor : précise l'état des contraintes dans le massif.
ESR Excavation Support Ratio.
AFTES L'Association Française des Travaux en Souterrain.
GSI Geological Strength Index : l’indice de résistance géologique SCR Surface Condition Rating.
ADECO-RS Analysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils (Analyse des déformations contrôlées dans
les roches et dans les sols.
NATM New Austrian Tunnelling Method.
FGT Fibres glass tubes.
GFRP Tube d’injection en polymère renforcé de fibre en verre.
OCR Over-Consolidation Ratio.
1
Les premiers ouvrages souterrains sont créés par la nature. L’homme se creusait des abris et des couloirs souterrains à l’image des cavernes naturelle, pour se protéger des intempéries et de multiples dangers. C’est à partir de cette initiative qu’il se lança à la construction de ce type d’ouvrage. Depuis le début, ces ouvrages exigent des dispositifs de soutènement et présente des dangers évidents (éboulement, enfouissement, inondation des chantiers etc….).
Malgré tous ces obstacles, de nombreuses raisons ont poussé l'homme à utiliser l'espace souterrain. Les problèmes, tel que l’encombrement de la surface de sols dans les villes, les l’embouteillage de circulation et la densification des agglomérations urbains, peuvent être résolus par une solution souterrain : voirie souterrains, métro, réseaux divers. De même l’évolution des voies de communication (routes, voies, ferrées et navigables) et le développement des grands programme d’équipement hydroélectrique et d’irrigation entrainent des franchissements souvent difficile conduisant à la réalisation d’ouvrage d’art importants, comme les tunnels.
Dans un environnement géologique et géotechnique parfois médiocre, le concepteur doit non seulement s’assurer de la stabilité propre de l’ouvrage, mais également évaluer l’incidence des choix de tracé et des techniques de réalisation. L’étude et la réalisation des ouvrages souterrains (tunnel) profonds et semi-profonds sous l’action des charges statiques a connu un essor considérable durant ces six dernières décennies.
De nombreux développements technologiques survenus dans ce domaine au cours des dernières années. Ces développements technologiques sont accompagnés par le développement d’outils de calcul suffisamment fiables, permettant de classifier le massif rocheux et de calculer et de modéliser d’une façon aussi satisfaisante l’interaction terrain soutènements.
Les problèmes majeurs liés à la construction des ouvrages souterrains sont :
La stabilité du terrain pendant les travaux notamment au front de taille ;
Le choix de type de soutènement et de revêtement à mettre en œuvre pour assurer la tenue des parois à court terme, puis à long terme ;
2
lorsque l’ouvrage est construit à une faible profondeur ou à proximité d'autre structures (en site urbain) ;
Ce projet de fin d’étude a pour but l’étude et la modélisation numérique d’une section de tunnel autoroutier « tunnel de Texanna appartenant à la pénétrante Jijel – El-Eulma ». Le présent mémoire est composé de dix (10) chapitres :
Chapitre I : Généralités sur les tunnels, on présentés les principaux types de tunnels, les différents techniques et modes de creusement.
Chapitre II : Englobe une prospection géologique et géotechnique du terrain, dans laquelle on présente la géologie de la zone d’implantation du tunnel, plus la détermination des paramètres géotechnique de terrain encaissant.
Chapitre III : On a présenté dans ce chapitre les modes de pré-soutènement, les classes de soutènement, puis les différents types de revêtements.
Chapitre IV : Consiste de présenter les différentes méthodes de calcules de la stabilité de tunnel, empiriques, analytiques et numériques.
Chapitre V : Evaluation des charges par des méthodes analytique et vérification de la stabilité de tunnel ;
Chapitre VI : est consacré au dimensionnement et vérification des soutènements provisoires ; Chapitre VII : Décrit les principaux technique d’auscultation d’un ouvrage souterrain ;
Chapitre VIII : Présente la méthode de convergence-confinement, puis on a utilisé cette méthode pour optimiser les soutènements.
Chapitre IX : on a donné un aperçu sur la méthode des éléments finis, plus la présentation de logiciel PLAXIS.
Chapitre X : est consacré à la modélisation numérique bidimensionnelle d’une section de tunnel à l’aide du logiciel PLAXIS. Plusieurs sont analysés.
Enfin, on clôture ce mémoire par une conclusion générale.
3
I.1 Introduction
L’extension des voies de communication (routes, autoroutes, voies ferrées) impose souvent des franchissements difficiles, qui conduisent généralement à la construction des tunnels. Aller en souterrain s’avère la solution optimale de point de vue urbanistique pour offrir de l’espace et contribuer à la croissante urbaine. Mais le souterrain donne souvent des problèmes aux ingénieurs de Génie Civil car la mission est périlleuse.
La construction des tunnels s’est multipliée à travers le monde. La majorité de projet de construction des tunnels ont été achevés sans danger. Cependant, il existe toujours un risque intrinsèque associé à la construction des ouvrages souterrains, depuis qu'il implique les sous- sols qui est en grande partie mal connu. Plusieurs incidents, dans les projets de tunnels, ont été reportées, qui ont résulté en retard, surcoût, et dans quelques cas des blessures et perte de vie humaine. Il y a, par conséquent, une urgence croissante d’évaluer et maitriser les risques associés aux constructions de ces ouvrages. Les dangers rencontrés sont bien connus : éboulement ; enfouissement ;inondation des chantiers,…etc.
L’ingénieur est donc confronté à deux problèmes majeurs :
Préserver la stabilité de l’ouvrage contre d’éventuels accidents pour assurerle succes des travaux;
Contrôler les déformations du massif encaissant.
Il est indispensable de présenter les diverses options de point de vue juridique, économique et technique liés à la construction de tunnel, pour mieux comprendre l’impact de l’ouvrage sur l’environnement.
I.2 Historique des ouvrages souterrains
Les travaux souterrains ont toujours été difficiles et dangereux, mais cela n’a pas empêché l’homme de se lancer, très tôt, dans cette aventure. Les découvertes d’excavations remontant à la plus haute antiquité, témoignent des abris et des galérais souterrains servant de protection contre les intempéries et les multiples dangers.
Les premiers travaux souterrains, recensés remontent à l’époque des Babyloniens, ou un tunnel avait été construit, il y a quatre mille ans en Mésopotamie passant sous L’Euphrate, ayant
4
une section de 3.60-4.50 mètres, sur une longueur de plus d’un kilomètre, reliant le palais de Babylone au temple de Jupiter.
La construction des tunnels trouve aussi son origine, dans les civilisations d’Egypte, de la Grèce et de Rome. Parmi eux le plus fameux est le tunnel aqueduc en 350 avant J.C par Epalions dans l’ile grecque de Samos et le plus remarquable tunnel de Pouzzoles : Construit par les romains en 37 après .J.C, de longueur de 900 m, largeur de 7.5m et d’une hauteur de 9m. A cette époque, certains ouvrages exceptionnels, comme les abris et les couloirs naturels, ont été utilisés pour répondre aux besoins d’irrigation et d’alimentation des villes en eau.
Lorsqu’il fallait creuser dans la roche dure, il leur arriver de chauffer et dilater cette dernière a’ l’aide du feu, puis l’amener à un refroidis sèment brutal pour la faire éclater sous le choc thermique. Au cours du Moyen-âge les modes de creusement et de soutènement sont restés toujours analogues a’ ceux de l’antiquité.
Il fallait attendre les 18eme et 19eme siècles pour que les techniques de construction souterraine connaissent un véritable essor, avec le développement industriel et l’évolution des moyens de transports à travers le métro. De cette époque encore, date le grand égout circulaire de Paris, de longueur de 6128 m et hauteur de 2 m, ils ont été achevés en 1740. La première ligne de métro (abréviation du métropolitain) a été inaugurée à Londres en 1863.
I.3 Principaux types des tunnels
Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). On peut classer comme tunnels les grands ouvrages hydrauliques souterrains, tels que les aqueducs, collecteurs et émissaires destinés soit à l'amenée, soit à l'évacuation des eaux et certaines conduites établies en liaison avec les barrages et usines hydro-électriques. Il existe plusieurs paramètres de classification des tunnels (Figure I.1).
5
a- Si l’on se réfère à leur objet, on peut distinguer plusieurs types de tunnels : I.3.a. Les tunnels de communication
Parmi lesquels :
Les tunnels routiers, Les tunnels ferroviaires, Les tunnels de navigation ;
Tunnels routier Tunnels ferroviaires Tunnels de navigation Figure I.1 : Tunnels de communications
I.3.b. Les tunnels de transport et d’évacuation Galeries hydrauliques,
Galeries de canalisations,
adductions d’eau, Égouts (évacuation des eaux usées) ;
Galeries hydrauliques Marchandises Egouts Figure I.2 : Tunnels de transport et d’évacuation
6 I.3.c. Les tunnels et cavités de stockage
Cavités et parkings,
Stockages liquides ou gazeux,
Dépôts de déchets (industriel ou radioactif),
Abris de défense civile au militaire ;
Cavité Souterraine Stockage industriel Abris
Figure I.3 : Tunnels et Cavité de stockage
b- Si l’on se réfère à leur mode d’exécution, on trouver :
Tunnels ou cavités construits à ciel ouvert (tranchée couverte) ;
Tunnels construits en terrain encaissant (à faible ou forte profondeur) ; Tunnels construits par éléments immergés.
Tunnel a’ faible profondeur Tunnel a’ ciel ouvert Tunnel immergé
Figure I.4 :Tunnels selon mode d’exécution
7
c- Si l’on se réfère à la forme des ouvrages, on peut distinguer :
Les tunnels proprement dits et les puits qui sont des ouvrages à grand développement linéaire et dont la section est constante ou peu variable ;
Les cavités aux formes plus ramassées et souvent moins régulières dans lesquelles aucune des dimensions n’est prépondérante.
Figure I.5 :Organigramme Explicatif pour classification globale des ouvrages souterrains(J.IDRIS.2007)
Cet organigramme donner une explication plus détaillée et bien ordonnée sur la classification des ouvrages souterrains (tunnels), selon leur profondeur, fonctionnement, forme de section, topographie et région.
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I.4 Facteurs d’implantation d’un tunnel
I.4.1 Choix du tracé en plan
Une bonne reconnaissance de l’environnement permet un choix judicieux de tracé du tunnel. Ce choix va tenir compte, avant tout, des intérêts de la circulation et des transports de la région en question. Son implantation exacte va dépendre ensuite des conditions géographique et hydrogéologique. Dans la mesure du possible, on s’efforce de garder l’axe du tunnel droit.
Cela diminue la longueur de l’ouvrage, améliore la visibilité et rend la construction plus économique. Cependant parfois, suite aux conditions topographiques particulières, les voies de raccordement doivent suivre un tracé en courbe.
I.4.2 Etude du profil en long
Le choix de la situation en élévation et du profil en long des tunnels, dépend d’évolution de la circulation et des conditions d’exploitation. Il sera fondé sur les exigences de l’exploitation et de la construction. Les facteurs de construction et d’exploitation sont sensibles à l’implantation des parties haute ou basse du tunnel, parce que c’est d’elle que dépend la nature du sous-sol à traverser. Le profil en long d’un tunnel est conditionné par :
La nature des terrains à traverser ;
L’orientation du tunnel par rapport aux principales directions de discontinuités ;
La présence d’accidents géologiques (zone faillée avec venues d’eaux ; nécessitant un traitement à l’avance par injection) ;
La nature et l’épaisseur des terrains de couverture ;
L’orientation de la valeur des contraintes principales naturelles ;
La présence d’eau et débits d’eau prévisibles ;
L’emplacement qui nécessite une étude particulière, permettant d’éviter autant que possible des zones instables, les zones humides et les zones bâties ;
Il est important d’implanter les tunnels de haute montagne dans des couches suffisamment épaisses de roches saines, situées de préférence au-dessus du niveau de la nappe d’eau souterraine.
9 I.4.3 Choix de la section
La section d’un tunnel doit être déterminée sur la base des facteurs suivants :
Les gabarits des véhicules qui seront appelés à emprunter le tunnel et de ceux des matériaux qui y seront transportés ;
La nature du terrain, sa résistance, sa teneur en eau et les poussées géologiques du souterrain ;
La méthode de travail adoptée ;
Le matériau utilisé pour le revêtement, sa résistance, ainsi que les charges intérieures qu’il devra supporter ;
L’existence d’une ou de deux voies de circulation ;
I.5 Techniques de creusements
Le creusement en souterrain s’applique à toutes sortes de catégories de terrains. Suivant les cas, on sera donc amené à utiliser l’explosif ou des méthodes purement mécaniques. Deux questions sont souvent posées :
Comment choisir une méthode de creusement ?
Dans quels cas le creusement mécanisé est-il préférable au creusement à l’explosif ?
À ces questions, il est difficile d’apporter, dans tous les cas, des réponses rigoureuses. Les critères du choix sont nombreux et leur importance relative varie à tel point que la bonne réponse peut être différente suivant l’entreprise chargée des travaux.
La nature du terrain est bien sûr le critère essentiel, mais il est loin d’être le seul. D’autres éléments comme les exigences de l’environnement, le délai imposé ou la performance d’équipement existant dans l’entreprise peuvent jouer un rôle déterminant dans ce choix.
10 I.5.1 Processus de choix
I.5.1.a. Première phase
Le choix résulte, en première phase, d’un compromis entre les exigences du terrain encaissant, de l'environnement, de la géométrie, et du procédé de construction lui-même. Le processus de raisonnement provenant à partir des approximations successives doit aboutir à chaque stade à une appréciation du bilan économique d'ensemble de l'investissement (y compris accès, expropriations,… etc.). Cette démarche, plus ou moins détaillée selon la complexité du projet. L’étudié, aboutit souvent à 2 ou 3 variantes techniques possibles.
I.5.1.b. Deuxième phase
La règle est alors en priorité d’examiner, parmi ces 2 ou 3 variantes de construction, qui assure le mieux possible et dans un ordre décroissant d'importance :
La sécurité de l'ouvrage, pendant et après sa construction ;
Une uniformité de méthode sur toute la longueur de l'ouvrage (car les changements, nécessitant l'amenée de nouveaux matériels est toujours longue et coûteux) ;
La souplesse d'emploi (de façon à s'adapter aux difficultés souvent imprévisibles) ;
La limitation des nuisances engendrées sur l'environnement en site urbain notamment.
I.5.1.c. Troisième phase
Ultérieurement, lors de la consultation des entreprises et du choix définitif, interviennent de nouveaux critères (liés à la conjoncture, à la technicité propre des entreprises, ..) tels que :
Conjoncture économique générale et importance du lot de travaux proposés ;
Niveau technique des entreprises concurrentes (personnels spécialisés, disponibles matériels, expérience acquise...) ;
Insertion du délai global du chantier de tunnel dans le planning général d'exécution ;
Coût de la solution et aléas correspondants.
En matière de travaux souterrains, la procédure de consultation doit conserver une certaine souplesse, la solution proposée par le maître d'œuvre étant rarement la seule possibilité. Il est souhaitable dans certains cas, d'envisager d’autres variantes d'exécution utilisant des méthodes particulières.
11 I.5.2 Les différentes méthodes de creusements
Ondistinguetroisméthodes decreusement:
Méthode à pleine section ;
Méthode de la demi-section ;
Méthode de la section divisée.
I.5.2.a. Méthode à pleine section
Cette technique de creusement consiste à excaver la totalité de la section transversale du tunnel en une seule phase. Elle est préconisée beaucoup plus pour les terrains de bonne tenue Lorsque la section à creuser n’est pas très importante (généralement inférieure à 12m2) au-delà la méthode nécessite un matériel plus performant et devient extrêmement coûteuse.
Avantage : La rapidité de cette méthode nous facilite l’organisation du chantier car
elle nous permet de séparer nettement les étapes de creusement et celles du revêtement ; Inconvénient : L’évacuation des déblais nécessite plusieurs reprises. En cas de rencontre d’un accident de terrain sérieux cette technique requiert une adaptation très difficile.
Figure I.6 : Méthode à pleine section
12 I.5.2.b. Méthode de demi-section
On réalise d'abord le creusement de la partie supérieure de la section, la partie inférieure étant réalisée avec un décalage dans le temps. On doit, si nécessaire, renforcer le soutènement avant creusement du stross, aussi bien en partie supérieure (cintres, blindage, béton projeté, béton), qu’en partie inférieure (micro-pieux sous les appuis de cintres, colonnes en piédroits).
Cette technique est particulièrement conseillée dans les terrains hétérogènes et dans les tunnels de grande dimension (plus de 40 à 50 m²) car elle permet de maîtriser les problèmes de stabilité au vu de la dimension réduite de front de taille.
Figure I.7:Méthode de la demi-section
I.5.2.c. Méthode de section divisée
Cette méthode est utilisé lorsque la section à excaver est importante, ou dans le cas d’un mauvais terrain qui ne permet pas d’assurer la stabilité du front de taille avec une ouverture en demi-section. Cependant cette technique auninconvéénientd’ordreéconomiique par ce qu’elle
est très couteuse et sa duréd’application relativement long.Elle ne se justifie que s’il n’y a pas de possibilité d’utiliséer d’autres méthodes.
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Figure I.8 : Méthode de section divvisée
I.5.3 Modes de creusements des tunnels
Chaque terrain a ses propres caractéristiques d’où un mode de creusement approprié. Cette situation a poussé les ingénieries à développer des différentes techniques de creusement, ces procédés peuvent être séparées en deux catégories:
L’exécution du creusement dans les terrains durs ;
L’exécution du creusement dans les terrains meubles.
I.5.3.1 Exécution dans les terrains durs I.5.3.1.a. Creusement à l’explosif
L’explosif en souterrain doit être utilisé comme un outil de découpage de la roche et non Comme une « bombe », l’explosif ne doit pas être utilisé en site urbain que dans le cas où il s’avère strictement nécessaire, son emploi produit des effets psychologiques défavorables Pour la population avoisinante (bruits, fumées, vibrations ...), et représente un risque de déstabilisation pour les édifices et services voisins, ce qui limite les horaires des volets engendrant ainsi une baisse de rendement du chantier. Avant la mise en œuvre de l’explosif un plan de tire doit être définie afin de maîtriser le découpage du plan de tir et de limiter au maximum les effets de vibrations. Il comporte essentiellement les opérations suivantes:
