Michel Pré - CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS 2020 - 2021 - Educnet
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CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Lötschberg 1908 Saint-Martin-la-Porte 2018
Michel Pré
2020 - 2021 1
https://educnet.enpc.fr > Cours > Mastères spécialisés > Génie Civil Européen
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Panorama général
Les ouvrages, leur nature
2020 - 2021 2
Historique : grandes étapes
Fin XIXe
• Tunnels ferroviaires « de faîte »
Début
• Métros des grandes capitales : Budapest, Londres, Paris, …
XXe
• Traversées routières alpines : Gothardt, Mont-Blanc, Fréjus
Années • Aménagements hydroélectriques
1960 - • Premiers projets urbains mécanisés : en France, RER A
1980
1988 –
• Tunnel sous la Manche
1994
• Développement de la mécanisation
Années
1990 – • Relance des transports urbains : à Paris Meteor, Eole, Lille, Toulouse, Marseille,…
2000
Fin des • Grands projets de tunnels ferroviaires « de base » : Loetschberg, Gothardt, Lyon-Turin, Brenner
années
2000
• Accélération du développement des transports urbains : Copenhague, Crossrail, Grand Paris,…
Aujourd’ • Projets d’enfouissement : Andra
Aujourd
hui • Nombreux projets titanesques dans le monde : Riyadh, Doha, Moscou, Chine,…
2020 - 2021 3
Le Tunnel sous la Manche 2020 - 2021 4
2020 - 2021 5
Les tunneliers du tunnel sous la Manche
Un des 9 tunneliers
Logistique concentrée dans le puits de Sangatte
2020 - 2021 6
2020 - 2021 7
Les nouvelles traversées ferroviaires alpines
2020 - 2021
8
2020 - 2021 9
2020 - 2021 10
Duplex A86 2020 - 2021 11
Les grandes gares souterraines de la ligne EOLE
(construction 1994 -1999)
Haussmann Saint Lazare
2020 - 2021 12Prolongement d ’EOLE à l’Ouest :
Partie souterraine de 8 km
Deux gares nouvelles souterraines, dont une sous la voûte du CNIT
Début de travaux: 2015 - Horizon de mise en service : 2022
La gare La Défense sous la voûte du CNIT
2020 - 2021 13Grand Paris Express : 200 km de ligne et 68 gares nouvelles
14
2020 - 2021Grand Paris Express : les travaux en cours
92 km de souterrain, 41 gares
20 tunneliers
15
2020 - 2021Grand Paris Express : les tunnels 2020 - 2021 16
Grand Paris Express : les gares
Exemple: Villejuif- IGR
2020 - 2021 17Grand Paris Express
Planning du tronçon T3C : 8,2 km, 5 gares, 8 ouvrages annexes
2020 - 2021 18Lyon-Turin section transfrontalière
Fin août 2020: 30km / 162 km de galeries creusées
2020 - 2021 19ANDRA : projet CIGEO, 500 km de galeries, à 500 m de profondeur 2020 - 2021 20
CERN : le projet FCC 2020 - 2021 21
En guise de conclusion de ce panorama
Évolution de la demande des aménageurs
• utilisation maximale de l’espace souterrain dans les grandes villes, en
minimisant les impacts en surface, y compris pendant la construction
• développement des moyens de transport des personnes, mais aussi
des marchandises, en alourdissant le moins possible la facture
énergétique
• besoins d’amélioration de l’environnement et de la sécurité :
– Besoins d’enfouissement,
– Traitement des risques d’exploitation.
Fiabilisation et sécurisation des techniques de construction
• utilisation de techniques de creusement en souterrain là où l’on se
contentait autrefois de tranchées ouvertes ou couvertes,
• ouvrages placés dans des situations d’interaction de plus en plus complexe
avec des ouvrages et bâtiments avoisinants
• souci des impacts sur l’environnement des ouvrages (tassements,
vibrations, impacts sur les nappes).
• sécurisation des techniques de construction
2020 - 2021 22Les entrants de la conception d’un tunnel
Terrain:
- nature: sol ou rocher
- pour un sol: sableux ou
Fonctionnalités de l’ouvrage à marneux
construire: - pour un rocher: sain,
- destination (routier, fracturé, ou altéré
ferroviaire, autre) - circulation d’eau, nappe
- équipements liés à la fonction phréatique
- réseaux
Tunnel
Environnement :
- sensibilité aux tassements
- sensibilité aux vibrations
- incidence sur la nappe
phréatique
2020 - 2021 23Exemple de tunnel routier 2020 - 2021 24
Exemple de tunnel ferroviaire 2020 - 2021 25
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Techniques conventionnelles ou
« traditionnelles »
Les composants
2020 - 2021 26Les techniques dites « traditionnelles » ou « conventionnelles »
en travaux souterrains : principe
Tâches élémentaires se succédant selon un
enchaînement cyclique (travail « séquentiel »):
Cinématique au front
1) excavation: abattage mécanique (pelle, fraise), explosif
2) marinage: traction thermique, traction électrique, par
convoyeur à bande
3) soutènement: cintres métalliques, béton projeté, boulons
radiaux
4) compléments: amélioration du terrain, présoutènement
Cinématique à l’arrière du front
1) étanchéité: géomembrane
2) revêtement: béton coulé en place
2020 - 2021 27L’excavation • Mécanisation : pelle mécanique, machine à attaque ponctuelle • Explosif • Prédécoupage 2020 - 2021 28
Excavation : abattage mécanique La pelle mécanique et le brise-roche 2020 - 2021 29
Excavation : abattage mécanique La fraise ou machine à attaque ponctuelle (« MAP ») Roadheader Principe : 2020 - 2021 30
Excavation
L’excavation à l’explosif drill and blast
Perforatrice à air comprimé
de Sommeillier (vers 1860):
Tir séquentiel
Sa version moderne :
2020 - 2021 31Excavation
L’excavation à l’explosif
Schéma des évènements à la suite de la détonation NITRAM
Phase 1 : 0,7 à 1,0 milliseconde Phase 2 : 1,3
millisecondes
Phase 3 : 8 Phase 4 : 12
millisecondes millisecondes
2020 - 2021 32Ic = indice de continuité
vlm = vitesse sur échantillon
vlc= vitesse calculée à partir de la composition
minéralogique
E:
Pelle mécanique
avec renforcement
préalable du terrain
RQD 80%
RQD (Rock Quality Designation) = RQD 60%
Σlongueurs de carrottes > 10cm
100 x RQD 45%
longueur totale
RQD15%
2020 - 2021 332020 - 2021 34
Marinage
purge
2020 - 2021 35Marinage
Dumpers
Convoyeur à bande
2020 - 2021 36Ventilation Aspiration: fumées de tir, poussières Soufflage: dilution gaz d’échappement 2020 - 2021 37
Le soutènement expression équivalente : soutènement provisoire , terme anglais : primary lining • Supportage: cintres • Consolidation de terrain: boulons • Confinement: béton projeté • Confinement et armature: boulons+ béton projeté 2020 - 2021 38
Cintres coulissants Cintres lourds Cintres réticulés 2020 - 2021 39
Exemple d’emploi de cintres lourds 2020 - 2021 40
Cintres coulissants 2020 - 2021 41
Exemple de coulissement : 2020 - 2021 42
Soutènement Le boulonnage : 2020 - 2021 43
Soutènement : l’action du boulonnage
Deux objectifs principaux
Assurer la stabilité locale et générale Limiter les déformations du terrain
Deux modes de fonctionnement
Fonction "d'accrochage" Fonction "de Renforcement"
Rôle Porteur
2020 - 2021 Rôle de confinement 44
Rôle de RenforcementDivers types de boulons d’ancrage
boulon autoforeur
2020 - 2021 45Le boulon à friction type Swellex :
Interaction entre le terrain
encaissant et le boulon Swellex
pendant sa mise en œuvre:
(a) Swellex placé dans le
forage
(b) haute pression d ’eau
gonflant le tube et provoquant
une petite expansion du
diamètre du forage
(c) relâchement de la pression
d ’eau: le terrain encaissant se
contracte, en provoquant le
« serrage » du boulon
2020 - 2021 46Aide à la décision dans le choix du type de boulon
Boulons
Boulons à ancrage réparti Boulons à Friction
BOULONS autoforeurs
Boulons à ancrage
CRITERES ponctuel Scellement Scellement
Type "Ischebeck" Type "Swellex"
mortier résine
Traction +++ ++++ ++++ +++ +++
Cisaillement + ++++ +++ +++ ++
Terrain fracturé ++ ++ + ++++ ++
Forabilité terrain médiocre o + + ++++ +
Caractère permanent + ++++ +++ +++ ++
Action immédiate ++++ o +++ ++ ++++
Action différée ++ +++ ++++ ++++ +++
Eau / présence et venues ++++ + +++ R + ++++
Eau / Drainage ++++ ++ + ++ ++
Eau / Etanchéité o ++ +++ R ++ +
Temps de mise en œuvre ++++ ++ +++ +++ ++++
2020 - 2021 47Le béton projeté
gunitage, shotcrete, spitzbeton
2020 - 2021 48Soutènement Le béton projeté: mise en œuvre manuelle : robotisée : 2020 - 2021 49
Béton projeté: deux modes de projection
Voie sèche : Voie humide :
2020 - 2021 50Béton projeté: deux modes de projection
Projection par voie sèche Projection par voie humide
Mélange véhiculé par flux d’air Béton véhiculé par pompage
•Possibilité de distance de transfert importante •Pas de poussières à la machine
•Faible pression dans les tuyaux •Teneur en eau régulière
•Transferts en grande distance difficiles
•Pressions importantes dans les conduites
•Tuyau rempli de béton lourd à manipuler
•Formulation exigeant une mise au point
rigoureuse en termes de plasticité et de fluidité
Vitesse élevée dans le jet Vitesse réduite dans le jet
•Compactage important favorisant les •Peu de poussières
résistances élevées •Peu de pertes par rebond
•Pertes par rebond •Possibilité de projection sur support fragile ou à
•Projection de granulats faible cohésion
•Risque de détérioration de support fragile •Compactage limité
•Adhérence au support faible
Comportement de la couche de béton Comportement de la couche de béton
•Excellente adhérence •Accélérateur ou raidisseur nécessaire
•Bonne cohésion •Dosage en fibre régulier
•Obtention aisée de BHP •Dosage élevé en ciment
•Faible teneur en eau limitant les risques de •Retrait deux fois plus important qu’en voie
fissuration sèche
Matériels de projection Matériels de projection
•Large gamme •Machines puissantes permettant des débits
élevés
•Robotisation préférable
2020 - 2021 51Le béton projeté
L’incorporation de fibres dans les bétons projetés (voie humide)
(macro-fibres)
2020 - 2021 52Le béton projeté
L’incorporation de fibres dans les bétons projetés (voie humide)
(macro-fibres)
Intérêt:
- Donner un comportement ductile au béton
- Absorber l’énergie de fissuration et redistribuer les
contraintes mécaniques
- Limiter le rebond
Inconvénient des fibres métalliques : blessure de l’étanchéité
-> généralisation de l’emploi de fibres synthétiques et
abandon de solutions de type treillis soudé ou fibres
métalliques avec couche finale non fibrée
2020 - 2021 53Le béton projeté : modes de fonctionnement
TYPE 1 TYPE 2 TYPE 3
peau protectrice peau résistante anneau de
(2 à 5 cm) (8 à 20 cm, structure
en plusieurs couches) (10 à 30 cm,
évite l ’altération en plusieurs couches)
du terrain encaissant:
Cimentation des fissures
- dessication par
l’atmosphère du tunnel Limitation des déformations
Clavage des blocs instables
- délavage des matériaux élasto-plastiques du terrain
- amorces de gonflement
Filet tendu entre les
liées à la migration de Confinement des terrains non
boulons ou les cintres
l’eau interstitielle Boulonnables
(béton projeté fibré ou
- phénomènes de
armé d’un treillis soudé)
micro-rupture Confinement des terrains
Gonflants
Réparations de tunnels
2020 - 2021 54L’amélioration du terrain et le
présoutènement
• Injections, drainage
• Boulonnage du front de taille
• Haveuse (prédécoupage + présoutènement)
• Voûte parapluie
2020 - 2021 55Injection, drainage 2020 - 2021 56
Boulonnage du front de taille 2020 - 2021 57
Boulons en fibre de verre: 2020 - 2021 58
Haveuse pour la réalisation de pré-voûtes 2020 - 2021 59
2020 - 2021 60
Principe des voûtes-parapluies 2020 - 2021 61
Voûtes- parapluies en jet-grouting 2020 - 2021 62
Le revêtement expression équivalente : revêtement définitif termes anglais : secundary lining, final lining • Stabilité de l ’excavation • Étanchéité • Fonctions liées à l ’exploitation 2020 - 2021 63
Étanchéité et revêtement L’étanchéité par D.E.G. (Dispositif d’Etanchéité par Géomembrane) 2020 - 2021 64
Étanchéité et revêtement Le coffrage par coffrages-outils 2020 - 2021 65
Étanchéité et revêtement Bétonnage et vibrage 2020 - 2021 66
Béton non armé en tunnel:
composition et conditions de mise en œuvre
• limitation de l ’exothermie et du retrait, tout en restant
compatible avec les cycles de bétonnage
=> mixte CEM I/CEM II 350 kg/m3 max
• épaisseur minimum: 20 à 30 cm
• fortes épaisseurs difficiles à vibrer (vibreurs extérieurs
au coffrage)
• pas de joints de retrait (inutiles), mais plots de
bétonnage limités à 8 à 10 m
2020 - 2021 67OUVRAGES SOUTERRAINS
Techniques conventionnelles ou
« traditionnelles »
La composition des méthodes
2020 - 2021 68Creusement en demi-section avec cintres lourds : 2020 - 2021 69
Creusement en pleine section 2020 - 2021 70
Excavation en pleine section
La méthode italienne du prof.Lunardi
ADECO-RS: Analisi delle deformazioni controllate nelle rocce e nei suoli
2020 - 2021 71NATM
New Austrian Tunnelling Method
2020 - 2021 722020 - 2021 73
La « NATM », New Austrian Tunnelling Method Exemple : avant-gares de la EOLE CNIT-La Défense 2020 - 2021 74
Autres méthodes : Entonnement Ouest gare CNIT La Défense 2020 - 2021 75
Autres méthodes : Voûte active (voûte Jacobson) : gares METEOR 2020 - 2021 76
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Les risques
2020 - 2021 77Exemple de risque:
fluage, plastification
Galerie de Saint-Martin-la-Porte: reprofilage avril 2006
2020 - 2021 78Tunnel de Toulon 15/03/1996 2020 - 2021 79
2020 - 2021 80
Paris ligne 14, station Olympiades 21/02/2003 2020 - 2021 81
Mais aussi des risques plus “ordinaires” :
désordres aux constructions avoisinantes dus aux
tassements
Heathrow 1994
Munich 1994
2020 - 2021 82CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Les principes régissant l’amélioration
continue de la construction en vue d’une
meilleure maîtrise des risques
2020 - 2021 83Diagramme de suivi de la construction
méthode observationnelle
Exigences générales du projet
Caractérisation géotechnique
modification Projet
du projet
mise en œuvre des
modifications Construction
non prévues
écart
restant à
oui Suivi de la construction
l'intérieur
des
prévisions poursuite de la
? construction tel que prévu
mesures
non en accord
oui
avec les
prévisions
?
2020 - 2021 84Document SOLDATA 2020 - 2021 85
CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Le partage d’expérience
L’AFTES
2020 - 2021 86L’organisation du partage d’expériences
L’AFTES est née, en 1972, de ce constat que l’ensemble des
acteurs du secteur avaient à gagner à travailler ensemble
(démarche « gagnant-gagnant »):
Les maîtres d’ouvrage
Les ingénieries
Les constructeurs
Mais aussi:
Les architectes
Les institutionnels
Les assureurs
Les fournisseurs de matériels
2020 - 2021 87L’AFTES aujourd’hui:
660 adhérents individuels, 140 adhérents collectifs
23 groupes de travail actifs (environ 320 membres) coordonnées
au sein du Comité Technique
90 Recommandations publiées
Une revue trimestrielle
Un Congrès triennal
Un Mastère spécialisé
2020 - 2021 88Le prochain Congrès de l’AFTES : 2020 - 2021 89
Adhérez à l’ AFTES :
Statut étudiant: 10 € pour 1 année, comprenant:
- Le service de la revue
- L’accès au site et aux différentes activités comme membre actif
2020 - 2021 90CONCEPTION DES OUVRAGES SOUTERRAINS
Organisation du module
2020 - 2021 91Contenu prévisionnel du programme du module
Ouvrages souterrains
• Cours magistraux et « petites classes » (12 séances)
– 50% de cours magistraux délivrés par différents spécialistes des
disciplines concernées
– 50% de petites classes, une moitié consacrée à la géotechnique
appliquée aux travaux souterrains, une autre consacrée aux
méthodes de calcul
• Contrôle des connaissances: test sur table en fin de
module
Nota: l’ensemble de la documentation du module (supports de cours,
annales des contrôles, liens utiles) est disponible sur le site
https://educnet.enpc.fr/ . Le nom du cours est COTU1
2020 - 2021 92MERCI DE VOTRE ATTENTION :
C’EST LE BOUT DU TUNNEL !
2020 - 2021 93Vous pouvez aussi lire
