Chapitre 3 : Renforcement du front de taille d’un tunnel par boulonnage. 1ère P

Chapitre 3 : Renforcement du front de taille d’un tunnel par boulonnage. 1ère Partie : Bibliographie. - 78 - &KDSLWUH 5HQIRUFHPHQW GXIURQWGHWDLOOH G¶XQWXQQHOSDUERXORQQDJH Chapitre 3 : Renforcement du front de taille d’un tunnel par boulonnage. 1ère Partie : Bibliographie. - 79 - 7DEOHGHVPDWLqUHV I Introduction...........................................................................................................................................80 II Boulonnage et renforcement des tunnels............................................................................................................ 80 II.1 Concepts généraux du préconfinement et, de renforcement du noyau..........................................................80 II.2 Boulonnage des tunnels : historique. ........................................................................................................................83 III Pratique du boulonnage en tunnels..............................................................................................84 III.1 La technique de boulonnage. .......................................................................................................................................84 III.1.1 Caractéristiques des boulons..............................................................................................................................84 III.1.2 Caractéristiques du scellement..........................................................................................................................85 III.1.3 Mise en place dans le massif..............................................................................................................................86 III.2 Modes de fonctionnement. ...........................................................................................................................................86 III.2.1 Comportement en essais de laboratoire. ........................................................................................................86 III.2.2 Comportement à l’arrachement.........................................................................................................................88 III.2.3 Comportement en situation réelle. ...................................................................................................................91 III.2.4 Rôle porteur ou de confinement du boulonnage. ........................................................................................95 IV Dimensionnement du boulonnage des tunnels...........................................................................95 IV.1 Approches de type “calcul à la rupture”..................................................................................................................95 IV.2 Calcul analytique en déformation..............................................................................................................................96 IV.2.1 Approche convergence-confinement. .............................................................................................................96 IV.2.2 Approches homogénéisées. ................................................................................................................................96 IV.2.2.1 Symétrie cylindrique......................................................................................................................................97 IV.2.2.2 Symétrie sphérique. ........................................................................................................................................98 IV.3 Calculs numériques.........................................................................................................................................................98 IV.3.1 Approches simplifiées..........................................................................................................................................99 IV.3.1.1 Module du sol renforcé. ................................................................................................................................99 IV.3.1.2 Cohésion renforcée.........................................................................................................................................99 IV.3.1.3 Modèle d’Indraratna [1988, 1990]. ...........................................................................................................99 IV.3.1.4 Pression appliquée au front de taille...................................................................................................... 100 IV.3.2 Homogénéisation. ............................................................................................................................................... 100 IV.3.3 Approches prenant en compte la modélisation complète du terrain, des inclusions et de leur interaction. ................................................................................................................................................................................ 101 IV.3.3.1 Modèles bidimensionnels. ......................................................................................................................... 101 IV.3.3.2 Modèles tridimensionnels.......................................................................................................................... 103 V Conclusions. ........................................................................................................................................ 104 Chapitre 3 : Renforcement du front de taille d’un tunnel par boulonnage. 1ère Partie : Bibliographie. - 80 - , ,QWURGXFWLRQ Le creusement des tunnels dans les sols meubles a fortement progressé avec le développement des boucliers pressurisés qui assurent simultanément la stabilité provisoire du front et de l’excavation, puis la mise en place du revêtement définitif, tout en maintenant les mouvements du sol dans des limites acceptables. Ces techniques se révèlent souvent inadaptées ou coûteuses dans les sols durs ou les roches tendres, alors que l’excavation et le sol ne sont pas stables. L’utilisation des techniques de creusement traditionnelles doit alors être complétée par des mesures visant à confiner le front et mettre en place le plus rapidement possible le soutènement. Ceci peut être réalisé, au moins partiellement, par la technique du présoutènement qui consiste à mettre en place en avant du front, un soutènement périphérique, soit à l’aide de renforcements formant une voûte parapluie, soit par une prévoûte obtenue en sciant une saignée périphérique remplie au fur et à mesure de béton projeté. Le présoutènement pouvant être insuffisant soit pour assurer la stabilité du front, soit pour maintenir les tassements à un niveau acceptable, il peut être associé à des techniques de renforcement du massif en avant du front par clouage. Créant un noyau de sol renforcé ayant des caractéristiques de résistance et de raideur supérieures au terrain en place, on peut ainsi assurer la stabilité mais également limiter les pertes de sol liées à l’extrusion du front. Après avoir décrit dans ce chapitre la technique du boulonnage et son application aux tunnels, on présente les différentes approches existantes pour dimensionner le renforcement par clous et évaluer son impact sur la stabilité du front et la limitation des tassements. ,, %RXORQQDJHHWUHQIRUFHPHQWGHVWXQQHOV ,, &RQFHSWVJpQpUDX[GXSUpFRQILQHPHQWHWGHUHQIRUFHPHQWGXQR\DX Le creusement d’un tunnel impose de limiter les déformations du massif afin de ne pas créer de tassements en surface préjudiciables pour les structures existantes mais, également de ne pas conduire à une modification trop importante de l’état de contraintes et de déplacements du massif avant creusement. Lors de creusements de tunnels où la méthode du front pressurisé ne peut être appliquée (raisons économiques ou géotechniques), il est nécessaire de maintenir le front dans un état stable. 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 contraintes préexistant dans le milieu. Nous rappelons que l’extension de la zone perturbée est fonction de : • la géométrie et les dimensions de l’excavation. • des caractéristiques géomécaniques du terrain. • du champ de contraintes préexistant. • de la vitesse d’avancement du front de taille. Chapitre 3 : Renforcement du front de taille d’un tunnel par boulonnage. 1ère Partie : Bibliographie. - 81 - Figure 3.1 : Perturbation dans le terrain engendrée par l’avancement du front (Lunardi [1998]). Selon Lunardi [1998] l’extension de cette zone est délimitée par un rayon d’influence Rf en avant du front de taille et par Rc en arrière du front. En première approximation, ils peuvent être assimilés au rayon de plastification Rp (si celle ci a lieu). A l’intérieur du volume délimité par Rp, les caractéristiques de résistance et de déformation diminuent jusqu’aux valeurs résiduelles et cette chute peut être accompagnée d’un phénomène de foisonnement (ou dilatance) selon le champ de contraintes initial et le type de terrain rencontré. Comme nous l’avons précisé dans la 1ère Partie (Chapitre 2), si l’état de contraintes dans lequel se situe le massif environnant est élasto plastique, il s’avère nécessaire de mettre en œuvre un ou plusieurs renforcements permettant de limiter les déformations élasto plastiques et de créer artificiellement l’effet de voûte pour garantir la sécurité de l’ouvrage à court et à long terme. Kastner [1962] fut le premier à mettre en évidence à l’aide de calculs numériques axisymétriques qu’une pression radiale de confinement exercée à l’intérieur de la cavité permettait de contrôler le phénomène de plastification du terrain. Le projeteur doit être capable de réduire Rp lorsqu’il doit faire face à des états de déformation importants et ne peut dans la plupart des cas se limiter à des interventions de simple confinement de la cavité ou du front. Il se voit donc contraint à effectuer des actions afin de contrôler le phénomène de plastification et les déformations à l’endroit où elles se produisent. Lunardi [1998] distingue dès lors deux types d’interventions : • les actions de confinement dans la mesure où les instabilités sont provoquées par des états de contraintes moyens ou faibles. • les actions de préconfinement lorsque l’état de contrainte élevé rend les actions de confinement vaines. Figure 3.2 : Noyau d’avancement (Lunardi [1998]). Chapitre 3 : Renforcement du front de taille d’un tunnel par boulonnage. 1ère Partie : Bibliographie. - 82 - Il précise qu’il est nécessaire de maîtriser les phénomènes de déformation dès leur développement en avant du front de taille et définit les termes suivants : • le noyau d’avancement qui constitue le volume de terrain se situant en avant du front, ses dimensions transversales et longitudinales sont de l’ordre du diamètre. • l’extrusion qui est la composante principale du déplacement qui se manifeste au niveau de la surface délimitée par le front de taille longitudinalement à l’axe du tunnel. • la préconvergence de la cavité qui correspond à la courbe de convergence en avant du front de taille. Figure 3.3 : Déformations au front de taille (Lunardi [1998]). Dans la méthode ADECO-RS Lunardi [1997, 1998] suggère ainsi l’utilisation du noyau de front comme instrument de stabilisation des déformations en améliorant sa rigidité. Il insiste sur l’importance du comportement du noyau d’avancement en fonction du phénomène de plastification et de la réponse en déformations. Lunardi [1993] effectue un classement des différentes technologies de « prérenforcement » existantes suivant leurs effets sur le front : • les méthodes directes consistant à mettre un soutènement permettant de protéger le contour du noyau (jet-grouting, prédécoupage mécanique, arc cellulaire) • les méthodes indirectes consistant à préconsolider le noyau par des inclusions (clouage ou, drainage) • les méthodes mixtes agissant sur le noyau et le contour en même temps. Figure 3.4 : Actions de confinement et, de préconfinement (Lunardi [1998]). Il présente également les opérations de confinement et précise que les actions de confinement et de préconfinement sont complémentaires, la continuité des rigidités de soutènements mis en place en avant et en arrière du front devant être la plus uniforme possible afin de ne pas perdre l’avantage obtenu en renforçant le noyau. Chapitre 3 : Renforcement du front de taille d’un tunnel par boulonnage. 1ère Partie : Bibliographie. - 83 - Dans le cadre de cette étude, nous nous limitons aux méthodes indirectes et plus précisément au renforcement des tunnels par boulonnage. ,, %RXORQQDJHGHVWXQQHOV KLVWRULTXH Le clouage des sols et des roches est une technique pratique et économique (Schlosser [1997]) pour le renforcement des sols et des roches en place. Le principe qui consiste à renforcer le terrain autour d’une excavation souterraine à l’aide de barres beaucoup plus raides que le massif environnant est très ancien mais l’origine du clouage peut être trouvée aux Etats Unis comme technique de soutènement dans les mines dès 1947 (emploi de boulons à ancrage ponctuel). L’usage de boulons à scellement réparti selon « la méthode autrichienne » dans les terrains rocheux quant à lui date des années 60. Figure 3.5 : Boulons à ancrage ponctuel (Greuell [1993]). Figure 3.6 : Méthode autrichienne (Schlosser [1997]). Le clouage du front de taille des tunnels dans les sols indurés et les roches tendres est une technique beaucoup plus récente, développée seulement depuis la fin des années 80 (Lunardi [1993]). uploads/Ingenierie_Lourd/ insa-boulons.pdf

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