Étude et modélisation du creusement pressurisé des tunnels
Étude et modélisation du creusement pressurisé des tunnels
Le creusement de tunnels en terrains meubles, avec ou sans nappe aquifère, nécessite l’emploi de tunneliers équipés de bouclier à front pressurisé. Avec de telles machines, le maintien de la stabilité du front de taille et le contrôle des mouvements de terrain autour de la galerie sont assurés par une pression de confinement ajustable appliquée au front de taille, ainsi que par l’action d’un soutènement radial provisoire exercée par la jupe métallique du tunnelier à l’arrière du front.
Les recherches développées au DGCB dans ce domaine visent à comprendre les mécanismes physiques mis en jeu dans le cadre du creusement pressurisé des tunnels, à identifier et analyser les mouvements de sol résultant de l’interaction entre la machine et le terrain excavé et par conséquent à contribuer à la résolution de problèmes rencontrés sur chantier (maîtrise des déformations dans le terrain, application du confinement au front de taille, contrôle du régime de creusement entretenu,…). A terme, ces travaux doivent permettre de proposer un outil numérique de modélisation du creusement pressurisé des tunnels. Ces recherches qui associent approches expérimentale, théorique et numérique concernent en particulier le mode de creusement à pression de terre.
Approche expérimentale
Les travaux expérimentaux sont réalisés en laboratoire à l’aide du modèle réduit de tunnelier à pression de terre de l’ENTPE. Ce dispositif de grande envergure (échelle géométrique comprise entre 1/4 et 1/20), original au plan international, dispose des principaux organes d’un tunnelier réel. Ainsi, il permet de modéliser les principales phases du processus de creusement à pression de terre dans le cas de massifs de sol reconstitués, composés de matériaux fins frottants ou cohérents, secs ou légèrement humides. Ce dispositif est muni d’une double instrumentation essentielle à l’analyse : l’une embarquée sur la machine permet le suivi en temps réel des grandeurs caractéristiques du fonctionnement du tunnelier, l’autre positionnée dans le terrain assure la mesure de contraintes et de déplacements en des points particuliers du massif tout au long du creusement.
Depuis 2003, une nouvelle campagne expérimentale menée sur massifs cohérents frottants dans le cadre de la thèse de V.H. Doan a permis d’ouvrir un nouveau champ d’investigation et d’analyse complémentaire à celui des matériaux frottants étudiés jusqu’alors, tout en se rapprochant des conditions prévalant sur chantier. Les essais ont été menés sur des massifs de sable humide, à faible teneur en eau, présentant des caractéristiques mécaniques (modules de déformation, cohésions, angles de frottement) en accord avec celles imposées par les lois de similitude. L’analyse de l’ensemble des essais menée à l’échelle de la maquette permet d’avoir aujourd’hui une bonne compréhension des mécanismes mis en jeu dans le mode de creusement à pression de terre, ceci pour les deux natures différentes de matériaux testés.
Ces essais ont tout d’abord permis d’étendre au cas des matériaux cohérents frottants l’existence de trois classes de régime de creusement distinctes conditionnant le comportement en contraintes – déformations du massif et le niveau d’énergie requis pour le fonctionnement du tunnelier. Parmi ces régimes, le régime de creusement idéal (régime dit d’équilibre) est par définition le régime qui garantit en tout temps la stabilité du front de taille. Ce régime s’oppose aux régimes dits extrêmes (régimes de sur-extraction et de sous-extraction) qui conduisent à une instabilité du massif, voire à sa rupture généralisée.
Au travers de nos essais, les conditions d’obtention du régime d’équilibre sont à ce jour pleinement identifiées pour des massifs de sol homogène. Pour un diamètre de tunnel donné, nos essais ont permis de quantifier la valeur de pression frontale d’équilibre, ceci en fonction de la valeur de cohésion du massif et de la hauteur de recouvrement du tunnel. A partir de cet état initial d’équilibre stable, le maintien du régime de creusement idéal suppose alors l’égalité des débits massiques d’extraction (Qt) et d’excavation (Qc). Nos essais ont à ce sujet montré la pertinence et la complémentarité des mesures de couple résistant sur la roue de coupe et de pression dans la chambre d’abattage dans l’identification en temps réel du régime de creusement entretenu ; ce résultat concerne directement l’aide au pilotage des tunneliers réels.
Les essais sur massifs cohérents frottants ont par ailleurs confirmé le caractère stationnaire du régime d’équilibre au cours duquel les variations des grandeurs physiques relatives au terrain (déplacements, contraintes) apparaissent directement fonction de la distance au bouclier. Pour ce régime idéal, les mesures de déplacements internes ont permis une analyse précise du champ des déplacements autour de la machine et un recoupement avec le processus de formation de cuvette de tassement en surface de massif. Cette caractérisation du champ des déplacements autour de la machine a été complétée d’une analyse de l’évolution des champs de contraintes dans cette même zone. En présence ou non de cohésion, nos essais mettent en évidence une forte diffusion radiale de l’effort de poussée frontale et l’existence d’un effet de voûte longitudinal au-dessus du front de taille. Celui-ci, d’autant plus significatif que les déplacements mobilisés en clef de tunnel sont importants, entraîne une réorganisation du champ des contraintes à l’avant de la machine (avec rotation des axes principaux de contrainte) qu’il convient de prendre en compte dans les méthodes de calcul de la stabilité du front de taille.
Les essais sur matériau cohérent frottant ont par ailleurs permis de compléter notre base de données et d’analyses concernant les régimes extrêmes de fonctionnement (régimes de sur-extraction et de sous-extraction). Ainsi dans le cas des massifs homogènes testés, les mécanismes et les cinématiques de rupture associées à ces deux régimes ont été analysés à l’échelle de la maquette. De plus, les géométries des zones de sol affectées par cette rupture ont été clairement identifiées pour différentes cohésions de massif et configurations géométriques de l’ouvrage.
Approches théorique et numérique
Des développements théoriques et numériques sont menés en parallèle de l’étude expérimentale sur modèle réduit. Ces travaux de modélisation, qui utilisent en particulier la méthode des éléments finis, doivent dans un premier temps servir d’aide à la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu à l’échelle de la maquette. Au-delà, ces travaux ont pour objectif la prévision des déplacements en surface de massif et des efforts repris par l’ouvrage de soutènement dans le cadre d’une transposition au problème en vraie grandeur. Ces travaux font l’objet d’une action contractuelle de recherche avec le Centre d’Etudes des Tunnels (CETU) et bénéficient des récents développements dans le domaine des outils numériques ; en particulier, un code éléments finis 3D (CESAR LCPC) est utilisé pour traiter la géométrie parfaitement tridimensionnelle du problème de creusement des tunnels à faible profondeur.
Dans un premier temps, les régimes extrêmes de fonctionnement observés sur maquette ont été modélisés pour différentes géométries d’ouvrages et différentes propriétés mécaniques du terrain (thèse Haj Mahmoud). Dans le cas du régime de sur-extraction, l’analyse montre qu’un modèle élastique plastique parfait de type Mohr Coulomb est en mesure de donner une bonne estimation des différentes cinématiques de rupture observées sur maquette et des valeurs de pression frontale à la rupture. Ce modèle s’avère en revanche davantage limité dans le cas de la modélisation du régime de sous-extraction en particulier du fait de la non prise en compte d’une plasticité isotrope.
Dans un second temps, une modélisation du régime idéal de fonctionnement (régime d’équilibre) doit être menée. Celle-ci visera à définir un procédé de modélisation par étapes du mode de creusement à pression de terre. Ce procédé devra être en mesure de rendre compte de l’origine variable des pertes de volume autour de la machine. Cette modélisation du régime stationnaire pourra être validée d’une part sur la base des essais sur modèle réduit, d’autre part par comparaison à des retours d’expériences de chantier. A la lumière des résultats de simulations numériques, des modèles théoriques plus faciles à intégrer dans une démarche de dimensionnement pourraient être construits dans un cadre d’hypothèses simplificatrices, judicieusement choisies.
