La conception de tunnels dans des conditions de terrain mou exige une compréhension nuancée de la mécanique du sol et des techniques de construction avancées. Les sols mous, qui comprennent des matériaux tels que l'argile, le limon, la loess et les sables lâches, présentent des défis importants en raison de sa faible résistance au cisaillement, de sa compressibilité élevée et de sa sensibilité aux perturbations. Sans planification prudente, les projets risquent un tassement excessif du sol, une instabilité des tunnels, voire un effondrement catastrophique.

Comprendre les conditions de terrain mou

Le sol mou est défini par sa faible résistance au cisaillement non drainé, généralement inférieure à 50 kPa, et sa compressibilité élevée, qui conduit à des déformations significatives sous charge. Le comportement de ces sols pendant l'excavation est régi par des facteurs tels que l'état de contrainte initial, la pression interstitielle et le tissu du sol.

Types de terre molle

  • Clay:[ Sol fin et cohésif qui présente une plasticité élevée et une faible perméabilité. Il est sujet à la pression du comportement du sol où le diamètre du tunnel diminue en raison du mouvement du sol vers l'intérieur.
  • Ensile: Intermédiaire entre le sable et l'argile, souvent lâche et avec une faible cohésion. Le silt peut se liquéfier sous des charges dynamiques ou soumis à de grandes variations de contraintes.
  • Sable de fuite: Sol granulaire avec faible liaison interparticulaire. Il peut s'écouler dans la face du tunnel sans support, provoquant des conditions de râpage ou de roulage du sol.
  • Sols organiques et tourbe:[ Très compressibles et faibles, ces sols sont rarement adaptés pour le tunnelage sans amélioration importante du sol.

Propriétés géotechniques

Les principaux paramètres géotechniques qui influencent la conception des tunnels sont la résistance au cisaillement[ (sans drain et drainé), la compressibilité[ (coefficient de changement de volume), la perméabilité[ (affectant le drainage et la consolidation), et le coefficient de pression de la terre au repos[ (K0). Par exemple, dans l'argile molle, la résistance au cisaillement non drainée est essentielle pour calculer la stabilité de la face et les pressions de support.

Défis communs dans le tunnelage par terre tendre

  • Règlement de terrain excessif :[ Le règlement de surface en raison de la perte de volume dans l'excavation peut endommager les structures, les services publics et les routes à proximité.
  • Instabilité de la surface:[ La surface de l'excavation peut s'effondrer si la pression de support appliquée est insuffisante pour équilibrer les pressions de la terre et de l'eau in situ, particulièrement dans les sols non cohésifs.
  • Roncement de serrage:[ Dans les argiles douces, la doublure du tunnel peut subir de grandes déformations radiales dues à une pression élevée de surcharge, nécessitant un support flexible ou une épaisseur accrue de l'anneau.
  • Ingression d'eau: Des niveaux élevés d'eau souterraine peuvent entraîner l'afflux d'eau dans le tunnel, érodant les particules du sol et affaiblissant le sol environnant.

Enquête géotechnique sur les tunnels à terre molle

Avant le début de la conception, une étude géotechnique exhaustive est obligatoire, notamment l'exploration sur le terrain, les essais en laboratoire et la surveillance des eaux souterraines.

  • Chômages et échantillonnage:[ Échantillonnage continu de carottes à intervalles le long de l'alignement du tunnel pour identifier les strates du sol et obtenir des échantillons non perturbés pour les essais.
  • Essais in situ: Essais de pénétration standard (SPT) et essais de pénétration de cône (CPT) dans les sables; essais de cisaillement de la vane et essais de pressionmètre dans les argiles pour mesurer la résistance non drainée et le module.
  • Surveillance de l'eau de ronde:[ Installation de tubes de retenue ou de piézomètres pour mesurer la tête hydraulique, la perméabilité et les conditions artésiennes potentielles.
  • Essais de laboratoire : Essais de consolidation (oedomètre), essais de cisaillement triaxial (UU, CIU, CID) et essais de propriétés indicatrices (limites d'Atterberg, distribution de la taille du grain).

Les données de ces recherches sont utilisées pour développer un modèle de sol qui prédit le comportement pendant l'excavation. Pour les sites complexes, la modélisation numérique (p. ex. analyse des éléments finis) est souvent utilisée pour simuler les changements de déformation et de contrainte.

Principales considérations de conception pour les tunnels en terrain mou

Amélioration des terrains

L'amélioration des propriétés du sol in situ avant l'excavation peut réduire de façon significative les risques.

  • Soil Stabilisation:[ Mélanger des liants ciment, chaux ou polymères avec le sol pour augmenter la résistance et réduire la compressibilité.
  • Groutage: L'injection de ciment, de produits chimiques ou de résine pour combler les vides et réduire la perméabilité. Le coulisage par perméation fonctionne bien dans les sables, tandis que le coulis à jet crée des colonnes de sol amélioré qui conviennent à la stabilisation du visage.
  • Préchargement et drainage vertical:[ Appliquer une charge temporaire supplémentaire pour consolider les argiles molles, réduire les tassements à long terme.
  • Compaction Groutage:[ Pomper le coulis à faible limace pour densifier les sols granulaires lâches, en atténuant le potentiel de liquéfaction.

Systèmes d'appui

Les systèmes de soutien immédiats et permanents doivent être conçus pour résister aux charges imposées par le sol mou tout en permettant des déformations contrôlées.

  • Shotcrete: Appliquée pneumatiquement en couches, souvent avec renforcement de fibre d'acier.Shotcrete fournit un temps de stand-up immédiat pour les tunnels creusés séquentiellement, comme dans NATM.
  • Steel Ribs and Lattice Girders: Installé à intervalles réguliers pour fournir un support structurel jusqu'à ce que la doublure finale soit placée. Les côtes sont particulièrement utiles dans le sol de compression où des déformations élevées sont attendues.
  • Doublures segmentales pré-castées: Utilisées avec des opérations TBM, ces segments en béton fournissent une doublure finale solide et étanche immédiatement après l'érection.Les segments sont conçus pour résister à la fois aux forces de compression et à la traction, et leur géométrie (par exemple, les anneaux coniques) permet la direction courbe.
  • Systèmes de parapluies de puces:[ Dans un sol faible, des tuyaux en acier sont installés autour du périmètre du tunnel devant le visage pour créer une auvent protectrice, réduisant ainsi le risque d'effondrement du visage.

Forme et taille du tunnel

Dans le cas des tunnels à gros diamètre, la stabilité du visage devient plus critique en raison de la largeur de la travée non supportée, ce qui nécessite des systèmes de soutien avancés.

Contrôle de l'eau

La gestion des eaux souterraines est l'un des aspects les plus difficiles du tunnelage des sols mous. Les débits élevés d'eau peuvent éroder les amendes, entraînant des cavités et des effondrements soudains.

  • Déshydratation:[ Pomper temporairement les eaux souterraines des puits autour de l'alignement du tunnel pour abaisser la nappe phréatique. Ceci est efficace dans les sables mais peut provoquer un tassement de consolidation dans les argiles si elle n'est pas soigneusement gérée.
  • Tunnel d'air comprimé:[ Utiliser de l'air comprimé dans le tunnel pour équilibrer la pression des eaux souterraines, en empêchant l'entrée. Cependant, cette méthode est dangereuse en raison des risques pour la santé des travailleurs (maladie de la dépression) et est maintenant moins fréquente.
  • Systèmes d'étanchéité:[Installer des membranes semi-perméables ou imperméables entre les revêtements primaires et secondaires. Pour les revêtements segmentaires pré-fabriqués, les joints aux joints de segment assurent l'étanchéité.
  • Rideaux de purge :[ Injecter un joint à faible perméabilité dans le sol autour du tunnel pour créer une barrière au débit d'eau, souvent utilisée dans les sols perméables à haute pression d'eau.

Surveillance et flexibilité

L'instrumentation et la surveillance sont essentielles pour vérifier les hypothèses de conception et permettre des ajustements en temps réel. La méthode d'observation, telle que formalisée par Peck (1969), permet aux ingénieurs de modifier les procédures de construction en fonction du comportement observé.

  • Réglementations de surface:[ Mesurés avec des tableaux de nivellement précis, des mesures électroniques de distance (EDM) ou des balayages LIDAR.
  • Mouvements profonds au sol: Inclinomètres et extensomètres installés dans les forages pour surveiller le déplacement du sol à la profondeur.
  • Pressions d'eau interstitielles : Piézomètres pour suivre les changements pendant l'assèchement ou l'excavation, en alertant de l'instabilité potentielle.
  • Stress et souche:[ Manomètres et cellules de charge intégrées dans la doublure pour surveiller la santé structurelle.

Les niveaux de déclenchement doivent être définis au cours de la conception, par exemple si le tassement dépasse un seuil, un râpage ou un support supplémentaire peuvent être déclenchés. La souplesse dans la conception, comme l'espacement ajustable des anneaux ou l'installation de garnitures étagées, permet de tenir compte des conditions de sol imprévues.

Méthodes de construction pour les tunnels à terre molle

Le choix de la méthode de construction dépend de la profondeur du tunnel, du type de sol, des conditions d'eau souterraine et des contraintes du projet.Les trois principales méthodes sont les machines à creuser le tunnel (TBM) et la nouvelle méthode autrichienne de tunnelage (NATM).

Coupe-et-Couvre-toi

Cette méthode consiste à creuser une tranchée de la surface, à construire la structure du tunnel à l'intérieur, puis à la remblayer. Elle est la mieux adaptée aux tunnels peu profonds (jusqu'à 10-15 m de profondeur) dans des zones ouvertes avec un développement minimal de surface. Deux variantes communes sont la construction du fond vers le haut et du haut vers le bas. Le bas vers le haut implique une excavation complète et ensuite la construction du tunnel à partir de la base vers le haut. Le haut vers le bas utilise des murs temporaires (p. ex. des pieux de sécants) pour soutenir les côtés pendant que le toit est construit d'abord, puis l'excavation se poursuit en dessous.

Machines à embrayer les tunnels (TBM)

Les TBM sont de plus en plus répandus dans les tunnels à terre molle en raison de leur vitesse, de leur sécurité et de leur perturbation minimale de la surface.

  • Balance de pression de la Terre (EPB) TBMs: Le sol excavé est utilisé comme milieu de pression dans la chambre de la tête de coupe pour soutenir le visage. Le sol est mélangé avec des additifs (mousse, bentonite) pour contrôler la perméabilité et la consistance. Les machines EPB sont idéales pour les sols cohésifs et les conditions mixtes où la pression de l'eau souterraine est modérée.
  • Slurry Shield TBMs:[ Un lisier bentonite est utilisé pour exercer une pression sur le visage et le transport du sol excavé. Le lisier forme un gâteau filtrant sur le visage, le stabilisant même sous des pressions d'eau élevées. Les lisiers sont préférés pour les sables perméables et les graviers où le contrôle des eaux souterraines est essentiel.

Les deux types nécessitent une installation continue de revêtement en utilisant des segments préfabriqués. La conception du TBM doit tenir compte de toute la gamme des conditions de terrain attendues, y compris les blocs ou obstacles qui peuvent nécessiter une intervention. Pour des spécifications détaillées, voir les publications de la Société internationale de mécanique du rock (SIRM) sur le tunnelage du TBM.

Nouvelle méthode autrichienne de tunnel (NATM)

Aussi connu sous le nom de Méthode d'excavation séquentielle (SEM), NATM s'appuie sur la mobilisation de la force du sol environnant en permettant des déformations contrôlées. Le support primaire, typiquement en béton de tir, boulons de roche et arcs en acier, est installé immédiatement après l'excavation, tandis que la doublure finale est coulée après la déformation se stabilise.

  • Séquence d'excavation:[ Le visage est divisé en deux parties : le haut, le banc et l'envers pour réduire la portée non supportée.
  • Support de façade:[ Des serviettes en fibre de verre ou un joint de coulis horizontal peuvent être installés avant le visage pour prévenir l'instabilité.
  • Doublures minces et flexibles:[ La doublure en béton de tir est conçue pour produire légèrement, permettant au sol de s'enrouler autour du tunnel. Cela réduit les moments de flexion mais nécessite une instrumentation robuste pour assurer la sécurité.

Le NATM est avantageux lorsque des sections non circulaires sont nécessaires ou lorsque l'accès aux gros équipements de GTT est difficile. Toutefois, il nécessite des équipes hautement qualifiées et une surveillance continue, ce qui le rend moins adapté aux projets à calendriers stricts ou à sol faible qui ne peuvent être exposés en toute sécurité.

Évaluation des risques et atténuation

La gestion des risques fait partie intégrante du tunnelage en terre molle.

  • Chaux de puits et rainure de cheminée:[ Cause de l'effondrement soudain du visage ou de l'érosion des eaux souterraines. L'atténuation comprend un contrôle prudent de la pression du visage avec des TBM et l'utilisation de parapluies de tuyaux dans le NATM.
  • Les dommages structurels aux bâtiments en surplomb : Les règlements de fondation peuvent être atténués par une compensation de coulis – en injectant le coulis pour soulever des structures – ou par l'utilisation de systèmes de soutien rigides qui réduisent au minimum les pertes de volume.
  • Flooding from Water Ingress:[ Des systèmes d'étanchéité redondants et des pompes d'urgence sont nécessaires. Pour les TBM, une opération en mode fermé avec visage pressurisé empêche l'eau de s'échapper.
  • Tarifs d'usure et d'outils:[ Dans les sols abrasifs, l'usure de la tête de coupe sur les TBM peut entraîner des retards.

Les évaluations des risques préalables à la construction, la modélisation probabiliste (p. ex. simulation Monte Carlo des conditions au sol) et les plans d'urgence pour l'amélioration du terrain sont des normes.

Études de cas et leçons tirées

Plusieurs projets de tunnels importants illustrent les principes de la conception de terrains souples.Tunnel de canal[, construit à travers la marle de craie, a utilisé des TBM avec une surveillance systématique du visage pour maintenir la stabilité.Boston Central Artery/Tunnel a utilisé des murs profonds de lisier et NATM dans l'argile bleue de Boston douce, limitant avec succès les colonies à moins de 2 cm dans de nombreux secteurs.

Conclusion

La conception de tunnels dans les sols mous est un équilibre entre la compréhension du comportement des sols, l'application d'améliorations appropriées et la sélection de méthodes de construction qui s'harmonisent avec les risques du projet. Aucune approche unique ne convient à toutes les conditions; les projets réussis intègrent des études géotechniques approfondies, la modélisation réaliste et la surveillance continue avec la flexibilité d'adaptation.