04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 1 Géologie Appliquée aux Ouvrages Souterrains Quelques mots sur les ouvrages souterrains : historique,

04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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Géologie Appliquée aux Ouvrages Souterrains

• Quelques mots sur les ouvrages souterrains : historique, situation actuelle, organisation de la profession

• Etudes : Opportunité, Définition, Conception, Exécution, Exploitation et Maintenance

• Place de la géologie (sens large) dans les travaux souterrains : Excavation, Soutènement, Vie de l’Ouvrage

• Etude de la stabilité et des méthodes d’exécution


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Historique - 1 - - 2700, premières mines organisées Au en Nubie, Cu

Chypre, Sinaï - 530, Galerie d’alimentation en eau d’Eupalinos

(1035 m ) dans l’île de Samos 0 JC - 350 km d’aqueducs à Rome 745 ???????, premières mines métalliques en Europe 1190, première exploitation de charbon en Flandre 1556, De RE Metallica – Agricola 1627, 1ère utilisation de la poudre noire en Hongrie 1680, tunnel de Malpas sur le canal du Midi 1828, 1er tunnel ferroviaire ( 2000 m ) sur la ligne

Roanne – Andrézieu


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Historique - 2 - 1838, 1er marteau à vapeur 1846, découverte de la Nitroglycérine par A.

Sobrero 1849, marteau perforateur ( 1862 – Sommeiller ) 1866, Invention de la Dynamite par Nobel 1857-1870, Tunnel ferroviaire ( 13 km ) du Mont

Cenis (du Fréjus ) – Perforatrice Sommeiller 1865-1875, Tunnels du Canal du Verdon (20 km ) 1872-1882 Tunnel ferroviaire du Saint Gothard

( 14,9 km ) 1830-1900, Développement du réseau ferroviaire :

Apogée


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Historique - 3 - 1900 – 19.., Poursuite du réseau ferroviaire(1930 ) Métros,

Assainissement, Hydroélectricité, Aduction ….-1980, Ouvrages routiers souterrains rares parce que très

aléatoires et donc coûteux, mais galeries hydrauliques et assainissement

1952, Tunnel de la Croix Rousse 1965, Tunnel du Mont Blanc 1971, Tunnel de Fourvière 1975, Tunnel Maurice Lemaire (Sainte Marie aux Mines) 1980, Tunnel du Fréjus Depuis 1970/1980 : Développement du réseau autoroutier A 8,

A 43, A 40, A 75, A 89, A 20, etc. Et TGV Atlantique puis Méditerranée, Tunnel sous la Manche et métros de Marseille, Lyon, Toulouse, Rennes


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Aujourd’hui• Urbanisme souterrain : infrastructures de transport

individuelles et en commun, Parkings, etc . « Espace Souterrain »: Patinoire de Lillehammer

• Très grandes infrastructures de transport :- Perpignan Figueras- Lyon-Turin-Ferroviaire (LTF) = une centaine de

kilomètres de tunnels

• Suisse, Italie, Espagne


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Situation actuelle

• Reprise très forte de l’activité souterraine depuis une trentaine d’années en France et dans le monde : autoroutes, TGV, métros, assainissement, hydraulique grâce aux progrès en foration, explosifs, machine foreuse ponctuelles et tunneliers

• Annuellement 1 Milliard d’Euros = 5 % des TP• Organisation de la profession : Entreprises de BTP,

BE, MOE, MO = AFTES


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AFTES

• Association Française des Travaux En Souterrain• Edite une revue technique T.O.S. bi-mensuelle• Groupes de Travail rédigent des recommandations

techniques pouvant être considérées des règles de l’art de la profession

• Journées techniques internationales ( 3 ans )• http:/www.aftes.asso.fr


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Etudes d’ouvrage souterrain

• Opportunité = Pourquoi faire un ouvrage souterrain : infrastructure linéaire ferroviaire ou routière voire fluviale;

• Définition = Quoi , caractéristiques géométriques et équipements adaptés aux fonctionnalités attendues;

• Conception = Comment , mise au point des méthodes constructives appropriées aux conditions de site (géologie au sens large);

• Exécution = travaux de réalisation, suivi et surveillance, adaptation du projet aux conditions réellement rencontrées (géologie au sens large);

• Exploitation et Maintenance = Contrôle du comportement de l’ouvrage en fonction du temps et de l’environnement (histoire de la construction, avoisinants et géologie au sens large);


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Qu’est-ce qu’un ouvrage souterrain

• Création d’une cavité artificielle au sein d’un massif rocheux = Creusement ou excavation;

• Assurer la stabilité à court et moyen terme de cette cavité = Soutènement ;

• Assurer la pérennité de l’ouvrage et la conservation des potentialités fonctionnelles = Soutènement + Revêtement ;

• Respecter les avoisinants : bâti ( vibrations et tassements) , autres ouvrages = Méthodes d’exécution + Soutènement + Revêtement ;

• Respecter l’environnement : déblais, nuisances sonores et salissures, tassements = Relationnel + Méthodes d’exécution


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Clé de voûte rein

naissance

piedroit

radier


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Clé de voûte rein

naissance

piedroit

radier


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Vocabulaire • Termes géométriques : clé de voûte, rein, piedroit,

radier, pleine section, section divisée, demi section supérieure (demi-sup ) demi section inférieure ( stross ), intrados, extrados,

• Construction : traçage, foration, chargement, tir, ventilation, purge, marin, marinage, soutènement, béton projeté, boulonnage, treillis soudé, cintres, étanchéité, coffrage, revêtement, bétonnage, banquettes


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Etudes de Fonctionnalités

Insfrastructure ferroviaire, routière ou de transport urbain ( voire fluvial )

Galeries hydrauliques : hydroélectricité, approvisionnement, transfert

Stockages: hydrocarbures, déchets radioactifs, armement

Architecture souterraine : parkings, patinoire, remonte pente, installations industrielles


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Etude géométrique

• Ouvrages linéaires ( TGV, Routes, Métro )

Tracé en plan, Profil en long, Profil en travers ( contraints par les fonctionnalités et l’environnement ) – Idem air libre

• Ouvrages volumiques ( Parkings, Salles, Usines, Stockages )

Choix de l’implantation en fonction du contexte


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Etude Technique du Tunnel

Analyse des conditions d’exécution de l’excavation à créer

• Choix du principe de réalisation : explosif, abattage mécanisé, tunnelier

• Conditions de creusement • Besoins en soutènement • Respect des avoisinants

dépendent essentiellement du contexte géologique, géotechnique et hydrogéologique


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Etude Géologique

Techniques d’études• Etude Bibliographique• Etude par photo- interprétation• Levé de terrain = cartographie• Géophysique • Sondages• Galerie de reconnaissance • Essais in situ et de de laboratoire


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Géologie - 1

• Roches plutoniques ( éruptives ou volcaniques) : granite, gabbro, syénite

Résistance élevée, Déformabilité très faible, fortement compétente

• Roches métamorphiques : gneiss, schistes,micaschistes, quartzites

Résistance, Déformabilité et Compétence variables en fonction de l’anisotropie liée à la foliation


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Géologie - 2

• Roches sédimentaires: calcaires, dolomies, grès Résistance et Compétence moyennement élevées,

Déformabilité faible – teneur en CaCO3- karst, poches sableuses, porosité des grès

Calcaires argileux, marnes, argiles, schistes Résistance moyenne à faible, Déformabilité forte,

non compétentes – délitage- gonflement Évaporites : anhydrite, gypse – solubilité

importante


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Coupe Géologique Prévisionnelle

A partir des résultats de l’étude géologiqueIdentification des unités lithologiques

traversées et arrangement géométrique de ces unités les unes par rapport aux autres

Longueurs des tronçons à creuser dans telle ou telle unité

Indétermination ou incertitudesReconnaissances spécifiques à réaliser.


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Etude Géotechnique

• Caractérisation physique et mécanique des matériaux rocheux

Principalement en laboratoire sur échantillons

• Caractérisation du massif rocheux

Discontinuités, état de contrainte, eau


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Caractérisation de la matrice rocheuse ( roche intacte ) - 1

Identification

• Masse volumique

• Teneur en eau

• Minéralogie : teneur en CaCo3, teneur en argiles,


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Caractérisation de la matrice rocheuse ( roche intacte ) - 2

Caractéristiques mécaniques• Vitesse du son• Résistance à la compression simple Rc• Résistance à la traction Rt• Essai triaxial ( c et caractéristiques de rupture)• E et module de déformabilité et coefficient de

Poisson• Essais spécifiques: Dureté et Abrasivité


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Caractérisation du massif rocheux - 1

Discontinuités

• Orientation – Projection stéréographique

• Espacement – R.Q.D. – I.D.

• Persistance

• Géométrie des surfaces

• Ouverture

• Remplissage


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Déformabilité

• Mesure par essai dilatométrique

• Mesure par essai à la plaque

• Interprétation des déformations du massif ( galerie de reconnaissance )


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Hydrogéologie

• Présence d’une nappe

• Charge hydraulique ( Pièzométrie )

• Perméabilité ( essais Lefranc, essais Lugeon, essai de pompage )



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Etat de contrainte

• Mesure en surcarottage

• Mesure au vérin plat ( en paroi de galerie de reconnaissance )

• Mesure en forage ( hydrofracturation )

• à défaut = * h


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Conditions de creusement

• Résistance de la roche Rc, Rt• Dureté et abrasivité CERCHAR• Discontinuités

• Creusement à l’explosif• Creusement avec une machine à attaque

ponctuelle• Creusement au tunnelier• Traitement du terrain ( injections, congélation )


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Etude de stabilité - 1-

Approche théorique

• Méthode convergence / confinement - Géométrie circulaire, contrainte isotrope.

• Modélisation par calcul numérique : calcul par éléments finis ( code de calcul CESAR ) Permet de représenter la géométrie et le phasage exact du creusement.

Suppose un milieu continu et homogène


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Etude de stabilité - 2-

Approche Empirique • Par analogie avec un ouvrage de référence

construit dans des conditions similaires• En utilisant l’expérience acquise sur d’autres

ouvrages : Classifications géo-mécaniques et recommandations AFTES.

• Nouvelle Méthode autrichienne (NATM) / Méthode observationnelle

• Partiellement empirique en ayant recours à des calculs de dimensionnement pour les charges actives et les éléments de soutènements


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Convergence / Confinement -1-

• Approche simplifiée moyennant les hypothèses suivantes :

Massif rocheux continu, isotrope et présentant un comportement élastique caractérisé par E et module élastique et coefficient de Poisson

Etat de contrainte isotrope o

Excavation circulaire de centre O et rayon r Déformations planes dans le plan perpendiculaire

à l’axe du tunnel


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• Dans ce plan perpendiculaire à l’axe du tunnel, les contraintes exprimées en coordonnées polaires en un point M quelconque situé à une distance de O sont de la forme avec = r / :

• AVANT creusement

r = 0 , t = 0 et rt = 0

• APRES creusement

r = 0 ( 1 - 2 ) , t = 0 ( 1+ 2 ) et rt = 0



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• A la paroi de l’excavation = 1 d’où :

r = , t = 2 0 et rt = 0

• L’expression du déplacement radial ur sur la paroi de l’excavation est de la forme :

ur = ( 0 .r )/ 2 G où :

0 est la variation de contrainte radiale r

responsable du déplacement : 0 =0

G est le module de cisaillement G = E / 2.( 1 + )



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• Ce résultat correspond à un creusement du tunnel instantané :

ur = ( 0 .r )/ 2 G = 0 .r / 2 G En réalité les choses se passent différemment parce

que le déplacement radial se développe progressivement au fur et à mesure de l’avancement du front de taille.

Au droit d’une section transversale ce déplacement radial commence même à se produire avant que le front de taille n’ait atteint cette section.


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• Tout se passe donc comme si le front de taille exerçait à la paroi de l’excavation une pression fictive de soutènement Pi dont la valeur serait fonction de son éloignement x par rapport à la section transversale considérée.

• La valeur de cette pression fictive est de la forme :

Pi = ( 1 – ) 0


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• L’expression du déplacement radial devient alors :

ur = ( 0 .r )/ 2 G = [0 - ( 1 – ) 0] .r / 2 G

ur = .0 .r / 2 G

avec = taux de dé-confinement = f ( x ), variant de 0 à 1 au droit du front est de l’ordre de 0,3


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• Classiquement les variations du déplacement

radial ur en fonction de l’éloignement x du front

de taille sont représentées dans un repère ur , Pi

• Très en avant du front : Pi = 0 ,( =0) et ur = 0

• Très en arrière du front de taille : Pi = O ,( = 1 )

et ur = 0 .r / 2 G


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• Noter que cette pression fictive modifie

également la valeur de la contrainte

tangentielle qui n’atteint son maximum t

= 2 0 que lorsque

Noter que par hypothèse le matériau a

conservé un comportement élastique


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Comportement élasto-plastique parfait• Lorsque le matériau est sollicité au delà d’un

certain seuil il entre en rupture et son comportement passe du domaine élastique au domaine élasto-plastique ( où les déformations deviennent plus importantes )

• Le seuil est défini par un critère de rupture• Il existe plusieurs expressions du critère de rupture

proposées par différents auteurs.


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• le critère de Mohr-Coulomb

1 = 3 (1+sin )/(1-sin ) + c (cos )/(1- sin )

c : cohésion et angle de frottement interne du matériau

Le critère de Hoek et Brown

1 = 3 + [(m.3/c) + ( s. c2 )]1/2

• m et s coefficients caractéristiques du matériau intact


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• La méthode convergence/confinement ainsi que le code de calcul numérique CESAR le plus utilisé en France pour les travaux souterrains utilisent le critère de Mohr-Coulomb.


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• Lors de l’excavation c’est immédiatement à la paroi de l’excavation que les contraintes sont maximales et décroissent lorsque l’on s’éloigne du centre

Avant creusement r = 0 , t = 0

Après creusement :

r = 0 .(1 - 2 ), t = 0 ( 1+ 2 ), = r /


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• La zone en rupture présentant un comportement plastique se développe donc à partir de la paroi de l’excavation en direction de l’extérieur.

• La limite de la zone plastique est définie par le

rayon plastique rd et l’expression du déplacement

radial devient :

ur = (rd / r )( e.0.r ) / 2 G


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ur = (rd / r )( e.0.r ) / 2 G

e = [ 1 / ( Kp + 1 )].[ Kp – 1 + (c / 0 )]

Kp = (1+sin )/(1-sin )

rd / r = {2 e / [(Kp+1) e - (Kp-1) }1/Kp-1


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Mise en place du soutènement• La mise en place du soutènement est prise en compte

sous la forme d’une structure circulaire élastique parfaitement adhérente au terrain et caractérisée par une raideur ks

• Ce soutènement est mis en place alors que le déplacement radial a atteint une valeur urs et son déplacement radial est us

• L’évolution du soutènement est représentée sur le repère ur , Pi par une droite de pente ks


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Comportement différé

• Fluage E0 > E

• Gonflement Pg


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Paramètres nécessaires

Milieu continu homogène et isotrope : THEORIQUE

Terrain :

• Rc, E0, E , , 0, (ou 1, 2, 3), c et ou m et s)

Ouvrage

• r, ks

Milieu naturel discontinu, anisotrope, non homogène : EMPIRIQUE

• Discontinuités

• Gravité


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Etude de stabilité - 2

Approche empirique

• Recommandations AFTESClasses AFTES de valeursPertinence de chaque type de soutènement

• Classifications géomécaniques


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Recommandations AFTES - 3 -

• Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à l’étude de la stabilité des ouvrages souterrains »

• Recommandations pour le choix des « Paramètres et essais géotechniques utiles à la conception, au dimensionnement et à l’exécution des ouvrages creusés en souterrain »

• Recommandations relatives au « Choix du soutènement en galerie


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Respect des avoisinants

• Contrôle des ébranlements dus aux tirs

• Contrôle des tassements de surface

• Contrôle des perturbations aux nappes


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Suivi et auscultation des travaux


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Tunnels à grande profondeur

• Tunnel profond = loin de la surface = reconnaissances dificiles : méthodes d’investigations innovantes (sondages très longs, sismique réflexion)

• Durée de creusement importante sauf si attaques intermédiaires en complément des attaques depuis chaque tête

• Pour ce faire: rechercher tracé et profil en long permettant raisonnablement la création d’une descenderie;

• Tunnel profond = tunnel soumis à de fortes contraintes = écaillage et/ou convergence forte, ex: Tunnel du Fréjus

• Risque lié aux circulations d’eau souterraines pouvant être sous une charge importante (liée à l’épaisseur de couverture) et éventuellement d’eau chaude;

• Risque lié à la température du massif rocheux ( 0,03 °/m)

• Tunnel profond = tunnel long mais l’inverse n’est pas toujours vrai, ex: tunnel sous la Manche : 50 km, 40 à 50 m d’eau, 50 m de terrain


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Ouvrages souterrains et Géologie

• Terrain encaissant est l’acteur principal de l’acte de construire (contrairement à ce qui se passe pour les autres ouvrages de génie civil où le terrain n’intervient que dans les fondations)

- matériau, hétérogène, le plus souvent anisotrope, le plus souvent discontinu

- matériau naturel dont les caractéristiques sont mal connues parce que variables (à l’intérieur de certaines limites)

- variable dans l’espace (un tunnel n’est qu’exceptionnellement construit dans un seul et même terrain)

- Pouvant être baigné par une nappe phréatique ou être le siège de circulations d’eau importantes

- Matériau imposé par les contraintes fonctionnelles : usage de l’infrastructure et géométrie


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Recommandations AFTES - 2-


• Recommandations sur l’ »Emploi de la méthode Convergence/Confinement »

• Réflexions sur les méthodes usuelles de calcul • Présentation de la méthode de construction des

tunnels avec soutènement immédiat par béton projeté et boulonnage


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Recommandations AFTES - 1 -


• Recommandations AFTES relatives aux « Choix des techniques d’excavation mécanisée »

• Propriétés relatives aux « Mesures et essais réalisés dans le cadre d’un chantier de creusement mécanisé. Caractéristiques des roches sur échantillons «

• Recommandations relatives au « Choix du soutènement en galerie »

Documents

04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 1 Géologie Appliquée aux Ouvrages Souterrains Quelques mots sur les ouvrages souterrains : historique,