AFTES 147 (1998) - La Conception, Le Dimensionnement Et l'Exécution Des Revêtements en Voussoirs Préfabriqués en Béton Armé Installés à l'Arrière d'Un Tunnelier (GT18R1F1)

ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS ET DE L’ESPACE SOUTERRAIN Organisation nationale adhérente à l’AITES www.aftes.asso.fr

Recommandations de l’AFTES La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier GT18R1F1

AFTES RECOMMANDATIONS RELATIVES A

LA CONCEPTION, LE DIMENSIONNEMENT ET L’EXECUTION DES REVETEMENTS EN VOUSSOIRS PREFABRIQUES EN BETON ARME INSTALLES A L’ARRIERE D’UN TUNNELIER L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte. Version 1 - 1997 - approuvée par le Comité Technique du 13/11/1997 Texte présenté par M. Pascal GUEDON, SIMECSOL animateur du Groupe de Travail, avec la collaboration de : MM. AUTUORI Philippe, BOUYGUES - BACHTANIK Bruno, MINISTERE DE L'EQUIPEMENT, BARTHES Henri, A.F.T.E.S. - BERNARD Simon - BONNA - BILLANGEON Rémi, SPIE BATIGNOLLES BOCHON Alain, SNCF - CHANTRON Laurent, CETu - CHARDIN Daniel, SOGEA - DARDARD Bruno, SNCF HUEBER Jean, SETEC - LABONNE Hubert, INDUSTRIELLE DU BETON - LEOGANE Jean Paul, RATP PETIT François, CAMPENON BERNARD SGE - SAMAMA Laurent, SCETAUROUTE - TAQUET Bernard, EDF - CNEH VAN DUC Tri, CAMPENON BERNARD SGE Comité de lecture A.F.T.E.S. : MM. GUILLAUME Jean, RAZEL - LAUNAY Jean, DUMEZ - GTM - LECA Eric, SCETAUROUTE MAUROY Fabien, SYSTRA - NIQUET Jean-Jacques, SOCIETE DU CANAL DE PROVENCE SCHWENZFEIER André, CETu

S O M MA I R E Pages

1 - GENERALITES 1.1 Objet des recommandations 1.2 Champ d'application des recommandations

154 154

2 - RAPPEL HISTORIQUE

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3 - CONCEPTION DU REVETEMENT 3.1 Préambule 3.2 Données de base nécessaires à l'établissement d'un projet de revêtement 3.3 Fonctions du revêtement 3.3.1 Fonctions liées aux contraintes d'exploitation 3.3.2 Fonctions liées aux contraintes d'exécution 3.4 Description du concept 3.4.1 Généralités 3.4.2 Conception générale des revêtements 3.4.3 Pincement des anneaux biais 3.4.4 Longueur des anneaux 3.4.5 Composition d'un anneau 3.4.6 Géométrie des voussoirs 3.4.7 Nature des matériaux 3.5 Revêtement installé dans l'emprise du tunnelier 3.5.1 Principe de conception des anneaux 3.5.2 Constitution des anneaux 3.5.3 Surfaces de contact

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Pages

3.5.4 Garnitures d'étanchéité 3.5.5 Dispositifs d'assemblage 3.5.6 Inserts, réservations 3.5.7 Garnitures pour répartition des efforts aux contacts des voussoirs 3.5.8 Injection à l'extrados des voussoirs 3.6 Revêtement installé hors de l'emprise du tunnelier 3.6.1 Principe de conception des anneaux 3.6.2 Avantages et inconvénients 3.7 Spécificités des galeries hydrauliques en charge 3.7.1 Rappels hydrogéologiques 3.7.2 Comportement mécanique de la structure 3.7.3 Rugosité des galeries revêtues de voussoirs 3.8 Tolérances d'exécution 3.8.1 Définition 3.8.2 Identification des principaux critères entrant en jeu dans la définition des tolérances 3.8.3 Précision 3.9 Durabilité 3.9.1 Béton des voussoirs 3.9.2 Aciers des armatures 3.9.3 Garnitures d'étanchéité 3.9.4 Inserts 3.10 Considérations économiques

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 147 - MAI/JUIN 1998

163 32 35 164 41 166 166 42 43 167 45 168 46 168 46 168 47 168 47 168 48 168 49 169 50 169 50 169 169 50 169 51 52 170 52 170 53 170 53 170 54 170 54

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La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier Pages

4 - CALCUL DU REVETEMENT 4.1 Principaux paramètres influant sur le dimensionnement 4.1.1 Conditions de mise en œuvre 4.1.2 Paramètres de calcul des sollicitations sur l'anneau 4.2 Hypothèses de calcul 4.2.1 Règlements et références 4.2.2 Caractères des matériaux 4.2.3 Nature des actions et chargements 4.2.4 Combinaisons d'actions 4.2.5 Critères de dimensionnement 4.3 Détermination des sollicitations dans le revêtement 4.3.1 Introduction 4.3.2 Méthode des réactions hyperstatiques 4.3.3 Méthode du solide composite 4.3.4 Adaptation des méthodes de calcul au revêtement de voussoirs et à l'excavation au tunnelier 4.3.5 Paramètres intégrables dans les différentes méthodes de calcul 4.4 Justification du béton et des armatures 4.1.1 Choix de l'épaisseur des voussoirs 4.1.2 Armatures circonférentielles (cerces) 4.1.3 Armatures longitudinales (disposées parallèlement à l'axe du tunnel)

55 171 55 171 55 171 56 173 60 173 60 173 61 173 61 175 65 176 68 176 70 176 70 176 70 177 71 178 74 178 74 180 78 180 78 180 78 180 78

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5 - CALCUL DES ASSEMBLAGES 5.1 Hypothèses de calcul relatives aux boulons et tire-fond 5.1.1 Règlements 5.1.2 Nature des actions et chargements 5.1.3 Combinaisons d'actions - Sollicitations de calcul 5.2 Justification des pièces d'assemblage et de préhension utilisant des matériaux autres que l'acier 5.2.1 Introduction 5.2.2 Actions à considérer 5.2.3 Combinaisons d'actions - Sollicitations 5.2.4 Comportement des matériaux et assemblages - Essais 5.2.5 Conclusions

79 79 180 79 180 79 180 80 181 181 81 81 181 81 181 82 181 82 181 181 82

6 - OUVRAGES EN LIGNE 6.1 Conception des structures annexes 6.2 Exécution des ouvrages en ligne

82 182 83 182 84

7 - INSTRUMENTATION 7.1 Objectifs 7.2 Moyens d'auscultation

84 84 182 85 182

• REFERENCES

183

• ANNEXE : EXECUTION DU REVETEMENT PREFABRICATION ET MISE EN PLACE

184

AVERTISSEMENT

C

e texte s'adresse en premier lieu aux différents intervenants (Maîtres d'Ouvrage, Maîtres d'Œuvre, Bureaux d'études, Entreprises, ...) œuvrant dans le domaine du creusement mécanisé au tunnelier.

L'objectif principal de ce document est, non seulement, d'éviter certaines erreurs commises par le passé dans la conception, le dimensionnement et l'exécution des revêtements en voussoirs en béton armé posé à l'arrière d'un tunnelier, mais également de contribuer à améliorer le savoir-faire dans ces domaines, ce, en s'appuyant sur l'expérience acquise, ces dernières décennies, par les divers praticiens de cette technique. Que ce texte puisse susciter chez chacun l'envie de faire progresser la technicité et la technologie de ce type de revêtement.

1.2 - Champ d'application des recommandations

préfabriqué, les recommandations rappellent dans un chapitre relatif à leur conception :

1.1 - Objet des recommandations

Les présentes recommandations traitent exclusivement le cas des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé.

◗ les fonctions qu'ils doivent assurer,

Ces recommandations ont pour but de servir de guide pour la conception, le dimensionnement et l'exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l'arrière d'un tunnelier.

Ainsi, les conceptions de revêtement fondées sur l'emploi d'autres matériaux tels que, par exemple, la fonte et l'acier, ou ayant recours à la mixité de ces matériaux, n'entrent pas dans le cadre de ces recommandations et mériteront de faire l'objet d'un projet spécifique de recommandations.

I-

GENERALITES

Elles sont destinées notamment à actualiser et compléter les précédentes recommandations, présentées par le groupe de travail n° 7 de l'A.F.T.E.S. - soutènement et revêtement, intitulées "recommandations sur les revêtements préfabriqués des tunnels circulaires creusés au tunnelier" (numéro spécial Tunnels et Ouvrages Souterrains -T.O.S. 05-88). Elles s'appuient également sur les autres recommandations déjà publiées par l'A.F.T.E.S.

154

Par ailleurs, le terme "installation à l'arrière d'un tunnelier" ne limite pas le domaine d'application de ce texte aux seuls revêtements installés dans la jupe du tunnelier mais inclut également les revêtements installés hors de son emprise, comme, par exemple, les revêtements constitués de voussoirs expansés. Ainsi, après avoir fait un bref historique sur l'apparition des revêtements en béton armé


◗ les différents éléments constitutifs des revêtements et leurs rôles, en mettant l'accent, notamment, sur les points importants à respecter pour assurer un bon comportement de l'ouvrage lors de son exécution et pendant sa durée de vie. Dans la suite du document, il est fait état de l'aspect dimensionnement des revêtements pour lequel il est bon de rappeler, dès maintenant, l'indispensable osmose qui doit régner entre les concepteurs du tunnelier, et les concepteurs du revêtement, au sens large du terme (conception, calcul, exécution). Cela évitera, ainsi, bien des sources de dysfonctionnement pouvant conduire, dans cer tains cas, à cer taines incohérences de conception parfois préjudiciables à la tenue dans le temps des ouvrages.

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier

◗ les principaux paramètres influant sur le dimensionnement ; ◗ les hypothèses de calcul (règlements et recommandations, caractères des matériaux, actions et combinaisons d'actions, critères de dimensionnement) ; ◗ les méthodes de calcul des sollicitations d'interaction sol-structure mises à la disposition de l'ingénieur et où la sophistication des calculs devra être adaptée : - aux niveaux d'études menées (études préliminaires, études de projet, études d'exécution), - à la nature des problèmes rencontrés (sensibilité du site aux déformations du terrain, proximité d'ouvrages...) ; ◗ la justification des différents éléments de structure composant le revêtement.

cer tains points essentiels à parfaitement maîtriser mais ne pourra pas conseiller au lecteur un seul type de concept de revêtement, trop de facteurs interdépendants entrant en jeu.

Depuis cette époque, plusieurs centaines de kilomètres de galeries, généralement de faible diamètre, creusées dans la région de Londres, ont été revêtus de voussoirs en béton de formes et de types divers, souvent nervurés, c'est-à-dire d'une forme dérivée de celle des voussoirs en fonte. Il y a lieu de noter que ces ouvrages souterrains étaient exécutés, la plupart du temps, dans des terrains de très faible perméabilité, dont la périphérie de l'excavation était stable à court terme (Argile de Londres).

Au contraire, des recommandations trop précises n'intégrant pas tous les paramètres pourraient nuire à la réalisation d'un ouvrage de qualité.

Les fabricants britanniques ont progressivement proposé, en catalogue, toute une gamme de revêtements en voussoirs standardisés couvrant une plage importante de diamètres (1,5 à 6 m de diamètre intérieur) ; une des principales caractéristiques de ces voussoirs était leur faible dimension et leur masse réduite (100 à 400 kg par voussoir), ce qui, pour les diamètres de tunnels les plus grands, conduisait à un nombre important d’éléments (12 voussoirs par anneau pour un diamètre de 6 m environ).

Depuis 1965, parallèlement au développement des tunneliers pour creusement, en terrains meubles et aquifères, de tunnels de grands diamètres (5 à 10 m environ), on constate en Europe (R.F.A., Belgique, Autriche, France) et au Japon, un développement important de l'utilisation des revêtements en voussoirs béton, avec, en particulier, l'apparition d'érecteurs mécanisés, de voussoirs de plus grandes dimensions à très faibles tolérances de fabrication et de garnitures en élastomère capables d'assurer l'étanchéité du revêtement même dans le cas des terrains fortement aquifères.

FT

Les recommandations attirent, en outre, l'attention sur la maîtrise indispensable de certains points singuliers du projet tels que le raccordement du revêtement sur des structures enterrées de natures différentes (stations, gares, rameaux, puits, conduites...) et qui soulèvent souvent des problèmes délicats à traiter.

fabriqué sont apparus à par tir de cette date, essentiellement en Grande-Bretagne, pour des tunnels de petit diamètre (1,5 à 3 m), à usage d'égouts, creusés dans l'Argile de Londres.

Enfin, les particularités de l'instrumentation et du suivi de ce type d'ouvrage y sont également abordées.

Une annexe spécifique à l'exécution des revêtements, permettra de passer en revue les recommandations préconisées pour s'assurer de la parfaite adéquation entre l'ouvrage conçu au stade de l'étude et le produit fini mis en œuvre, depuis la phase de fabrication des voussoirs jusqu'à leur montage en galerie.

A

Ce résumé du contenu des recommandations montre l'étendue des domaines touchant la conception et l'exécution d'un revêtement en voussoirs préfabriqués en béton armé installé à l'arrière d'un tunnelier et l'attention particulière qu'il faut apporter à tous les stades du projet pour concourir à la réalisation d'un ouvrage fini de qualité tout en respectant les impératifs liés à la production et à l'automatisation / robotisation que requiert un tel concept.

2-

RAPPEL HISTORIQUE

Jusqu'en 1930, les tunnels revêtus, creusés au tunnelier, l'étaient essentiellement au moyen de voussoirs en fonte. Les revêtements de tunnel en voussoirs de béton pré-

3.2 - Données de base nécessaires à l'établissement d'un projet de revêtement

ES

Ainsi, dans ce chapitre, seront abordés successivement les aspects suivants :

3 - CONCEPTION DU REVETEMENT 3.1 - Préambule Il est essentiel de préciser qu'il n'existe pas de conception unique pour un revêtement en voussoirs. Bien souvent, elle s'assoit sur l'expérience et la maîtrise acquise par les Maîtres d'Œuvre et les Entreprises sur les chantiers exécutés antérieurement. Aussi, ce chapitre est-il destiné à rappeler les principaux éléments entrant dans la conception de ce type de revêtement, à attirer l'attention sur

Avant de concevoir tout revêtement de galerie, il est indispensable que les Maîtres d'Ouvrage et Maîtres d'Œuvre précisent les objectifs ainsi que les contraintes auxquels doit répondre l'ouvrage projeté : ◗ sa (ou ses) fonction(s) : ferroviaire, routière, hydraulique, aéraulique, transpor t d'énergie et d'information, stockage... ; ◗ sa durée de vie ;

◗ les contraintes d'exploitation : - critères géométriques (gabarit, tracé, tolérances de réalisation...), - nature et implantation de tous les équipements définitifs (banquettes, radier, niches, rameaux, suspentes, inser ts, réser vations, dispositifs d'appuis pour planchers intermédiaires et gaines de ventilation...), - critères de rugosité de l'ouvrage fini compatible avec les écoulements aérauliques ou hydrauliques envisagés (revêtement préfabriqué éventuellement associé à un revêtement intérieur coulé en place), - critères d'étanchéité (débits de fuite acceptables tant de l'extérieur vers l'intérieur que dans le sens inverse pour les galeries hydrauliques), - critères de résistance au feu, - dispositions éventuelles vis-à-vis de l'équipotentialité des armatures ; ◗ les contraintes d'environnement : - géologie, hydrogéologie, - agressivité du milieu environnant, - urbanisation du site (limitation des déformations du terrain...), - présence d'ouvrages enterrés à proximité (existants ou futurs si connus), - séismicité ; ◗ les critères de dimensionnement de l'ouvrage découlant notamment des différentes contraintes énoncées précédemment :


155

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier - règlements, normes et recommandations à appliquer, - actions et combinaisons d'actions à considérer.

3.3 - Fonctions du revêtement 3.3.1 - Fonctions liées aux contraintes d'exploitation

sente une perméabilité suffisamment faible pour permettre l'exécution des travaux dans des conditions satisfaisantes, sans avoir recours à un soutènement immédiat et continu ; ◗ Fonction de protection contre les venues d'eau, lorsque l'ouvrage est creusé dans des terrains aquifères ; ◗ Fonction d'appui longitudinal pour permettre au tunnelier : - de progresser dans le terrain,

◗ Fonction de revêtement/soutènement définitif compatible avec les diver ses contraintes d'environnement ; ◗ Fonction d'enveloppe destinée à assurer le respect permanent du (ou des) gabarit(s) d'exploitation de l'ouvrage ; ◗ Fonction d'étanchéité vis-à-vis : - des venues d'eau provenant du terrain encaissant,

◗ Fonction de supportage du train suiveur et des équipements de chantier nécessaires à l'exécution des travaux ; ◗ Fonction d'évacuation des eaux drainées.

3.4 - Description du concept 3.4.1 - Généralités

FT

- des fluides éventuels circulant librement ou en pression dans l'ouvrage.

- d'imprimer, si nécessaire, une pression de confinement du front de taille pour assurer sa stabilité et la reprise de la pression hydrostatique s'exerçant sur la tête du tunnelier ;

ES

En phase d'exploitation, le revêtement en voussoirs peut être amené à assurer les fonctions suivantes complètement dépendantes des objectifs fixés préalablement par le Maître d'Ouvrage et le Maître d'Œuvre :

Il convient de rappeler que l'étanchéité de l'ouvrage est liée à la qualité des éléments, qui composent le revêtement, à s'opposer au passage d'un fluide (eau...) dans les limites du débit de fuite définies pour son exploitation, tant de l'extérieur vers l'intérieur que dans le sens inverse ;

◗ Fonction aéraulique ou hydraulique selon que l'ouvrage est susceptible d'avoir à assurer respectivement des écoulements d'air (pistonnement) ou d'eau ; ◗ Fonction de suppor tage du matériel et des équipements définitifs d'exploitation.

A

3.3.2 - Fonctions liées aux contraintes d'exécution

Pendant la phase d'exécution de l'ouvrage, le revêtement en voussoir s peut être amené à répondre à certains des impératifs de chantier et d'environnement suivants : ◗ Fonction de soutènement des parois de l'excavation : - soit immédiat, au moment de l'effacement de la jupe du tunnelier, principalement en présence de terrains meubles, - soit différé, avec pose du revêtement en dehors de la jupe du tunnelier lorsque la périphérie de l'excavation est stable à court terme et lorsque le massif encaissant pré-

156

Un critère impor tant, entrant dans la conception des revêtements, réside dans la nécessité ou non de coupler les fonctions de creusement et de pose du revêtement en vue d'assurer, pendant la durée du chantier : ◗ une continuité absolue du soutènement ; ◗ une bonne maîtrise des venues d'eau. Cette continuité est alors réalisée, en premier lieu, par la structure du tunnelier ellemême (jupe avec son joint arrière) puis par le revêtement, muni de ses garnitures d'étanchéité, installé à l'intérieur de la jupe. Il va sans dire que ces options de conception sont entièrement dépendantes des conditions géologiques et hydrogéologiques du milieu environnant traversé.

Figure 1 : Revêtement en anneaux de voussoirs préfabriqués

◗ soit par des plans parallèles, c'est le cas des anneaux droits ; ◗ soit par des plans non parallèles, c'est le cas des anneaux biais. Cette dernière géométrie d'anneau permet au revêtement, suivant l'agencement retenu, de s'adapter le mieux possible aux courbures du tracé en plan et du profil en long de l'ouvrage, ou de corriger certaines déviations accidentelles provoquées par le tunnelier.

3.4.3 - Pincement des anneaux biais Le pincement "p" est défini comme la différence entre les longueurs maximale et minimale de l'anneau et doit être dimensionné de façon à assurer le respect des courbes du projet et permettre la reprise des déviations du tunnelier. Sa valeur peut atteindre quelques centimètres (voir figure 2). L'évolution des techniques (gestion de l'approvisionnement du front) tend à privilégier l’emploi de l'anneau biais universel. 3.4.4 - Longueur des anneaux La longueur d'un anneau peut dépendre : ◗ de critères liés à l'exploitation : - diamètre de l'ouvrage, - définition du tracé (rayons de courbure en plan et en profil en long),

3.4.2 - Conception générale des revêtements

- limitation du linéaire de garnitures d'étanchéité, donc du risque de défaut d'étanchéité ;

Un revêtement en béton armé préfabriqué de tunnel foré au tunnelier est généralement composé d'une succession d'anneaux juxtaposés ; ces derniers sont, eux-mêmes, découpés en secteurs et chacune de ces pièces élémentaires est appelée voussoir (voir figure 1).

◗ de critères liés à l'exécution :

Les faces transversales des anneaux (voir figure 2) peuvent être limitées :

- poids (incidence sur les matériels de manutention sur parc et en galerie).


- optimisation des cycles de creusement (marinage) et de pose du revêtement, - encombrement (incidence sur la conception des organes de poussée du tunnelier : course des vérins...),

ES


Figure 4 : Voussoirs "pleins" (Métro de Lille - ligne 1 bis - section B)

épaisseur participe à la résistance de l'anneau. Ils sont pourvus de réservations de faibles dimensions pour permettre l'assemblage des différentes pièces entre elles (par tire-fond, boulons courbes, chevilles.. - voir § 3.5.5 dispositifs d'assemblage) ;

Figure 2 : Succession d'anneaux

FT

➝

VOUSSOIR

La longueur des anneaux est généralement comprise entre 0,60 m et 2,00 m. 3.4.5 - Composition d'un anneau

Le nombre de voussoirs composant les anneaux est éminemment variable d'un projet à l'autre et dépend des contraintes suivantes : ◗ contraintes d'exploitation :

- limitation du nombre de contacts, donc du risque de défaut d'étanchéité,

◗ les voussoirs "alvéolés" ou "nervurés" :

Fréquemment utilisés dans le passé, ils sont, aujourd'hui, presque exclusivement réservés à des ouvrages tels que les puits. A section et iner tie équivalentes, ils nécessitent un diamètre d'excavation supérieur par rapport aux voussoirs pleins. L'importance des alvéoles permet de mettre en œuvre un dispositif d'assemblage à par tir de boulons droits qui requiert un recul plus important pour leur mise en œuvre que les autres systèmes d'assemblage.

- limitation des pertes de charges en présence d'écoulements de fluides intérieurs ; ◗ contraintes de chantier :

A

- poids des voussoirs (incidence sur les opérations de décoffrage, manutention, stockage sur parc, montage de l'anneau à l'aide du bras érecteur), - encombrement des pièces (transpor t depuis l'usine de préfabrication, approvisionnement au front), - incidences sur les conditions de bétonnage (courbure),

- compor tement des voussoir s sous la poussée du tunnelier (limitation des risques d'apparition de fissures sous des sollicitations temporaires engendrées par des défauts d'appuis entre anneaux), - positionnement des organes de poussée du tunnelier,

Figure 3 : Coupe-type d'un anneau

- contraintes d'assemblage entre anneaux (calepinage des dispositifs d'assemblage). 3.4.6 - Géométrie des voussoirs La géométrie d'un voussoir est essentiellement liée à la nature du dispositif d'assemblage retenu. On distingue : ◗ les voussoirs "pleins" : Ce sont les plus fréquemment utilisés aujourd'hui ; pratiquement toute leur

Figure 5 : Voussoirs "alvéolés" ou "nervurés" (Métro de Caracas - lignes 1 et 2)


157

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier addition, des cendres volantes, ou fillers (calcaires, par exemple), dont il faudra naturellement contrôler l'origine. L'emploi d'adjuvants superplastifiants réducteurs d'eau normalisés est préconisé pour obtenir une meilleure ouvrabilité permettant d'améliorer la résistance. Nota : En France, dans le cadre du projet national BHP 2000, des études sur la tenue au feu des fumées de silice sont en cours.

ES

3.4.7.4 - Armatures

Les nuances des aciers constituant la cage d'armatures doivent être conformes aux normes en vigueur. Les aciers les plus couramment utilisés sont de type Fe E 500 et Fe E 235, soudables, profilés à chaud ou crantés à froid.

Figure 6 : Exemples d'épaisseurs de revêtement en fonction du diamètre intérieur de l'anneau préfabriqué (indépendamment de la profondeur de l'ouvrage)

en milieu agressif avec, si nécessaire, une fabrication et composition spéciale.

FT

La figure 6 donne une idée de l'évolution de l'épaisseur des revêtements en voussoirs préfabriqués en fonction du diamètre intérieur. 3.4.7 - Nature des matériaux

La nature des principaux matériaux entrant dans la constitution d'un revêtement de tunnel sont : ◗ le béton : - ciment - agrégats - adjuvants

A

◗ l'acier pour armatures 3.4.7.1 - Ciment

Les ciments utilisés seront de préférence des ciments sans ajout, à classe rapide, ne présentant pas ou peu de perte de durabilité sous l'action d'un étuvage. L'utilisation de ciment standard du type CPA-CEM I a donc une préférence, pour ce genre d'application, par rappor t à des ciments du type : - CPJ - CEM II - CLC - CEM V - CLK - CEM III - CHF - CEM III Toutefois, ces derniers pourront être envisagés dans le cas de revêtements de tunnel

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Pour cer taines applications, il peut être conseillé d'utiliser un ciment du type CPA PMES.

3.4.7.2 - Agrégats

La nature des sables et graviers utilisés est en général fonction des carrières disponibles dans la région où l'ouvrage est réalisé. Les dimensions des agrégats doivent être parfaitement adaptées à la précision géométrique des voussoirs, aux découpes du coffrage et aux dispositions des armatures et inserts éventuels. Les caractéristiques de ces matériaux seront définies par des analyses et examens physiques et chimiques. On recherchera par ticulièrement des granulats non gélifs, non réactifs, sains, sans fines, non absorbants, non fragiles et durs, avec, de préférence, des sables fillerisés. Il est recommandé de définir une granulométrie continue des agrégats pour garantir une bonne ouvrabilité de béton frais lors de la mise en place dans les moules. 3.4.7.3 - Adjuvants

Dans le cas où les agrégats manqueraient de fines, il est recommandé d'utiliser, en


En cas d'utilisation d'aciers profilés à chaud compor tant, en général, une quantité de calamine impor tante, il faudra prendre garde à l'éliminer avant soudure (lors de l'opération de redressage pour les aciers en bobines ou par grenaillage pour les aciers en barres). 3.4.7.5 - Fibres

L'utilisation de fibres métalliques, seules ou en complément d'armatures traditionnelles, a été expérimentée dans certaines réalisations. En France, dans le cadre du projet national béton de fibres métalliques (BEFIM), des études pour l'établissement de règles de dimensionnement sont en cours.

3.5 - Revêtement installé dans l'emprise du tunnelier Les différentes contraintes d'exploitation et d'environnement évoquées précédemment imposent bien souvent un montage des anneaux de revêtement à l'abri du tunnelier, à l'arrière de sa jupe. Dans les paragraphes suivants sont développés les différents points entrant dans la conception de ce type de revêtement. 3.5.1 - Principe de conception des anneaux Comme il a déjà été évoqué précédemment, dans le paragraphe 3.4, cette conception de revêtement peut faire appel à l'emploi : ◗ soit d'anneaux droits utilisés pour la réalisation des par ties rectilignes du tracé, et d'anneaux biais (ou cales biaises) utilisé(e)s spécialement pour la réalisation des parties

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier courbes du tracé ou/et pour le rattrapage des déviations du tunnelier ;

Il convient de noter que ce second type de conception, le plus fréquemment utilisé par ailleurs, implique la réalisation de moules spécifiques pour chaque voussoir (fraction de pincement différente d'un voussoir à l'autre). 3.5.2 - Constitution des anneaux Le découpage d'un anneau en voussoirs dépend généralement de la technologie de montage d'anneaux retenue. 3.5.2.1 - Voussoirs en forme de rectangle et de trapèze

Cette conception d'anneau ne permet généralement la reprise du cycle d'excavation qu'après le montage complet de l'anneau.

Figure 8 : Voussoirs en forme de rectangle et trapèze - Vue en perspective

Pour résoudre partiellement cette sujétion, il est très souvent fait appel à l'emploi d'un voussoir de clé présentant, en plan, une "forme trapézoïdale"(voir figure 7). Dès lors, les voussoirs contigus à cet élément devront présenter une géométrie particulière s'adaptant à celle de la clé : ils sont appelés voussoirs de contre-clé. Ainsi, dans ce type de conception, un anneau de revêtement est généralement constitué de : ◗ voussoirs courants rectangulaires quasiidentiques (au pincement éventuel près) ; le nombre pouvant varier d'un projet à l'autre (voir figure 8) ; ◗ deux voussoirs de contre-clé ;

A

FT

Le jeu disponible, entre l'extrados de l'anneau en cours de montage et l'intrados de la jupe, étant généralement faible, la fermeture de l'anneau est très souvent assurée par une clé longitudinale qui nécessite un espace supplémentaire vers l'avant pour permettre l'introduction de ce dernier voussoir.

ES

◗ soit d'anneaux biais universels utilisés systématiquement y compris pour les parties rectilignes du tracé ; ainsi, en alignement droit, les biais se compensent d'un anneau à l'autre pour annuler l'effet de pincement.

Figure 7 : Clé à enfilage longitudinal

◗ un voussoir de clé.

L'assemblage de ces éléments est souvent réalisé au moyen de boulons ou de tirefond (voir § 3.5.5.). En général, les plans de contact entre voussoirs sont alternés longitudinalement, d'une part, pour éviter des faiblesses d'étanchéité aux angles et, d'autre part, pour maintenir une certaine pression sur les voussoirs précédemment posés de manière à éviter leur déchaussement complet lors du retrait des vérins (voir figure 9). Ces plans de contact peuvent, dans certains cas, être alignés (voir figure 10) ; cette configuration peut être adoptée notamment :

Figure 9 : Voussoirs en forme de rectangle et trapèze Alternance longitudinale des plans de contact entre voussoirs


159

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier 3.5.2.2 - Voussoirs en forme de parallélogramme et de trapèze

Cette conception d'anneaux est liée à l'utilisation de chevilles disposées au niveau du plan de contact entre anneaux successifs (plan de contact transversal), dans l'épaisseur du revêtement (voir § 3.5.5 - Dispositifs d'assemblage).

◗ au droit de futures ouvertures (amorces de galeries transversales ...) à ménager dans le revêtement ; ◗ dans des zones où des rattrapages de tracé sont rendus indispensables (une attention par ticulière sera alors por tée aux dispositions d'étanchéité à prévoir aux angles des voussoirs) ; ◗ si des faiblesses d'étanchéité aux angles ne sont pas à craindre (alignements systématiques des plans de contact).

Les anneaux "gauche"-"droite" peuvent, si nécessaire, être transformés en anneaux universels (récupération de déviations...).

◗ voussoirs courants en forme de parallélogramme, de nombre variable d'un projet à l'autre ;

Figure 12 : Succession d'anneaux "gauche" - "droite" Clé située systématiquement au-dessus du diamètre horizontal

◗ Anneau universel :

Comme son nom l'indique, cette conception requiert uniquement un seul jeu d'anneaux.

Le choix final des entreprises, pour l'un ou l'autre type d'anneaux, relève bien souvent d'habitudes longuement éprouvées sur les différents chantiers.

◗ un voussoir anti-clé ; ◗ un voussoir de clé.

La configuration 1 présentée en figure 14 impose le montage des voussoirs suivant le même ordre de pose d'un anneau à l'autre. Sous la pression exercée par les garnitures d'étanchéité disposées longitudinalement

A

La clé peut alors être montée selon n'importe quelle position angulaire.

Sur la partie en saillie, le voussoir est poussé longitudinalement sans réelle possibilité de mouvement transversal. Pour cette raison, et afin de pouvoir maintenir un écrasement transversal progressif du profilé d'étanchéité radial (entre voussoirs), tout en glissant longitudinalement, la géométrie des voussoirs courants est conçue en forme de parallélogramme. Ainsi, l'anneau de revêtement est généralement constitué de (voir figure 13) :

FT

Avec ce type de voussoirs en forme de rectangle et de trapèze, deux conceptions d'anneaux différentes peuvent être envisagées :

ES

Figure 10 : Voussoirs en forme de rectangle et trapèze Alignement longitudinal des plans de contact entre voussoirs

Les voussoirs sont équipés à leur pose de ces chevilles en saillie qui sont présentées en face des réser vations existantes dans l'anneau déjà en place, pour y être enfoncées de force.

Figure 11 : Succession d'anneaux universels

◗ Anneaux "gauche" et "droite"

Ce type de conception nécessite d'avoir recours à deux jeux d'anneaux, conditionnés par les contraintes suivantes : - pincement de l'anneau, - voussoirs de clé et de contre-clé à géométrie spécifique, - positions de la clé limitées à la demi-circonférence supérieure de l'anneau.

160

Figure 13 : Voussoirs en forme de parallélogramme et de trapèze - Vue en perspective


La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier ◗ pose des voussoirs de "clé" entre ceux de "contre-clé" ; ◗ poussée totale mobilisable uniquement avec une partie des vérins ou progression en continu limitée à cer taines configurations de terrains favorables nécessitant une poussée réduite ; ◗ guidage plus difficile. 3.5.3 - Surfaces de contact 3.5.3.1 - Contacts circonférentiels ou transversaux

ES

Figure 14 : Voussoirs en forme de parallélogramme et de trapèze - Configuration 1

Ces contacts situés entre anneaux consécutifs peuvent être amenés à supporter : ◗ des efforts de compression (éventuellement excentrés) induits par la poussée longitudinale du tunnelier ; ◗ des effor ts de cisaillement dus à des déformations différentielles des anneaux contigus liées à :

FT

Figure 15 : Voussoirs en forme de parallélogramme et de trapèze - Configuration 2

Figure 16 : Voussoirs en forme de trapèze

A

(entre voussoirs d'un même anneau), les anneaux peuvent être amenés, en l'absence de boulons transversaux, à subir progressivement une rotation parasite, pouvant conduire, à terme, à un décalage de plusieurs dizaines de centimètres entre la position des anneaux et celle des patins de vérins du tunnelier.

Pour pallier cette rotation progressive, une solution basée sur une pose alternée des voussoirs, par rapport à la première pièce mise en place, est conseillée (voir figure 15). 3.5.2.3 - Voussoirs en forme de trapèze

Cette conception d'anneau peut permettre de mener simultanément les opérations de creusement et de montage du revêtement (course des vérins adaptée à deux longueurs d’anneaux).

Le découpage des voussoirs comprend, en général, un nombre pair de voussoirs trapézoïdaux. La moitié des voussoirs est de type "contre-clé", c'est-à-dire plus large du côté de l'anneau en place. L'autre moitié est du type "clé", c'est-à-dire plus étroit du côté de l'anneau en place (voir figure 16). Les voussoirs de contre-clé, une fois mis en place, assurent la fonction d'appui pour les vérins de poussée permettant au tunnelier de progresser à nouveau. Pendant ce temps, le montage de l'anneau peut continuer avec les voussoirs de clé, sous réserve de ne pas franchir le joint de queue de la jupe. Ensuite, l'appui arrière des vérins de poussée est transféré sur les voussoirs de clé sans arrêter la progression du tunnelier. Cette méthode de progression en continu nécessite la maîtrise des problèmes suivants :

- l'alternance des plans de contact entre voussoirs (voir figure 9) et transmis par les dispositifs d'assemblage laissés en place (boulons, tire-fond, chevilles, tenons...), - des distributions de charges non homogènes apportées par le terrain ou par des structures avoisinantes. Ces dispositifs présentent, évidemment, des capacités différentes à s'opposer à un déplacement potentiel des pièces les unes par rapport aux autres (désaffleurement). La géométrie finale de ces contacts et leur équipement complémentaire éventuel devront être choisis en fonction de la destination de l'ouvrage (collecteur, tunnel hydraulique, ferroviaire, routier ...) et compatible avec la valeur de désaffleurement tolérée ; ◗ des efforts liés à la mise en porte-à-faux (accidentelle ou non) des voussoirs lors du montage d'un anneau. Ces contacts se présentent généralement sous l'une des natures suivantes : a) contacts plans Ce principe de contact est schématisé en figure 17. Suivant l'intensité relative des efforts identifiés prédédemment, un glissement radial peut apparaître engendrant un désaffleurement entre deux anneaux contigus. L'adjonction d'assemblages mécaniques (voir § 3.5.5.) peut contribuer à en limiter l'amplitude. Ce désaffleurement peut être admissible ou non suivant la destination de l'ouvrage


161

Figure 17 : Exemple de contacts plans

ES


(provisoire ou définitif, fonction d'écoulement aéraulique ou hydraulique à assurer). Dans le cas où il ne l'est pas, il peut éventuellement être fait appel à des contacts à géométrie conjuguée dont la forme permet la transmission des efforts de cisaillement.

sous les actions du milieu encaissant et des injections de bourrage :

b) contacts à géométrie conjuguée

◗ des efforts de flexion :

Ce type de contact, représenté en figure 18, est moins utilisé que le précédent notamment du fait qu'il est difficile de concilier les tolérances de pose avec l'efficacité de la transmission des efforts que pourrait laisser supposer un tel dispositif.

il convient de noter que les effor ts de flexion sont réduits au voisinage immédiat du contact radial. En effet, l'inertie de cette zone est amoindrie en regard de celle en section courante ;

Par ailleurs, des contraintes locales très élevées risquent de se développer dans les zones de transfer t de charges (bossage, tenon/mor taise) et leur renforcement par armatures est souvent délicat en raison même de la géométrie du contact. Aussi, dans une telle conception, il est indispensable d'étudier soigneusement la géométrie de ces contacts.

Ainsi la géométrie finale de ces contacts doit être guidée par les objectifs suivants :

◗ des effor ts de compression ;

Figure 18 : Exemple de contacts à géométrie conjuguée

FT

◗ des efforts de cisaillement transversal.

Enfin, les efforts normaux sont nécessairement concentrés sur des surfaces réduites qui doivent être aptes à les supporter.

◗ permettre un centrage correct des efforts ; ◗ limiter les risques de désaffleurement entre voussoirs, qui engendrent, d'une part, des effor ts parasites et, d'autre par t, peuvent aller à l'encontre de la destination de l'ouvrage (fonction aéraulique ou hydraulique par exemple). Ces contacts sont généralement d'une des natures suivantes : a) Contacts plans

A

3.5.3.2 - Contacts radiaux ou longitudinaux

Ces contacts, situés entre voussoirs d'un même anneau, sont amenés à suppor ter,

Ce type de contact, représenté en figure 19, est le plus fréquemment utilisé car il suffit généralement à transmettre les efforts sollicitant les anneaux.

Figure 19 : Exemple de contacts plans

162

Un système d'assemblage mécanique y est généralement associé ; il concourt au maintien de la précision de pose en évitant notamment une dérive progressive dans l'alignement des voussoir s et dans le contact des pièces entre elles. b) Contacts cylindriques

Lorsque les sollicitations sont trop importantes dans les anneaux pour envisager des surfaces de contact planes, ces dernières sont alors souvent cylindriques. Par plastification du béton, la surface de contact s'élargit progressivement en fonction de la charge, en la centrant. Ces contacts peuvent être de natures différentes : ◗ contacts cylindriques concave-convexe (voir figure 20) : Le rayon de courbure de la surface concave peut être plus grand que celui de la surface convexe dans le cas d'une rotation attendue des pièces en contact ou, dans le cas contraire, ces rayons de courbure peuvent être sensiblement égaux (dispositif destiné

Figure 20 : Exemple de contacts cylindriques concave-convexe



alors à apporter seulement une résistance au cisaillement) ; ◗ contacts cylindriques convexe-convexe (voir figure 21). c) Autres contacts (voir figure 22). L'adjonction d'une barre de guidage peut, dans certains cas, être utilisée. 3.5.3.3 - Dépouilles

que les contraintes agissant sur les surfaces de contact restent admissibles y compris sous des configurations de chantier défavorables (excentricité de poussée des vérins notamment dans les tracés en courbe, tolérances de pose...).

soirs en béton armé est recherchée, celle-ci est assurée par :

L'étude de la géométrie de détail de ces dépouilles doit être menée en parallèle avec celle de conception du ferraillage de manière à garantir la meilleure résistance possible à ces parties de voussoirs particulièrement sollicitées.

- la fissuration liée à des sollicitations temporaires ou définitives,

De même, en présence d'une étanchéité du revêtement à l'aide de profilés compressibles, il conviendra de s'assurer que l'implantation de la gorge recevant la garniture est suffisamment éloignée de l'extrados pour ne pas conduire, lors de la mise en compression du dispositif, à une rupture des angles des voussoirs.

FT

Compte tenu de l'intensité des contraintes de compression souvent appliquées sur les surfaces de contact, qu'elles soient transversales ou longitudinales, l'expérience acquise au fil des chantiers conduit à recommander d'apporter une attention toute particulière à la définition des dépouilles des voussoirs de manière à limiter au maximum l'apparition de cassures aux angles de ces derniers.

Figure 22 : Exemple de contacts avec barre de guidage

ES

Figure 21 : Exemple de contacts cylindriques convexe-convexe

A

En outre, s'il était habituel de prévoir un chanfrein, le long des arêtes d'extrados des contacts transversaux et longitudinaux, celui-ci peut présenter cer tains inconvénients tels que :

Figure 23 : Epaufrures et fissuration du béton d'enrobage

Il convient de garder à l'esprit que ces ruptures, souvent obser vées en intrados de voussoirs et réparées par simple ragréage, peuvent également affecter l'extrados des pièces et conduire à des désordres locaux difficilement réparables et préjudiciables à la pérennité de l'ouvrage (infiltration d'eau, corrosion des armatures...). S'il est intéressant de prévoir, pour s'affranchir des problèmes évoqués ci-dessus, des dépouilles relativement impor tantes dans les zones de contact, il convient de s'assurer

- risque de défaut d'étanchéité du joint de queue du tunnelier vis-à-vis du produit de bourrage, de l'eau du terrain encaissant ou encore de la boue provenant de la chambre avant (cas du confinement hydraulique) ;

- risque d'accident pour le personnel en charge des opérations sur les moules (arêtes coupantes de négatif de chanfrein). Pour cela il est préférable de prévoir soit des arêtes vives, soit, dans le cas d'un maintien de ce chanfrein, la mise en place, sur toute sa longueur, d'une garniture en mousse ou similaire ; cette disposition constructive résolvant alors le premier problème mais pas le second.

◗ les voussoirs eux-mêmes, pour lesquels il est important de limiter notamment : - la porosité de masse,

- les défauts affectant la découpe de la gorge du profilé d'étanchéité ; ◗ les profilés d'étanchéité disposés entre les voussoirs. Les caractéristiques de ces derniers sont décrites dans les "recommandations pour les profilés d'étanchéité entre voussoirs", présentées par le groupe de travail n° 9 de l'A.F.T.E.S. (voir numéro T.O.S. 116 de marsavril 1993). La suite de la présentation concerne les garnitures d'étanchéité "classiques" retenues dans le cas de projets courants, sous faible à moyenne couverture de terrain. Nota : Ces dispositifs d'étanchéité ne sont pas transposables aux projets sous très fortes couvertures de terrain (telles que les grandes traversées alpines par exemple). En effet, des travaux de recherche (International Eureka Contun) sont menés en vue de concevoir des tunneliers et des revêtements aptes à répondre aux contraintes par ticulières de tels projets. Compte tenu des pressions très élevées susceptibles d'être appliquées sur les revêtements (charges de terrain et d'eau), les réflexions s'orientent, tout naturellement, vers la recherche d'une diminution de leur rigidité en leur conférant une cer taine déformabilité, notamment au niveau des garnitures d'étanchéité.

3.5.4.1 - Profilés compressibles

3.5.4 - Garnitures d'étanchéité

a) Propriétés

Il convient de rappeler que lorsque la fonction d'étanchéité d'un revêtement en vous-

Rappelons que ce sont des profilés d'étanchéité en élastomère conçus et fabriqués


163


Figure 24 : Exemples de garnitures d'étanchéité compressibles

Figure 25 : Exemples de garnitures d'étanchéité hydro-expansives

La force de compression est appliquée en phase de construction par les vérins de poussée du tunnelier ou par l'érecteur de voussoirs et maintenue provisoirement par le dispositif d'assemblage. Les profilés sont garantis étanches pour une pression hydrostatique permanente définie par le Cahier des Charges. b) Dispositions constructives Le profilé est placé, en général, dans une gorge réservée dans les faces du voussoir, et positionné à quelques centimètres de l'extrados du voussoir.

Figure 26 : Principe d'implantation des profilés d'étanchéité

b) Dispositions constructives

Le profilé est placé sur les joues du voussoir et positionné à quelques centimètres de son extrados.

Dans le cas particulier de galeries hydrauliques en charge, il faudra bien analyser le comportement du couple terrain / revêtement avant de changer éventuellement la position de la garniture d'étanchéité dans l'épaisseur du revêtement (schéma classique éprouvé). 3.5.4.2 - Profilés hydro-expansifs

Dans le système à double épaisseur de profilés, ceux-ci sont posés sur le pourtour du voussoir.

Dans le système à simple épaisseur de profilé, ce dernier est posé sur la moitié du pourtour avec un retour de quelques centimètres au niveau des angles diagonalement opposés. Comme pour les profilés compressibles, les dimensions des garnitures d'étanchéité doivent être compatibles avec les tolérances de pose et tenir compte de l'ovalisation de l'anneau.

a) Propriétés

A

Rappelons que ce sont des profilés d'étanchéité en élastomère ayant des propriétés hydro-expansives, c'est-à-dire qu'ils gonflent en présence d'eau. Ces cycles peuvent être alternés pendant la durée de vie de l'ouvrage.

L'étanchéité initiale est obtenue, si nécessaire, par leur compression. La présence d'eau déclenche ensuite le gonflement de la matière hydro-expansive qui permet de résister à la pression hydrostatique. Les profilés sont garantis étanches pour une pression hydrostatique permanente définie par le Cahier des Charges. Ils peuvent être, dans certains cas, renforcés par des parties "neutres" (voir figure 25).

164

ARRACHEMENT DE LA LANGUETTE CREANT LA GORGE

Il existe deux types de dispositions constructives (voir figure 26).

FT

Il est posé sur tout le pourtour du voussoir. Ses dimensions doivent être compatibles avec les tolérances de pose et tenir compte de l'ovalisation de l'anneau.

ES

pour être mis en œuvre sur des voussoirs préfabriqués (voir figure 24). L'étanchéité est assurée par leur compression exercée lors de la pose et maintenue pendant la durée de vie de l'ouvrage.

3.5.4.3 - Profilés mixtes

Etat du profilé compressible avec «stripage» de la gorge

PROFILE HYDRO-EXPANSIF «CLIPSE»

Etat définitif avec «clipsage» du profilé hydro-expansif

Figure 27 : Exemple de garnitures d'étanchéité mixtes

a) Principe

Il s'agit de produits combinant les deux natures de profilés précédents.

du voussoir et positionné à quelques centimètres de son extrados.

Le profilé compressible représente le composant de base et le profilé hydro-expansif est généralement emboîté dans la gorge ménagée dans le premier profilé (voir figure 27).

3.5.5 - Dispositifs d'assemblage

Ce produit composite permet de compléter efficacement le dispositif d'étanchéité que peut offrir le profilé compressible ou hydro-expansif seul. b) Dispositions constructives Comme pour le profilé compressible, le profilé mixte est placé sur tout le pourtour


3.5.5.1 - Rôle des dispositifs d'assemblage

Les assemblages mécaniques mis en œuvre au niveau des contacts circonférentiels (transversaux) et radiaux (longitudinaux) ont pour objectifs : ◗ de maintenir une précision de pose suffisante en évitant une dérive progressive des désaffleurements entre voussoirs et des ouvertures des contacts ;


◗ de maintenir la compression des garnitures d'étanchéité, en phase provisoire, pendant la construction de l'ouvrage, voire, en situation d'exploitation, au voisinage des stations notamment ; ◗ de garantir la stabilité des voussoirs, en phase de montage de l'anneau, même en l'absence de poussée des vérins du tunnelier. Toutefois, des dispositions pourraient être prises pour garantir cette stabilité sans avoir recours obligatoirement à l'emploi de dispositifs d'assemblage (par exemple, système anti-recul des vérins) ;

Ainsi, en règle générale, ces assemblages peuvent être déposés lorsque le tunnelier est à plus de 200 mètres et que toutes les injections complémentaires sont achevées.

Au voisinage de stations, les dispositifs d'assemblage longitudinaux sont généralement nécessaires en situation d'exploitation pour maintenir la compression des garnitures d'étanchéité. Ils sont alors maintenus sur une longueur minimale de galerie de deux à trois diamètres.

3.5.5.2 - Assemblages par boulons

Les boulons ou tiges filetées sont mis en place à par tir de réservations prévues du côté intrados du revêtement.

Les dispositifs d'assemblage longitudinaux sont, en général, régulièrement répar tis le long de chaque contact transversal (entre anneaux consécutifs).

Ces boulons sont généralement de deux types :

Leur nombre varie d'un projet à l'autre en fonction :

- prenant appui directement sur le béton (voir figures 28 et 29),

◗ des efforts à équilibrer ;

- prenant appui sur des platines métalliques en insert dans les voussoirs (voir figure 30) ;

A

◗ des possibilités de rotation relative souhaitées d'un anneau par rapport au précédent (compte tenu des contraintes imposées par le projet telles que, par exemple, alternance des contacts longitudinaux, faibles écarts de tracé...). Les dispositifs d'assemblage entre voussoirs d'un même anneau, lorsqu'ils existent, sont généralement compris entre une et trois unités. Pour les anneaux courants, les dispositifs d'assemblage longitudinaux et transversaux ne sont généralement indispensables qu'en situation d'exécution (sauf à vouloir bénéficier de l'appor t de rigidité des anneaux adjacents dont les contacts radiaux sont alors conjugués).

Figure 30 : Exemple d'assemblage de platines à l'aide de boulons courts

Tous les dispositifs d'assemblage conservés en place doivent présenter une durabilité équivalente à celle de l'ouvrage.

FT

◗ de garantir le maintien en position des voussoirs (rôle de guidage) les uns par rapport aux autres dans le cas particulier des galeries hydrauliques pour lesquelles les revêtements sont amenés à respirer au cours des cycles de vidange et de remplissage.

Figure 29 : Exemple d'assemblage indémontable (boulons droits préalablement enfilés dans l'un des voussoirs avant la mise en place du voussoir contigu)

ES

Figure 28 : Exemple d'assemblage démontable à l'aide de boulons droits

◗ boulons droits mis en place à partir d'alvéoles réservées à l'intrados des voussoirs :

Figure 31 : Exemple d'assemblage à l'aide de boulons courbes

◗ boulons courbes permettant de réduire sensiblement le volume des alvéoles (voir figure 31). 3.5.5.3 - Assemblages par tire-fond inclinés

Ce dispositif d'assemblage permet de diminuer le nombre de réservations à l'intrados des voussoirs. Cette conception permet également de réaliser les opérations de serrage à l'abri d'un anneau complètement monté et non plus sous des voussoirs maintenus seulement par le bras érecteur et les vérins de poussée du tunnelier ; ce dispositif garantit ainsi une sécurité supplémentaire pour le personnel (voir figure 32).

Figure 32 : Exemple d'assemblage à l'aide de tire-fond inclinés

3.5.5.4 - Assemblages par chevilles, goujons ou autres dispositifs dérivés

De tels dispositifs (voir figures 33 et 34) peuvent présenter un cer tain nombre d'avantages, par rappor t aux assemblages évoqués précédemment, tels que : ◗ absence de réservations à l'intrados des voussoir s, conférant au revêtement de


165


Outre le fait que la plupart de ces dispositifs sont indémontables, ils peuvent, par ailleurs, bloquer plus ou moins rigidement certains degrés de liber té, ce qui peut se traduire par un surcroît d'effor ts dans le revêtement.

Figure 34 : Exemple d'assemblage à l'aide de broches

3.5.6 - Inserts, réservations

Les réser vations, ainsi que la plupar t des inserts venant équiper les voussoirs, représentent des sources d'affaiblissement de résistance des pièces en béton armé. Aussi convient-il d'examiner de près leur incidence éventuelle sur le compor tement mécanique des voussoirs (y compris lors des phases d'exécution précédant le montage des anneaux) ainsi que sur la destination de l'ouvrage. 3.5.6.1 - Inserts

FT

Aussi est-il indispensable, au stade de la conception et du dimensionnement de ces assemblages, d'évaluer au mieux l'ensemble des sollicitations susceptibles d'affecter de telles liaisons (par exemple : dissymétrie des effor ts de poussée des vérins, mise en porte-à-faux des voussoirs, ovalisation différentielle des anneaux, efforts d'écrasement et de distorsion des garnitures d'étanchéité, efforts localisés pouvant réduire la capacité d'assemblage du dispositif, tendance à l'éjection de la clé ...) de manière à éviter l'apparition de désordres concentrés au droit de ces liaisons et qui pourraient affecter la durabilité de l'ouvrage.

ES

meilleures caractéristiques aérauliques ou hydrauliques ; ◗ ferraillage des pièces souvent facilité ; ◗ simplification des opérations de montage des anneaux ; ◗ bon centrage des anneaux les uns par rapport aux autres (réduction des désaffleurements) ; ◗ bonne résistance au cisaillement (avec certains types de chevilles) ; ◗ sécurité améliorée pour le personnel (pas d’intervention humaine dans l’anneau).

Les inserts peuvent avoir, en général, deux types de fonctions : ◗ fonctions temporaires :

- manutention, pose (douilles pour vis de préhension...),

A

- réglage,

3.5.6.2 - Réservations

Les réservations peuvent avoir, en général, deux types de fonctions : ◗ fonctions temporaires :

- manutention, pose (pour la préhension des pièces à l'aide de "pinces" ou de "broches" par exemple ...), - assemblage (trous et boîtes pour passage ou fixation des organes d'assemblage ...), - injections (trous traversant l'épaisseur des voussoirs), - prédécoupage (pour faciliter, par exemple, la réalisation ultérieure d'ouver tures au droit d'ouvrages en ligne). ◗ fonctions permanentes :

- assemblage (douilles pour tire-fond...),

- traçabilité (empreinte pour repérage de zones caractéristiques),

- liaison (pré-scellés...),

- encastrement d'équipements spécifiques,

- injection ;

- instrumentation (blocs témoin...).

◗ fonctions permanentes :

Ces réser vations peuvent entraîner des affaiblissements structurels des voussoirs et bien souvent une complication du ferraillage des pièces (interruption des aciers, frettages locaux...). Aussi est-il important de limiter le plus possible leur nombre et leur taille. D'autre part, leur présence en intrados de revêtement nécessite, dans le cas de projets à fortes contraintes aérauliques ou hydrauliques, de prendre des dispositions particulières souvent onéreuses (obturation des "boîtes", deuxième revêtement intérieur...).

- traçabilité (repérage de zones caractéristiques...), - fixation (douilles, pré-scellés pour supportage d'équipements d'exploitation ou de planchers...), - liaisons, connexions, - instrumentation (extensomètres à cordes vibrantes, cellules de pression totale ...), - contrôle. Il convient d'insister sur le fait que leur positionnement dans les voussoirs nécessite parfois des adaptations du ferraillage pour : ◗ respecter les conditions d'enrobage ; ◗ échapper à l'emprise des inserts ;

Figure 33 : Exemples d'assemblage à l'aide de chevilles

166

◗ renforcer le béton à leur contact immédiat (contraintes localisées, arrachement...).


3.5.7 - Garnitures pour répartition des efforts aux contacts des voussoirs Il peut être fait appel à l'interposition de garnitures ayant pour objectifs de répartir

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier filler, de la bentonite, de la chaux, ainsi que des adjuvants tels que fluidifiant, retardateur ou accélérateur de prise ; ◗ produit inerte : produit sans ciment constitué d'un mélange de bentonite, polymères, filler, sable avec ajout éventuel de plastifiant. En cas d'ajout de chaux ou de cendres volantes, le produit est dit "semi-inerte".

les effor ts de poussée du tunnelier aux interfaces des anneaux (contacts circonférentiels ou transversaux) en "gommant" le mieux possible les imperfections liées aux tolérances d'exécution des voussoirs (souvent très faibles) et aux tolérances de pose lors du montage des anneaux, ou de "canaliser" ces effor ts vers des par ties de voussoirs spécialement renforcées.

- permettre, dans le cas de tunneliers à front pressurisé, une bonne maîtrise de la pression de confinement (notamment à l'air comprimé) en assurant une étanchéité à l'arrière de la machine ; ◗ à long terme : - assurer un contact, le plus homogène possible, entre le revêtement et le terrain et avoir ainsi une bonne répartition des efforts de confinement à cette interface, condition indispensable pour garantir la pérennité de l'ouvrage, notamment en présence de galerie en charge en phase d'exploitation, - assurer, dans certains cas très particuliers, un rôle de "drain" (squelette granulaire).

Les matériaux utilisés peuvent être très différents suivant les philosophies de conception retenues. Ils peuvent présenter de faibles raideurs, avoir même un comportement "fluant" (par exemple base bitumineuse) ou au contraire présenter des raideurs assez importantes (par exemple isorel dur). 3.5.8 - Injection à l'extrados des voussoirs

3.5.8.1 - Rôle des injections de bourrage

A

Ces injections ont pour objet de combler l'espace annulaire situé entre l'extrados du revêtement et le terrain excavé par le tunnelier. Ainsi, le produit d'injection assure plusieurs fonctions : ◗ à court terme :

- assurer un calage efficace du revêtement au terrain afin de limiter les risques de déplacements des anneaux notamment lors de la poussée du tunnelier et lors du passage du train suiveur (appui indispensable), - limiter au maximum les déplacements du terrain environnant, susceptibles d'engendrer des désordres tant en sous-sol qu'en surface (environnement urbain ou/et sensible),

◗ injection primaire d'un "squelette" en gravillons assurant un calage du revêtement à l'avancement ; ◗ injection secondaire de coulis afin d'améliorer le contact entre le revêtement et le terrain ; elle est souvent différée et indépendante de l'avancement du tunnelier.

3.5.8.3 - Mise en œuvre des injections de bourrage

Comme il a été précisé au paragraphe 3.5.8.1., les injections de bourrage sont effectuées, pour des raisons d'efficacité, au fur et à mesure de la progression du tunnelier.

3.5.8.2 - Nature du produit de remplissage

Deux procédés de mise en œuvre sont généralement utilisés :

A l'exception des matériaux à squelette granulaire, la composition du produit de remplissage va définir : ◗ sa rhéologie : le produit de remplissage doit être, d'une par t, suffisamment fluide pour faciliter la mise en œuvre et remplir parfaitement le vide annulaire et être, d'autre par t, assez ferme pour éviter les fuites à travers les joints de jupe du bouclier et les garnitures d'étanchéité de voussoirs, mais également pour éviter les circulations le long de la jupe vers l’avant de la machine. Par ailleurs, son temps de prise doit être adapté aux conditions de chantier ; ◗ ses caractéristiques mécaniques à court et long termes : le produit de remplissage doit être adapté aux conditions de terrain et de chantier (convergence des terrains, vitesse d'avancement...) et présenter un module de déformation et une résistance à la compression suffisante pour éviter l'ovalisation. Il existe actuellement deux principaux types de produits : ◗ produit actif : coulis à base de ciment auquel on peut ajouter des cendres volantes, du sable, du

◗ injection à travers le revêtement par des orifices intégrés à la structure des voussoirs (atelier d'injection généralement non asservi au tunnelier) ;

FT

Ces garnitures, d'épaisseur millimétrique, doivent présenter des surfaces suffisantes pour remplir leur fonction et ne pas être, au contraire, à l'origine de "concentrations d'effor ts" par sous-estimation de leur s dimensions (voir figure 35) ou par une implantation inadéquate.

Dans le cas d'un terrain encaissant suffisamment stable, l'injection peut se faire en deux phases :

ES

Figure 35 : Exemple de distribution, le long d'un voussoir, de garnitures pour répartition des efforts de poussée du tunnelier

◗ injection en continu à l'extrémité arrière de la jupe par des conduites disposées longitudinalement dans celle-ci (atelier d'injection asservi au tunnelier). Le second procédé permet en général une meilleure maîtrise des déformations du terrain. Les pressions d'injection à mettre en œuvre sont déterminées en fonction de la nature du produit, des conditions géologiques et hydrogéologiques (charges et raideurs des terrains, pression hydrostatique), de la résistance du revêtement et des objectifs de chantier recherchés (constitution d'un appui sur le terrain, maîtrise des déformations...). En cours d'exécution, il est impor tant de contrôler en permanence les pressions à l'injection ainsi que le volume de produit injecté. 3.5.8.4 - Injections complémentaires

Dans le cas où les injections primaires de bourrage se révéleraient insuffisantes pour


167


3.5.8.5 - Contrôle de la qualité des injections

D’une manière générale, le contrôle de la qualité des injections est préférable à la destruction du revêtement par carottages. Ces derniers permettent toutefois de s’assurer de la qualité du remplissage du vide annulaire mais doivent être limités au maximum.

3.6 - Revêtement installé hors de l'emprise du tunnelier Lorsque la stabilité du terrain l'autorise et lorsque les venues d'eau sont naturellement faibles, il peut être intéressant de mettre en place les voussoirs hors de l'emprise du tunnelier. 3.6.1 - Principe de conception des anneaux

3.7 - Spécificités des galeries hydrauliques en charge

D'autres systèmes de fermeture d'anneau ont également été mis en œuvre sur certains chantiers : double-clé, système de vérinage aux naissances.

3.7.1 - Rappels hydrogéologiques

3.6.2 - Avantages et inconvénients Les avantages de cette solution d'anneaux expansés sont : ◗ la simplicité de mise en œuvre ; ◗ la rusticité de la structure (absence de garnitures d'étanchéité) ; ◗ la rapidité d'avancement en bon terrain lor sque celui-ci peut être excavé de manière très régulière ;

◗ les surfaces de contact entre voussoirs étant cylindriques, la pose des voussoirs est très régulière et suit le parement de terrain excavé ;

◗ l'économie d'un boulonnage entre voussoirs. Les inconvénients de cette solution sont toutefois assez nombreux : ◗ il n'y a pas de relation entre la pose des anneaux et les moyens de guidage du tunnelier (pas de vérins arrières) ;

FT

L'anneau est monté, cette fois, à l'extérieur de la jupe, après pose du voussoir de radier ; la stabilité de l'anneau n'est assurée qu'après enfoncement longitudinal du voussoir de clé qui, par sa forme trapézoïdale, crée une expansion de l'anneau poussant ainsi les voussoirs contre le terrain.

terrain et la possibilité d'une légère injection de bourrage.

◗ la géométrie des anneaux ne permet pas de tourner dans un sens ou dans l'autre ; il est nécessaire de glisser des cales entre anneaux pour suivre correctement le creusement ;

A

◗ les plans de contact entre anneaux n'étant pas étanches, il est impossible de réaliser une injection de bourrage sous pression pour combler correctement le vide laissé autour des bossages ;

Figure 36 : Exemple d'anneau expansé

La longueur de la clé dans le sens longitudinal du tunnel est inférieure à la longueur d'un anneau afin de permettre son enfoncement maximum entre les deux voussoirs de contre-clé ; la course longitudinale de cette clé peut varier légèrement selon le terrain et la pose des premiers voussoirs. De légers bossages, de 2 à 3 cm d'épaisseur, tapissent l'extrados des voussoirs, permettant à la fois d'assurer un bon accrochage au

168

Lorsqu'une galerie est mise sous pression, la connaissance de la piézométrie du massif est importante. Elle passe par la pose très classique de piézomètres, de leur lecture à pas de temps régulier, mais aussi par le suivi du régime des sources environnantes (voir "recommandations pour le choix des paramètres et essais géotechniques utiles à la conception, au dimensionnement et à l'exécution des ouvrages creusés en souterrain" présentées par le groupe de travail n° 7 de l'A.F.T.E.S. dans le numéro T.O.S. 123 de maijuin 1994).

ES

la destination de l'ouvrage, il peut être envisagé d'avoir recours à des injections complémentaires à travers le revêtement.

◗ il n'y a aucun recours possible pour assurer une quelconque étanchéité en cas de venues d'eau incompatibles avec l'exploitation ; il convient alors, si cela est possible, de mettre en œuvre une membrane d'étanchéité et un revêtement coffré ; ◗ la pose des voussoirs devient très problématique lorsque le terrain devient instable au creusement ou sous l'action des grippers (formation de hor s profil et chutes de blocs) ; ◗ la clé étant plus courte que la dimension de l'anneau dans le sens longitudinal, il est nécessaire de combler le vide en calotte à l’aide d’un mortier. Cette solution peut être intéressante à condition qu'elle autorise avec le même tunnelier la pose des voussoirs sous la jupe en cas de traversée de terrains difficiles ou de venues d'eau.


Une fois cet état zéro hydrogéologique réalisé, il est nécessaire de déterminer l'influence du creusement de la galerie sur le compor tement de la (ou des) nappe(s). Il est en effet fréquent que le percement de galeries fasse s'effondrer des niveaux piézométriques et modifie donc sensiblement les conditions hydrogéologiques autour des ouvrages. 3.7.2 - Comportement mécanique de la structure 3.7.2.1 - Aspects géotechniques

Le comportement de l'anneau de voussoirs résulte donc de l'équilibre des forces suivantes, les deux premières ayant une tendance à la fermeture des contacts entre voussoirs, la troisième tendant à l'ouverture : ◗ pression de confinement ; ◗ pression hydrostatique extérieure ; ◗ pression de fluide intérieure (incluant, le cas échéant, les transitoires hydrauliques). On remarque que les paramètres géotechniques (E, c, φ) du terrain encaissant jouent un rôle prépondérant dans les équilibres et que, par conséquent, leur connaissance pour chacune des formations géologiques traversées est indispensable. En règle générale, les cas de charges pénalisants, vis-à-vis de l'ouverture des contacts entre voussoirs, sont obtenus pour des couver tures de terrain modérées associées à des paramètres géotechniques faibles. L'analyse du compor tement global de la structure doit également prendre en considération la présence du matériau de blocage des anneaux au terrain.

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier Lorsque les zones de tendance à l'ouverture des anneaux ont été localisées, le comportement hydromécanique de la structure dépend alors : ◗ de la présence de boulons et de leur dimensionnement ; ◗ de la valeur de l'ouverture des contacts vis-à-vis de la compression des garnitures d'étanchéité mises en place. La reprise de tractions par les boulons ne peut être généralement justifiée que sur le court terme, sauf à prévoir un matériau ou une protection approprié contre la corrosion. Aussi, paraît-il souhaitable d’éliminer les boulons dans une galerie soumise à tendance à l'ouverture des contacts. L'étanchéité de la structure n'étant alors assurée que si les garnitures ne s'ouvrent que d'une fraction de leur compression. Un coefficient de sécurité de 2 est souhaitable pour permettre, durant les cycles de chargement / déchargement, un ré-agencement possible des anneaux de voussoirs.

◗ contrairement à ce qui se passe pour des galeries revêtues de béton coffré, le lissage des nombreux désaffleurements par des dépôts aura tendance à diminuer la rugosité équivalente. L'estimation de cette diminution reste cependant à appréhender par l'ingénieur, de même que la réduction de section liée à la présence de ces dépôts (diminution de la débitance).

3.8 - Tolérances d'exécution 3.8.1 - Définition

Les tolérances d'exécution des voussoirs, constituant le revêtement définitif d'un ouvrage souterrain doivent être définies à partir des critères généraux de fonctionnalité et doivent être précisées dans le Cahier des Charges du projet. Elles peuvent d'ailleurs varier suivant le concept de revêtement retenu (voussoirs expansés, voussoirs boulonnés...).

A ces tolérances liées à l'exploitation de l'ouvrage, viennent très souvent s'ajouter d'autres tolérances liées, celles-ci, à la mise en œuvre du revêtement pour lui garantir un bon comportement mécanique, la qualité de finition et l'étanchéité requises.

FT

Si ces conditions ne peuvent être assurées et qu'une étanchéité totale est requise, alors la mise en place d'une étanchéité complémentaire est nécessaire (anneau de béton coffré, blindage ou autre procédé).

établie sur un nombre limité de cas et pour des voussoirs en béton de 0,60 m de longueur de divers types (lisses ou avec réservations) ;

3.7.3 - Rugosité des galeries revêtues de voussoirs

Les mesures de perte de charge entreprises sur des collecteurs revêtus de voussoirs sont assez peu nombreuses du fait de la complexité des moyens à mettre en œuvre.

A

Cependant, les essais réalisés ont permis de mettre en lumière les principaux résultats suivants : ◗ l'application de la formule de Colebrook est possible avec un revêtement de voussoirs ; ◗ la perte de charge est donc calculable à partir d'une rugosité équivalente Ks ; ◗ il est possible de relier la rugosité équivalente à la valeur absolue du désaffleurement moyen (s) existant entre anneaux de voussoirs ; ◗ pour des anneaux de 0,60 m de longueur et pour des galeries de diamètre inférieur à 3,60 m, la formule suivante a été établie : Ks (mm) = 0,3 + 60 * (1s1)2/l

s ("marche" positive ou négative)et l (longueur d'un élément) exprimés en mm. Nota : Il est recommandé d'utiliser cette formule avec prudence puisqu'elle a été

de pertes de charge acceptables pour l'ouvrage ; ◗ l'implantation des fixations ou réser vations pour équipements. 3.8.2.2 - Tolérances liées à la mise en œuvre des voussoirs

Elles peuvent être décomposées suivant les deux stades d'exécution suivants : ◗ la fabrication : - la géométrie des moules, - le façonnage et le positionnement des armatures ;

ES

3.7.2.2 - Aspects fonctionnels

3.8.2 - Identification des principaux critères entrant en jeu dans la définition des tolérances 3.8.2.1 - Critères liés à la fonctionnalité de l'ouvrage

Les critères de fonctionnalité concernent pour l'essentiel : ◗ la section intérieure de la galerie La précision recherchée doit satisfaire le profil général du gabarit sur l'ensemble du tracé ; ◗ les gabarits d'exploitation Pour ce point comme pour le précédent, ces critères influent sur la définition des tolérances de l'axe d'exécution de l'ouvrage par rapport à l'axe théorique du projet ; ◗ les écoulements hydrauliques ou aérauliques Il est impor tant de définir dans le Cahier des Charges les critères géométriques (rugosité des surfaces, désaffleurements...) qui vont permettre de respecter les critères

◗ la mise en place :

- le montage des anneaux,

- la déformation du revêtement sous l'action des injections de bourrage et du terrain encaissant. 3.8.3 - Précision

Tous les critères définis ci-dessus doivent être pris en considération pour la définition des tolérances de l'axe d'exécution par rapport à l'axe théorique de l'ouvrage. Il convient alors de mettre en œuvre les moyens nécessaires pour garantir le respect des tolérances sur les voussoirs formant l'anneau. Les cumuls successifs de ces tolérances impliquent un maintien des cotes dans de faibles variations au décoffrage. Pour obtenir des faces de contact entre voussoirs ou entre anneaux aptes à transmettre les efforts entre pièces et à assurer une bonne étanchéité, il convient de réaliser des géométries telles que prévues dans les études d'exécution. Aussi est-il indispensable d'identifier clairement les parties de voussoirs requérant des précisions géométriques particulières et de quantifier leur valeur. Les principaux critères à examiner sont : ◗ dimensions générales de l'anneau assemblé ; ◗ longueur de l'anneau (en tenant compte de son pincement éventuel) ; ◗ épaisseur des voussoirs ; ◗ planéité des surfaces de contact entre voussoir s d'un même anneau et entre anneaux ; ◗ rugosité ; ◗ implantation et géométrie des réser vations prévues (gorges pour garnitures d'étanchéité, logement pour chevilles ou broches...) ;


169

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier ◗ implantation des inserts (douilles de préhension, boulons, connecteurs...) ;

- sels, - feu...

ment pour l'agression des bétons à cour t terme ou à long terme.

◗ jeux prévus pour les assemblages ;

L'emploi d'adjuvants influant sur la résistance des bétons doit être vérifié afin de satisfaire aux diverses agressions citées cidessus.

Une fois ces critères vérifiés, il convient de s'assurer du taux de relaxation du système d'étanchéité à long terme.

- une protection adaptée contre la corrosion, - un bon fonctionnement des pièces vis-àvis des pressions de contact, - un renforcement efficace des arêtes. Il est très difficile de recommander des valeurs précises de tolérances à respecter sur le produit fini car celles-ci sont fonction de nombreux paramètres tels que les dimensions générales de l'ouvrage à réaliser, du mode d'assemblage des voussoirs entre eux et de la forme des voussoirs. Il est clair que, pour de telles précisions recherchées, le retrait du béton et la température sont des paramètres à considérer, notamment lors du contrôle des pièces en usine.

3.9 - Durabilité

Pour des agressions particulières, les voussoirs pourront être revêtus à l'extrados d'un traitement spécifique d'étanchéité (minéralisation, imprégnation...). 3.9.2 - Aciers des armatures

La durabilité des aciers utilisés en cage d'armatures des voussoirs est liée à la perméabilité du béton environnant, à l'épaisseur de son enrobage ainsi qu'aux milieux agressifs internes et externes évoqués précédemment. Le choix et le dosage des ciments influent sur la passivation des aciers.

La composition chimique et l'état de surface de ces aciers devront permettre une bonne soudabilité pour la réalisation des cages d'armatures.

FT

3.9.1 - Béton des voussoirs

Les critères de sélection évoqués précédemment devront tenir compte des spécifications du marché et des normes en vigueur.

La durabilité des bétons de voussoirs est fonction de la destination de l'ouvrage et peut être liée aux critères suivants : ◗ la compacité des bétons ; ◗ leur composition : - sable, - graviers, - ciment, - adjuvants, - eau,

A

nécessitant une analyse physico-chimique des composants ; ◗ le bilan des alcalins actifs ; ◗ la perméabilité ;

◗ les agressions internes et externes liées à l'environnement : - température, - hydrocarbures, - agents agressifs et chimiques contenus dans le sol, dans l'eau souterraine et dans le liquide véhiculé, - micro organismes, - sulfate, - condensation, - gel,

170

Le collage des garnitures n'est réalisé que pour son maintien dans son logement dans les phases de manutention, stockage et montage. La colle devra impérativement être compatible avec la nature de la garniture. 3.9.4 - Inserts

ES

◗ dimensions des cages d'armatures et implantation des différents acier s pour garantir :

L'épaisseur d'enrobage des armatures sera définie en fonction des conditions d'exposition de l'ouvrage définies par le Cahier des Charges. Elle pourra varier en fonction de la zone d'application des contraintes rencontrées et de la protection recherchée en regard des agressions (tenue au feu intrados, contact entre voussoirs, face d'appui des vérins de poussée du tunnelier ...). En général, ces épaisseurs d'enrobage pourront varier d'environ 20 mm (zones frettées) à environ 30 mm (zones courantes en intrados et en extrados). Des systèmes de protection applicables aux acier s peuvent, dans cer tains cas, être employés : ◗ peinture ; ◗ métallisation (galvanisation, cataphorèse, apport de métal) ; ◗ epoxy ; ◗ protection cathodique (liaisons électriques). 3.9.3 - Garnitures d'étanchéité La durabilité dans l'étanchéité des garnitures, en ce qui concerne le produit, est liée aux mêmes critères qu'indiqués précédem-


Les inserts devront être durables et neutres par rapport à leur environnement et être, dans tous les cas, conformes aux normes de sécurité en vigueur. Ils devront être positionnés de façon à respecter les valeurs d'enrobage des aciers. Ils ne devront pas créer de faiblesses structurelles, ni de cheminements d'eau et électriques préférentiels.

3.10 - Considérations économiques La conception du revêtement doit intégrer les méthodes de mise en œuvre et tenir compte, dès l'origine du projet, des considérations d'adaptation au lieu de construction de l'ouvrage (influence sur les matériaux, la main d'œuvre, l'encadrement,...) en vue d'optimisation et d'économie. Il est important de définir, dès l'origine, le type d'anneau le mieux adapté au projet (anneau universel ou droite/gauche), la longueur de l'anneau la mieux appropriée, le pincement et le nombre de types d'anneau nécessaires au projet. En règle générale, l'anneau universel est le plus économique du point de vue des types de voussoirs à mettre en œuvre (moins de moules nécessaires, moins de surface d'usine, moins de types de cages d'armatures). L'analyse des courbes les plus serrées sur le tracé d'un projet par rappor t aux par ties droites doit permettre l'uniformisation à une seule voire deux longueurs d'anneau éventuellement. En effet, la création de plusieurs longueurs d'anneaux sur le projet multiplie le nombre de types de moules et de cages d'armatures, induisant une préfabrication, une gestion et une manutention plus complexe, donc plus coûteuse. Ces considérations sont également liées au type de tunnelier utilisé (tunnelier existant


Sur des projets similaires, la réutilisation de tunneliers et de moules de voussoirs permet, sans conteste, des économies substantielles, même si des révisions, adaptations et remises en état sont toujours à réaliser. Ainsi, dans des projets tels que : ◗ les tunnels pour métros, notamment pour le système Val ; ◗ les tunnels ferroviaires et TGV ; ◗ les tunnels routiers ; ◗ les collecteurs...

4-

L'incidence de chacune de ces phases, en terme d'effor ts internes induits sur les voussoirs, doit faire l'objet d'une vérification béton armé. Ces calculs doivent tenir compte non seulement des effets dynamiques éventuels de manutention (cas du levage ou du stockage lors de la pose d'un voussoir sur une pile) et des tolérances de mise en œuvre (comme par exemple la précision de positionnement des cales supports sur l'aire de stockage) mais aussi de l'âge réel du béton (et donc de sa résistance caractéristique) au moment du déroulement de l'opération considérée.

Dans la plupar t des cas, il ne s'agit que d'une vérification, les sections d'armatures et les caractéristiques de béton des voussoirs étant le plus souvent dimensionnées pour les phases de service ou de creusement du tunnelier (poussées des vérins). Cependant, cer tains cas peuvent devenir dimensionnants et conduire soit à une augmentation des caractéristiques du béton au jeune âge ou des sections d'armatures, soit à une redéfinition plus adaptée de certaines phases du processus.

FT

il semblerait souhaitable de retenir, au niveau national, des standards géométriques et d'équipements, par projet, ce qui permettrait d'augmenter ainsi les capacités de production et de baisser les coûts. Ces standards pourraient s'appuyer sur les "recommandations sur la standardisation des profils des tunnels circulaires", présentées par le groupe de travail n° 11 de l'A.F.T.E.S. (voir numéro T.O.S. 88 de juillet-août 1988) ; ce principe est déjà en cours dans plusieurs pays de la communauté européenne ou d'influence anglo-saxonne.

palonnier à pinces, à ventouses ou à l'aide d'élingues ...), des phases de stockage par empilement des voussoirs et interposition de cales entre les pièces, des phases de reprise sur stock et de déchargement sur site, ou de l'approvisionnement au front (sur remorque ou wagon).

CALCUL DU REVETEMENT

4.1 - Principaux paramètres influant sur le dimensionnement

4.1.1 - Conditions de mise en œuvre

4.1.1.1 - De la fabrication des voussoirs à leur approvisionnement au front

A

Entre le coulage des voussoirs dans l'usine de préfabrication et leur approvisionnement au front en vue de leur montage dans le tunnelier, ceux-ci subissent une série d'opérations qui peuvent, pour cer taines, induire des efforts non négligeables.

S'il est ici difficile de décrire l'ensemble de ces opérations qui dépendent d'un processus pouvant varier d'un chantier à l'autre, un grand nombre d'opérations se retrouvent néanmoins de façon systématique. C'est le cas, par exemple, des phases de retournement des voussoirs après décoffrage (aussi bien dans le cas de coulage à plat - cf. conditions en annexe - que sur la tranche), des phases de manutention depuis l'usine de préfabrication jusqu'à l'aire de pré-stockage puis de stockage (par exemple à l'aide de

à proximité des inserts (poussées au vide, contraintes locales, risques d'éclatement) qui conduisent souvent à des dispositions constructives particulières ou à des renforcements locaux d'armatures. 4.1.2 - Paramètres de calcul des sollicitations dans l'anneau Il conviendra de se repor ter utilement au tableau de synthèse fourni au § 4.3.5.. 4.1.2.1 - Paramètres liés au terrain encaissant

ES

éventuellement modifié pour le projet, tunnelier neuf conçu et réalisé pour le projet).

4.1.1.2 - Montage de l'anneau (érection et boulonnage)

L'assemblage des voussoirs derrière le tunnelier se fait à l'aide d'un érecteur. Au moment de leur montage, les voussoirs sont alors soumis à une série d'efforts tels que : ◗ l'effor t appliqué par le système de préhension et de levage des voussoirs (poids propre des voussoirs affecté d'un coefficient dynamique) ; ◗ les efforts de compression des garnitures d'étanchéité ; ◗ les efforts éventuels d'accostage ; ◗ les efforts liés à des chocs accidentels lors de l'approche ; ◗ les efforts imprimés par le dispositif d'assemblage retenu (boulons, tire-fond ou chevilles). Si les efforts de choc se révèlent très difficiles à estimer et donc à intégrer dans la conception du revêtement, il n'en demeure pas moins que les voussoirs doivent être conçus pour résister aux autres types d'efforts. Une attention toute particulière devra être apportée à la vérification des sections

Sur la base des recommandations A.F.T.E.S. sur "le choix des paramètres et essais géotechniques utiles à la conception, au dimensionnement et à l'exécution des ouvrages creusés en souterrain", sont rappelés ici les principaux paramètres relatifs au terrain encaissant pouvant entrer en jeu dans l'étude du comportement d'un revêtement en voussoirs préfabriqués. a) Paramètres liés aux contraintes naturelles Il est essentiel de connaître l'histoire du massif qui peut être influencé par la tectonique, la consolidation ou l'érosion. Les paramètres de base sont :

◗ l'intensité des contraintes principales (en particulier l'évaluation du terme σ’ Ko = Ho ) ; σ’ Vo ◗ l'orientation des contraintes (effet de versant, du pendage des couches ...). b) Paramètres physiques Il est indispensable d'avoir une bonne connaissance de paramètres tels que : ◗ le potentiel de gonflement ; ◗ l'agressivité du milieu environnant ; ◗ les interfaces entre les couches de terrain, les anomalies telles que les discontinuités, les hétérogénéités (vides, blocs, failles ...). c) Paramètres mécaniques Deux types de paramètres mécaniques caractérisent généralement le massif : ◗ paramètres de résistance : - caractéristiques de résistance au cisaillement (Cu, φ', C') pour les sols, - résistance en compression simple et résistance à la traction, paramètres caractérisant le massif rocheux ; ◗ paramètres de déformabilité : - module d'Young E(x, t), - coefficient de Poisson ν.


171

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier En présence de milieux rocheux, il conviendra de tenir compte d'une valeur réduite du module d'Young, par rapport aux mesures en laboratoire, pour intégrer le potentiel de déformabilité des discontinuités affectant la matrice rocheuse. La bonne maîtrise de ce paramètre est primordiale pour le dimensionnement d'ouvrages tels que les galeries hydrauliques soumises à une pression intérieure (risque d'ouverture des contacts entre voussoirs) ;

Paramètres

a) Pression de confinement

b) Surcoupe

Dans les zones à très fort risque sismique, il pourra être nécessaire d'évaluer les caractéristiques dynamiques du terrain encaissant. d) Paramètres hydrogéologiques La connaissance de la piézométrie du massif est essentielle dans tout projet de galerie souterraine. Il est nécessaire notamment de déterminer l'influence de son creusement sur le compor tement de la (ou des) nappe(s) (drainage, effet de barrage, risque d'effondrement de la piézométrie ...). e) Courbes caractéristiques du terrain

- réduction du déconfinement du terrain à la pose du revêtement → augmentation des charges de terrain sur le revêtement

- diminuer la pression exercée par - augmentation du déconfinement le terrain sur la jupe du tunnelier du terrain à la pose du revêtement et sur le revêtement, notamment → diminution des charges de terrain lors de progression en courbe sur le revêtement

- permettre une certaine convergence du terrain sur le linéaire de la jupe du tunnelier pour diminuer le frottement (notamment en présence de terrains dilatants)

- augmentation du déconfinement du terrain à la pose du revêtement → diminution des charges de terrain sur le revêtement

d) Longueur du tunnelier

- réserver l'espace suffisant pour l'agencement des différents équipements mécaniques depuis la tête jusqu'aux organes de poussée

- en l'absence de contact continu du terrain avec l'extrados de la jupe du tunnelier, les charges de terrain sur le revêtement sont d'autant plus réduites que la longueur de la jupe est importante - dans le cas contraire, la convergence du terrain est limitée à l'espace libre laissé entre le rayon d'excavation et le rayon d'extrados de la jupe

e) Poussée du tunnelier

- assurer la progression longitudinale - assurer la réaction de la pression de confinement - garantir provisoirement la stabilité des voussoirs - assurer l'écrasement des garnitu-res d'étanchéité entre anneaux avant la mise en place du dispositif d'assemblage - assurer l'enfoncement de la clé

- dépend des efforts de poussée mis en jeu et des conditions de contact patins de vérins/voussoirs (excentricités dues aux tolérances de pose, dues à un tracé en courbe, dues à la poussée d'Archimède, efforts localisés) et des conditions de contact anneau/anneau (défaut géométrique des voussoirs, excentricités dues aux tolérances de pose, efforts localisés)

f) Injections de bourrage

- assurer un calage du revêtement au terrain - limiter les déformations du terrain

- coup de pompe, pression d'injection, caractéristiques mécaniques du matériau de bourrage (module, Rc ...). - réduction du déconfinement du terrain → augmentation des charges de terrain sur le revêtement

4.1.2.2 - Paramètres liés aux caractéristiques du tunnelier

Le tableau ci-contre met en évidence, pour chaque paramètre mécanique du tunnelier, les principales fonctions de ce paramètre et l'incidence qu'il peut avoir sur le calcul des sollicitations.

A

4.1.2.3 - Caractéristiques mécaniques du revêtement

- garantir la stabilité du front de taille - limiter les déformations du terrain

c) Conicité de la jupe

FT

A par tir des paramètres géologiques, hydrogéologiques et géotechniques identifiés précédemment, le compor tement du terrain peut être caractérisé par des courbes de convergence à cour t et long termes.

Incidence sur le calcul des sollicitations

ES

◗ séismicité

Principales fonctions

Le revêtement étant de nature discontinue, ses caractéristiques mécaniques dépendent de celles des voussoirs et des contacts entre pièces. a) caractéristiques mécaniques des voussoirs : ◗ section, inertie La présence de réservations, plus ou moins impor tantes, nécessite d'en tenir compte dans l'évaluation de ces paramètres ; ◗ module de déformation Il dépend essentiellement de la résistance du béton et de paramètres tels que le fluage, l'hygrométrie et le retrait ; ◗ coefficient de Poisson.

172

b) Caractéristiques mécaniques des contacts entre voussoirs : ◗ section, inertie Ces caractéristiques permettent d'en déduire la capacité de transmission des efforts dans les sections de contacts ;


◗ composition des anneaux Le caractère discontinu d'un anneau (assemblage de voussoirs élémentaires) conduit à une diminution de sa rigidité en flexion, alors que la rigidité en compression n'est, en général, que très faiblement affectée par la présence des contacts entre voussoirs.

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier A contrario, la pose d'anneaux contigus à contacts radiaux conjugués, associés à des assemblages rigides entre anneaux tels que, par exemple, des chevilles, conduit à limiter cet effet de diminution de rigidité en flexion des anneaux.

◗ Fascicule n° 62 Titre I section I - Règles techniques de conception et de calcul des ouvrages et constructions en béton armé suivant la méthode des états limites (Règles BAEL 91) ;

◗ les diagrammes déformations-contraintes ; ◗ le coefficient de Poisson, généralement pris égal à 0,20. 4.2.2.2 - Acier pour armatures passives

4.1.2.4 - Interaction sol - structure

◗ Eurocode 2 publié et annoté par l'AFNOR en décembre 1992 ;

Les principaux paramètres influant sur le compor tement du revêtement en contact avec le terrain sont :

◗ Instruction technique sur les Directives Communes relatives au calcul des constructions (circulaire n° 79-25 du 13 mars 1979) ;

◗ conditions de contact revêtement/produit de bourrage et produit de bourrage/terrain.

◗ Recommandations Internationales CEBFIP de 1990 ;

◗ le module d'élasticité longitudinale, pris égal à 200 000 MPa ;

Elles évoluent entre le glissement parfait et l'adhérence parfaite ; toutefois, avec les mor tiers mis en œuvre dans de bonnes conditions, elles tendent vers une adhérence parfaite.

◗ Livret 2.01 de la SNCF pour les charges ferroviaires et les règles de béton armé ;

◗ les diagrammes déformations-contraintes.

◗ Fascicule n° 61 Titre II du CPC pour les surcharges routières ;

4.2.3 - Nature des actions et chargements

Sous certaines configurations de terrain et de charges d'eau, à ces conditions peut venir s'ajouter la notion de décollement (absence de contact entre le terrain et le revêtement).

◗ Recommandations AFTES applicables et en vigueur ;

4.2.3.1 - Actions permanentes (G)

- proximité d'ouvrages existants ou projetés, souterrains ou de surface (bâti, réseaux, galeries ou puits existants, fondations profondes ...),

et, dans certains cas :

◗ Fascicule n° 62 Titre V du CCTG - Règles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de génie civil ;

4.2 - Hypothèses de calcul

◗ DTU n° 14.1 - Travaux de cuvelage Octobre 1987.

FT

- surcharges (trafic, fondations d'ouvrages ...).

◗ Recommandations provisoires relatives à la modification des règles de prise en compte de la fissuration et à l'emploi des bétons à hautes performances réalisé et diffusé par le SETRA en juin 1997 ;

4.2.1 - Règlements et références 4.2.1.1 - Préambule

Nous rappellerons que les méthodes de calcul aux états limites permettent de contrôler, d'une part, la marge de sécurité de l'ouvrage par rappor t à la rupture et, d'autre part, le bon comportement en service.

A

Les principales caractéristiques des deux états limites sont rappelées dans le tableau ci-dessous.

4.2.1.2 - Règlements et recommandations applicables

Les règlements ou recommandations qui suivent conviennent aux calculs aux états limites des voussoirs en béton armé : Etat limite ultime Rupture d'une section par écrasement du béton Déformation excessive de l'acier Instabilité de forme (flambement, cloquage) Perte d'équilibre statique au montage de l'anneau

◗ la limite d'élasticité garantie Fe ;

ES

◗ environnement

Les caractéristiques de l'acier à introduire dans les calculs sont celles définies par les règles BAEL et EUROCODES en vigueur, c'est-à-dire :

Le cahier des charges précisera les textes réglementaires applicables au marché et leur priorité d'application.

4.2.2 - Caractères des matériaux 4.2.2.1 - Béton pour revêtement

Les caractéristiques du béton armé à introduire dans les calculs pour l'établissement des projets sont celles définies par les règles BAEL et EUROCODES en vigueur, c'est-àdire : ◗ la résistance caractéristique à la compression Fcj; ◗ la résistance caractéristique à la traction Ftj; ◗ les modules de déformation longitudinale instantané et différé ; Etat limite de service

Ouverture excessive des fissures (infiltrations, corrosion) Compression excessive du béton entraînant une microfissuration Déformations excessives de l'anneau

Les actions permanentes comprennent les charges suivantes : a) Poids propre de la structure et poids des équipements fixes b) Charges du terrain encaissant La méthode convergence-confinement évalue les actions du terrain sur le revêtement. Cette méthode a déjà été exposée dans plusieurs publications. Les recommandations sur l'emploi de cette méthode, présentées par le groupe de travail n° 7 de l'A.F.T.E.S. dans le numéro T.O.S. 59 de septembre-octobre 1983 feront l'objet, prochainement, d'une mise à jour. Par ailleurs, dans le cas des sols et des ouvrages à faible profondeur, divers auteurs ont proposé des formules semi-empiriques, déduites de théories ou d'expériences, pour calculer la charge verticale appliquée par le terrain sur le revêtement en fonction de la masse volumique des sols, de la cohésion, de l'angle de frottement interne, du rayon de l'excavation et de la hauteur de couver ture au-dessus de la voûte (méthodes de TERZAGHI, de PROTODIAKONOV et de LAUFFER notamment). Ces méthodes sont exposées en détail dans le document "Texte des réflexions sur les méthodes usuelles de calcul du revêtement des souterrains" présenté par le groupe de travail n° 7 de l'A.F.T.E.S. dans le numéro T.O.S. 14 de mars-avril 1976, ainsi que les conditions d'application. Les actions ainsi déterminées sont ensuite utilisées pour le calcul des sollicitations dans le revêtement par les différentes méthodes rappelées dans le chapitre 4.3.


173

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier Elles seront définies à partir des plans des ouvrages avoisinants (plans de fondations ...) qui seront communiqués par le Maître d'Ouvrage. d) Pressions hydrostatiques et hydrauliques En ce qui concerne la pression hydrostatique extérieure exercée par l'environnement hydrogéologique, celle-ci sera définie à partir de niveaux maximal et minimal. A ce titre, il convient de rappeler l'incidence que peut avoir la poussée d'Archimède sur le revêtement et ses organes d'assemblage, notamment, en cour s d'exécution, à l'échappée des anneaux hors du tunnelier. Dans le cas particulier de galeries hydrauliques, le marché précisera les valeur s représentatives des charges intérieures de fluide à considérer et leurs modalités de prise en compte. e) Pressions d'injection de bourrage du vide annulaire

EXEMPLE DE CONTACT TRANSVERSAL PLAN EXCENTRE

Chaque patin de répartition reçoit un ou plusieur s vérins dont la force résultante s'exerce avec une excentricité, mesurée par rapport au centre de gravité de la surface d'appui du patin, comprenant une composante structurelle connue et une composante additionnelle aléatoire. Il y a lieu de rappeler qu'en présence d'un tracé en courbe (en plan ou en profil en long) prise par le tunnelier, l'excentricité structurelle de la force résultante du (ou des) vérin(s) par rapport au centre de gravité de la surface d'appui du patin est souvent augmentée et doit, par conséquent, être intégrée dans l'analyse.

FT

Si les pressions d'injection de bourrage exercées à l'extrados du revêtement sont supérieures à la pression exercée par le terrain, il y aura lieu de les considérer dans le dimensionnement des voussoirs.

Le dimensionnement de chaque voussoir devra être vérifié lors des différentes phases d'exécution : manutention, retournement éventuel, stockage, transpor t, chargement sur ber lines, déchargement, reprise par l'érecteur et mise en place des voussoirs. ◗ Charges induites par la progression du tunnelier Les poussées des vérins du tunnelier sont des forces longitudinales appliquées aux voussoirs par l'intermédiaire de patins de répartition.

ES

c) Charges amenées par les avoisinants

4.2.3.2 - Actions variables (Q)

Les actions variables comprennent les charges suivantes : a) Charges d'exploitation à l'intérieur du tunnel

Lorsqu'il s'agit de charges roulantes, routières ou ferroviaires, appliquées directement sur le radier, leur influence est généralement très faible, et elles peuvent être négligées dans l'étude de la section transversale du revêtement.

A

Par contre, lorsque celles-ci s'appliquent sur une dalle sous chaussée appuyée ou encastrée sur le revêtement, elles doivent être prises en considération dans le dimensionnement des voussoirs.

Dans le cas, par exemple, des galeries hydrauliques, le marché précisera, si nécessaire, la valeur représentative de la variation de pression hydraulique intérieure à considérer et sa modalité de prise en compte. b) Charges appliquées à la surface du sol Il s'agit, le plus souvent, de charges routières ou piétonnières. c) Charges appliquées en cours d'exécution ◗ Charges induites depuis la fabrication des voussoirs jusqu'au montage des anneaux

174

La force de poussée de chaque groupe de vérins et son excentricité sont les deux paramètres dont il faut définir les valeurs nominales d'utilisation et les valeurs exceptionnelles. Dans une combinaison fondamentale, les valeurs à considérer pour les deux paramètres sont les valeurs nominales d'utilisation. Dans une combinaison accidentelle, un seul des paramètres atteint sa valeur exceptionnelle, l'autre paramètre conser vant sa valeur nominale. Il est admis que les deux paramètres ne peuvent pas atteindre simultanément leur valeur exceptionnelle. S'il est rare que la poussée nominale soit atteinte simultanément pour l'ensemble des vérins, il est fréquent qu'elle le soit pour chaque groupe de vérins. Ces données sont utilisées pour la justification de la résistance du béton et des armatures, notamment, sous charges localisées appliquées par chaque groupe de vérins. Par ailleurs, le dimensionnement des voussoirs devra également être vérifié sous les


charges exercées par le train suiveur lors de son passage. ◗ Charges induites par le produit d'injection lors du remplissage de l'espace annulaire entre le revêtement et le terrain Ces charges, à caractère transitoire, sont dues à un accroissement localisé de la pression d'injection ("coup de pompe") au droit des trous d'injection. Dans certains cas particuliers où la maîtrise de ce phénomène est indispensable, il conviendra de vérifier l'incidence de ces actions sur le revêtement. Les données alors nécessaires concernent le système d'injection équipant le tunnelier (nombre de points d'injection, procédé d'injection ...) ainsi que la procédure retenue par l'entreprise pour la mise en œuvre de ces injections. d) Actions de la température climatique (t°) ◗ Variations uniformes de la température (T) En général, les variations uniformes de la température ne sont pas à considérer.

Remarque : Dans le cas de certains ouvrages (galerie à grande profondeur, galerie véhiculant de l'énergie ...), il est nécessaire de tenir compte des effets des variations uniformes de la température, le marché précisera les valeurs représentatives des actions correspondantes et leurs modalités de prise en compte. ◗ Gradients thermiques (∆θ) En général, les gradients thermiques ne sont pas à considérer. Remarque : Dans le cas de certains ouvrages, où il est nécessaire de tenir compte des effets d'un


4.2.3.3 - Actions accidentelles (FA)

Dans le cas de certains ouvrages, où il est nécessaire de tenir compte des actions accidentelles, telles que séismes, explosions, incendies, chocs de véhicules, ou encore "coup de bélier" dans les galeries hydrauliques, le marché précisera les valeur s représentatives des actions correspondantes et leur s modalités de prise en compte.

très important de s'assurer de la validité des caractéristiques des terrains prises en compte et de celle de la méthode de calcul des sollicitations, et de tenir compte de l'hétérogénéité des terrains, de leur anisotropie, de leur fissuration et de la difficulté d'apprécier leur comportement mécanique à long terme.

l'action de terrain, voire davantage si la reconnaissance géotechnique est limitée et hasardeuse.

Les Directives Communes de 1979 sont très claires à ce sujet : ar ticle 4.1.3. "les valeurs caractéristiques maximales et minimales des actions correspondant aux pressions de terre sont évaluées en tenant compte des incertitudes dues à leur mode de calcul".

Ce type de combinaison doit être spécifié dans le cahier des charges.

4.2.4.1 - Sollicitations de calcul vis-à-vis des états limites ultimes de résistance

Toutefois, lorsqu'une analyse fine n'est pas nécessaire ou, lorsqu'un procédé de calcul ne permet pas de séparer les effets du terrain et de l'eau, on retiendra les combinaisons d'actions suivantes :

a) Préambule

1,35xS{Gterrain + Geau + (1,50/1,35)xQ1}

Dans le cas de modélisations faisant intervenir une loi de comportement du terrain non élastique (apparition de zones en plasticité), il y aura lieu de procéder à un calcul d'interaction sol-structure sans majoration des actions et d'appliquer les coefficients pondérateur s des états limites ultimes, explicités ci-après, sur les efforts ainsi obtenus.

obtenues en multipliant par 1,35 la combinaison d'actions rare : S{Gterrain + Geau + (1,50/1,35)xQ1}

Pour les vérifications du revêtement en cours d'exécution, la combinaison de base s'écrit : 1,35G poids propre revêtement + 1,35Q1 Q 1 : poussée de vérins, pression de bourrage ou poids des remorques.

FT

4.2.4 - Combinaisons d'actions

b) Combinaison fondamentale proposée par le BAEL 91 et l'Eurocode 2 1,35Gmax + Gmin + γQ1 Q1 + Σγ Qi ΨOi Qi

Gmax : ensemble des actions permanentes défavorables (poids propre du revêtement, pression de terrain par exemple) ;

Gmin : ensemble des actions permanentes favorables ; la pression d'eau peut, dans certains cas, être favorable ; elle doit donc être pondérée par 1 dans ce cas et par 1,35 sinon ;

A

Q1 : action variable de base ; dans le cas présent il s'agira des charges d'exploitation routières, ferroviaires ou hydrauliques ou de charges appliquées en cours d'exécution. γQ1 est égal à 1,5 dans le cas général sauf pour les charges ferroviaires (1,45).

ΣγQiΨOiQi sont les actions variables d'accompagnement. La combinaison de base s'écrit donc : 1,35Gterrain + 1,35(ou l)Geau + 1,50Q1 Les actions les plus importantes dans cette combinaison sont évidemment les actions d'eau et de terrain sur le revêtement. Comme l'action du terrain n'est pondérée que par 1,35 (pour les charges permanentes de poids propre par exemple), il est

La combinaison d'actions peut s'écrire alors : 1,35*Gterrain + 1,15Geau + 1,50Q1 * ce coefficient peut être supérieur si l'action du terrain est difficile à apprécier.

d) Combinaison accidentelle proposée par le BAEL 91 et l'Eurocode 2 Gmax + Gmin +FA +Ψ11Q1 + ΣΨ2iQi FA : valeur nominale de l'action accidentelle ; Qi : actions variables d'accompagnement.

ES

gradient thermique, le marché précisera les valeurs représentatives des actions correspondantes et leurs modalités de prise en compte.

c) Combinaison fondamentale inspirée des Directives Communes de 1979 Il est également possible de proposer une combinaison d'actions plus directement inspirée des Directives Communes de 1979 § 7.2.1 et reprise par le fascicule n° 62 Titre V "Règles techniques de conception et de calcul des fondations". Les valeurs caractéristiques des actions sont pondérées par les deux coefficients γ F3 et γ F1 : γF3S{ γ F1GmaxGmax+ γ F1Gmini Gmini

+ γ F1Q1Q1 + ΣγF1Q1ΨOiQi }

- le coefficient γF3 doit permettre de tenir compte de l'incertitude des calculs des sollicitations et des simplifications des schémas et modélisations ; sa valeur est habituellement comprise entre 1,125 et 1,15 ; - le coefficient γF1 doit permettre de tenir compte du risque de dépassement de la valeur caractéristique de l'action ; il pourra prendre une valeur très proche de 1 pour l'action de l'eau s'il s'agit, par exemple, de la pression hydrostatique correspondant à un niveau d'eau parfaitement connu et ne pouvant jamais être dépassé ; mais il pourra atteindre des valeurs voisines de 1,2 pour

La capacité maximale des vérins de poussée du tunnelier sera considérée comme une action accidentelle. En cas de séisme ou d'explosion : Gterrain+eau + Séisme (ou explosion) + 0,6Q1 Remarques :

Un autre type de sollicitation assimilable à une sollicitation accidentelle peut être proposée dans le cahier des charges. Il s'agit de la charge totale de couverture, envisagée, en général, pour les tunnels à faible profondeur (1 à 2 diamètres de couverture) ou pour les tunnels à profondeurs supérieures mais susceptibles d'être soumis à des effets de longue durée difficilement appréciables dans les campagnes de reconnaissances (fluage, gonflement ...). Cette action est donc envisagée avec une pondération égale à 1 : Gpoids total de couverture+0,6Q1 Les actions d'accompagnement sont, habituellement, négligées et l'action de terrain est souvent supposée uniforme sur le revêtement dans cette combinaison. Cette combinaison n'a aucune signification géotechnique mais elle a le mérite de tester la marge de sécurité de la capacité portante du revêtement par rapport au poids de la couverture. Elle ne s'applique pas aux tunnels à grande profondeur, dans des terrains à module élevé (tunnels alpins par exemple). Enfin, dans le cas de pose de revêtement préfabriqué sans joint d'étanchéité, il peut être proposé, au niveau du cahier des charges, d'envisager une situation accidentelle correspondant à la perte de perméabilité du revêtement ; la vérification sera alors faite avec la combinaison accidentelle suivante : Gterrain déjaugé+Gpression totale d’eau+0,6Q1


175


Gmax + Gmin +Q1 +ΣΨoiQi En phase d'exploitation cette combinaison s'écrit : G +Geau+Q1 ou terrain Gterrain +Geau 4.2.5 - Critères de dimensionnement 4.2.5.1 - Etat limite ultime de résistance

Les sollicitations de calcul obtenues par les combinaisons d'actions fondamentales ou accidentelles ne doivent pas dépasser les capacités limites ultimes des sections de béton armé définies par les règles BAEL 91 (§ A.4.3.) ou Eurocode 2 et résultant des déformations limites fixées pour les matériaux : ◗ 10 x 10-3 en allongement pour les aciers ; ◗ 3,5 x 10-3 pour le raccourcissement des bétons de résistance fcj inférieure à 60 MPa dans une section par tiellement comprimée ; pour les bétons à haute performance (fcj ≥ 60 MPa), le raccourcissement limite est donné par la relation : (4,5 - 0,025 fcj) x 10-3 ;

n'est à envisager que pour des revêtements très minces mis en place dans des terrains à très faibles modules de déformation. 4.2.5.3 - Etat limite d'équilibre statique

Dans cer tains cas, la vérification de nonflottaison est à prévoir. Les charges verticales descendantes nominales limitées aux actions permanentes devront être au moins égales à 1,05 fois les charges ascendantes résultant de l'action de l'eau dans sa configuration de niveau exceptionnel. Il sera tenu compte également des variations éventuelles, dans le temps, de la couver ture de terrain au-dessus de l'ouvrage (affouillement de lit de rivière ...).

Le béton étant très alcalin (pH ≈ 12) l'acier est normalement protégé par passivation (formation de Fe(OH)2 à la surface de l'armature).

4.3.2 - Méthode des réactions hyperstatiques

Il faut toutefois veiller à ce que :

◗ les fissures ne soient pas trop ouvertes ;

FT

A

Les voussoirs étant bétonnés en usine, le coefficient γb pris en compte dans la combinaison fondamentale peut être réduit à 1,3 (pour les seuls calculs à l'état limite ultime de résistance) à condition que les contrôles de qualité soient conformes à un système ISO ; ces prescriptions particulières doivent être définies dans le cahier des charges. 4.2.5.2 - Etat limite ultime de stabilité de forme

Il s'agit de justifier, vis-à-vis des états limites, la résistance de l'anneau de voussoirs sans négliger les effets dits du second ordre : flambement, cloquage ... Cette justification

176

Etant donné la forme circulaire du revêtement, plusieurs méthodes de calcul sont utilisables pour déterminer les sollicitations dues à l'interaction sol - structure.

◗ la méthode du solide composite.

Les règles fixent les conditions de fissuration et d'enrobage.

γ b = 1,15 pour le béton en combinaison accidentelle.

4.3.1 - Introduction

a) Etat limite d'ouverture des fissures

Les contraintes de calcul des matériaux sont obtenues en appliquant aux résistances caractéristiques les coefficients suivants :

γb = 1,5 pour le béton en combinaison fondamentale ;

4.3 - Détermination des sollicitations dans le revêtement

Les deux principales méthodes sont :

◗ l'enrobage soit suffisant eu égard à l'environnement ;

γs = 1 pour l'acier en combinaison accidentelle ;

Les prescriptions du cahier des charges doivent indiquer le degré de stabilité au feu du revêtement, justifié par l'organisation et les moyens de secours en cas d'incendie dans les tunnels.

4.2.5.4 - Etats limites de service vis-àvis de la durabilité de la structure

◗ 2 x 10 -3 pour le raccourcissement du béton dans une section entièrement comprimée.

γs = 1,15 pour l'acier en combinaison fondamentale ;

4.2.5.5 - Résistance au feu

ES

4.2.4.2 - Sollicitations de calcul vis-àvis des états limites de service

◗ la composition du béton soit satisfaisante.

Conformément aux nouvelles recommandations modifiant l'ar ticle A.5.3. du BAEL 91, les contraintes de traction des aciers sont limitées : ◗ en fissuration préjudiciable (revêtement en présence d'eau moyennement agressive) à: σs=sup[240MPa,110√ηftj] η : coefficient de fissuration égal à 1,6 pour les aciers H.A. (φ > 6 mm) à 1,3 pour les aciers H.A. (φ ≤ 6 mm) et 1 pour les ronds lisses ; ◗ en fissuration très préjudiciable (revêtement en milieu très agressif) à : σs=sup[200MPa,90√ηftj] En plus de la limitation des contraintes de traction des aciers, le BAEL 91 définit à l'article A.4.5. les diamètres et espacements maximaux des armatures.

◗ la méthode des réactions hyperstatiques ;

La méthode des réactions hyperstatiques étudie le compor tement du seul revêtement en assimilant l'action du terrain encaissant à des charges extérieures. Elle privilégie ainsi le rôle du revêtement. Par conséquent, elle s'applique, de préférence, à un revêtement rigide situé à faible profondeur et dans un terrain encaissant constitué de sols peu résistants ou de roches très finement fracturées. Cette méthode de calcul présente l'inconvénient de ne pas tenir compte : ◗ du compor tement du terrain après la rupture et dans le temps ; ◗ de la déformation que le terrain encaissant a déjà atteinte lors de la mise en place du revêtement ; ◗ des phases de creusement. Toutefois, quelques hypothèses par ticulières, adoptées pour la modélisation de la structure et des charges extérieures, permettent de se rapprocher des principes de la méthode du solide composite (maintien des "ressor ts" en traction par exemple) lorsque les conditions d'application sont réunies.

b) Etat limite de compression du béton

Les sollicitations et les déformations sont calculées par une méthode de résolution numérique généralement basée sur un modèle bidimensionnel constitué d'éléments filaires avec barres rectilignes ou courbes.

Conformément à l'article A.4.5.2. du BAEL 91, la contrainte de compression du béton à l'état limite de service est limitée à 0,6 fcj.

Par ailleurs, cette méthode de calcul reste également applicable dans les configurations suivantes :


La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier ◗ tunnel situé à faible profondeur ;

Méthode convergence - confinement :

◗ hétérogénéité du terrain environnant (existence de plusieurs formations différentes) ;

La méthode convergence - confinement permet de déterminer, d'une part, le chargement, et, d'autre par t, le déplacement radial de l'anneau. Il est possible d'en déduire directement l'effort normal.

◗ dissymétrie du revêtement (répar tition dissymétrique des joints radiaux). Les principales hypothèses simplificatrices associées à ce type de modélisation sont les suivantes : ◗ le terrain a un comportement élastique ; ◗ les "ressorts" modélisant le terrain encaissant sont indépendants les uns des autres. Comme la méthode est rapide, elle est utilisée pour le choix des sections critiques, et pour des études d'influence de cer tains paramètres, notamment lor sque la méthode de résolution analytique n'est pas utilisable. Elle est employée au stade de l'étude préliminaire, du projet ou des études d'exécution.

◗ Panet ;

◗ des phases de creusement.

◗ Corbetta ;

Dans les cas courants, on se limite à des modélisations bidimensionnelles pour lesquelles l'influence du front est prise en compte par l'utilisation de la méthode convergence-confinement évoquée dans le paragraphe précédent.

◗ Bernaud ;

◗ Minh-Guo.

Ces deux dernières méthodes permettent la prise en considération de la rigidité du soutènement.

Compte tenu des hypothèses simplificatrices évoquées précédemment, les solutions analytiques ne sont pas valables dans les configurations suivantes : ◗ tunnel situé à faible profondeur ;

Cette méthode permet d'étudier le comportement de l'ensemble terrain-ouvrage.

◗ hétérogénéité du terrain environnant (existence de plusieurs formations différentes) ;

Elle considère le massif encaissant comme un milieu continu (hypothèse de base souvent adoptée).

◗ dissymétrie des charges extérieures (présence d'ouvrages existants dissymétriques, reports de charges liés au creusement d'ouvrages à proximité ...) ;

4.3.3.1 - Solutions analytiques

◗ dissymétrie du revêtement (répar tition dissymétrique des joints radiaux).

A

Toutefois, comme ces méthodes sont très rapides, elles sont fréquemment utilisées pour le choix des sections critiques et pour des études d'influence de cer tains paramètres.

Les hypothèses courantes sont les suivantes : ◗ la géométrie du revêtement est circulaire et uniforme (non prise en compte directe des joints) ; ◗ les charges sont homogènes isotropes ou anisotropes (Ko ≠ 1) ; elles peuvent découler de la méthode convergence - confinement ou prendre en compte la totalité de la contrainte s'exerçant (formule d'Erdmann) ; ◗ le terrain, supposé monocouche, a un comportement élastique ; ◗ le contact revêtement - terrain peut être envisagé soit en adhérence parfaite, soit en glissement parfait.

◗ de la déformation que le terrain encaissant a déjà atteinte lors de la mise en place du revêtement ; ◗ du caractère tridimensionnel du creusement, lié à la présence du front de taille, par la notion de taux de déconfinement λ introduite dans un modèle bidimensionnel ou directement dans un modèle tridimensionnel ;

4.3.3 - Méthode du solide composite

A partir des théories de la mécanique des milieux continus, les solutions analytiques permettent de déterminer les effor ts (effor t normal, effor t tranchant, moment fléchissant) dans le revêtement ainsi que sa déformée.

◗ de la redistribution des charges due à la déformation du revêtement ;

Le paramètre impor tant, qui caractérise l'interaction sol-structure et qui intervient dans l'utilisation de cette méthode, est le taux de déconfinement λ. Parmi les méthodes existantes pour sa détermination, citons celles de :

FT

Bien entendu, cette méthode ne permet pas d'appréhender les éventuels tassements en surface.

Dans ce cas, les contraintes initiales sont considérées homogènes et isotropes, mais le terrain encaissant peut être envisagé avec une loi de comportement élastoplastique.

◗ de la déformabilité du terrain, notamment de son comportement après la rupture et dans le temps ;

ES

◗ dissymétrie des charges extérieures (présence d'ouvrages existants dissymétriques, reports de charges liés au creusement d'ouvrages à proximité ...) ;

La méthode de calcul présente l'avantage de tenir compte :

4.3.3.2 - Résolution numérique

Cette méthode, basée sur l'utilisation de modèles numériques aux éléments finis ou, parfois, aux différences finies, permet de traiter de problèmes bidimensionnels et tridimensionnels. Elle ne privilégie ni le rôle du revêtement ni le rôle du terrain encaissant. Par conséquent, elle s'applique à un revêtement de rigidité quelconque, situé à toute profondeur et dans un terrain encaissant homogène ou hétérogène, constitué de plusieurs formations différentes et en présence d'ouvrages existants symétriques ou dissymétriques.

Cette méthode de calcul par résolution numérique est également valable pour des contraintes initiales hétérogènes et anisotropes, c'est-à-dire même lorsqu'une dissymétrie se manifeste dans la str ucture (répar tition dissymétrique des joints radiaux), dans le terrain environnant (existence de plusieurs formations différentes ...) ou dans les charges extérieures (présence d'ouvrages existants au voisinage ...). Plusieurs types de compor tement du terrain peuvent être modélisés : élasticité, élastoplasticité parfaite, élastofragilité avec radoucissement (peu courant), anisotropie de déformation et / ou de résistance ... Les hypothèses simplificatrices restent les suivantes : ◗ la déformation initiale du revêtement après mise en place est négligée ; ◗ chaque voussoir n'est généralement pas individualisé ; ◗ les tolérances de calage des voussoirs ne sont pas prises en compte ; ◗ le revêtement est mis en place derrière le front de taille et devient effectif à une certaine distance de celui-ci ; ◗ le retrait du béton est négligé. Cette méthode plus élaborée est, en général, réser vée à l'étude finale de quelques sections critiques. Outre les méthodes empiriques d'estimation des tassements, faciles à mettre en œuvre mais, par contre, dont le domaine d'application est limité aux situations prises en compte par les retours


177

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier d'expérience sur lesquelles elles s'appuient (cf. Recommandations relatives aux tassements liés au creusement des ouvrages en souterrain publiées dans T.O.S. 132 de novembre-décembre 1995), cette méthode de calcul par résolution numérique est la seule valable pour approcher les tassements en surface. 4.3.4 - Adaptation des méthodes de calcul au revêtement de voussoirs et à l'excavation au tunnelier

déconfinement ; ainsi, le taux de déconfinement pris en compte à une cer taine distance du front de taille (i.e. au droit du dernier anneau mis en place) est très inférieur à sa valeur en méthode traditionnelle (ou en foration au tunnelier en mode ouvert).

de comportement n'est plus vérifiée dans le cas d'anneaux contigus à contacts radiaux conjugués associés à des assemblages rigides entre anneaux (par exemple : chevilles ou tenons/mortaises) ou en présence de terrains très tendres.

En outre, le confinement peut conduire à des surpressions interstitielles supplémentaires dans le terrain environnant.

4.3.5 - Paramètres intégrables dans les différentes méthodes de calcul

Les incidences des spécificités de la structure, sur les hypothèses de calcul, sont les suivantes :

ES

La spécificité du calcul de revêtement mis en place derrière un tunnelier provient, d'une part, du mode de foration et, d'autre part, de la nature de la structure.

◗ pose du revêtement à une cer taine distance du front de taille : le revêtement est chargé par une fraction du déconfinement du terrain, par la pression de bourrage et par les effets différés ;

Le mode de foration, lorsqu'il permet un confinement du front de taille, peut se traduire dans les calculs :

◗ le revêtement n'est pas monolithique : la réduction d'iner tie au droit des joints se traduit par une diminution de la rigidité en flexion du revêtement. Ce phénomène peut être pris en compte soit en modélisant directement les contacts, soit en définissant un anneau équivalent de moindre iner tie (formule de Muir-Wood) ; il conviendra, cependant, de noter que cette hypothèse

◗ soit par l'utilisation d'une courbe de déconfinement à par tir d'un état de contraintes (σ0 - ps) combinée à l'application d'une pression ps correspondant à la pression de confinement appliquée au front ;

FT

◗ soit par un étalement dans l'espace en arrière du front de taille de la courbe de

Phase / Contexte

Paramètres

Le tableau suivant présente, en fonction de la phase d'études et du contexte du projet, le mode éventuel de prise en compte des paramètres par les différentes approches de calcul envisagées. Ces modalités de prise en compte sont identifiées par la codification suivante : 0 non nécessaire 1 souhaitable 2 nécessaire I

prise en compte indirecte

D prise en compte directe N non pris en compte

Méthodes de calcul

Etudes Prélim

Projet

Exécut

Urbain / Sensib

Méthode Méthode des du solide réactions composite hyperst. Solutions analytiques

Méthode du solide composite Résolution numérique

1

2

2

2

I

I

D

0 2 2 2

1 2 2 2

2 2 2 2

2 2 2 2

I I I D

I I I D

D D D D

Commentaires

I - Définition du chargement et/ou des actions

A

* Contraintes initiales : - niveau des couches - niveau de nappe : ° nappe minimale ° nappe maximale - poids volumique sec - Ko

- surcharge : ° surcharge uniforme ° surcharge linéique (camion Bc, voile d’immeuble.), surcharge surfacique - orientation des contraintes principales

1

2

2

2

D

I

D

0 1

1 2

2 2

2 2

D D

N D

D D

- hypothèse de milieu continu : ° milieu continu ° milieu fissuré

2 0

2 1

2 2

2 2

D D

I N

D D

178


- Ko suit la loi de Jaky pour les sables et les argiles normalement consolidées ; - Ko dépend de la tectonique, de la consolidation et de l’érosion pour les roches et terrains surconsolidés.

- effet de versant - effet du pendage des couches

La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier Paramètres

Phase / Contexte Etudes Prélim

* Chargement : - distance de pose des voussoirs

Méthodes de calcul

Projet

Exécut

Urbain / Sensib

2

2

2

2

I

I

Méthode Méthode Méthode des du solide du solide réactions composite composite hyperst. Solutions Résolution analytiques numérique

2

2

2

2

I

I

0

0

0

1

D

D

D

0 0

1 0

2 0

2 2

D I

I I

D I

2

2

2

2

I

I

0

0

0

1

I

I

I en bi-dim D en tri-dim I en bi-dim D en tri-dim

- loi de déconfinement du terrain : ° méthode de convergence - confinement

I en bi-dim Effet de la jupe à ne prendre en compte qu’en terrain D en tri-dim très tendre et en contexte urbain/sensible - valeur maximale pour les calculs des sollicitations ; - valeur minimale pour les calculs des tassements. I

ES

- pression de confinement

° prise en compte comme un soutènement fictif ° prise en compte par le biais d’un état de contraintes équivalent - pression d’injection de bourrage - surcoupe, conicité de la jupe

2

2

2

2

I

I

0

0

0

1

I

I

- effets différés (loi de comportement) : ° E(x,t)

1

2

2

2

I

I

1

2

2

2

I

N

I en bi-dim D en tri-dim D

2

2

2

2

D

D

D

1

2

2

2

I

I

I

1 2

2 2

2 2

2 2

D D

D D

D D

1

2

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2 0

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2 1

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I I I I

D D N N

D D D D

1

2

2

2

I

I

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1

1

2

2

I

N

I en bi-dim D en tri-dim

FT

° méthode des similitudes (loi de Corbetta) - courbe de convergence du terrain : ° non soutenu (comportement élastoplastique) ° soutenu (loi de Bernaud)

° pamamètres de cisaillement à long terme ° calcul en contraintes effectives (hors surpressions interstitielles) ° gonflement physico-chimique - évolution de la pression d’eau : ° drainage ° rétablissement de la pression hydrostatique

II - Définition de la structure - définition de la structure globale (prise en compte éventuel de joints…)

A

- section et inertie des voussoirs - caractéristiques de chaque joint - modules : ° module à court terme >< module à long terme ° utilisation d’un module moyen - mortier de bourrage (modélisation) III - Conditions de contact sol-structure - adhérence - glissement - frottement (loi de Coulomb) - décollement IV - Environnement - proximité d’autres ouvrages souterrains - existance d’ouvrages de raccordement

Commentaires

Effet à ne prendre en compte qu’en terrain très tendre et en contexte urbain/sensible

I en bi-dim D en tri-dim I en bi-dim D en tri-dim

application de la pression : - sur le terrain et le revêtement ; - sur le revêtement seulement ; L’inertie de l’anneau est réduite par application de la formule de Muir-Wood sauf dans le cas de joints conjugués en terrain très tendre ou d’assemblages rigides entre anneaux.


179


4.4.1 - Choix de l'épaisseur des voussoirs L'épaisseur des voussoirs doit être justifiée par plusieurs critères : ◗ la capacité de résistance du voussoir à la flexion composée circonférentielle doit être suffisante avec un pourcentage d'armatures longitudinales participant à cette résistance inférieure à 1 % et en général voisin du pourcentage minimum ; si l'épaisseur du voussoir est constante sur l'ensemble du tracé du tunnel, une étude économique sera menée pour voir s'il est préférable de faire varier la résistance du béton (nouvelle formulation, modification des paramètres de la centrale à béton, faisabilité d'augmentation de la résistance) ou plutôt le taux de ferraillage, pour satisfaire aux variations des sollicitations calculées le long du tunnel ;

Les diamètres des cerces et leur disposition (enrobage et espacement) doivent être justifiés à la fois selon l'article A.8.1,22 relatif aux éléments comprimés, l'ar ticle A.7.1. relatif à la protection des armatures par leur enrobage et l'article A.4.5,3 relatif à la fissuration. Il faut noter que l'emploi de bétons à hautes performances à compacité très élevée permet de réduire les enrobages prescrits par l'article A.7.1.

◗ l'épaisseur minimale des voussoirs doit être compatible avec la surface d'appui des vérins longitudinaux des tunneliers. 4.4.2 - Armatures circonférentielles (cerces)

La section des armatures circonférentielles disposées sur les faces intérieures et extérieures des voussoirs est justifiée :

A

◗ par les calculs de flexion composée (diagramme d'interaction moment de flexion effor t normal) correspondant aux chargements envisagés dans les combinaisons à l'état limite ultime et à l'état limite de service. Si les moments de flexion sont faibles par rappor t à l'effor t normal, la section peut être justifiée en "compression simple" (chapitre B.8 du BAEL 91) ;

◗ par les calculs de flexion simple développée au cours de la manutention et du stockage. Il convient également de noter que le cas de charge relatif à la poussée des vérins du tunnelier sur les voussoirs peut être dimensionnant (efforts d'éclatement dus à la diffusion de cette poussée) ; ◗ par les considérations de pourcentage minimal : - des éléments comprimés (article A.8.1,21 du BAEL 91),

180

5 - CALCUL DES ASSEMBLAGES 5.1 - Hypothèses de calcul relatives aux boulons et tire-fond 5.1.1 - Règlements Les règlements ou normes qui suivent conviennent aux calculs des boulons ou tire-fond métalliques :

4.4.3 - Armatures longitudinales (disposées parallèlement à l'axe du tunnel)

◗ Règles de calcul des constructions en acier ou règles CM 66 destinées aux bâtiments en acier ;

En dehors des zones d'extrémité des voussoir s soumises à des charges localisées nécessitant des aciers de frettage, ces armatures doivent être justifiées par les articles du chapitre A.5 relatif à l'effort tranchant à condition que celui-ci soit impor tant eu égard à l'effort normal concomitant

◗ Additif 80, tenant compte des notions de plasticité et d'états-limites ;

(τu>0,07fcj /γb) et par l'article A.8.1.3. relatif aux armatures transversales des éléments comprimés.

◗ Normes NF P 22-430 et NF P 22-431 destinées aux assemblages par boulons non précontraints ;

Il est loisible de ne pas entourer par des armatures transversales les armatures circonférentielles de diamètre inférieur à 20 mm, ne se trouvant pas dans les angles et n'étant pas prises en compte dans les calculs de résistance (autrement dit seulement justifiées par les pourcentages minimaux).

◗ Normes NF P 22-460 et NF P 22-469 destinées aux assemblages par boulons à serrage contrôlé ;

Les épingles sont, dans cer tains cas assez exceptionnels comme la vérification au feu, à vérifier également dans le rôle qu'elles peuvent jouer pour empêcher la poussée au vide des armatures courbes tendues (article A.7.4,2 du BAEL 91).

5.1.2 - Nature des actions et chargements

FT

◗ l'épaisseur minimale du voussoir doit satisfaire aux conditions imposées par les contacts entre éléments : surface d'appui, mise en place de la garniture d'étanchéité, chanfreins ... ;

- des éléments fléchis : en particulier sous l'action de la poussée des vérins du tunnelier (article A.4.2. du BAEL 91).

ES

4.4 - Justification du béton et des armatures

Enfin, les armatures longitudinales correctement dimensionnées par ticipent à l'équilibre de l'effort tranchant provoqué par les efforts de poussée des vérins du tunnelier. Aux extrémités des pièces, les efforts transmis d'un voussoir à l'autre par zone localisée réduite, se diffusent dans l'épaisseur totale du voussoir. Des aciers de surface et d'éclatement sont à prévoir dans ces zones. Ils peuvent être dimensionnés par les recommandations de l'annexe E.8 du BAEL 91 (sans tenir compte de la section minimale d'armatures d'éclatement, sous le cas de charge provisoire de poussée des vérins du tunnelier). Les acier s peuvent être constitués de barres de petits diamètres façonnées en serpentins, ou de barres soudées (§ 5.25 Eurocode 2).


◗ Fascicule n° 61 - Titre V du cahier des prescriptions communes, "conception et calcul de ponts et constructions métalliques en acier" destinées aux ponts et ouvrages d'art ;

◗ Eurocode 3 "calcul des str uctures en acier" adopté par le Comité Européen de normalisation en 1992.

5.1.2.1 - Actions permanentes (G)

Ces actions sont liées au maintien de la compression des garnitures d'étanchéité. Elles sont à considérer notamment au voisinage des stations. Elles seront définies à par tir des courbes effor t d'écrasement/déformation, relatives aux garnitures d'étanchéité, transmises par le fournisseur. 5.1.2.2 - Actions variables (Q)

Ce sont des charges appliquées en cours d'exécution. On peut évoquer notamment celles liées à : - l'écrasement des garnitures d'étanchéité ; - la mise en porte-à-faux des voussoirs en cours de montage sur l'anneau précédent, dans le cas de l'utilisation (rare) d'un anneau de poussée pour l'avancement du tunnelier ;


5.1.2.3 - Actions accidentelles (FA)

Les actions accidentelles éventuelles seront spécifiées dans le cahier des charges. Il convient de rappeler qu'un cas de chargement accidentel fréquemment retenu est celui lié à la mise en porte-à-faux d'un voussoir, suite, notamment, à une anomalie dans l'hydraulique des vérins de poussée du tunnelier. Ce cas de chargement doit être combiné également avec l'action éventuelle des garnitures d'étanchéité. 5.1.3 - Combinaisons d'actions Sollicitations de calcul a) Combinaison fondamentale proposée par les règles CM 66 4/3 Gmax + Gmin + 3/2 Q b) Combinaison fondamentale proposée par l'Eurocode 3 1,35 Gmax + Gmin + 1,50Q

5.2.2 - Actions à considérer Pour ce qui concerne les douilles d'ancrage pour tire-fond et les chevilles, on retrouve les mêmes types d'actions que pour les dispositifs d'assemblage métalliques (cf § 5.1.).

A ces actions déjà citées, il convient d'attirer l'attention sur certaines spécificités liées à l'emploi de chevilles : ◗ pressions localisées élevées autour des réser vations à l'emboîtement, lors de la mise en place des voussoirs ;

◗ continuité mécanique du revêtement entre anneaux consécutifs, conférant une plus grande rigidité longitudinale (limitation des déplacements relatifs des pièces entre elles) ; ◗ présence pérenne systématique.

Cette continuité mécanique peut être la source de sollicitations difficilement quantifiables :

FT

c) Combinaison accidentelle proposée par les règles CM 66 et l'Eurocode 3

Il convient de rappeler que, du fait des actions appliquées, ces différentes pièces insérées dans les voussoirs transmettent des contraintes localisées parfois élevées dans le béton qui peuvent nécessiter des renforcements d'armatures pour permettre d'équilibrer ces sollicitations et de garantir l'intégrité du béton.

Gmax + Gmin + FA

5.2 - Justification des pièces d'assemblage et de préhension utilisant des matériaux autres que l'acier 5.2.1 - Introduction

A

Parmi les assemblages les plus fréquemment utilisés peuvent être citées les douilles d'ancrage pour tire-fond et vis de préhension ou encore les chevilles disposées entre anneaux consécutifs.

Si la conception et le calcul des assemblages métalliques relèvent de textes réglementaires et de normes, l'utilisation de matériaux différents ne trouve pas nécessairement un cadre réglementaire technique adapté pour appréhender le compor tement des pièces concernées. Il faut donc recenser les efforts susceptibles d'être mis en jeu dans ces pièces, puis, à l'aide d'essais mécaniques appropriés, d'évaluer des coefficients de sécurité sur la résistance propre de ces éléments, ainsi que le comportement dans les conditions d'utilisation.

tions sur les assemblages sont ensuite évaluées en considérant des modèles et des comportements simples. 5.2.4 - Comportement des matériaux et assemblages - Essais Le compor tement réel des matériaux et des assemblages ne peut s'appréhender pratiquement qu'au travers d'essais statiques ou dynamiques (cisaillement, traction ...). Ces types d'essai peuvent aller jusqu'à tester la capacité de la chaîne complète d'assemblage en incluant le béton environnant (avec sa résistance projetée) ainsi que les dispositions de renforcement prévues autour des inserts.

ES

- l'action du bras érecteur (éventuellement).

◗ Ainsi, en cas d'utilisation de coulis inerte ou semi-inerte pour l'injection de bourrage derrière les voussoirs, à la sortie de la jupe du tunnelier, une poussée d'Archimède prépondérante vis-à-vis du poids du revêtement peut entraîner des effor ts notables sur les assemblages ; ◗ On peut noter également que dans les courbes à faible rayon, l'action des vérins risque d'induire des efforts importants dus à la composante transversale de la poussée. La plupart de ces actions agissent à court terme. Citons, à long terme, les actions qui peuvent être liées, par exemple, à des défauts ou disparitions locaux de contact entre le revêtement et le terrain, dus à des conditions géologiques particulières (dissolution de gypse, présence de karsts...) ou encore à la construction d'ouvrages ultérieurs. 5.2.3 - Combinaisons d'actions Sollicitations A partir des données du projet, il est nécessaire de quantifier les différentes combinaisons d'actions. En l'absence de règlement, la pondération de chaque action est unitaire. Les sollicita-

En général, les sollicitations d'essais diffèrent des sollicitations réelles ; apparaît donc la nécessité de prendre en compte des coefficients de sécurité suffisants au vu des résultats d'essais et des par ticularités du projet. 5.2.5 - Conclusions

Les essais sur les douilles d'ancrage et de préhension, par exemple, sont du domaine de l'expérimentation classique. Par contre, le système de chevilles étant relativement récent, il convient de poursuivre les expérimentations pour cadrer plus précisément les problèmes de dimensionnement et profiter des retours d'expérience des différents chantiers pour améliorer la connaissance du fonctionnement de ce dispositif de liaisonnement. Mais, quels que soient les dispositifs adoptés, les fabricants doivent fournir un dossier technique complet. Celui-ci portera notamment sur : ◗ la description des essais ; ◗ l'aspect statistique des résultats ; ◗ les fiches techniques des produits utilisés.

6 - OUVRAGES EN LIGNE L'étude d'un ouvrage souterrain ne se limite pas à l'étude du seul tunnel courant, car le génie civil d'un projet souterrain est généralement constitué par : ◗ des tunnels, qui sont des ouvrages continus notamment affectés à la circulation des trains, des véhicules, des fluides ou encore au transport d'énergie ; ◗ des ouvrages de liaison : - avec la surface : tels que notamment les stations, les puits de ventilation, les puits de


181


- entre tunnels : tels que notamment les rameaux de communication, de pistonnement, de ventilation, les galeries pour le garage et le retournement du matériel roulant, etc ; ◗ et des structures annexes, telles que, notamment : - les refuges ventilés ou aires de recueil, - les niches de sécurité, - les niches d'incendie, - les locaux techniques, - les galeries de retournement des véhicule, - les fosses de dessablage, indispensables à l'exploitation de l'ouvrage.

contrôler ainsi le niveau de sécurité de l'ouvrage, en terme d'effor ts et de déformations ;

◗ pour l'assainissement s'applique notamment, à ce jour, l'instruction technique relative aux réseaux d'assainissement des agglomérations (circulaire n° 77.284 INT du 22 juin 1977).

◗ acquérir une meilleure connaissance sur :

6.2 - Exécution des ouvrages en ligne La communication entre les ouvrages en ligne et le tunnel courant nécessite toujours la réalisation d'ouver tures plus ou moins grandes dans le revêtement de ce dernier. Par exemple, la réalisation d'une ouverture transversale au tunnel faite à partir de l'intérieur de celui-ci, comporte généralement les opérations suivantes : ◗ calepinage particulier des anneaux ;

◗ étaiement provisoire, par supportage ou boulonnage, des anneaux à couper ; ◗ traitement éventuel du terrain autour de la future ouverture ; ◗ découpage et démontage, en une ou plusieurs phases, des voussoirs en face de l'ouverture à réaliser ;

FT

Le présent chapitre a pour simple objet d'attirer l'attention sur quelques aspects de la conception et de l'exécution de ces ouvrages en ligne (ouvrages de liaison, structures annexes), qui constituent généralement des points singuliers dans l'étude des revêtements en voussoirs préfabriqués. Ils représentent, en outre, une charge impor tante pour le projet en terme de coûts et de délais.

◗ pour les tunnels ferroviaires s'appliquent les règles définies par le Maître d'Ouvrage (SNCF, RATP ...) ;

6.1 - Conception des structures annexes

La conception des structures annexes est étroitement dépendante de leur fonctionnalité.

En par ticulier, peuvent conduire à des ouvrages de grandes dimensions, ceux relatifs : ◗ au transfert et à la sécurité du public ;

◗ à la ventilation (sous son double aspect de ventilation sanitaire et de sécurité incendie) ;

A

◗ aux refuges pour véhicules ; ◗ à l'assainissement ;

◗ à la collecte et au refoulement des eaux du terrain ;

◗ excavation, puis bétonnage, en une ou plusieurs phases, du revêtement définitif en béton armé de la str ucture de renfor t autour de l'ouverture ; ◗ dépose de l'étaiement provisoire. La construction des ouvrages en ligne doit être anticipée le plus possible ; aussi leur nombre, leur s caractéristiques géométriques et leur mode de réalisation doivent être complètement définis dès la phase de projet par la maîtrise d'œuvre. La phase d'exécution doit veiller à avoir le moins d'influence possible sur le déroulement du chantier de l'ouvrage principal creusé au tunnelier.

◗ à la maintenance des ouvrages.

7 - INSTRUMENTATION

Le dimensionnement intérieur et le calepinage des ouvrages en ligne est souvent codifié par des textes de références. Ainsi, en France, :

7.1 - Objectifs

◗ pour les tunnels routiers (et, par extension, pour toutes les routes) et pour les tunnels autoroutiers s'appliquent notamment, à ce jour, le Dossier Pilote des Tunnels établi par le CETu et les dernières circulaires en vigueur ;

182

- l'intensité et la distribution des actions extérieures exercées sur le revêtement dans les différentes phases d'avancement des travaux (poussée du tunnelier, injections de remplissage du vide annulaire, pressions exercées par le terrain encaissant à court et long termes), - l'intensité et la distribution des effor ts dans les voussoirs, notamment :

ES

secours, les stations de relevage, les puits de visite, etc,

Les projets d'instrumentation et d'auscultation des revêtements en voussoirs préfabriqués doivent répondre à plusieurs objectifs : ◗ vérifier que le compor tement réel du revêtement est conforme aux prévisions du dimensionnement théorique envisagé et


• sous la poussée du tunnelier (présence ou non de défauts d'appui entre les différentes pièces, évaluation du linéaire d'influence du tunnelier sur le revêtement), • sous les actions successives des injections de bourrage et du terrain encaissant, partiellement confiné par la machine de creusement, en mettant en évidence, par exemple, d'éventuelles redistributions d'effor ts dus à une alternance des contacts radiaux sur une succession d'anneaux. En tout état de cause, il convient de faire prendre conscience aux maîtres d'ouvrage et entreprises que ces instrumentations ne relèvent pas du domaine de la recherche mais doivent être un élément moteur pour faire progresser la technicité de ce type de revêtement et permettre d'acquérir des références quantifiables quant à la qualité de l'ouvrage fini et bénéficier, par analyse en retour, d'informations appréciables pour affiner le comportement réel de ce genre de revêtement discontinu.

7.2 - Moyens d'auscultation Pour parvenir à ces objectifs, les principales grandeurs à mesurer sont : ◗ contraintes et pressions : - mesure des pressions exercées par le produit de bourrage et par le terrain à l'extrados du revêtement, - mesure des pressions exercées au contact entre voussoirs. Ces mesures sont souvent perturbées par l'effet de l'interaction capteur (cellules de pression totale) / milieu dans lequel il est installé. Les résultats sont toujours à analyser avec prudence ; ◗ déformations des voussoirs : Elles sont souvent mesurées à l'aide d'extensomètres à cordes vibrantes noyés dans les voussoirs. Ceux-ci sont disposés :


- dans la direction or thoradiale en vue d'analyser les sollicitations induites par les injections de bourrage, l'action du terrain encaissant, et par d'éventuels effets parasites liés à la poussée du tunnelier. Bien que de compor tement assez distinct de celui des voussoirs, un bloc témoin en béton équipé de capteur s est souvent prévu comme référence. ◗ convergences : - mesure de convergence au fil invar ou optique en vue d'évaluer les déformations subies par les anneaux à cour t et long termes. Pour compléter utilement les informations recueillies, des sondes de température ainsi que des capteurs hygrométriques doivent être également mis en œuvre au droit des sections instrumentées.

◗ rapidité et quasi-simultanéité des mesures ; l'acquisition des mesures sur un grand nombre de capteurs est ainsi un "instantané" par rappor t aux vitesses d'avancement du tunnelier ; ◗ périodicité de mesure programmable adaptée à la nature ou à la variabilité des actions ainsi qu'aux informations que l'on souhaite obtenir lors des différentes phases d'exécution ;

ment pour les mesures à court terme (bras érecteur, voussoirs en cours de pose, équipements provisoires, train suiveur...) et à long terme (matériel roulant, équipements définitifs) ; ◗ problème possible d'alimentation en énergie et d'autonomie ; suivant la quantité d'informations à recueillir, des options différentes peuvent être envisagées : batteries de capacité impor tante, centrale sophistiquée faisant appel à une électronique d'économie).

◗ acquisition des mesures facilitée notamment lorsque les anneaux instrumentés se trouvent dans l'emprise du train suiveur.

Tout programme d'auscultation doit faire l'objet d'une étude préalable qui définit les objectifs de l'instrumentation, les intervenants et les responsabilités.

A contrario, il y a lieu de citer quelques inconvénients inhérents à l'emploi de l'acquisition automatique des mesures :

◗ risque de per te en chaîne des informations suite à un montage défectueux ou à un mauvais fonctionnement d'un composant après pose (contrôle soigné du montage puis contrôle périodique à effectuer par l'organisme en charge des mesures) ; ◗ compatibilité d'encombrement des boîtiers avec les gabarits à ménager provisoire-

Ce programme doit notamment préciser qui interprète les résultats des mesures, dans quel délai et quel est le circuit de transmission de l'information. En l'absence de cette étape d'interprétation trop fréquemment négligée, l'intérêt d'un système d'auscultation doit être mis en cause. D'une manière générale, pour les mesures d'auscultation en tunnel, on se référera aux recommandations du groupe de travail A.F.T.E.S. n° 19 "Auscultation".

FT

Si, jusqu'à présent, l'auscultation des revêtements se faisait de façon traditionnelle par un technicien, celle-ci est désormais concurrencée par l'acquisition automatique des

mesures qui présente de nombreux avantages parmi lesquels :

ES

- dans la direction longitudinale en vue d'analyser les sollicitations induites par la poussée des vérins du tunnelier,

REFERENCES ••••••••

TERZAGHI K. - Rock defects and loads on tunnel support - Rock Tunneling with Steel Supports, Commercial Shearing Co. - Youngstown, Ohio, pp. 15-99, 1946. PROTODIAKONOV M.M. - Klassifikacija Gornych Porod - Tunnels et Ouvrages Souterrains 1, pp. 31-34, 1974. LAUFFER H. - Gebirgsklassifizierung für den Stollenbau - Geologie Bauwesen, 74, pp. 46-51, 1958. DUDDECK H., ERDMANN J. - On structural Design Models for Tunnels in Soft Soil - Underground Space,Vol. 9, pp. 246-259, 1985. CORBETTA F., BERNAUD D., NGUYEN-MINH D. - Contribution à la méthode convergence-confinement par le principe de la similitude. Revue Française de Géotechnique n° 54, pp. 5-12, 1991.

A

BERNAUD D., ROUSSET G. - La nouvelle méthode implicite pour l'étude du dimensionnement des tunnels - Revue Française de Géotechnique n° 60, 3e trim., pp. 5-26, 1992. PANET M. - Le calcul des tunnels par la méthode convergence-confinement - Presses de l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1995.

NGUYEN-MINH D., GUO C. - Sur un principe d'interaction massif-soutènement des tunnels en avancement stationnaire - Eurock'93, Lisbonne, Portugal, 1993. NGUYEN-MINH D., GUO C. - Tunnels creusés en milieu viscoplastique - Géotechnique et Environnement, Colloque Franco-Polonais, Nancy, 1993. MUIR WOOD A.M. - The circular tunnel in elastic ground - Geotechnique 25, n° 1, 1975. HOEK E., KAISER P.K., BAWDEN W.F. - Support of Underground Excavations in Hard Rock - A.A. Balkema, Rotterdam, Brookfield, 1995.

…/…


183


EXECUTION DU REVETEMENT - PREFABRICATION ET MISE EN PLACE

1-

GENERALITES

Le présent chapitre a pour objet de décrire les principales phases d'exécution du revêtement de façon à recenser les actions qui s'appliquent aux voussoirs en cours d'exécution.

2.2 - Mise en place des cages d'armatures Pour la suite logique des opérations de préfabrication, nous supposons que la confection de la cage d'armatures a suivi son propre PAQ de fabrication incorporant tous les PAQ de co-traitance, sous-traitance de fabrication ainsi que tous les éléments de fourniture entrant dans la constitution d'une cage.

Chaque cage d'armatures sera équipée de cales destinées à assurer son positionnement précis dans le moule et donc le respect de l'enrobage des aciers par le béton.

2 - DESCRIPTION DE LA PREFABRICATION DES VOUSSOIRS

Avant la mise en place des cages dans le moule, l'opérateur s'assurera, conformément au PAQ de fabrication des cages d'armatures, que cette cage :

2.2.2 - Auto-contrôle et mise en place de la cage d'armatures.

◗ ne présente aucune déformation ;

◗ correspond bien au moule auquel elle est destinée ;

FT

2.1.1 - Nettoyage

Le moule étant en position ouverte, il est procédé à un nettoyage soigné par brossage des jouées périphériques et, en particulier, de leurs appuis, du fond de moule, et à la mise en place correcte des joints d'étanchéité du moule.

Les surfaces en contact avec le béton seront lubrifiées par pulvérisation d'un agent démoulant.

A

2.1.2 - Remontage des éléments de moule

Le moule sera refermé en respectant l'ordre de fermeture des jouées. 2.1.3 - Auto-contrôle

Après chaque fermeture de moule, l'opérateur s'assurera de la fermeture correcte du moule en veillant, en particulier, à l'alignement des repères de jouées et autres contrôles précisés dans le PAQ. L'opérateur procédera ensuite à un examen visuel de chaque moule ; ces opérations seront consignées dans la fiche de contrôle de conformité définie dans le PAQ.

184

Le PAQ relatif au béton ou DOSSIER BETON définit le type du béton, ses caractéristiques et ses composants et, en particulier : ◗ la composition du béton ; ◗ l'analyse physico-chimique des composants : sable, gravier, ciment, eau ; ◗ le bilan des alcalins actifs ; ◗ la fiche technique des adjuvants ;

2.2.1 - Préparation de la cage

Ces opérations font, en général, l'objet de procédures d'exécution qui décrivent les dispositions générales et spécifiques à l'organisation de la fabrication, rassemblées en un document plus général : le Plan Assurance Qualité (P.A.Q.).

2.1 - Préparation du moule

2.4 - Bétonnage

ES

ANNEXE :

◗ les résultats des tests des épreuves d'étude et de convenance ; ◗ le PAQ du laboratoire agréé. 2.4.1 - Fabrication du béton et vérifications préliminaires Au début de chaque poste de bétonnage l'opérateur contrôlera le bon fonctionnement : ◗ du système de pesée et de l'enregistrement correct des pesées par l'automate de la centrale à béton ; ◗ du système doseur d'eau, des adjuvants, plastifiant, accélérateur ... ; ◗ de la durée du temps de malaxage.

◗ est équipée de toutes les cales prévues en nombre et en position.

2.4.2 - Mise en œuvre du béton

Après la mise en place de la cage d'armatures dans le moule, l'opérateur s'assurera que le centrage de la cage par rapport au moule est correct et complétera la fiche de contrôle de conformité.

La mise en place du béton sera assurée de façon continue et homogène dans le moule pour le volume béton du voussoir.

2.3 - Montage des inserts et accessoires

Après finition du bétonnage, il convient de régaler au mieux la surface libre.

Quels que soient les systèmes choisis, ils seront mis en place, en général, après installation de la cage d'armatures dans le moule. Ils se composent habituellement :

Après attente de la pré-prise du béton (environ 20 min à 40 min), il sera procédé au lissage final de la par tie supérieure du voussoir pour éliminer les bullages et les inégalités.

2.4.3 - Finition de l'extrados ou surfaces non coffrées

◗ d'un dispositif de préhension ; ◗ de douilles et broches pour passage de tire-fond ou tout autre système de liaison ; ◗ d'un dispositif pour injection éventuelle derrière les voussoirs … Comme pour les autres opérations de fabrication, l'auto-contrôle sera réalisé par l'opérateur qui vérifiera la bonne mise en place de tous ces inserts et accessoires et complétera la fiche de contrôle de conformité.


2.4.4 - Traitement thermique, préchauffage du béton Selon la thermomaturation choisie, plusieurs méthodes peuvent être envisagées : ◗ malaxage du béton à l'eau chaude (température maximale de l'eau 80 °C) ; ◗ chauffage du moule en sous face ; ◗ étuvage à température et hygrométrie contrôlée.


Dévissage et extraction des supports d'inserts et accessoires ; Dévissage des vis de blocage des jouées ouvrantes ; Mise en place du palonnier à ventouses ou autre système à pinces ou élingues. Après démoulage, les voussoir s seront déposés et empilés sur des supports situés sur les aires aménagées de pré-stockage (maturation), dans l'atelier ou en extérieur avec les protections adaptées. Des cales en bois seront placées entre les voussoirs en veillant à l'alignement au droit des supports. La durée de maturation sera de l'ordre de 8 heures, en général imposée par l'enchaînement des opérations de démoulage, stockage, collage, retournement, colisage et ensuite chargement pour évacuation. Auto-contrôle L'opérateur procédera par la suite aux contrôles et complétera la fiche de conformité.

- contrôle des voussoirs correspondants, en sor tie de chaîne à la même fréquence, et correction de l'ajustement des moules si des déviations sont observées. Ces contrôles portent pour l'essentiel sur : ◗ les dimensions générales de l'anneau assemblé ; ◗ les longueurs des voussoirs définissant le pincement de l'anneau ; ◗ l'épaisseur des voussoirs ; ◗ les planéités des surfaces de contact anneau/anneau ; ◗ les planéités des surfaces de contact des voussoirs d'un même anneau ; ◗ la rugosité ; ◗ la géométrie des réservations prévues et leur implantation (gorges pour garnitures d'étanchéité ...) ; ◗ le positionnement des inserts (douille de préhension, système de liaison ...) ; ◗ la géométrie des armatures, la qualité des assemblages des armatures et leur position dans les moules.

2.7 - Réparations

Les moules d'un même anneau sont fabriqués et contrôlés dans la globalité de l'anneau. De même, dans le cas de plusieurs anneaux - moules, le type de moule doit être identique quel que soit l'anneau qu'il constitue. Les contrôles à effectuer sont généralement les suivants : ◗ Avant le démarrage de la production en série des voussoirs - contrôle des moules à la fabrication, - contrôle de la géométrie et assemblage de l'anneau avec des voussoirs béton armé réalisés au premier moulage en atelier, - contrôle des moules à la réception, - contrôle des premières cages de ferraillage réalisées suivant les procédures de la grande série. ◗ En cours de production S'agissant d'une production de grande série, il convient d'établir des procédures définissant les modalités des contrôles, à effectuer à inter valles réguliers, pendant toute la durée de la production, pour s'assurer que les tolérances, initialement fixées pour les moules, les voussoirs et les cages d'armatures, ainsi que sur la qualité d'assemblage de ces dernières, sont toujours inférieures aux valeurs initialement fixées. - contrôle des moules toutes les 50 utilisations environ,

Toute réparation donnera lieu à l'établissement d'une fiche de réparation qui sera jointe à la fiche de contrôle de conformité.

FT

2.6 - Contrôles

A

Les bois de calage entre voussoirs doivent être parfaitement alignés. Chaque voussoir sera marqué conformément aux instructions des plans contractuels (intrados face d'appui) permettant d'assurer l'identification et le raccordement à la fiche de contrôle (traçabilité).

2.10 - Contrôle interne avant expédition Le responsable du chargement indique, sur la fiche de contrôle, avant expédition, le numéro de l'anneau ainsi que la date de fabrication des voussoirs constituant l'anneau transporté.

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2.5 - Démoulage Manutention - Pré-stockage

Le PAQ définira les procédures de réparation et produits utilisés pour les différents cas rencontrés : ◗ nids de cailloux ; ◗ bulles dans les gorges recevant la garniture d'étanchéité ; ◗ épaufrures sur arêtes … Auto-contrôle après réparation ◗ contrôle de l'état de surface de la gorge pour garniture d'étanchéité ; ◗ contrôle de l'état de surface de l'extrados ; ◗ contrôle des surfaces d'appui.

2.8 - Mise en place de la garniture d'étanchéité Dans le cas du profilé d'étanchéité collé, le collage sera effectué à l'aide d'un complexe adhésif préconisé par le fournisseur du profilé et mis en place suivant ses instructions et procédures.

2.9 - Colisage et marquage En général, les voussoirs d'un même anneau sont colisés en paquets sur cales en bois.

Il vérifiera la propreté et la protection des inser ts et accessoires, l'absence d'épaufrures, le collage correct des garnitures d'étanchéité et éventuellement des feutres. Il vérifiera le colisage, l'alignement des cales en bois, le gabarit du paquet. Un exemplaire de la fiche de contrôle sera envoyé au chantier avec le bon de livraison.

3 - STOCKAGE SUR PARC USINE Afin d'éviter toutes micro-fissurations sur le parc usine, une attention par ticulière sera requise sur les conditions de stockage et de protection thermique éventuelle. La manutention sera faite à l'aide d'un palonnier, soit à ventouses, soit à pinces ou à élingues, qui permette de saisir un paquet de plusieurs voussoirs à la fois. La position des voussoirs sur parc de stockage est choisie de façon à éviter une opération de retournement du voussoir entre le stockage sur parc et la préhension par l'érecteur dont les ventouses ou les systèmes mécaniques saisissent le voussoir par l'intrados. Lorsque l'alimentation de l'érecteur est faite en partie haute du tunnelier, les voussoirs sont stockés avec l'intrados en bas. Lorsque l'alimentation est faite en par tie basse du tunnelier, les voussoirs sont stockés avec l'intrados en haut, dans ce cas un retourneur ou basculeur permet de réaliser cette opération en usine. En position de stockage, le voussoir repose sur deux cales en bois de longueur égale à celle du voussoir et disposées à l'aplomb des dispositifs d'assemblage longitudinaux. Le stockage est fait en piles avec l'ensemble des voussoirs constituant un anneau.


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La conception, le dimensionnement et l’exécution des revêtements en voussoirs préfabriqués en béton armé installés à l’arrière d’un tunnelier Les voussoirs devront être stockés, après leur fabrication et ne pourront être mis en place que dans la mesure où leur résistance sera supérieure ou égale à la valeur exigible au cahier des charges.

En principe, le responsable du chargement usine est responsable de la reprise des voussoirs sur parc usine et le transporteur responsable du transport.

4 - REPRISE, TRANSPORT ET RECEPTION SUR CHANTIER

Les voussoirs sont repris du parc de stockage par un palonnier à ventouses, à pinces ou à élingues et chargés sur des camions ou tout autre moyen.

1) Alimentation du 1er voussoir à l'érecteur

2) Préhension du 1er voussoir 3) Rétraction des vérins correspondant à l'emplacement du 1er voussoir à monter 4) Positionnement du 1er voussoir par rotation de l'érecteur 5 )Approche radiale du 1er voussoir

RECOMMANDATIONS

Les observations détaillées seront reprises sur la fiche de contrôle avant déchargement

REMARQUES

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INVENTAIRE DES OPERATIONS

La réception des voussoirs sur le chantier sera effectuée sur camion ou autres moyens. Avant déchargement, le représentant du chantier met son visa sur le bon de livraison ainsi que ses remarques éventuelles.

Alimentation pouvant s'effectuer : - par le haut ; - ou par le bas. Préhension pouvant s’effectuer par ventouses, pinces, vis.

Analyse détaillée des efforts dans chaque position du système de préhension et des effets indirects sur les voussoirs.

Des dispositifs à rayons lumineux peuvent en faciliter l'approche et la pose finale.

Maîtrise des vitesses d'approche par le choix des commandes hydrauliques proportionnelles.

7) Maintien du 1er voussoir sur l'anneau

Les patins des autres vérins restent en pression au contact des autres voussoirs pour assurer en toute sécurité : - le maintien de ceux-ci et leur assemblage ; - l'écrasement des garnitures d'étanchéité afin d'éviter leur décompression ; - assurer le maintien de la machine soumise à la pression de confinement.

La poussée des vérins sur les autres voussoirs devra éviter tout déplacement de la machine vers l'avant. Le voussoir étant à ce moment simultanément tenu par l'érecteur et la poussée des vérins.

8) Fixation du 1er voussoir

voir § 3.5.5. "Dispositifs d'assemblage"

Par liaison anneau/anneau (longitudinal) ; voussoir/voussoir (transversal).

9) Pose et fixation des voussoirs courants

Même recommandation que pour le 1er voussoir. Prévoir une pose alternée des voussoirs dans chaque anneau pour minimiser les effets de roulis du tube

Même remarque que pour le 1er voussoir.

10) Pose des voussoirs de contre clé

Utilisation de gabarit pour calibrer l'ouverture des voussoirs de contre clé.

Même remarque que pour le 1er voussoir.

11) Pose de la clé

L'utilisation du gabarit évite : - les déchirures des garnitures d'étanchéité ; - les éclats de béton. Graissage des garnitures d'étanchéité.

On notera qu'à la fin du montage, l'anneau est stabilisé par précontrainte entre les vérins de pose et l'anneau précédent. Le seul contact entre la jupe et le revêtement des voussoirs est le joint d'étanchéité de la jupe.

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FT

6) Approche finale avec réglage en rotation, en balance longitudinale et transversale

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5 - APPROVISIONNEMENT AU FRONT Après réception, déchargement et stockage des voussoirs sur une zone située près de l'accès au tunnel (puits, descenderie ...) l'approvisionnement dépend, en général, de la zone disponible et constitue une réser ve minimale. Le stockage peut être réalisé :

Il est donc étudié en fonction des méthodes choisies de transport dans le tunnel et au tunnelier où les voussoirs sont déchargés, puis déposés sur un système d'approvisionnement à tapis ou à rouleaux, qui les amène jusqu'à l'avant où ils sont repris par l'érecteur de voussoirs.

6 - MONTAGE DE L'ANNEAU

◗ les différents dispositifs d'assemblage ; ◗ les objectifs recherchés en situation d'exécution et en situation définitive. Le tableau ci-après complète ces éléments en traitant un exemple de montage d'un anneau composé de voussoirs en forme de rectangle (voussoirs courants) et trapèze (voussoirs de clé et de contre-clés). Il précise : ◗ les phases successives de montage des voussoirs ; ◗ les recommandations préconisées pour chaque phase de montage liées à l'environnement de l'opération.

Le paragraphe 3.5.5. de la présente recommandation "Dispositifs d'assemblage" définit et décrit :

Quelques remarques d'ordre général complètent le tableau ci-contre.

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◗ par voussoir ; ◗ par deux voussoirs ;

◗ par anneaux palettisés sur châssis métalliques.

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et une copie retournée au fabricant de voussoirs.


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Notes :

www.aftes.asso.fr

Tous droits de reproduction, adaptation, totales ou partielles sous quelques formes que ce soit, sont expressément réservés.

AFTES 147 (1998) - La Conception, Le Dimensionnement Et l'Exécution Des Revêtements en Voussoirs Préfabriqués en Béton Armé Installés à l'Arrière d'Un Tunnelier (GT18R1F1)

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