ENPC – CHEBAP Module « ouvrages souterrains » Séances « Géotechnique »
2. Présentation générale
Les travaux souterrains : interactions entre géologie, méthodes d’exécution et comportement ENPC - CHEBAP
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1. Le contexte général des travaux souterrains
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LES ENJEUX Savoir dans quel terrain il va falloir creuser (et orienter le tracé du projet) Connaître l’environnement du projet Définir les méthodes de construction (traditionnelles, tunneliers, traitement des terrains, etc…) Prévoir le comportement : stabilité, tassements, vitesses d’avancement, venues d’eau ENPC - CHEBAP
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SPECIFICITES DES OUVRAGES SOUTERRAINS Ouvrages linéaires, profonds : difficultés d’accès Comportement mécanique : succession d’états de contraintes Notion de temps : stabilité immédiate, soutènement provisoire Méthodes de construction : influence sur comportement Hydrogéologie : facteurs prépondérants Sécurité des ouvriers : stabilité immédiate, débourrages Incidences sur environnement : fondamentale en phase travaux Mécanisation poussée (tunneliers) : reconnaissances spécifiques ENPC - CHEBAP
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SPECIFICITES DES OUVRAGES SOUTERRAINS Importance de recommandations particulières (AFTES) pour le choix : Des paramètre géotechniques Des essais permettant de les obtenir Nécessaire pour : La conception Le dimensionnement L’exécution
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% du coût des études / coût des travaux
Les « économies » sur les reconnaissances
% de dépassement du coût des travaux / prévisions
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DEMARCHE ANALYSE DE RISQUE
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2. La rôle de la géotechnique dans les travaux souterrains
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GRANDES ETAPES DE LA REALISATION D’UN TUNNEL 1. l’acquisition des données de base : contraintes géométriques et de sécurité dépendant de la destination de l’ouvrage (tracé, section, gabarit, ouvrages annexes de sécurité notamment), données de terrain(géologie, géotechnique et hydrogéologique, contraintes liées à l’environnement (bâti existant et sa sensibilité, milieu naturel) 2. la conception du projet et le dimensionnement des ouvrages : définition précise de la géométrie des ouvrages (en plan, profil et sections), modélisations (dimensionnement des structures et évaluation des conséquences sur l’environnement: déformations, modification de régimes hydrogéologiques, risques de pollution) 3 . le choix des méthodes d’exécution: techniques de construction permettant de réaliser l’ouvrage dans les délais requis, tout en respectant les critères de sécurité tant pour le chantier que pour l’environnement 4. la réalisation de l’ouvrage, avec la nécessité constante de contrôler l’adéquation des techniques mise en œuvre à la nature et au comportement réel des terrains effectivement rencontrés, d’où l’importance majeure de suivi géologique et de l’auscultation ENPC - CHEBAP
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Spécificités géotechniques des tunnels • Tunnels profonds en milieu rocheux : – Milieu discontinu – Stabilité assurée (sauf à très grande profondeur) – Rôle majeur des failles
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• Tunnels peu profonds en sols ou roches tendres : – Milieu continu – Nécessité d’un soutènement des terres – Rôle majeur des déformations
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En terrain rocheux Les techniques de construction dépendent essentiellement de la fracturation du massif Si rocher homogène peu fracturé STABILITE ASSUREE : pas ou peu de besoin en soutènement
Si rocher fracturé INSTABILITES LIEES AUX RISQUES DE CHUTES DE BLOCS : soutènement par boulonnage (+ grillage ou béton projeté)
Cas particulier des tunnels à très grande profondeur On risque de dépasser en piédroits la résistance en compression du rocher risque d’écaillage
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En milieu rocheux : Influence de l’orientation de la stratification sur la stabilité des parois de la galerie
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COMPORTEMENT IMMEDIAT
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Dans les sols ou roches tendres : POSITION DU PROBLEME 1 – Stabilité générale
σ
max
=2
TN
σ
H
0
Stable si
σ
max
< Rc
H = 10 m Rc ≥ 0.4 MPa H = 50 m Rc ≥ 2 MPa H = 100 m Rc ≥ 4 MPa
2 – Stabilité du front Critère habituel
σ -p c 0
c
≤ 4 ou 5
u
H = 10 m Cu ≥ 50 kPa H = 50 m Cu ≥ 250 kPa H = 100 m Cu ≥ 500 kPa
3 – Réduire les venues d’eau 4 – Tassements en surface ENPC - CHEBAP
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METHODE EMPIRIQUE D’ÉVALUATION DES TASSEMENTS
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COMPORTEMENT IMMEDIAT
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3. Les techniques de construction
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3.1. METHODES TRADITIONNELLES
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3.1. METHODES TRADITIONNELLES (SEQUENTIELLES)
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METHODES TRADITIONNELLES en TERRAINS DIFFICILES Actions sur les méthodes d’excavation
• Excavation en sections divisées + soutènement par cintres et tôles ou béton projeté • Eventuellement merlon au front (si dimensions suffisantes et stabilité du front limite) ENPC - CHEBAP
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Excavation en sections divisées
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Actions sur le terrain Techniques de traitement du terrain • Renforcement • Boulons • Pré-soutènements
• Drainage • Injections • Congélation
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Actions sur le terrain : renforcement Boulons et béton projeté (Méthode autrichienne)
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On sollicite beaucoup moins le terrain …..
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Renforcement par boulonnage • Limitations – Terrains perméables sous l’eau • Injection d’étanchéité • Rabattement de nappe • Air comprimé
– Sols mous • Très faible résistance à l’arrachement des boulons
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Actions sur l’eau : drainage
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Actions sur l’eau + le terrain : injections Objectifs : - consolidation (améliorer la résistance et diminuer la déformabilité) - étanchement (réduire la perméabilité)
Depuis la surface ENPC - CHEBAP
En tunnel à l’avancement
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Actions sur le terrain : pré-soutènements Objectifs : « soutenir le terrain avant de l’excaver … »
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Actions sur le terrain : congélation Objectifs ≈ injections : consolider et étancher les terrains
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3.2. METHODES MÉCANISÉES : TUNNELIERS (BOUCLIERS)
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3.2. METHODES MÉCANISÉES : TUNNELIERS (BOUCLIERS) • 4 fonctions combinées : – – – –
Excavation Avancement Soutènements (revêtement) parois et front Marinage (hydraulique, à vis ou par convoyeurs)
• Avantages : – – – –
Stabilité du front Réduction des tassements Sécurité accrue Avancements performants (10 à 15 ml/jour jusqu’à 40//50 ml/jour - Transmanche)
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4. L’approche géotechnique d’un projet de tunnel
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Moyens d’études et de reconnaissances géologiques, géotechniques et hydrogéologiques • Études géologiques : bibliographie, terrain, photo-interprétation, • Méthodes géophysiques • Reconnaissances géotechniques : sondages destructifs, carottés avec prélèvement d’échantillons, essais in situ • Essais de laboratoire : mécanique des sols et des roches • Puits et galeries de reconnaissance (avec auscultations) pour évaluer le comportement en vraie grandeur ENPC - CHEBAP
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5 familles de paramètres 1. 2. 3. 4. 5.
Contraintes naturelles Paramètres physiques Paramètres mécaniques Paramètres hydrogéologiques Paramètres de constructibilité
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1. Contraintes naturelles • • •
Histoire géologique du massif Directions des contraintes principales Valeur de Ko = σh/σ σv
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2. Paramètres physiques •
•
•
• •
Paramètres d’identification : granulométrie, teneur en eau, limites d’Atterberg, poids volumiques … + minéralogie Évaluation globale de la qualité des terrains : diagraphies (vitesses sismiques, altération, indices de qualité …) Caractérisation des discontinuités du rocher : orientations, densité (RQD, espacement, typologie …) Altérabilité : essais spécifiques Chimie de l’eau
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3. Paramètres mécaniques •
Paramètres de résistance : – –
•
•
Sols : c et φ (à court et long terme) Roches : Rc et Rt sur échantillons et à l’échelle du massif (effet des discontinuités)
Paramètres de déformabilité : module de
déformation E et coefficient de Poisson ν (élasticité non linéaire, effet des discontinuités) + caractérisation du gonflement
Caractéristiques dynamiques : Ed, amortissement
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4. Paramètres hydrogéologiques • • •
Niveaux piézométriques Conditions aux limites (zones d’alimentation des nappes) Perméabilités (débits d’exhaure, rabattement, injections …)
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5. Paramètres de constructibilité •
Abattage : dureté, abrasivité (+ discontinuités – Rc – Rt)
•
Excavations en argiles : collage (adhérence, minéralogie, IP, w …)
•
Nuisances liées à l’abattage (explosif) : propagation et atténuation des vibrations vers l’environnement
•
Boulonnage : adhérence boulon/terrain (essais d’arrachement)
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Essais pour mesurer ces paramètres Recommandations AFTES pour le choix des paramètres utiles à la conception et à l’exécution des ouvrages creusés en souterrain Choix des types d’essais adaptés : • aux paramètres recherchés (dimensionnements des soutènements revêtements ; stabilité court terme ; moyens d’abattage …) • aux terrains (sols – roches) • Au stade de l’étude (faisabilité, APS, APD, exécution)
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… et une fois ces paramètres connus Classifications des terrains pour orienter : - Le choix des techniques de soutènements : cintres, boulons, béton projeté, présoutènements … - Le dimensionnement de ces soutènements : épaisseur des béton, longueur et densité des boulons … Cf. séances à venir
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