Tunneling under squeezing conditions : Effect of the excavation method

par Manuel De la Fuente Mata

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Jean Sulem, Reza Taherzadeh et de Didier Subrin.

Soutenue le 19-11-2018

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Ahmad Pouya.

Le jury était composé de Jean Sulem, Marc Panet, Daniel Billaux.

Les rapporteurs étaient Georg Anagnostou, Frédéric L. Pellet.

  • Titre traduit

    Comportement des tunnels profonds creusés dans des terrains poussants : Effet de la méthode de creusement


  • Résumé

    L’excavation d’un tunnel profond dans des terrains poussants pose des difficultés particulières de conception et d’exécution. Ce type de terrain est caractérisé par des fortes convergences en paroi du tunnel de nature différée et souvent anisotrope. Le comportement d’un tunnel excavé en terrain poussant est très influencé par la technique d’excavation utilisée. Le cas d’étude du tunnel routier du Fréjus et de sa galerie de sécurité permet d’illustrer ce phénomène. Il s’agit de deux tunnels parallèles qui montrent une configuration très intéressante étant donné qu’ils traversent des conditions géotechniques similaires et qu’ils sont creusés avec des techniques d’excavation différentes : le tunnel routier a été creusé par méthode conventionnelle à l’explosif tandis que la galerie de sécurité a été creusée avec un tunnelier à bouclier simple. Les mesures d’auscultation réalisées pendant l’excavation des deux tunnels ont été analysées et comparées. Des modélisations numériques pour simuler la réponse des deux tunnels ont été développées avec le logiciel Flac3D. Le comportement du terrain est simulé avec un modèle visco-elasto-plastique et anisotrope. L’anisotropie liée à la schistosité du terrain est introduite dans le modèle par la présence de plans de faiblesse d’orientation donnée (ubiquitous joint model) insérés dans une matrice rocheuse caractérisée par un comportement visco-elasto-plastique isotrope. Une rétro-analyse a été réalisée sur les mesures de convergence obtenues lors du creusement du tunnel routier du Fréjus. Le comportement du terrain identifié dans le tunnel routier est ensuite extrapolé pour prédire la réponse de la galerie de sécurité. L’objectif est de reproduire l’état des contraintes observé dans les voussoirs de la galerie de sécurité et d’extrapoler les sollicitations à long terme. L’influence que la technique d’excavation, en particulier sur le comportement différé du terrain a été prise en compte dans les simulations numériques. On a mis en évidence que les déformations différées du terrain sont réduites lorsque l’excavation est réalisée au tunnelier.Par ailleurs, une synthèse critique de la méthode convergence-confinement et de ses variantes a été réalisée. Une discussion a été menée sur l’applicabilité des méthodes convergence-confinent quand elles sont utilisées pour le dimensionnement des tunnels circulaires excavés en section pleine avec l’installation d’un soutènement raide près du front d’excavation comme c’est le cas lors d’une excavation au tunnelier. Dans ce contexte, un ensemble de formules empiriques sont proposées. Elles permettent d’obtenir avec une bonne précision l’état d’équilibre entre le terrain et le soutènement et peuvent être utilisées dans la phase de pré-dimensionnement des ouvrages


  • Résumé

    During the excavation of deep tunnels, squeezing ground conditions are often encountered. The squeezing behavior of the ground is characterized by large time-dependent and usually anisotropic convergences that take place at the tunnel wall. The technique of excavation has a strong influence on the tunnel response when it is excavated under squeezing conditions. This phenomenon is illustrated throughout the case study of the Fréjus road tunnel excavated with conventional drill and blast methods and of its safety gallery excavated with a single shield tunneling boring machine. They exhibit a very interesting configuration of two tunnels excavated in parallel under the same geotechnical conditions but with different excavation techniques. Monitored geotechnical data from both tunnels are analyzed and compared. Numerical simulations of both tunnels have been carried out with Flac3D. An anisotropic creep model which includes weakness planes of given orientation embedded in a visco-elasto-plastic matrix has been used for describing the behavior of the ground. A back-analysis of convergence measurements of the Fréjus road tunnel has been carried out. The behavior of the ground identified from the Fréjus road tunnel is extrapolated to predict the response of the Fréjus safety gallery in terms of the stress state in the lining. The influence of the technique of excavation on the time-dependent parameters of the ground is taken into account in the computations and its effects are discussed. It is shown that the long term ground deformation are significantly reduced with TBM excavation as compared to traditional blast and drill method.Furthermore, the convergence-confinement methods are reviewed and their applicability is discussed when they are applied to full face circular tunnels excavated in rock masses with a stiff support system near the face. In this context, a set of empirical formula are proposed which allows to accurately predict the equilibrium state between the ground and the lining in circular tunnels excavated in full section. These formula are useful in the preliminary phase of tunnel design


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