Modélisation du comportement différé et anisotrope des terrains fortement tectonisés : Application au creusement d'une galerie de reconnaissance du tunnel de base de la liaison Lyon-Turin

par Yichun Liu

Projet de thèse en Géotechnique

Sous la direction de Jean Sulem.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec NAVIER (laboratoire) et de Géotechnique (equipe de recherche) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Les grandes traversées alpines sont confrontées à la problématique du creusement de tunnels à grande profondeur. Les matériaux rocheux fortement tectonisés, qui sont rencontrés dans les terrains du houiller productif du tunnel de base Lyon-Turin, présentent un comportement particulièrement poussant qui s'observe par des convergences métriques, associées à une zone décomprimée de grande épaisseur autour de la galerie, un comportement différé marqué, avec une difficulté à stabiliser les déformations par des profils de soutènement classiques, un comportement anisotrope coïncidant avec l'orientation préférentielle des plans de faiblesse mécanique principaux. L'adaptation et l'optimisation des méthodes de creusement et de conception des soutènements nécessitent une bonne connaissance du comportement du terrain et des mécanismes mis en jeu lors de l'excavation. Dans le cadre d'une collaboration démarrée en 2007 avec Lyon-Turin Ferroviaire (LTF), l'Ecole des Ponts ParisTech (ENPC) et le Centre d'Etudes des Tunnels (CETU) ont développé des travaux de recherche sur le comportement de la descenderie de Saint-Martin-la-Porte (SMLP2) qui ont fait l'objet de deux thèses de doctorat (The-Manh VU (2011) et de Huy TRAN-MANH (2014)). A partir de l'analyse des convergences de cette descenderie, ces travaux ont permis d'étendre la méthode d'analyse des mesures de convergence par la loi proposée par Sulem et al. (1987) au cas des terrains anisotropes en lien avec les caractéristiques lithologiques et structurales du massif. Une procédure d'analyse des données et d'extrapolation à long terme des convergences a été proposée. Des outils de modélisation mécanique du comportement différé et anisotrope des terrains tectonisés ont été développés et implémentés dans le logiciel de calcul FLAC3D. Ces outils, basés sur une loi de comportement viscoplastique anisotrope ont été appliqués et validés pour la descenderie SMLP2. L'objectif de l'étude proposée est d'explorer le comportement du terrain à la profondeur du tunnel de base et son interaction avec les soutènements afin de répondre à des questions pratiques relatives au creusement dans les unités du Houiller : optimisation des méthodes de creusement et de soutènement, évolution des convergences dans le temps à mesure que le front avance, évaluation des convergences finales et des pressions à long terme sur le revêtement. L'originalité du travail consiste notamment à prendre en compte l'anisotropie du terrain et des contraintes ainsi que le comportement dépendant du temps. L'étude proposée sera basée sur l'analyse de l'ensemble des données de reconnaissance géologique à l'avancement (levées de front, sondages) et des données d'auscultation géotechnique (convergences, mesures extensométriques en paroi et au front, efforts dans les soutènements) recueillies lors du creusement de la galerie SMLP4 dans les unités du houiller productif. A partir du calage des paramètres d'une loi de convergence prenant en compte les effets de l'avancement du front, du temps et de l'anisotropie, on proposera une procédure d'évaluation des convergences à long terme en tenant compte de l'interaction terrain/soutènement. Cette procédure tiendra compte du phasage de creusement et de mise en place des soutènements. L'analyse des données de terrain sera associée à une modélisation numérique. Pour ce faire, un modèle de comportement adapté au cas de SMLP4 et tenant compte des propriétés différées et anisotrope du terrain sera développé. Ce modèle sera implémenté dans un code de calcul numérique. Il est envisagé d'utiliser le code de calcul par différences finies FLAC3D dans la suite des études précédentes. La modélisation de soutènements spécifiques (renforcement par boulonnage, cintres coulissants, blocs compressibles, …) sera mise en œuvre dans le code de calcul. Le modèle de calcul sera validé par l'application au cas de SMLP4 et la comparaison aux données de creusement (convergences, efforts dans les soutènements). Sur la base de ces développements, un modèle prédictif sera proposé pour l'estimation des sollicitations à long terme sur les revêtements.

  • Titre traduit

    Modeling of time-dependent and anisotropic behavior of highly squeezing ground: Application to the excavation of a survey gallery of the Lyon-Turin base tunnel


  • Résumé

    The Alpine crossings are confronted with problems of deep tunnel excavation. Highly tectonised rock materials is found in the productive coal fields of the Lyon-Turin base tunnel. They exhibit a particularly squeezing behavior, which is observed by metric convergences, associated with a thick decompressed zone around the tunnel. A remarkable time-dependent and anisotropic behavior produces difficulty in stabilizing the deformations by conventional support. Adaptation and optimization of excavation and support methods require a good knowledge of the ground behavior and of the mechanisms involved in the excavation. As a collaboration from 2007 among Lyon-Turin Ferroviaire (LTF), Ecole des Ponts ParisTech (ENPC) and Centre for tunnel studies (CETU), research has been developed on the behavior of Saint-Martin-la-Porte access gallery (SMLP2) in two doctoral theses (The-Manh VU (2011) and Huy TRAN-MANH (2014)). Based on analysis of gallery convergence, this work allowed to extend the convergence analysis method and the semi-empirical convergence law proposed by Sulem et al. (1987) in the case of anisotropic grounds related to the massif lithological and structural characteristics. A procedure for data analysis and long-term convergence extrapolation has been proposed. Mechanical modeling tools for the time-dependent and anisotropic behavior of squeezing grounds have been developed and implemented in the software FLAC3D. These tools, based on an anisotropic viscoplastic constitutive law, have been applied and validated for SMLP2. The objective of the proposed study is to explore the ground behavior at the depth of the base tunnel and its interaction with the supports. It will help to answer practical questions related to excavation in the coal units: optimization of excavation methods and support, evolution of convergences over time as the front advances, evaluation of final convergences and long-term pressures on the lining. The originality of the work consists of taking into account the anisotropy of the ground and constraints as well as the time-dependent behavior. The proposed study begins with the analysis of all the advanced geological survey data (frontal surveys, soundings) and geotechnical auscultation data (convergences, extensometric measurements at the wall and at the front, stress in the supports) collected during the excavation of the SMLP4 gallery. Based on calibration of the parameters of a convergence law considering the effects of the front advancement, time and anisotropy, a procedure will be proposed for evaluating long-term convergences taking account of ground / support interaction, excavation phasing and support installation. Field data analysis will be combined with numerical modeling, where a constitutive model adapted to the SMLP4 case and considering the time-dependent and anisotropic ground properties will be developed. This model will be implemented in a numerical code. It is envisaged to use the finite difference calculation code FLAC3D as in previous studies. The modeling of specific supports (reinforcement by bolting, sliding hangers, compressible blocks, ...) will also be implemented in the calculation code. The model will be validated by comparing to the excavation data in SMLP4 case (convergences, stresses in the supports). Based on these developments, a predictive model will be proposed to estimate long-term pressures on the lining.