Evaluation de l'impact du creusement au tunnelier à front pressurisé sur des fondations profondes - Expérimentation en vraie grandeur et modélisation numérique

par Agathe Michalski

Projet de thèse en Génie-civil - Géotechnique

Sous la direction de Claude Boutin.

Thèses en préparation à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    CONTEXTE : L’expansion durable des zones urbaines conduit à une multiplication des projets souterrains de transport en commun, à l’image du Grand Paris Express en France. Ces ouvrages souterrains sont généralement réalisés dans des bassins alluvionnaires caractérisés par des terrains meubles, aquifères, et une forte urbanisation. Dans ce contexte, de nombreux avoisinants (immeubles d’habitation ou ouvrages d’art) sont fondés profondément. A titre d’exemple, la future ligne 16 du métro parisien compte environ 300 bâtis fondés profondément dans sa zone d’influence géotechnique, dont 60 situés en plan à moins de 10 m de l’axe du tunnel. Pour optimiser à la fois les coûts et le fonctionnement de l’infrastructure, il est nécessaire que les ouvrages soient réalisés à des profondeurs limitées. A l’inverse, la préservation des avoisinants impose d’enfouir suffisamment l’infrastructure pour limiter l’impact de sa réalisation et ainsi correctement maitriser le risque d’endommagement. Dans ce contexte, des tunneliers à front pressurisé (de type « pression de terre » ou « pression de boue ») sont généralement mis en oeuvre. Une bonne prévision de l’impact du creusement au tunnelier sur les fondations profondes est par conséquent nécessaire. Cependant, celle-ci reste complexe (Cf. ci-après). Par conséquent, une marge d’optimisation des projets existe à travers une relaxation des contraintes techniques (diminution de la distance pieux / tunnel minimale acceptable par exemple) et/ou une diminution de la provision financière associée aux dommages qui pourraient être générés par le creusement. Verrous scientifiques et état de l’art : La difficulté de prévision de l’impact du creusement au tunnelier à front pressurisé sur les fondations profondes résulte majoritairement des trois points suivants : 1) le problème tunnel/terrain/fondations est parfaitement tridimensionnel, et le creusement génère des sollicitations variables au cours du temps, 2) de multiples sources de déplacements existent autour du tunnelier (pression frontale et soutènement mécanique de la roue de coupe, surcoupe, conicité et épaisseur de la jupe, prise progressive du mortier de bourrage, consolidation dans les sols fins...), 3) l’histoire de chargement des pieux et une loi d’interface terrain/pieu adaptée doivent être considérées. Ce sujet a été étudié par de nombreux auteurs à travers des modélisations physiques en centrifugeuse (Marshall & Mair, 2011 ; Peng & Ng, 2011 ; etc.), des modélisations physiques non centrifugés (Meguid & Mattar, 2009 ; Bel, 2018 ; etc.), de rares expérimentations en vraie grandeur (Kaalberg et al, 2006 ; Selemetas & Standing, 2013), et des modélisations numériques (Meschke et al, 2013 ; Hong et al, 2015 ; etc.). Sur le plan expérimental, les manques suivants sont soulevés. D’une part, la majorité des modélisations physiques réalisées met en oeuvre des modèles en déformations planes réduisant le processus de creusement au tunnelier à une simple perte de volume en paroi. D’autre part, les données issues d’expérimentation en vraie grandeur (indispensable pour la prise en compte de l’ensemble des pertes de volume et la validation de l’absence d’effets d’échelle sur les modélisations physiques) sont partielles : instrumentation des pieux souvent lacunaire, problèmes de mesures, terrains à dominante argileuse… Sur le plan numérique, les auteurs se sont concentrés sur la reproduction d’une partie des pertes de volume générées autour du tunnelier moyennant un nombre important de paramètres. Ces approches numériques ne sont par conséquent pas directement utilisables par les bureaux d’ingénierie au stade des études de conception. La construction d’un modèle numérique capable de reproduire la phénoménologie réelle moyennant un nombre fini de paramètres, et sur lequel serait basée une méthode de calcul simplifiée utilisable par les bureaux d’études, reste à effectuer. C’est dans cet esprit que l’ENTPE et le CETU dirigent une thèse à l’heure actuelle (Thèse El Jirari, 2016 – 2020). En conséquence, dans la pratique, l’estimation des impacts du creusement d’un tunnel sur les fondations profondes des ouvrages avoisinants reste évaluée via des calculs numériques en déformations planes (2D) où une rigidité équivalente est affectée aux pieux, et où le creusement est modélisé via une perte de volume en paroi. Le caractère conservatif de ces approches simplifiées reste à démontrer et une optimisation est nécessaire pour garantir la représentativité des approches utilisées en pratique. Problématique de la thèse : La thèse proposée est consacrée à l’amélioration des méthodes d’évaluation de l’impact du creusement au tunnelier à front pressurisé sur des fondations profondes. Elle exploite une expérimentation en vraie grandeur (Figure 1) et y associe des modélisations numériques aux éléments finis. L’expérimentation est réalisée dans le cadre d’une collaboration entre la SGP (MOA), le CETU, l’ENTPE et l’IFSTTAR (organismes de recherche), EGIS (MOE) et Eiffage(entreprise) sur la ligne 16 du Grand Paris Express. Elle s’appuie également sur les développements numériques réalisés dans le cadre de la thèse de El Jirari (2016-2019), sur les données obtenues lors des modélisations physiques sur modèle réduit décrites dans la thèse de Bel (2018) et sur les données de la littérature. Démarche de travail : Plus précisément, la démarche suivante est proposée au doctorant : 1) Appropriation du sujet au travers d’études bibliographiques (modélisations physiques et numériques de l’impact du creusement pressurisé sur les fondations profondes, règles de dimensionnement des fondations profondes, comportement d’interface terrain/fondation…), 2) Participation au montage et exploitation des résultats d’une expérimentation en vraie grandeur comprenant : (i) la réalisation de trois à quatre pieux de 40 cm de diamètre et 10 à 15 m de profondeur (échelle 1) dans la zone d’influence géotechnique du futur tunnel de la ligne 16 du Grand Paris Express, (ii) le suivi des champs de déplacements et de contraintes dans les pieux et le terrain au cours du passage du tunnelier. Le passage du tunnelier au droit de l’expérimentation est prévu fin 2019, 3) Synthèse de la phénoménologie par confrontation entre les données obtenues dans le cadre de cette expérimentation, celles obtenues sur le modèle réduit de l’ENTPE (thèse Bel, 2018), celles issues d’autres sections instrumentées de la ligne 16 du Grand Paris Express, et d’autres données présentes dans la littérature. Cette synthèse doit permettre d’identifier les mécanismes mis en jeu dans l’interaction tunnelier/terrain/pieu et de quantifier l’impact du creusement sur les fondations profondes en fonction des conditions de creusement (données machine), du contexte géotechnique et de la position relative pieu / tunnel, 4) Développement de modèles numériques en éléments finis en mesure de reproduire la phénoménologie observée, puis élaboration d’outils de dimensionnement simplifiés (modèle numérique 2D, abaques…) à destination des bureaux d’ingénierie. Ces développements se focaliseront sur l’interaction tunnelier/terrain : des réflexions avancées sur la modélisation des pertes de volume autour de la machine seront menées, en maintenant une procédure simple de modélisation des pieux. En parallèle, une seconde thèse portée par l’IFSTTAR se focalisera sur l’interaction terrain/pieux : des réflexions avancées sur la loi d’interface (prise en compte de la loi de Franck & Zao dans un modèle numérique par exemple…) seront menées, en maintenant une procédure simple de modélisation des pertes de volume autour du tunnelier.

  • Titre traduit

    Evaluation of the effects of pressurised tunnelling on piles - True-scale experimentation and numerical modelling


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