Stabilité de la zone non soutenue dans le creusement de tunnels en terrains meubles sans pressurisation : Approches expérimentales et numériques.

= Stability of the unsupported area in tunneling excavation in soft grounds without pressurization : Experimental and numerical approaches

• Auteur / Autrice : Thierry Ciblac
• Direction : Hervé Di Benedetto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Ecole nationale des travaux publics de l'Etat (Vaulx-en-Velin, Rhône ; 1975-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Stabilisation

Excavation

Tunnels

Résumé

Le creusement de tunnels en souterrain sans pressurisation implique que le front de taille ainsi que les parois restent sans soutènement pendant un certain temps. Aussi, la maîtrise de la stabilité de la zone non soutenue et des tassements liés à l'excavation constitue un enjeu capital, particulièrement en terrains meubles. Afin d'étudier la stabilité de cette zone caractérisée par sa longueur (longueur libre) et par sa hauteur (hauteur libre), une approche numérique et une approche expérimentale sur modèles réduits ont été élaborées. Le modèle numérique est basé sur un calcul à la rupture considérant un mécanisme de rupture tridimensionnel. Il permet le calcul de coefficients de sécurité au niveau du front de taille et des cotés latéraux en fonction des longueurs et hauteurs libres, et prend en compte l'effet d'arc-boutant dans le terrain de couverture. Ce modèle, comparé aux méthodes de calcul à la rupture existantes, montre son plus large domaine d'application et des résultats plus conformes au comportement de tunnels réels. L'approche expérimentale a été menée sur deux appareils de tailles différentes, le terrain étant modélisé par un matériau équivalent composé par un mélange de sable et de kaolin, respectant les règles de similitude. Les essais réalisés sur les deux modèles d'échelles différentes ont mis en évidence des mécanismes de rupture en accord avec les hypothèses du modèle numérique. Par ailleurs les résultats sur le grand modèle concordent quantitativement avec les analyses numériques, et laissent penser que ces approches expérimentales et numériques représentent correctement les phénomènes réels.

Underground excavation without pressurization implies that both heading and lateral sides remain unsupported for a certain time. Besides a key issue lies in the control of the stability of the unsupported area and settlements due to excavation, particularly in soft grounds. In order to study the stability of this area characterized by its length (free length) and its height (free height), a numerical approach and an experimental approach on a small-scale model have been developed. The numerical model is based on a failure calculation method considering 3D rupture mechanisms. It allows the determination of the safety factor for the heading and the lateral areas as a function of free length and free height, and taking into account the arching effect for soils above the tunnel. A comparison between this model and other numerical methods shows its wider field of application and leads to results in better agreement with real tunnels. The experimental approaches have been carried out on two small-scale models of different sizes with the same equivalent ground material modeled by a mixture of sand and kaolin and that satisfies the similarity conditions. Excavation tests are in good agreement with our numerical prediction of rupture mechanisms. Also our first quantitative results regarding the larger small-scale model agree well with numerical simulation results, suggesting that it provides a reasonably accurate picture of a full-scale tunnel.