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04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 1 Géologie Appliquée aux Ouvrages Souterrains Quelques mots sur les ouvrages souterrains : historique,

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1 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 1 Géologie Appliquée aux Ouvrages Souterrains Quelques mots sur les ouvrages souterrains : historique, situation actuelle, organisation de la profession Etudes : Opportunité, Définition, Conception, Exécution, Exploitation et Maintenance Place de la géologie (sens large) dans les travaux souterrains : Excavation, Soutènement, Vie de lOuvrage Etude de la stabilité et des méthodes dexécution

2 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 2 Historique , premières mines organisées Au en Nubie, Cu Chypre, Sinaï - 530, Galerie dalimentation en eau dEupalinos (1035 m ) dans lîle de Samos 0 JC km daqueducs à Rome 745 ???????, premières mines métalliques en Europe 1190, première exploitation de charbon en Flandre 1556, De RE Metallica – Agricola 1627, 1ère utilisation de la poudre noire en Hongrie 1680, tunnel de Malpas sur le canal du Midi 1828, 1er tunnel ferroviaire ( 2000 m ) sur la ligne Roanne – Andrézieu

3 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 3 Historique , 1er marteau à vapeur 1846, découverte de la Nitroglycérine par A. Sobrero 1849, marteau perforateur ( 1862 – Sommeiller ) 1866, Invention de la Dynamite par Nobel , Tunnel ferroviaire ( 13 km ) du Mont Cenis (du Fréjus ) – Perforatrice Sommeiller , Tunnels du Canal du Verdon (20 km ) Tunnel ferroviaire du Saint Gothard ( 14,9 km ) , Développement du réseau ferroviaire : Apogée

4 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 4 Historique – 19.., Poursuite du réseau ferroviaire(1930 ) Métros, Assainissement, Hydroélectricité, Aduction ….-1980, Ouvrages routiers souterrains rares parce que très aléatoires et donc coûteux, mais galeries hydrauliques et assainissement 1952, Tunnel de la Croix Rousse 1965, Tunnel du Mont Blanc 1971, Tunnel de Fourvière 1975, Tunnel Maurice Lemaire (Sainte Marie aux Mines) 1980, Tunnel du Fréjus Depuis 1970/1980 : Développement du réseau autoroutier A 8, A 43, A 40, A 75, A 89, A 20, etc. Et TGV Atlantique puis Méditerranée, Tunnel sous la Manche et métros de Marseille, Lyon, Toulouse, Rennes

5 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 5 Aujourdhui Urbanisme souterrain : infrastructures de transport individuelles et en commun, Parkings, etc. « Espace Souterrain »: Patinoire de Lillehammer Très grandes infrastructures de transport : -Perpignan Figueras -Lyon-Turin-Ferroviaire (LTF) = une centaine de kilomètres de tunnels Suisse, Italie, Espagne

6 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 6 Situation actuelle Reprise très forte de lactivité souterraine depuis une trentaine dannées en France et dans le monde : autoroutes, TGV, métros, assainissement, hydraulique grâce aux progrès en foration, explosifs, machine foreuse ponctuelles et tunneliers Annuellement 1 Milliard dEuros = 5 % des TP Organisation de la profession : Entreprises de BTP, BE, MOE, MO = AFTES

7 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 7 AFTES Association Française des Travaux En Souterrain Edite une revue technique T.O.S. bi-mensuelle Groupes de Travail rédigent des recommandations techniques pouvant être considérées des règles de lart de la profession Journées techniques internationales ( 3 ans )

8 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 8 Etudes douvrage souterrain Opportunité = Pourquoi faire un ouvrage souterrain : infrastructure linéaire ferroviaire ou routière voire fluviale; Définition = Quoi, caractéristiques géométriques et équipements adaptés aux fonctionnalités attendues; Conception = Comment, mise au point des méthodes constructives appropriées aux conditions de site (géologie au sens large); Exécution = travaux de réalisation, suivi et surveillance, adaptation du projet aux conditions réellement rencontrées (géologie au sens large); Exploitation et Maintenance = Contrôle du comportement de louvrage en fonction du temps et de lenvironnement (histoire de la construction, avoisinants et géologie au sens large);

9 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 9 Quest-ce quun ouvrage souterrain Création dune cavité artificielle au sein dun massif rocheux = Creusement ou excavation; Assurer la stabilité à court et moyen terme de cette cavité = Soutènement ; Assurer la pérennité de louvrage et la conservation des potentialités fonctionnelles = Soutènement + Revêtement ; Respecter les avoisinants : bâti ( vibrations et tassements), autres ouvrages = Méthodes dexécution + Soutènement + Revêtement ; Respecter lenvironnement : déblais, nuisances sonores et salissures, tassements = Relationnel + Méthodes dexécution

10 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 10 Clé de voûte rein naissance piedroit radier

11 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 11 Clé de voûte rein naissance piedroit radier

12 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 12 Vocabulaire Termes géométriques : clé de voûte, rein, piedroit, radier, pleine section, section divisée, demi section supérieure (demi-sup ) demi section inférieure ( stross ), intrados, extrados, Construction : traçage, foration, chargement, tir, ventilation, purge, marin, marinage, soutènement, béton projeté, boulonnage, treillis soudé, cintres, étanchéité, coffrage, revêtement, bétonnage, banquettes

13 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 13 Etudes de Fonctionnalités Insfrastructure ferroviaire, routière ou de transport urbain ( voire fluvial ) Galeries hydrauliques : hydroélectricité, approvisionnement, transfert Stockages: hydrocarbures, déchets radioactifs, armement Architecture souterraine : parkings, patinoire, remonte pente, installations industrielles

14 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 14 Etude géométrique Ouvrages linéaires ( TGV, Routes, Métro ) Tracé en plan, Profil en long, Profil en travers ( contraints par les fonctionnalités et lenvironnement ) – Idem air libre Ouvrages volumiques ( Parkings, Salles, Usines, Stockages ) Choix de limplantation en fonction du contexte

15 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 15 Etude Technique du Tunnel Analyse des conditions dexécution de lexcavation à créer Choix du principe de réalisation : explosif, abattage mécanisé, tunnelier Conditions de creusement Besoins en soutènement Respect des avoisinants dépendent essentiellement du contexte géologique, géotechnique et hydrogéologique

16 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 16 Etude Géologique Techniques détudes Etude Bibliographique Etude par photo- interprétation Levé de terrain = cartographie Géophysique Sondages Galerie de reconnaissance Essais in situ et de de laboratoire

17 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 17 Géologie - 1 Roches plutoniques ( éruptives ou volcaniques) : granite, gabbro, syénite Résistance élevée, Déformabilité très faible, fortement compétente Roches métamorphiques : gneiss, schistes,micaschistes, quartzites Résistance, Déformabilité et Compétence variables en fonction de lanisotropie liée à la foliation

18 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 18 Géologie - 2 Roches sédimentaires: calcaires, dolomies, grès Résistance et Compétence moyennement élevées, Déformabilité faible – teneur en CaCO3- karst, poches sableuses, porosité des grès Calcaires argileux, marnes, argiles, schistes Résistance moyenne à faible, Déformabilité forte, non compétentes – délitage- gonflement Évaporites : anhydrite, gypse – solubilité importante

19 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 19 Coupe Géologique Prévisionnelle A partir des résultats de létude géologique Identification des unités lithologiques traversées et arrangement géométrique de ces unités les unes par rapport aux autres Longueurs des tronçons à creuser dans telle ou telle unité Indétermination ou incertitudes Reconnaissances spécifiques à réaliser.

20 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 20 Etude Géotechnique Caractérisation physique et mécanique des matériaux rocheux Principalement en laboratoire sur échantillons Caractérisation du massif rocheux Discontinuités, état de contrainte, eau

21 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 21 Caractérisation de la matrice rocheuse ( roche intacte ) - 1 Identification Masse volumique Teneur en eau Minéralogie : teneur en CaCo3, teneur en argiles,

22 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 22 Caractérisation de la matrice rocheuse ( roche intacte ) - 2 Caractéristiques mécaniques Vitesse du son Résistance à la compression simple Rc Résistance à la traction Rt Essai triaxial ( c et caractéristiques de rupture) E et module de déformabilité et coefficient de Poisson Essais spécifiques: Dureté et Abrasivité

23 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 23 Caractérisation du massif rocheux - 1 Discontinuités Orientation – Projection stéréographique Espacement – R.Q.D. – I.D. Persistance Géométrie des surfaces Ouverture Remplissage

24 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 24 Caractérisation du massif rocheux - 2 Déformabilité Mesure par essai dilatométrique Mesure par essai à la plaque Interprétation des déformations du massif ( galerie de reconnaissance )

25 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 25 Hydrogéologie Présence dune nappe Charge hydraulique ( Pièzométrie ) Perméabilité ( essais Lefranc, essais Lugeon, essai de pompage ) Caractérisation du massif rocheux - 3

26 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 26 Caractérisation du massif rocheux - 4 Etat de contrainte Mesure en surcarottage Mesure au vérin plat ( en paroi de galerie de reconnaissance ) Mesure en forage ( hydrofracturation ) à défaut = * h

27 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 27 Conditions de creusement Résistance de la roche Rc, Rt Dureté et abrasivité CERCHAR Discontinuités Creusement à lexplosif Creusement avec une machine à attaque ponctuelle Creusement au tunnelier Traitement du terrain ( injections, congélation )

28 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 28 Etude de stabilité - 1- Approche théorique Méthode convergence / confinement - Géométrie circulaire, contrainte isotrope. Modélisation par calcul numérique : calcul par éléments finis ( code de calcul CESAR ) Permet de représenter la géométrie et le phasage exact du creusement. Suppose un milieu continu et homogène

29 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 29 Etude de stabilité - 2- Approche Empirique Par analogie avec un ouvrage de référence construit dans des conditions similaires En utilisant lexpérience acquise sur dautres ouvrages : Classifications géo-mécaniques et recommandations AFTES. Nouvelle Méthode autrichienne (NATM) / Méthode observationnelle Partiellement empirique en ayant recours à des calculs de dimensionnement pour les charges actives et les éléments de soutènements

30 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 30 Convergence / Confinement -1- Approche simplifiée moyennant les hypothèses suivantes : Massif rocheux continu, isotrope et présentant un comportement élastique caractérisé par E et module élastique et coefficient de Poisson Etat de contrainte isotrope o Excavation circulaire de centre O et rayon r Déformations planes dans le plan perpendiculaire à laxe du tunnel

31 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 31 Dans ce plan perpendiculaire à laxe du tunnel, les contraintes exprimées en coordonnées polaires en un point M quelconque situé à une distance de O sont de la forme avec = r / : AVANT creusement r = 0, t = 0 et rt = 0 APRES creusement r = 0 ( ), t = 0 ( 1+ 2 ) et rt = 0 Convergence / Confinement -2-

32 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 32 A la paroi de lexcavation = 1 doù : r =, t = 2 0 et rt = 0 Lexpression du déplacement radial u r sur la paroi de lexcavation est de la forme : u r = ( 0.r )/ 2 G où : 0 est la variation de contrainte radiale r responsable du déplacement : 0 = 0 G est le module de cisaillement G = E / 2.( 1 + ) Convergence / Confinement -3-

33 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 33 Convergence / Confinement -4- Ce résultat correspond à un creusement du tunnel instantané : u r = ( 0.r )/ 2 G = 0.r / 2 G En réalité les choses se passent différemment parce que le déplacement radial se développe progressivement au fur et à mesure de lavancement du front de taille. Au droit dune section transversale ce déplacement radial commence même à se produire avant que le front de taille nait atteint cette section.

34 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 34 Convergence / Confinement -5- Tout se passe donc comme si le front de taille exerçait à la paroi de lexcavation une pression fictive de soutènement Pi dont la valeur serait fonction de son éloignement x par rapport à la section transversale considérée. La valeur de cette pression fictive est de la forme : Pi = ( 1 – ) 0

35 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 35 Convergence / Confinement -6- Lexpression du déplacement radial devient alors : u r = ( 0.r )/ 2 G = [ 0 - ( 1 – ) 0 ].r / 2 G u r =. 0.r / 2 G avec = taux de dé-confinement = f ( x ), variant de 0 à 1 au droit du front est de lordre de 0,3

36 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 36 Convergence / Confinement -7- Classiquement les variations du déplacement radial u r en fonction de léloignement x du front de taille sont représentées dans un repère u r, Pi Très en avant du front : Pi = 0,( =0) et u r = 0 Très en arrière du front de taille : Pi = O,( = 1 ) et u r = 0.r / 2 G

37 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 37 Convergence / Confinement -8- Noter que cette pression fictive modifie également la valeur de la contrainte tangentielle qui natteint son maximum t = 2 0 que lorsque Noter que par hypothèse le matériau a conservé un comportement élastique

38 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 38 Convergence / Confinement -9- Comportement élasto-plastique parfait Lorsque le matériau est sollicité au delà dun certain seuil il entre en rupture et son comportement passe du domaine élastique au domaine élasto-plastique ( où les déformations deviennent plus importantes ) Le seuil est défini par un critère de rupture Il existe plusieurs expressions du critère de rupture proposées par différents auteurs.

39 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 39 Convergence / Confinement -10- le critère de Mohr-Coulomb 1 = 3 (1+sin )/(1-sin ) + c (cos )/(1- sin ) c : cohésion et angle de frottement interne du matériau Le critère de Hoek et Brown 1 = 3 + [(m. 3 / c ) + ( s. c 2 )] 1/2 m et s coefficients caractéristiques du matériau intact

40 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 40 Convergence / Confinement -11- La méthode convergence/confinement ainsi que le code de calcul numérique CESAR le plus utilisé en France pour les travaux souterrains utilisent le critère de Mohr- Coulomb.

41 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 41 Convergence / Confinement -12- Lors de lexcavation cest immédiatement à la paroi de lexcavation que les contraintes sont maximales et décroissent lorsque lon séloigne du centre Avant creusement r = 0, t = 0 Après creusement : r = 0.(1 - 2 ), t = 0 ( 1+ 2 ), = r /

42 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 42 Convergence / Confinement -13- La zone en rupture présentant un comportement plastique se développe donc à partir de la paroi de lexcavation en direction de lextérieur. La limite de la zone plastique est définie par le rayon plastique r d et lexpression du déplacement radial devient : u r = (r d / r )( e. 0.r ) / 2 G

43 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 43 Convergence / Confinement -14- u r = (r d / r )( e. 0.r ) / 2 G e = [ 1 / ( Kp + 1 )].[ Kp – 1 + ( c / 0 )] Kp = (1+sin )/(1-sin ) r d / r = {2 e / [(Kp+1) e - (Kp-1) } 1/Kp-1

44 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 44 Convergence / Confinement -15- Mise en place du soutènement La mise en place du soutènement est prise en compte sous la forme dune structure circulaire élastique parfaitement adhérente au terrain et caractérisée par une raideur ks Ce soutènement est mis en place alors que le déplacement radial a atteint une valeur u rs et son déplacement radial est u s Lévolution du soutènement est représentée sur le repère u r, Pi par une droite de pente ks

45 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 45 Convergence / Confinement -16- Comportement différé Fluage E 0 > E Gonflement Pg

46 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 46 Paramètres nécessaires Milieu continu homogène et isotrope : THEORIQUE Terrain : Rc, E 0, E,, 0, (ou 1, 2, 3 ), c et ou m et s) Ouvrage r, ks Milieu naturel discontinu, anisotrope, non homogène : EMPIRIQUE Discontinuités Gravité

47 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 47 Etude de stabilité - 2 Approche empirique Recommandations AFTES Classes AFTES de valeurs Pertinence de chaque type de soutènement Classifications géomécaniques

48 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 48 Recommandations AFTES Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à létude de la stabilité des ouvrages souterrains » Recommandations pour le choix des « Paramètres et essais géotechniques utiles à la conception, au dimensionnement et à lexécution des ouvrages creusés en souterrain » Recommandations relatives au « Choix du soutènement en galerie

49 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 49 Respect des avoisinants Contrôle des ébranlements dus aux tirs Contrôle des tassements de surface Contrôle des perturbations aux nappes

50 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 50 Suivi et auscultation des travaux

51 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 51

52 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 52 Tunnels à grande profondeur Tunnel profond = loin de la surface = reconnaissances dificiles : méthodes dinvestigations innovantes (sondages très longs, sismique réflexion) Durée de creusement importante sauf si attaques intermédiaires en complément des attaques depuis chaque tête Pour ce faire: rechercher tracé et profil en long permettant raisonnablement la création dune descenderie; Tunnel profond = tunnel soumis à de fortes contraintes = écaillage et/ou convergence forte, ex: Tunnel du Fréjus Risque lié aux circulations deau souterraines pouvant être sous une charge importante (liée à lépaisseur de couverture) et éventuellement deau chaude; Risque lié à la température du massif rocheux ( 0,03 °/m) Tunnel profond = tunnel long mais linverse nest pas toujours vrai, ex: tunnel sous la Manche : 50 km, 40 à 50 m deau, 50 m de terrain

53 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 53

54 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 54 Ouvrages souterrains et Géologie Terrain encaissant est lacteur principal de lacte de construire (contrairement à ce qui se passe pour les autres ouvrages de génie civil où le terrain nintervient que dans les fondations) -matériau, hétérogène, le plus souvent anisotrope, le plus souvent discontinu -matériau naturel dont les caractéristiques sont mal connues parce que variables (à lintérieur de certaines limites) -variable dans lespace (un tunnel nest quexceptionnellement construit dans un seul et même terrain) -Pouvant être baigné par une nappe phréatique ou être le siège de circulations deau importantes -Matériau imposé par les contraintes fonctionnelles : usage de linfrastructure et géométrie

55 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 55 Recommandations AFTES - 2- Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à létude de la stabilité des ouvrages souterrains » Recommandations sur l »Emploi de la méthode Convergence/Confinement » Réflexions sur les méthodes usuelles de calcul Présentation de la méthode de construction des tunnels avec soutènement immédiat par béton projeté et boulonnage

56 04 Février 2005UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 56 Recommandations AFTES Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à létude de la stabilité des ouvrages souterrains » Recommandations AFTES relatives aux « Choix des techniques dexcavation mécanisée » Propriétés relatives aux « Mesures et essais réalisés dans le cadre dun chantier de creusement mécanisé. Caractéristiques des roches sur échantillons « Recommandations relatives au « Choix du soutènement en galerie »


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