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 l’Ouvrage Etude de la stabilité et des méthodes d’exécution 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement Historique - 1 - - 2700, premières mines organisées Au en Nubie, Cu Chypre, Sinaï - 530, Galerie d’alimentation en eau d’Eupalinos (1035 m ) dans l’île de Samos 0 JC - 350 km d’aqueducs 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 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement Historique - 2 - 1838, 1er marteau à vapeur 1846, découverte de la Nitroglycérine par A. Sobrero 1849, marteau perforateur ( 1862 – Sommeiller ) 1866, Invention de la Dynamite par Nobel 1857-1870, Tunnel ferroviaire ( 13 km ) du Mont Cenis (du Fréjus ) – Perforatrice Sommeiller 1865-1875, Tunnels du Canal du Verdon (20 km ) 1872-1882 Tunnel ferroviaire du Saint Gothard ( 14,9 km ) 1830-1900, Développement du réseau ferroviaire : Apogée 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement Historique - 3 - 1900 – 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 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement Aujourd’hui 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 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement Situation actuelle Reprise très forte de l’activité souterraine depuis une trentaine d’années 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 d’Euros = 5 % des TP Organisation de la profession : Entreprises de BTP, BE, MOE, MO = AFTES 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 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 l’art de la profession Journées techniques internationales ( 3 ans ) http:/www.aftes.asso.fr 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Etudes d’ouvrage 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 l’ouvrage en fonction du temps et de l’environnement (histoire de la construction, avoisinants et géologie au sens large); 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Qu’est-ce qu’un ouvrage souterrain Création d’une cavité artificielle au sein d’un massif rocheux = Creusement ou excavation; Assurer la stabilité à court et moyen terme de cette cavité = Soutènement ; Assurer la pérennité de l’ouvrage et la conservation des potentialités fonctionnelles = Soutènement + Revêtement ; Respecter les avoisinants : bâti ( vibrations et tassements) , autres ouvrages = Méthodes d’exécution + Soutènement + Revêtement ; Respecter l’environnement : déblais, nuisances sonores et salissures, tassements = Relationnel + Méthodes d’exécution 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

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

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

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 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

Etude Technique du Tunnel Analyse des conditions d’exécution de l’excavation 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 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement 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 l’anisotropie liée à la foliation 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

Coupe Géologique Prévisionnelle A partir des résultats de l’étude 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. 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

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

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 f caractéristiques de rupture) E et n module de déformabilité et coefficient de Poisson Essais spécifiques: Dureté et Abrasivité 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

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

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

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 : s = g * h 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

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

UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement Etude de stabilité - 2- Approche Empirique Par analogie avec un ouvrage de référence construit dans des conditions similaires En utilisant l’expérience acquise sur d’autres 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 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

Convergence / Confinement -2- Dans ce plan perpendiculaire à l’axe du tunnel, les contraintes exprimées en coordonnées polaires en un point M quelconque situé à une distance r de O sont de la forme avec a = r / r : AVANT creusement sr = s0 , st = s0 et trt = 0 APRES creusement sr = s0 ( 1 - a2 ) , st = s0 ( 1+ a2 ) et trt = 0 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -3- A la paroi de l’excavation a = 1 d’où : sr = O , st = 2 s0 et trt = 0 L’expression du déplacement radial ur sur la paroi de l’excavation est de la forme : ur = ( Ds0 .r )/ 2 G où : Ds0 est la variation de contrainte radiale sr responsable du déplacement : Ds0 =s0 G est le module de cisaillement G = E / 2.( 1 + n ) 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -4- Ce résultat correspond à un creusement du tunnel instantané : ur = ( Ds0 .r )/ 2 G = s0 .r / 2 G En réalité les choses se passent différemment parce que le déplacement radial se développe progressivement au fur et à mesure de l’avancement du front de taille. Au droit d’une section transversale ce déplacement radial commence même à se produire avant que le front de taille n’ait atteint cette section. 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -5- Tout se passe donc comme si le front de taille exerçait à la paroi de l’excavation 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 – l ) s0 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -6- L’expression du déplacement radial devient alors : ur = ( Ds0 .r )/ 2 G = [s0 - ( 1 – l ) s0] .r / 2 G ur = l .s0 .r / 2 G avec l = taux de dé-confinement l = f ( x ), variant de 0 à 1 au droit du front est de l’ordre de 0,3 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -7- Classiquement les variations du déplacement radial ur en fonction de l’éloignement x du front de taille sont représentées dans un repère ur , Pi Très en avant du front : Pi = s0 ,(l =0) et ur = 0 Très en arrière du front de taille : Pi = O ,(l = 1 ) et ur = s0 .r / 2 G 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -8- Noter que cette pression fictive modifie également la valeur de la contrainte tangentielle qui n’atteint son maximum st = 2 s0 que lorsque l = 1 Noter que par hypothèse le matériau a conservé un comportement élastique 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -9- Comportement élasto-plastique parfait Lorsque le matériau est sollicité au delà d’un 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. 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -10- le critère de Mohr-Coulomb s1 = s3 (1+sin j)/(1-sin j) + 2c (cos j)/(1- sin j) c : cohésion et j : angle de frottement interne du matériau Le critère de Hoek et Brown s1 = s3 + [(m.s3/sc) + ( s. sc2 )]1/2 m et s coefficients caractéristiques du matériau intact 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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. 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -12- Lors de l’excavation c’est immédiatement à la paroi de l’excavation que les contraintes sont maximales et décroissent lorsque l’on s’éloigne du centre Avant creusement sr = s0 , st = s0 Après creusement : sr = s0 .(1 - a2 ), st = s0 ( 1+ a2 ), a = r / r 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -13- La zone en rupture présentant un comportement plastique se développe donc à partir de la paroi de l’excavation en direction de l’extérieur. La limite de la zone plastique est définie par le rayon plastique rd et l’expression du déplacement radial devient : ur = (rd / r )( le.s0.r ) / 2 G 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -14- ur = (rd / r )( le.s0.r ) / 2 G le = [ 1 / ( Kp + 1 )].[ Kp – 1 + (sc / s0 )] Kp = (1+sin j)/(1-sin j) rd / r = {2 le / [(Kp+1) le - (Kp-1) l }1/Kp-1 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -15- Mise en place du soutènement La mise en place du soutènement est prise en compte sous la forme d’une 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 urs et son déplacement radial est us L’évolution du soutènement est représentée sur le repère ur , Pi par une droite de pente ks 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Convergence / Confinement -16- Comportement différé Fluage E0 > E Gonflement Pg 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Paramètres nécessaires Milieu continu homogène et isotrope : THEORIQUE Terrain : Rc, E0, E , n, s0, (ou s1, s2, s3), c et j (ou m et s) Ouvrage r, ks Milieu naturel discontinu, anisotrope, non homogène : EMPIRIQUE Discontinuités Gravité 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

Recommandations AFTES - 3 - Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à l’étude de la stabilité des ouvrages souterrains » Recommandations pour le choix des « Paramètres et essais géotechniques utiles à la conception, au dimensionnement et à l’exécution des ouvrages creusés en souterrain » Recommandations relatives au « Choix du soutènement en galerie 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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

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

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Tunnels à grande profondeur Tunnel profond = loin de la surface = reconnaissances dificiles : méthodes d’investigations 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 d’une descenderie; Tunnel profond = tunnel soumis à de fortes contraintes = écaillage et/ou convergence forte, ex: Tunnel du Fréjus Risque lié aux circulations d’eau souterraines pouvant être sous une charge importante (liée à l’épaisseur de couverture) et éventuellement d’eau chaude; Risque lié à la température du massif rocheux ( 0,03 °/m) Tunnel profond = tunnel long mais l’inverse n’est pas toujours vrai, ex: tunnel sous la Manche : 50 km, 40 à 50 m d’eau, 50 m de terrain 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

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Ouvrages souterrains et Géologie Terrain encaissant est l’acteur principal de l’acte de construire (contrairement à ce qui se passe pour les autres ouvrages de génie civil où le terrain n’intervient 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 l’intérieur de certaines limites) variable dans l’espace (un tunnel n’est qu’exceptionnellement construit dans un seul et même terrain) Pouvant être baigné par une nappe phréatique ou être le siège de circulations d’eau importantes Matériau imposé par les contraintes fonctionnelles : usage de l’infrastructure et géométrie 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Recommandations AFTES - 2- Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à l’étude 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 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement

Recommandations AFTES - 1 - Recommandations pour une « Description des massifs rocheux utiles à l’étude de la stabilité des ouvrages souterrains » Recommandations AFTES relatives aux «  Choix des techniques d’excavation mécanisée » Propriétés relatives aux «  Mesures et essais réalisés dans le cadre d’un chantier de creusement mécanisé. Caractéristiques des roches sur échantillons «  Recommandations relatives au « Choix du soutènement en galerie » 04 Février 2005 UFR SEN - DESS Géologie.Aménagement