Travaux souterrains 1

Différents ouvrages souterrains Ouvrages de circulation des véhicules Tunnels routiers et autoroutiers Tunnels ferroviaires Réseau de transport collectif urbain : métro, RER…, Voies urbaines souterraines Ouvrages de circulation des fluides Galerie d’adduction d’eau Galerie d’assainissement ou d’évacuation Réseaux d’égouts Autres ouvrages Parcs de stationnement Réservoirs et bassins de stockage d’eau Galeries de mine Galeries d’usines hydroélectriques Gares ferroviaires Stockages industriels Puits de grande profondeur 2

Atouts des ouvrages souterrains Constituent la solution la mieux adaptée à la création de nouvelles infrastructures en zone urbaine et au franchissement des zones montagneuses En zone urbaine Le sous-sol devient une alternative quasi incontournable aux problèmes d’occupation et d’encombrement de surface Travaux en souterrains  Permettent de s'affranchir des obstacles, d’utiliser au maximum l’espace souterrain quasi illimité et de libérer la surface au sol En zone montagneuse Développement de moyens de transports ferroviaires à grande vitesse et des réseaux de communication autoroutiers qui ne peuvent épouser le relief (tracé avec grands rayons de courbure en plan et en profil en long, et faibles pentes)  Impose la réalisation de tunnels 3

Patrimoine des tunnels routiers en France 4

Classification des tunnels routiers par longueur 5

Différentes machines d’excavation Nombreuses techniques d’excavation mécanisée du terrain disponibles Choix de la technique et de la machine d’excavation adaptée Résulte d’un compromis entre environnement de la nature du projet et contraintes géologiques (nature des sols à excaver) et hydrogéologiques (présence de la nappe phréatique) Machines n’assurant pas le soutènement Machine à attaque ponctuelle Tunnelier à appui radial Aléseur Machines assurant un soutènement latéral Bouclier mécanisé ouvert à appui radial Bouclier mécanisé ouvert à appui longitudinal Bouclier mécanisé ouvert à appui mixte Machines assurant simultanément un soutènement latéral et frontal : tunnelier Bouclier mécanique à soutènement mécanique Bouclier mécanique à confinement d’air comprimé Bouclier mécanique à confinement de boue Bouclier mécanique à confinement de terre Bouclier mécanique à confinement mixte 6

Différentes méthodes d’exécution des tunnels 1/6 Quatre méthodes principales d’exécution Choix de la technique à employer  Résulte d’un compromis entre : Exigences liées à la géométrie de l’ouvrage à réaliser Caractéristiques du terrain à creuser Spécificités du site et de son environnement Contraintes géologiques et hydrogéologiques (présence ou non de nappe phréatique) Tunnel dans le rocher Méthode traditionnelle à l’explosif Méthode par attaque ponctuelle Tunnel en terrain difficile Méthode par prédécoupage mécanique Méthode de creusement au tunnelier 7

Différentes méthodes d’exécution des tunnels 2/6 Méthode traditionnelle à l’explosif Méthode adaptée à une roche saine et homogène aux caractéristiques géotechniques élevées Abattage à l’explosif Nécessite la perforation préalable de trous de mine (volée) à l’aide de marteaux perforateurs (robots de foration assistés par ordinateur = automatisation intégrale des opérations) Plan de tir  Doit être adapté aux caractéristiques du terrain afin d’assurer un découpage soigné de l’excavation et limiter les ébranlements Après excavation, renforcement de la voûte  D'abord par un soutènement provisoire à l’avancement des travaux, puis définitif lorsque l’ouvrage est entièrement creusé Choix du soutènement provisoire  Fonction de l’état des parois, suite aux dégradations (dues aux tirs d’explosifs) et aux déformations (décompression du terrain) Types de soutènement provisoire : Boulonnage d’ancrage Boulonnage associé à un treillis métallique Boulonnage associé à une faible épaisseur (5 cm) de béton projeté renforcé par un treillis Boulonnage associé à la mise en place d’un béton projeté (jusqu’à 20 cm d’épaisseur) Mise en place de cintres métalliques 8

Différentes méthodes d’exécution des tunnels 3/6 Méthode par attaque ponctuelle Si roche friable  Excavation exécutée par une machine qui attaque ponctuellement et progressivement le sol Machines à attaque ponctuelle, automotrices sur pneus ou chenilles  Équipées de bras orientables, à l’extrémité desquels est placé l’appareil d’attaque (godet excavateur, brise-roche, tête de havage à axe longitudinal ou transversal) Paroi équipée, à l’avancement, d’un soutènement provisoire Technique adaptée à tous les profils d’excavation 9

Différentes méthodes d’exécution des tunnels 4/6 Méthode par prédécoupage mécanique Consiste à réaliser une succession de saignées d’épaisseur 15 à 30 cm et de 3 à 5 m de longueur  Le tracé suit le profil théorique de l’extrados de la voûte, à l’aide d’une haveuse (machine de prédécoupage constituée d’un bâti support rigide auquel est fixé un chariot mobile pouvant se déplacer sur le contour de la section à excaver et équipé d’une scie spéciale) Saignée remplie de béton à prise rapide, mis en place par projection (béton projeté par voie sèche et éventuellement armé de fibres métalliques)  Constituer une voûte porteuse dans le massif encaissant Après durcissement La prévoûte en béton assure le soutènement de la cavité dont le terrassement peut être entrepris en pleine section Forme de chaque prévoûte : légèrement tronconique  Permettre la réalisation de la prévoûte suivante (recouvrement entre voûtes successives : 0,50 m à 2 m) 10

Différentes méthodes d’exécution des tunnels 5/6 Méthode de creusement au tunnelier Tunnelier = machine complexe qui assure en continu les fonctions suivantes : Excavation du terrain Stabilisation et soutènement du front de taille Soutènement provisoire des parois du tunnel juste derrière le creusement Evacuation des déblais Mise en place du soutènement provisoire ou du revêtement définitif Guidage selon l’axe théorique prévu Avancement automatique à l’aide de vérins Permet de creuser des tunnels de diamètre compris entre 2 et 20 m Particulièrement adapté pour le creusement de terrains meubles sur de grandes longueurs Vitesse d’avancement : 10 à 50 m par jour 11

Différentes méthodes d’exécution des tunnels 6/6 Trois types de tunneliers (choisis en fonction de la nature du terrain à creuser) 1 - Tunneliers avec machine d’attaque ponctuelle ou d’attaque globale Utilisés sur terrains de tenue suffisante, ne nécessitant pas de soutènement immédiat 2 - Tunneliers à boucliers classiques Assurent simultanément excavation et soutènement latéral du terrain Comportent une structure cylindrique rigide (jupe) qui progresse au fur et à mesure du creusement et assure la stabilité du tunnel Utilisés pour le creusement des terrains meubles 12

Différentes méthodes d’exécution des tunnels 6/6 (suite) Trois types de tunneliers (suite) 3 - Tunneliers à confinement (ou à front pressurisé) Assurent simultanément un soutènement latéral et frontal du terrain Utilisées dans les terrains alluvionnaires en présence d’eau La partie avant du tunnelier (chambre d’abattage) peut être mise sous pression afin d’assurer la stabilité du front de taille À l’intérieur de la chambre, une roue de coupe munie de dents au carbure de tungstène « grignote » le terrain Déblais évacués par marinage hydraulique à l’aide de conduites de marinage et de pompes 13

Revêtements en béton des tunnels 1/4 Revêtement d’un tunnel = structure résistante placée au contact de l’excavation Assure la stabilité mécanique à long terme de l’ouvrage et contribue à son étanchéité (protection contre les venues d’eau dans le cas d’ouvrage réalisé dans des terrains aquifères) Peut être visible de l’intérieur de l’ouvrage ou protégé par un habillage Deux techniques principales de réalisation des revêtements (selon procédé d’excavation utilisé) : Revêtement en béton coffré non armé Revêtement en voussoirs préfabriqués en béton armé Profil en travers du revêtement  Généralement de forme circulaire : permet de résister le mieux possible en compression aux efforts exercés par le terrain 14

Revêtements en béton des tunnels 2/4 Revêtement en béton coffré non armé Après excavation du terrain par la méthode traditionnelle à l’explosif, par attaque ponctuelle ou par prédécoupage mécanique  Revêtement, en général, constitué d’une voûte en béton coulée en place Revêtement généralement non armé  Épaisseur entre 30 et 45 cm : fonction du type du terrain excavé Résistance en compression du béton : de l’ordre de 30 MPa Bétonnage réalisé par plots d’une dizaine de mètres de longueur  Après mise en place, au contact de l’excavation, d’un complexe d’étanchéité Principales spécifications du béton Portent sur la maniabilité à l’état frais (pour garantir un parfait remplissage du coffrage) et sur la compacité (pour résister à l’agressivité du milieu ambiant) Les performances mécaniques doivent permettre la réalisation d’un plot par jour  Ordre de grandeur de résistances requises : 10 MPa à 24 heures 15

Revêtements en béton des tunnels 3/4 Revêtement en voussoirs préfabriqués en béton armé Revêtement de tunnel, foré à l’aide d’un tunnelier : Composé d’une succession d’anneaux juxtaposés mis en place à l’arrière du bouclier pour assurer immédiatement la stabilisation du terrain  Chaque anneau est constitué d’un assemblage d’éléments appelés voussoirs préfabriqués en béton armé, d’épaisseur courante 20 à 30 cm Anneaux Longueur de 0,60 à 2 m Faces transversales parallèles (anneaux droits) ou non parallèles (anneaux universels) Anneaux universels Permettent, par rotation de la position d’un anneau par rapport au précédent, de suivre toutes les variations de tracé de l’excavation Constitués de 5 à 10 voussoirs, de 2 voussoirs de contre-clé et d’un voussoir de clé (de forme trapézoïdale) Étanchéité entre voussoirs Assurée par des profilés compressibles ou hydro-gonflants Voussoirs : équipés de réservations Permettent leur assemblage entre eux et aux anneaux adjacents par des boulons 16

Revêtements en béton des tunnels 4/4 Revêtement en voussoirs préfabriqués en béton armé : schéma de principe d’assemblage Succession d’anneaux universels SOMMAIRE SESSION 7 SOMMAIRE GÉNÉRAL 17