TH8489 PDF
TH8489 PDF
TH8489 PDF
Spécialité : Géotechnique
Présenté par :
BOURENNANE ADEL
Sujet de Mémoire
2
Résumé
Cette étude traite la problématique des excavations en milieux urbains et leurs effets
sur les ouvrages existants. Une étude de cas de l’excavation de la station de métro Ali
Boumendjel-Alger a été effectuée en utilisant le logiciel Plaxis 2D-2010. Le modèle Mohr
Coulomb a été utilisé pour modéliser le comportement du sol.
Abstract
This study deals with the problems of excavation in urban areas and their effects on
existing structures. A case study of the excavation of the subway station - Ali Boumendjel
- Algiers was performed using the software Plaxis 2D -2010. The Mohr Coulomb model
was used for modeling soil behavior.
The results show that the settlement influence zone extends to a distance of about
2.5D from the tunnel axis.
3
4
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE 13
Introduction 15
1-1 Méthodes de creusement 15
1.1.1 La méthode d’excavation par section (séquentielle) 15
1.1.1.1 Creusement à plein section 15
1.1.1.2 Creusement en demi-section 16
1.1.1.3 Creusement en section divisé 16
1.1.2 Creusement à l’explosif 18
1.1.3 Creusement mécanisé 19
1.1.3.1 Creusement au tunnelier (Tunnel Boring Machine TBM) 19
1.1.3.2 Creusement à attaque ponctuelle 21
1.2 Techniques de pré-soutènement et de Renforcement 22
1.2.1 Renforcement d’un tunnel par système d’ancrage 22
1.2.2 La technologie du boulonnage 22
1.2.2.1 Le boulonnage à ancrage ponctuel 23
1.2.2.2 Le boulonnage à scellement réparti 23
1.2.2.3 Système d’ancrage autoforant 23
1.2.2.4 Les micropieux 24
1.2.2.5 Tirants d’ancrages 24
1.3 Renforcement de la voute d’un tunnel 24
1.4 Boulonnage du front de taille 26
1.4.1 différents types de boulons en fibre de verre 26
2.1 introduction 30
2.2 Description générale des mouvements du sol 30
2.3.1 Désordres rencontrés en travaux de creusement des tunnels 31
2.3.2 Exemples de désordres au niveau de la surface 32
2.4 Calcul des tassements 34
2.4.1 Méthodes empiriques 34
2.4.3 Estimation de « i ». 35
2.4.4 Estimation de Smax 36
2.4.5 Perte de volume 36
2.5.1 La méthode convergence-confinement 38
2.5.2 courbe de convergence 39
2.5.3 Application de la Méthode Convergence-Confinement au calcul numérique 41
2.5.4 Influence du taux de déconfinement sur les déplacements 42
5
2.6 Dommages et désordres subits par les constructions 44
2.6.1 Comportement des bâtis vis-à-vis de déformation du terrain 44
2.6.2 Méthodes d’estimation des dommages 45
2.6.3 Classification des dommages 47
Conclusion 48
3. Calcul numérique 50
3.1 Modélisations numériques 50
3.1.1 La modélisation 2D en déformations planes 50
2.1.2 La modélisation 2D en conditions axisymétriques 51
2.1.3 La modélisation tridimensionnelle 3D 52
3.2 Modèles de comportement des sols utilisé en calcul numérique 53
3.2.1 Modèle élastique linéaire 53
3.2.2 Comportement plastique 54
3.2.3 Élastique linéaire parfaitement plastique (Mohr coulomb) 54
3.2.3 Hook-Brown 55
3.2.4 Hardening Soil Model (HSM) 56
3.2.5 Modèle pour les roches fracturées (Jointed Rock model) 57
3.2.6 Choix du Modèle de Comportement 58
Conclusion 59
Conclusion générale 79
Références bibliographiques 80
6
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 : Creusement en pleine section (tunnel de Tartaiguille, CETU Juillet 1998)
Figure 1.2 : Creusement en demi-section (CETU Juillet 1998)
Figure 1.3 : Creusement avec cloison centrale (CETU Juillet 1998)
Figure 1.4 : Illustration de l’excavation par section divisé Cloison double et simple
(Bunpot Ongsuksun 2009)
Figure 1.5 : Creusement avec galeries aux naissances (CETU Juillet 1998)
Figure 1.6 : Illustration de l’excavation par section divisé NATM (Lunardi 2008)
Figure 1.7 : Illustration du cycle classique de creusement à l’explosif (Kitchah 2012)
Figure 1.8 : Schéma général constitutif d’une machine pleine section (extrait de l'ouvrage
AFTES 2000)
Figure 1.9 : système du tunnelier (Emilie V. 2006)
Figure I.10 : Machines à attaque ponctuelle sur le tunnel de Tartaiguille.
(François MARTIN, 2012)
Figure 1.11 : schéma de renforcement d’une section de métro d’Alger.
Figure 1.12 : schéma des boulons à ancrage ponctuel (Stéphane, 2001)
Figure 1.16 : Boulon à scellement réparti (Sin, 78)
Figure 1.12 : Schémas d’un boulon autoforant
Figure 1.14 : Schéma d’un Tirants d’ancrages
Figure 1.15 : Voûte parapluie en 3D
7
Figure 2.8 : Schéma du diamètre initial et final d’un tunnel excavé (Kitchah 2012)
Figure 2.9 : Notion de pression fictive et de déconfinement autour du front de taille
(Martin 2007)
Figure 2.10 : Courbes de convergence, de confinement et assemblage (Martin 2007)
Figure 2.11 : Variation du taux de déconfinement
Figure 2.12 : Evolution de λ en fonction de l’éloignement du front
Figure 2.13 : Comparaison entre les résultats 2D obtenus avec la méthode convergence
confinement et les résultats 3D (Svoboda et Mašín 2010)
Figure 2.14.a : Calage du calcul 2D sur celui 3D – cuvette de tassement Jean p (2012).
Figure 2.14.b Calage du calcul 2D sur celui 3D –allure de l’inclinomètre Jean p (2012).
Figure 2.15 : Cuvettes de tassement en surface en élasticité linéaire isotrope
(Confrontation de la simulation avec le modèle MC aux mesures, HEJAZI Yousef 2010)
Figure 2.16 : Déplacement horizontal à 1D en élasticité linéaire isotrope (le modèle MC,
HEJAZI Yousef 2010)
Figure 2.17 : Représentation d'un immeuble par un faisceau équivalent pour illustrer la
fissuration en flexion et en cisaillement (Cost C7 2003)
Figure 2.18 : Prévision de dommage en fonction de longueur de l’ouvrage et déformation
horizontale du terrain (NCB, 1975)
Figure 2.19 : Définitions de l’angle de distorsion d’une structure (Deck, 2002)
Figure 2.20 : Prévision de dommage en fonction de déformation horizontale et d’angle de
distorsion (d’après Boscardin et Cording, 1989)
Figure 3.15 : Déplacements latéraux surface d’une section modélisée par PLAXIS
(HEJAZI Yousef 2010)
8
Figure 4.3 : Coupe géologique du massif traversé par la station Ali Boumendjel
Figure 4.4 : Photos de la station Ali Boumendjel en phase d’exécution
Figure 4.5 : Photos de la galerie d’accès de la mosquée Ibn Badis
Figure 4.6 : schéma des étapes de creusements (station Ali Boumendjel)
Figure 4.7 : photos d’une section creusée de la galerie pilot sud
Figure 4.8 : photos d’une section Creusée de la galerie latérale Nord.
Figure 4.9 : Station Ali Boumendjel vue au plan
Figure 4.10 : Station Ali Boumendjel vue aérienne
Figure 4.11 : Station Ali Boumendjel plan générald’auscultation
Figure 4.12 : Coupe transversale d’une partie de la station Ali Boumendjel
Figure 4.13 : Coupe longitudinale d’une partie de la station Ali Boumendjel
Figure 4.14 : Géométrie de la section
Figure 4.15 : Maillage de la section
Figure 4.16 : Génération des contraintes initiales
Figure 4.17 : Implantation de l’Extensomètre E35.
Figure 4.18 : résultats des mesures de l’Extensomètre E35.
Figure 4.19.a : Déplacement vertical au niveau de la clé
Figure 4.19.b Déplacement vertical en surface
Figure 4.20 : Différents types de maillage
Figure 4.21 Déplacement vertical pour un maillage fin 5référence)
Figure 4.22 Déplacement vertical pour un maillage très fin
Figure 4.23 Déplacement vertical pour un maillage moyen
Figure 4.24 Déplacement vertical pour un maillage grossier
9
LISTE DES TABLEAUX
10
NOTATIONS PRINCIPALES
12
Introduction générale
Le deuxième chapitre porte sur les mouvements du sol induits par les excavations
souterraines. Ces mouvements sont tout d’abord présentés avec des exemples de
différentes chantier travers le monde, puis un ensemble de formule empiriques
d’estimation des tassements a été présenté.
13
Chapitre1
14
Introduction
Les ouvrages souterrains regroupent un grand nombre d’ouvrages, tels que les
tunnels autoroutiers et ferroviaires, des galeries de métro, etc. Ces ouvrages souterrains
présentent la particularité d’être entièrement construits dans un massif de sol ou de roche.
La connaissance du comportement du sol (ou de la roche) en place est donc une donnée
fondamentale du projet.
Le type de tunnel et la nature du terrain dans lequel la construction doit être réalisée, sont
les principaux facteurs dont le projeteur doit tenir compte. Ces facteurs ont une influence
notamment sur le choix des techniques de construction (excavation des terrains et type de
soutènement) et sur la manière de conduire les calculs.
L’excavation se fait à plusieurs phases pour sécuriser les travaux, c’est une
conception qui utilise le terrain autour de la cavité comme élément de support par
activation d'un anneau de terrain portant. Le massif traité autour de l'excavation converge
et s'auto-équilibre tout en réduisant les contraintes appliquées sur le soutènement. Cette
faculté du terrain à s'auto supporter a été exploitée pour la première fois par des ingénieurs
et chercheurs autrichiens dont Rabcewicz (1965) dans le but de concevoir une nouvelle
approche pour l'excavation des ouvrages souterrains. Leurs études ont débouché sur la
conception de la Nouvelle Méthode Autrichienne pour l'excavation des tunnels (NATM :
New Austrian Tunnelling Method), selon la méthode NATM l'excavation peut se faire
suivant différents modes d'attaque, en fonction de la qualité du terrain rencontré.
Figure 1.1 Creusement en pleine section (tunnel de Tartaiguille, CETU Juillet 1998)
15
1.1.1.2 Le creusement en demi-section
Cette technique est nécessaire plus lorsque le soutènement est trés important
est requis, par cintres et/ou blindage.
16
La figure 1.4 présente deux sections d’un tunnel creusé par section divisé.
Figure 1.4 Illustration de l’excavation par section divisé Cloison double et simple
(Bunpot Ongsuksun 2009)
2-Creusement avec galeries aux naissances
Figure 1.5 Creusement avec galeries aux naissances (CETU Juillet 1998)
La figure 1.6 présente une section d’un tunnel creusé avec cloison centrale
Figure 1.6 Illustration de l’excavation par section divisé NATM (Lunardi 2008)
17
1.1.2 Creusement à l’explosif
C’est la méthode conventionnelle d’excavation la plus utilisée pour l’excavation des
tunnels dans les roches de dureté moyenne à élevée (Kitchah, 2012).
L’abattage est généralement utilisé pour l’exécution des tunnels situés dans les roches
pour lesquelles un abattage manuel (marteaux piqueurs, pelle hydraulique) où un
terrassement mécanique n’est plus envisageable, du point de vue technique ou
économique.
L'abattage à l'explosif s'effectue pour chaque volée d'avancement de manière cyclique
selon les opérations élémentaires suivantes :
- traçage et perforation du plan de tir.
- chargement des trous de mines et tir de la volée.
- ventilation et purge de l'excavation.
- évacuation des déblais du front de taille (marinage).
C’est une technique très sensible car une partie de l’énergie explosive utilisée pour
fragmenter et abattre la matrice rocheuse se propage sous forme des vibrations et se dissipe
dans l’environnement du tunnel par le mécanisme d’amortissement mais elle peut
atteindre même la surface si le tunnel n’est pas suffisamment profond, c’est pourquoi, afin
d’évaluer ce phénomène et son incidence sur la réalisation des travaux, une étude préalable
des vibrations et des procédures de contrôles sont préconisées.
18
1.1.3 Creusement mécanisé
L’emploi de l’explosif dans les travaux souterrains a marqué vraiment une étape
décisive pour le développement de ces travaux, en revanche leur utilisation à beaucoup
d’inconvénients qui sont essentiellement :
L’ébranlement et la désorganisation du terrain encaissant.
Les risques d’accidents spécifiques.
Les coûts induits par ces inconvénients, notamment en matière de soutènement et de
revêtement (AFTES 2000).
Figure 1.8 Schéma général constitutif d’une machine pleine section (extrait de
l'ouvrage AFTES 2000)
C’est une technique de creusement mécanisé à l’aide des machines. Ces machines
se sont considérablement développées ces dernières années et ont gagné en vitesse
d'avancement, en fiabilité, en capacité d'adaptation aux terrains et en augmentation de
diamètre d'excavation.
L’abattage est effectué à l’aide d’une roue de coupe munie de molettes (roches) ou de pics
(sols). Dans le cas des sols, le creusement est réalisé à l’aide d’un (bouclier), assurant la
protection des parois de l’excavation entre le front de taille et la partie revêtue de
l’ouvrage.
La stabilité du front de taille est alors assurée par diverses techniques. On distingue dans
ces machines trois grands types selon le type de soutènement immédiat :
19
D’après (Emilie V. 2006) les tunneliers à front pressurisé permettent la réalisation des
4 fonctions suivantes, quasi simultanément :
- l’excavation du terrain,
- le soutènement frontal et périphérique du terrain,
- l’évacuation des déblais,
- la pose du revêtement.
D’après (Emilie V. 2006) le système du tunnelier est complété par l’application d’une
pression au front de taille et par l’injection d’un coulis de bourrage à l’arrière de la jupe
destiné à remplir l’espace annuaire laissé entre le terrain excavé et le revêtement. Il existe
différents modes de soutènement du front de taille, dans les massifs de faible résistance,
l’avancement du tunnelier est assuré par des vérins longitudinaux qui s’appuient sur le
soutènement déjà installé en général constitué de voussoirs en béton préfabriqués.
Sur le chantier, l’utilisation d’un bouclier est devenue très courante mais dépend de
plusieurs critères comme la nature des terrains, la proximité de la surface, le mode de
soutènement utilisé. A partir de ces critères on distingue deux grandes catégories de
boulier :
20
1.1.3.2 Creusement à attaque ponctuel
C’est la technique la plus répondue pour les roches tendres (craies, marnes, schistes
altérés...), figure 1.10.
La fraise, appelée aussi tambour, tourne autour d’un axe perpendiculaire au bras et
attaque tangentiellement la surface du front et le creusement se fait en principe toujours
par fraisage tangentiel à la surface cylindrique du « tambour »
21
1.2 Techniques de renforcement des tunnels
1.2.1 Renforcement d’un tunnel par système d’ancrage
Ces techniques ont été largement utilisées pour le renforcement des sols et des roches en
place pendant la réalisation du projet de métro d’Alger.
22
1.2.2 La technologie du boulonnage
Ce sont des boulons liés au terrain à leurs deux extrémités, d'une part sur le plan
de la surface excavée par une plaque métallique et un dispositif de serrage et d'autre
part au fond du trou du forage par un point d'ancrage dont le système est divers. Entre
les deux, la tige est libre dans le trou. Les tiges utilisées sont des tiges lisses dont le
diamètre varie entre 16 et 25 mm. La longueur de ces boulons peut varier de 1 à 4 m,
exceptionnellement 5 ou 6m (Stéphane, 2001).
23
Figure 1.14 schémas d’un boulon autoforant (Dywidag-systems 2014)
Ce type de système a été largement utilisé au métro d’Alger pour stabiliser les
parois des tunnels spécialement au niveau des stations.
Le micropieu peut être réalisé dans des zones d’accès difficile. Contrairement aux
systèmes de pieux battus, le forage à roto-percussion cause très peu de vibrations au sol.
Ce qui permet de renforcer et de stabiliser les ouvrages existants.
Ce sont des barres forées simplement sans tubage dans des sols instables.
La longueur libre de ce système comporte une gaine lisse et un anneau de compression.
La voûte parapluie consiste à mettre en place des barres ou des tubes métalliques
longitudinaux, à la périphérie du front (figure 1.16). Dans la pratique et pour tenir compte
des déviations lors de la perforation, la longueur des tubes métalliques ne dépassera pas
12 à 15m, en outre le recouvrement dépend de la hauteur de la section et de la nature des
terrains.
24
Elle est utilisée généralement pour le soutènement des tunnels en terrains hétérogènes,
instables, tendres ou sujets à effondrement ainsi qu’au percement dans des zones de failles.
Avantages
- Limitations des affaissements et répartition des charges pour tunnels peu profonds en
zone urbaine.
- Soutènement et confortement du terrain au-devant du front par injection de mortier
La figure 1.17 présente une opération de renforcement de la voute d’un tunnel par boulons.
25
1.4 Boulonnage du front de taille
D’après (Jean p, 2012) cette méthode consiste à renforcer le front de taille d’une
excavation souterraine à l’aide de barres beaucoup plus raides que le massif environnant
(Boulons en fibre de verre figure 1.18). Les boulons sont en fibre de verre, ayant une forte
résistance en traction (200 à 800 MPa) et au même moment une faible résistance au
cisaillement. Ceci leur permet d’être facilement détruits par les engins de terrassement.
La figure 1.21 présente l’opération de pose des boulons en fibre de verre au front de taille
Figure 1.21 Pose de boulons en fibre de verre au front de taille (Lunardi 2008)
Les boulons en fibre de verre possèdent une forte anisotropie (résistance au cisaillement
six fois moindre que la résistante à la traction), qui permet ainsi d’assurer une destruction
facile par les engins d’abattage au fur et à mesure de l’avancement.
27
Conclusion
Nous avons décrit dans ce chapitre les différentes technologies de creusement, de
soutènement et de renforcement des tunnels.
La stabilité des excavations est très importante pour éviter tous désordres possibles.
Ces désordres sont la conséquence des mouvements liés au creusement.
Le rôle des boulons dans l’augmentation de stabilité est important. Leur surveillance
et investigations sont obligatoires pour s'assurer de la validité des choix opérés et leur bon
fonctionnement.
28
Chapitre 2
Mouvements engendrée par le creusement d’un
tunnel et leur impact sur le bâti
29
2. Les Effets du creusement d’un tunnel
2.1. Introduction
La construction du tunnel est un procédé complexe, dangereux et génère de
nombreuses perturbations en milieu avoisinant. Ces perturbations sont la conséquence des
mouvements au sein du massif. Au fur et à mesure de l’avancement des travaux de
creusement du tunnel, un suivi topographique et la mise en place de certaines mesures
préventives permettent de limiter ces mouvements et réduire ses conséquences sur les
ouvrages existants.
Les travaux souterrains ont montré des dégâts très importants dans plusieurs chantiers à
travers le monde, donc une prévision des déformations et phénomènes assimilé est
primordiale pour éviter toute sorte de désordre.
30
2.3 Désordres rencontrés en travaux de creusement des tunnels
Les principales pathologies susceptibles d’apparaître pour les tunnels sont présentées
au tableau 2.3.1
intitulé et
Origine principale du
Illustration exemples Période
problème
d’occurrence
Structure du système de
Instabilités de
fissuration, résistance
blocs
relative des joints et de
construction
la matrice
Faible résistance du
massif, pressions d’eau
débourrages
importantes, zone de
construction
contact géologique
Autres
Faible résistance du
instabilités du
massif, pressions d’eau
front de taille
importantes
construction
Fortes
convergences Fluage, gonflement,
différées rééquilibrage des
Construction pressions interstitielles
et service
Déformation
Anisotropie du massif,
localisée du
flambement, glissement
soutènement
ou cisaillement de
/revêtement
bancs,
Construction
Défauts ponctuels
et service
31
2.3.2 Exemples des désordres au niveau de la surface
La figure 2.2 présente l’effondrement d’une station à ciel ouvert de métro de Sao
Paulo au cours de la réalisation.
32
Le tableau 2.3.2 présente les accidents rencontrés durant les travaux d’excavations de
plusieurs chantiers à travers le monde.
33
2.4 Calcul des tassements
Afin de prédire les déplacements, différentes méthodes ont été développées. Ces
méthodes permettent d’obtenir les tassements en tenant compte de la dimension
géométrique de l’ouvrage, de la profondeur de l’excavation, du type de sol, de la
localisation des niveaux aquifères. Ces méthodes sont très efficaces si les paramètres
observés in situ sont proches des hypothèses prises en compte dans les approches
théoriques simplifiées.
La figure 2.4 présente une cuvette de tassements en surface
Cette formule a été proposée après une série de mesures de tassements de 14 tunnels
creusés dans des sols plastiques saturées dont les cuvettes de tassement étaient
correctement décrites.
x représente la distance au centre de la cuvette
S(x) tassement vertical à l'abscisse x
Smax tassement maximum en surface
i abscisse du point à partir de l’axe de symétrie verticale du tunnel
La cuvette de tassement est caractérisée par les expressions suivantes (Figure 2.5):
La demi largeur : Lc=2.5i
Le rayon minimum de courbure : Smax− i2 pour x=0
La pente maximum : 0.606 Smax/i pour x=±i
34
Le point de la courbure maximum : 0.223 Smax pour x = ±i 3
2.4.2 Estimation de « i »
35
2.4.3 Estimation de Smax
La convergence des parois de la cavité d’un tunnel après excavation permet au sol
de se déplacer vers le centre de la section creusée générant une perte de volume (figure
2.7), l’ampleur de cette perte de volume dépend de plusieurs paramètres tel que :
Le type de sol.
La présence d’eau.
La méthode de construction.
Le rythme d’avancement du tunnel.
Le diamètre et profondeur de la cavité.
36
Vt représente la différence entre le volume initial et le volume de sol après déformation.
(Figure 2.7)
Figure 2.8 Schéma du diamètre initial et final d’un tunnel excavé (Kitchah 2012)
En considérant un cas simple avec les déplacements symétriques par rapport à l’axe du
tunnel, et d’après la formule de Peck (en connaissant les paramètres «i» et Smax)
Le volume de la cuvette de tassement peut être déterminé par :
Vs = 2π × i × .Smax ≈2.5 × i × Smax ……2.3
Vs : volume de tassement, Ce volume comprend l’aire entre la surface du massif dans l’état
initial et la surface déformée.
Pour estimer la perte de volume nous avons utilisé la formule suivante
𝜋
Vt = 4 (𝐷𝑒2 -𝐷𝑡2 )……………2.4
37
2.5 La Méthode Convergence-Confinement
38
2.5.2 Courbe de convergence
39
La valeur du taux de déconfinement à l’endroit x considéré varie de 0 (état initial, en avant
du front de taille) à 1 (état complètement déconfiné, loin en arrière du front).
Au front de taille (x=0), le tiers du déplacement radial à l'infini Ur s'est déjà produit,
Ur (0) = Ur/3…………2.6
40
2.5.3 Application de la méthode convergence-confinement en calcul numérique
Jean (2012) a fait un calage du calcul 2D sur celui 3D pour la cuvette de tassement et celle
de l’allure de l’inclinomètre figure 2.14.a et figure 2.14.b
Figure 2.14.a Calage du calcul 2D sur celui 3D – cuvette de tassement Jean p (2012).
41
Figure 2.14.b Calage du calcul 2D sur celui 3D –allure de l’inclinomètre Jean p (2012).
42
La figure 2.16 présente la réponse du modèle numérique évaluée en termes de déplacements
horizontaux en surface
43
2.6 Dommages et désordres subis par les constructions
2.6.1 Comportement des bâtis vis-à-vis de déformation du terrain
44
2.6.2 Méthodes d’estimation des dommages
Pour estimer les dommages induits par les mouvements de terrains sur bâtis,
plusieurs méthodes ont été réalisées permettant de définir les zones et le degré de
dégradation. Bromay Hor en 2012 a cité plusieurs méthodes.
La plus ancienne méthode, présentée par le National Coal Board (NCB, 1975)
suppose que le bâti n’a aucun effet sur la prévision des mouvements de terrain ; les
paramètres de dommage sont donc évalués à partir des mouvements en terrain vierge.
La méthode NCB permet une estimation des dégradations basée sur la longueur de
l’ouvrage et la déformation horizontale du terrain (figure 2.18)
45
imposée sur une poutre simple. Cela suppose que la poutre déviée est soumise à de
l’extension uniforme sur la totalité de sa hauteur.
β=L/2R terrain
46
2.6.3 Classification des dommages en fonction de la facilité de réparation (l’AFTES)
Dans le même objectif (L’évaluation des risques des dommages des bâtis), une
classification des dommages en fonction de la facilité de réparation a adopté pour les
ouvrages en maçonnerie, cette classification est adaptée pour les principales constructions
en milieu urbain.
Catégorie
Degré de
des Description du dommage
sévérité
dommage
Tableau 2.6.1 classification des dommages (Burland, 1995, cité par AFTES, 1995)
47
2.6.3.2 Classification des dégradations (Deck, 2002)
Conclusion
Dans ce chapitre nous avons conclus que les mouvements engendrés par le creusement
d’un tunnel sont liés à un phénomène complexe qui dépend de la nature du sol, des
méthodes de creusement et de la géométrie de l’ouvrage à réaliser.
Les observations faites sur différentes chantiers montrent que la cuvette transversale de
tassement peut être généralement très bien décrite par la courbe de Gauss.
La courbe de Gausse est basée sur deux paramètres, i et Smax, qui varient
significativement en fonction du plusieurs facteurs, tels que :
La stratigraphie du massif.
La méthode de creusement.
La forme de la galerie etc.
48
Chapitre 3
Calcul numérique et comportement des sols
49
3. Calculs Numériques
50
En déformations planes, un tunnel peut alors être modélisé par sa section transversale ou
longitudinale mais :
Dans la section transversale, le tunnel est supposé infiniment long dans la direction de
son axe.
Dans la section longitudinale, le tunnel est considéré comme une excavation de longueur
infinie.
51
La figure 3.4 présente un maillage en 2D axisymétrique utilisé en simulation numérique
de creusement d’un tunnel.
53
3.2.2 Comportement plastique
Le comportement plastique est celui d’un corps solide qui prend des déformations
permanentes sans se fissurer, c.à.d. sans disparition de la cohésion le long de certaines
surfaces. On admet en général que ces déformations permanentes se produisent à partir
d’un certain seuil de contrainte, dit seuil de plasticité ou limite d’élasticité.
C’est la loi de comportement la plus utilisée dans les calculs de projet de tunnel et
en mécanique des sols en général. Ce type de comportement (élastique linéaire
parfaitement plastique avec un critère de rupture de type Mohr-Coulomb) présente
l’avantage de définir le comportement du sol par le biais de seulement 5 paramètres :
Deux paramètres pour définir la phase élastique, le module de Young (E) et l’angle de
frottement (ϕ)
Trois paramètres pour définir le critère de plasticité, la cohésion (c), l’angle de dilatance
(ψ) et le coefficient de Poisson (υ).
Ces paramètres sont identifiés à partir d’essais expérimentaux. Le module d’Young (E)
correspond à la pente de la courbe contrainte déviatorique déformation axiale. La pente
initiale de la courbe déformation volumique-déformation axiale conduit à la détermination
du module de Poisson (ν) et la pente plastique de cette courbe détermine l’angle de la
dilatance (ψ). Les deux paramètres plastiques (c, φ) se déterminent à partir du seuil
plastique atteint.
54
La figure 3.9 présente le critère de Mohr-Colomb dans l’espace des contraintes
Figure 3.9 Critère de Mohr-Coulomb dans l’espace des contraintes (σ1, σ3) lorsque
σ2 est la contrainte intermédiaire
3.2.4 Hook-Brown
C’est un critère de plasticité adapté aux roches qui a été présenté en 1980 par Hoek
et Brown.
σ 𝑎
Il s’écrit sou la forme : f= σ1 – σ3 – σ𝑐𝑖 (mb σ 3 + 𝑠) =0
𝑐𝑖
Avec :
𝛔𝒄𝒊 La résistance en compression simple de la roche saine
s un paramètre définissant le degré de fissuration il s’écrit :
𝑮𝑺𝑰−𝟏𝟎𝟎
s=exp( )
𝟗−𝟑𝑫
𝑮𝑺𝑰−𝟏𝟎𝟎
mb=exp( 𝟐𝟖−𝟏𝟒𝑫 )
𝟏 𝟏 −𝑮𝑺𝑰 −𝟐𝟎
a= 𝟐 + 𝟔[exp( )- exp( )]
𝟏𝟓 𝟑
55
Fonction de forme présentation dans l’espace des contraintes
Ce modèle s’appuie sur les modèles à double écrouissage développé par Schanz et
al. [1999] (cité par Jean-Pierre JANIN 2012). Le critère plastique adopté est celui de
Mohr-Coulomb (MC). Un écrouissage plastique avant la rupture est pris en compte au lieu
du comportement purement élastique supposé dans le modèle MC.
56
Figure 3.12 Courbe hyperbolique pour la relation contrainte-déformation
(Schanz et al 1999)
𝑟𝑒𝑓
𝐸50 : Module sécant dans un essai triaxial qui caractérisant le cisaillement.
𝑟𝑒𝑓
𝐸𝑜𝑒𝑑 : Module d’Young oedométrique
3) Paramètres avancés
𝜈𝑢𝑟 : Coefficient de Poisson en déchargement-rechargement (0,2 par défaut)
𝑃𝑟𝑒𝑓 : Pression de confinement de référence (100 kPa par défaut)
𝐾0𝑛𝑐 : K0 dans le cas de consolidation normale (𝐾0𝑛𝑐 =1- sinφ', par défaut)
𝑅𝑓 : rapport d’approchement de la rupture q 𝑓 /q 𝑎 (0,9 par défaut)
57
Figure 3.13 Visualisation de concept derrière le modèle joint de roche (manuel de
plaxis)
Figure 3.14 Cuvette de tassement d’une section modélisée par PLAXIS (HEJAZI
Yousef 2010)
58
D’après la figure 3.14 tous les modèles aboutissent à des cuvettes de tassements d’une
forme identique à une distribution de Gauss a l’exception du modèle MC et qui a donné
des tassements plus importants (sauf a l’axe de tunnel).
La figure 3.15 présente la réponse du modèle évaluée en termes de déplacements
horizontaux.
Figure 3.15 Déplacements latéraux surface d’une section modélisée par PLAXIS
(HEJAZI Yousef 2010)
D’après la figure 3.15 nous constatons que les déplacements latéraux obtenus par les
différents modèles de comportement varient d’un modèle à l’autre et le modèle MC
s’éloigne des autres modèles avec les valeurs les plus élevées.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous nous sommes intéressés à la formulation de lois de comportement
et les différentes modèles numériques utilisés en Plaxis. Les principales conclusions sont
les suivantes :
Un modèle numérique des éléments finis est encore très complexe à cause de la
géométrie variable et le nombre des paramètres géotechniques considérés.
L’utilisation des méthodes numériques est primordiale en calcul géotechnique car ils
permettent de calculer le champ de déplacements et de contraintes en tout point du massif
et de prendre en compte divers facteurs en basant sur la discrétisation du problème en
éléments finis, contrairement aux méthodes analytiques qui sont des outils d’analyse utiles
mais présentent des limitations d’application à cause des hypothèses restrictives sur
lesquelles les formulations se basent.
59
Chapitre 4
60
4 Présentation de la station Ali Boumendjel
Ce travail consiste en l’étude d’une station de métro d’Alger (station Ali
Boumenjel), elle fait partie d’un tronçon de la ligne 1 correspondant à l’extension A -
Place Emir Abdelkader - Place des Martyrs Figure 4.1. Ce tronçon comprend un tunnel,
deux puits de ventilation et une autre station (Place de Martyrs) d’une longueur totale
d’environ 1685 m.
Le creusement a été entrepris en Octobre 2011 par l’excavation de la galerie transversale
d’attaque de la station Ali Boumendjel, l’achèvement total du creusement et la mise en place
des revêtements permanents était en Octobre 2013.
La figure 4.2 présente une vue aérienne du tracé Ali Boumendjel-place des martyres et
elle montre que le tracé de cette ligne traverse une zone très urbanisée ou il existent
beaucoup d’equipement administratifs.
.
Figure 4.2 Vue aérienne du tracé Ali Boumendjel-place des martyres
61
4.1 Données géologiques et géotechniques
De nombreuses reconnaissances ont été effectuées en prévision de la réalisation de
projet de métro d’Alger, les études pour l'exécution du projet ont débuté en Novembre
2009 par l'analyse des éléments existants, desquels font partie l'étude géotechnique et
reconnaissance des réseaux pour la Ligne 1- Étape 1 réalisée en Août 1984.
Une campagne des travaux de prospection complémentaire a commencé en Février 2010,
composée par des sondages mécaniques de rotation avec des essais in situ et par des essais
de laboratoire sur des échantillons "intacts" prélevés dans les sols de couverture et sur des
échantillons de carottes de roche du substratum rocheux.
Le rapport géologique et géotechnique montre que la station traverse une unité géologique
composée principalement des schistes à séricites avec intercalations de niveaux gréseux
carbonatés (figure 4.3).
Figure 4.3 Coupe géologique du massif traversé par la station Ali Boumendjel
62
4.2 Réalisation de la station Ali Boumendjel
La figure 4.5 présente une photo de la galerie de l’accès de la mosquée Ibn Badis (phase1).
63
a) phasage exécutif général (phases 1 à 6)
La Figure 4.8 photos d’une section creusée de la galerie latérale Nord (phase3)
65
4.2.2 Présentation de la section étudiée (coupe A-A)
Vue l’importance des déformations enrégistrée au niveau de cette séction elle a été
retennue pour l’analyse et la simmulation numérique, la figure 4.9 présentent une vue au
plan d’une partie instrumentée de la station.
Figure 4.9 Station Ali Boumendjel vue au plan (NEF Nord, coupe A-A)
Figure 4.10 Station Ali Boumendjel vue aerienne (NEF Nord, coupe A-A)
66
Figure 4.11 Station Ali Boumendjel plan général d’auscultation
67
La figure 4.12 présente deux coupes (longitudinale et transversale) de cette section.
68
4.3 Modélisation numérique
La modélisation a été réalisée sur la section retenue (figure 4.14) en deux dimensions
en utilisant le modèle de comportement de Mohr-coulomb.
La taille du modèle a été fixée à 140 m de largeur et 80 m de profondeur afin d’éviter les
effets de bord.
γh sat
(kN/m2) E C
Formations (kN/m2)
(MPa) (kPa) (°)
ν
Re (Remblais) 20 21 30 0,3 1 30
Sa 22 23 300 0,25 70 20
Sb 23 24 500 0,25 150 25
69
Etant donné qu’il y a deux éléments (cintres et béton projeté), il est approprié d’utiliser
une rigidité flexionnelle et normale équivalente.
EAeq = EbAb +(Ecin/E1) Eb*Acin/d
EAeq = EbAb +(Ecin/Eb− 1) Eb*Acin/d
EIeq
EI = EbIb +(Ecin/Eb− 1) Eb*Icin/d
eq = EbIb +(Ecin/Eb− 1) Eb*Icin/d
Phase 0 initiation des contraintes (procédure K0) ; on détermine les contraintes effectives
initiales.
Phase 1 phase initiale (creusement de la galerie latérale Nord), le creusement de la galerie
est simulé par l’élimination du terrain qui se trouve à l’intérieur du tunnel
Phase 2 activation du soutènement de la galerie latérale Nord.
Phase 3 Elargissement de la section supérieur de la calotte de station.
Phase 4 élargissement et soutènement de la section supérieur de la nef Nord, ainsi que
l’activation de radier provisoire.
Phase 5 élargissement et soutènement de la section supérieur de la nef Nord, ainsi que
l’activation de radier provisoire.
Phase 6 Excavation d’un mètre de stross et activation des tirants d’ancrages
Phase 7 Excavation de deux mètres de stross et activation de deux boulons et de
soutènement.
Phase 8 Excavation de deux mètres de stross et activation de deux boulons et de
soutènement.
Phase 9 Excavation de 2,1 mètres de stross et mise en place du soutènement de la stross.
70
La figure 4.15 montre le maillage du modèle qui contient 1050 éléments et 8798 nœuds.
La figure 4.16 montre les contraintes initiales en prenant les valeurs de K0 par défaut.
71
4.3.3 Analyse et comparaison du deplacement vertical au niveau de la clé de voûte
Tassement en surface
Les résultats obtenus figure 4.19.b montrent que le tassement maximum en surface est de
56 mm et devient négligeable à une distance égale à 2,5D environ à partir de l’axe de
tunnel.
73
4.4 Étude paramétrique
Pour montrer l’effet de différents paramètres sur les résultats de calcul, on utilise le
même modèle de référence avec les mêmes données géométriques et on change les
paramètres un par un puis comparer les résultats avec ceux de référence.
Les paramètres variés dans notre étude sont le type de maillage, la mise en place de la
voute parapluie et la surcharge en surface.
Plaxis possède cinq niveaux de finesse globale : très grossier (Very coarse), grossier
(Coarse), moyen (Medium), fin (Fine), très fin (Very fine).
d) grossier c) Moyen
74
Le tableau 4.3 donne le nombre d’éléments et des nœuds pour les différents types de
maillage :
Tableau 4.3 nombre d’éléments et des nœuds pour les différents types de maillage
Pour montrer l’effet de maillage on a calculé les déplacements pour chaque niveau de
finesse
(Tableau 4.4). Nous constatons que le déplacement augmente avec la finesse de maillage.
Toutefois, la différence entre le type de maillage fin et très fin est négligeable, ce qui
justifie notre choix pour le type de maillage de référence.
Les figures de 4.21 à 4.24 présentent les mouvements verticaux pour chaque type de
maillages.
75
Dans cette phase le déplacement vertical enregistré est de 69,34 mm.
Pour montrer l’effet de la voute parapluie on a calculé les déplacements sans voute
puis avec voute.
77
4.4.3 Effet de la surcharge
Conclusion
Le type de maillage à un effet significatif sur les résultats de calcul, donc le choix de ce
dernier est très important.
La voute parapeluie limite les tassements au dessus de la clé mais son influence sur
les valeurs finales de déformations en surface se montre limités.
L’effet de la surcharge sur les déplacements est très important de l’ordre de (39%).
78
Conclusion générale
Ce travail de recherche a été entrepris dans le but d’approfondir nos connaissances
relatives aux excavations souterraines et leur effet sur les ouvrages en surface.
L’estimation des mouvements de terrains dus aux excavations peut être effectuée par les
méthodes empiriques ou par la méthode des éléments finis.
Le type de maillage à un effet significatif sur les résultats des calculs, donc le choix de
ce dernier est très important.
Les résultats obtenus montrent que l’effet de la voûte parapeluie sur les valeurs de
déformations se montre limités. Ceci se justifie par le fait que ces éléments ont un role de
présuport contre les discontinuités du massif, leur faible inclinaison (8 degré) rend leur
effet minime. Ce résultat est en accord avec celui présenté par Jean, 2012.
Perspectives
Dans le cadre du sujet abordé, les perspectives envisagées sont :
79
Références bibliographiques
Ardie P., (thèse 2004). Modélisation des déformations différées lors du creusement des
tunnels Thèse de doctorat de L’école Centrale De Lyon.
Deck, O. (2002). "Etude des conséquences des affaissements miniers sur le bâti :
proposition
Pour une méthodologie d'évaluation de la vulnérabilité du bâti,", Institut National
Polytechnique de Lorraine, France.
Emilie V., (thèse 2006). Impact de la construction de tunnels urbains Sur les mouvements
de sol et le bâti existant Incidence du mode de pressurisation du front. Thèse de doctorat
de L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon.
80
François M., (thèse 2007). Apport Des Lois D’endommagement Continues Pour La
Conception Des Ouvrages Souterrains Et La Hiérarchisation Des Comportements
Rocheux. Thèse de doctorat de l’ENS Cachan.
François M., D’adrien S., (2012). Mécanique des Roches et Travaux Souterrains, Cours
et exercices corrigés. Huitième édition, ENS Cachan.
Jamal I., (thèse 2007). Accidents géotechniques des ouvrages souterrains - méthodes analytiques
pour le retour d’expérience et la modélisation numérique. Thèse de doctorat de l’Ecole des mines
de nancy.
Jean-Pierre J., (thèse 2012). Tunnels en milieu urbain : Prévisions des tassements avec
prise en compte des effets des pré-soutènements (renforcement du front de taille et voûte-
parapluie). Thèse de doctorat de L’institut national des sciences appliquées de Lyon.
Jean-François S., Jean-Pierre J., (2002). Analyse et prévision des tassements de surface
pendant le creusement de tunnel nord de la traversée de Toulon. Bulletin des laboratoires
des ponts et chaussées, 237, Mars-Avril 2002
Hassan A., Isam S., (2007). Analyse tridimensionnelle de l’interaction Dynamique sol-
micro pieux-structure Influence des non linéarités de sol et de l’interface. Laboratoire de
Mécanique de Lille, Université des Sciences et Technologies de Lille (USTL) Polytech-
Lille – 59 655 Villeneuve d’Ascq cedex, France.
Hejazi Y., (thèse 2010). Influence de la prise en compte des modules en petites
déformations des sols sur la modélisation numérique d’ouvrages géotechniques. Thèse de
doctorat de L’INSA de Lyon.
Kitchah F., (Mémoire 2012). Etude numérique de la stabilité d’une section du Tunnel
T4 de l’autoroute Est-Ouest. Mémoire de magistère de l’Université El Hadj Lakhdar –
Batna.
Maciej A., (2012). Modification des classifications géomécaniques pour les massifs
rocheux schisteux. Département des génies civil, géologique et des mines, école
polytechnique de Montréal.
Demidem M., (2009). Contribution A L’analyse Des Tunnels Par La Méthode Des
Eléments Finis. SBEIDCO – 1st International Conference on Sustainable Built
Environment Infrastructures in Developing Countries ENSET Oran (Algeria).
81
Michel D., (1997). Introduction aux éléments finis. L’école polytechnique fédérale de
Lausanne.
Mohammad A., (thèse 2001). Étude du comportement différé des sols et Ouvrages
géotechniques. Thèse de doctorat de L’université Joseph Fourier – Grenoble I
Mehdi K., (thèse 2007). Le Comportement Transitoire Des Capitées Salines Profondes.
Thèse de doctorat de L’école Polytechnique
Mahmoud A., (2011). Investigation Of Tunnel Face Stability And Ground Movements
Using Transparent Soil Models. Polytechnic Institute of New York University.
Nasser A., (1996). Contribution à l'étude des problèmes de déchargement dans les massifs
de sol Application à la modélisation des ouvrages de soutènement. De L 'Ecole Nationale
Des Ponts Et Chaussées
Ismael H., (thèse 2007). Analyse comportementale aux Eléments Finis De la maçonnerie
en tant que revêtement des tunnels anciens. Application à la construction des niches de
protection de personnel. Universita politécnica de catalunia.
Geraldine F., (thèse 2005). Fluage et endommagement des roches argileuses, Evolution
de la microstructure et modélisation phénoménologique. Thèse de doctorat de L’université
Joseph Fourier-Grenoble I.
Peck R.B. (1969). Deep excavations and tunnelling in soft ground. In Proceeding of the
7th International Conference on Soil Mechanism Foundation Engineering, 1969, Mexico,
vol. 3, pp.255-290.
Phuong Duy N., (thèse 2003). Modélisation numérique des soutènements d’excavations.
Thèse de doctorat de L’école national des ponts et chausses.
PLAXIS, 2010, (2010). Finite Element Code for Soil and Rock Analyses, 2D version
2010. Material Models Manual.
Richard F., Jean-François L., (2007).Analyse des déformations d’un tunnel ferroviaire
(Somport, Pyrénées Atlantiques). Université Bordeaux 1, Centre de Développement des
Géosciences Appliquées, 25e rencontres de l’AUGC, 23-25 mai 2007, Bordeaux.
Sinou P., Dejean M. (1978). Les types de tiges de soutènement et leurs accessoires. Le
matériel de pose. Revue industrie minérale mine 5-77, janvier 1978
82
Sylviane B., (thèse 1996). Modélisation du creusement d’un tunnel en terrain meuble.
Qualification sur chantier expérimental. Thèse de doctorat de L’école centrale de layon.
Sylvain P., Aurelio M., (2006). Considérations sur l’interaction sol-structure dans le
domaine des tranchées. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne.
Sylvain P., (2004). Influence du comportement plastique de la structure sur l’état limite
ultime dans les problèmes d’interaction sol-structure.
Sotirios V., (thèse 2007). Back-analysis Methods for Optimal Tunnel Design. Virginia
Polytechnic Institute and State University
Thanh Loc N., (thèse 2008). Étude Expérimentale De La Loi D’écoulement De Matériaux
Anisotropes Transverses. Thèse de doctorat de Laboratoire Central des Ponts et
Chaussées
The Manhvu, (thèse 2010). Comportement des tunnels en terrains téctonisés -Application
à la liaison ferroviaire Lyon-Turin. Thèse de doctorat de l’Ecole des Ponts Paris Tech
Woosung K., Sangeun L., Kwanghyun H., (2008). A study by means of numerical
analysis on the excavation of tunnel portal zone located at high steep slope (World Tunnel
Congress 2008).
83
84