Lamaîtrise des risques :

une approche indispensabledans le développementdes études de tunnelsen terrains diffÏciles(l)

L'étude et la construction de tunnels longs et profonds et detunnels en milieu urbain sont souvent associées au risquedérivant de la non conformité des informationsgéotechniques, d'un choix non adéquat de la méthodologiede construction et des incidents potentiels pendant laconstruction. La gestion de la plupart des risques peut avoirlieu à travers l'utilisation d'un Plan de gestion du risque (RiskManagement PIan, RMP). Le RMP identifie et quantifie lesrisques et les problèmes, en sélectionnant et mettant enaction les mesures pour mitiger et contrôler les risques etindique s'il existe un risque résiduel qui devra être partagéentre les sujets impliqués dans le projet. Le système d'aide àla décision pour les tunnels DAT (Decision Aids forTunnelling),logiciel de support au processus de décisiondans l'étude des tunnels et partie intégrante de l'analyse desrisques, est utilisé pour simuler, de façon probabiliste, leprocessus de la construction en soutemain. Les résultats duDAT illustrent les effets des incertitudes liées à la géologie, àla méthode de construction, etc., en termes de temps et coûtspour les différentes solutions alternatives. La discussion duprocessus de développement d'un RMP est suivie parl'application des concepts de RMP à deux projets pris commeexemple : 1) le tunnel de base Maurienne-Ambin faisantpartie de la liaison ferroviaire Lyon-Turin et 2) les tunnelsdes lignes C et S du métro de Porto au Portugal. Les résultatsdémontrent que le processus de gestion du risque est uninstrument d'ingénierie pratique qui peut être appliqué auxétudes de tunnels garantissant des résultats satisfaisants etdes bénéfices en ce qui concerne temps, coûts et sécurité.

The design and construction of both long and deep tunnels and urbantunnels are frequently associated with many risks due to poor geologicalinformation, inappropriate selection of the construction methods andpotential accidents during construction. The implementation of a RiskManagement PIan, RMP, can be very effective to manage such risks.The aim of a RMP is to identify the potential hazards, quantify therelative risks, and implement systematicaily adequate preventivemeasures to mitigate and/or control the identified risks, indicating if anyresidual risk could be shared among the shakeholders of the Project.The DAT (Decision Aids in Tunnelling) system is a computer-simulation program developed to support the decision-makingprocess for tunnelling projects and can be used as part of the riskanalysis process. DAT simulates, in a probabilistic way, the process ofunderground constructions. The results of DAT simulations can showthe effects of uncertainties due to geology, construction method , elc.,in terms of the overall construction time and costs for differentdesign-and-construction options considered for a given project.Following a general discussion on the process of developping aRMP, two case-histories are presented to illustrate the application ofthe concepts of the RMP : 1) the base tunnel Maurienne-Ambin thatis part of the new railway Lyon-Turin link and 2) the tunnels of theLines C and S of the Porto Light Metro in Portugal. The results haveshown that the process of risk management is an effectiveengineering tool that can be applied for developping largeunderground infrastructure projects, increasing greatly thepossibility of achieving the project goals especially with regards totime, coasts and safetv.

(1) Conférence invitée, prononcée lors de la séance spéciale du Comitéfrançais de mécanique des sols du 18 juin 2003.

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NDIR ; Les discusslons surCèt arti'Ctre sont ac'cei:ptéesjusqu'a u 7u' awil 20A5.

Risk management plan: a must-adoptapproach for tunnelling in difficult

conditions| {-,IL.,t(ol\-l+,I lrll-ot<

3REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 1094e trimestre 2004

EIntroduction

Les études des ouwages en souterrain ont suivi, tra-ditionnellement, une approche déterministe, basée surla gestion indirecte des risques potentiels à travers unesérie de décisions prédéterminées lors de l'étude. Enfait, la phase d'étude ainsi que la phase de constructionsont toujours caractérisées par un certain niveaud'incertitude, lié spécialement aux caractéristiques, à lavariabilité dans l'espace, au comportement du massifrocheux et au degré de connaissance de tels facteurs.

Malgré l'expérience, une certaine marge d'incerti-tude, et par conséquent le niveau de risque qui endérive, D€ pourra jamais être complètement évitée. Deplus, les conditions de connaissance de }a partie géolo-gique, source principale de risque du projet, ne sont passouvent les meilleures et la caractérisation du sol estinsuffisante pour de nombreux facteurs : difficulté etcomplexité géologique, profondeur du tunnel, limita-tions imposées aux fonds destinés aux auscultations,plan d'auscultation défini a priori par rapport à laméthode d'excavation, auscultations réalisées en uneseule phase plutôt qu'en tranches de façon à concentrerles auscultations dans les zones critiques, auscultationstrès limitées lors de la construction spécialement quandelles impliquent une interruption de l'avancement, sous-estimation des risques à la faveur d'une production éle-vée (Peltzza et Grasso, 1998). Pour toutes ces raisons, laréalisation d'un projet ne pourra jamais être considéréecomme un événement prédéterminé.

En considération de ces préambules, la direction àsuiwe est l'activation d'une gestion efficace du risque,accompagnée par une approche flexible dans les phasesd'étude et de construction. Cette direction s'est dessi-née progressivement au cours des dernières décennies :

- les années quatre-vingt sont encore caractérisées parl'absence d'une approche atfachée à la reconnaissance età la gestion du risque, surtout dans la phase de précons-truction. La gestion de f incertitude, surtout celle de naturegéologique, est réalisée à travers l'utilisation déterministedes classifications et les profils géologiques sont mis àjour, lors de Ia construction. Souvent les diftérences entreles conditions prévues et celles rencontrées ne sont passuffisamment gérées et les différences sont exacerbéespar l'insuffisance du confinement ou des techniques deconstruction. Cet ensemble de circonstances crée unmilieu idéal pour l'amplification de réclamatiohs ;

dans les années quatre-vingt-dix, les conceptsd'incertitude, de probabilité et d'évaluation du risquefurent introduits. La méthode observationnelle, propo-sée par Peck dès 1960, devient un procédé alternatifd'étude, basé sur le pilotage de la construction à tra-vers une auscultation attentive de paramètres clés,améliorée par l'activation de contre-mesures prédéfi-nies et l'éventuelle révision de l'étude ;

- dans }e nouveau millénaire, le projet flexible et la maî-trise des risques sont deux aspects qui s'intègrent dansle processus de développement du projet. La tolérancedu risque du maître d'ouwage est définie ; la vulnérabi-lité du projet est évaluée en relation avec les risques ren-contrés et un schéma de gestion du risque est développéparallèlement aux responsabilités pour la gestion et laréduction des risques résiduels. Non seulement maîtred'ouvrage et constructeur, mais également bureau

d'études et maître d'æuwe participent aux risques, sur-tout en ce qui concerne les contrats a clef en main >.

L'évolution décrite ci-dessus montre la prise deconscience croissante qu'un projet en souterrain nepeut être réalisé sans risques : les risques peuvent êtregérés, minimisés,, partagés, transférés ou simplementacceptés mais ils ne peuvent être ignorés.

EApproches pour la gestion du risque

ffiDéfinition

Il existe des événements qui peuvent être l'originedes éléments d'incertitude d'un projet. Ils sont associésà une probabilité (P) de se vérifier et à un impact (I), entermes de sécurité, temps et coûts. Le risque associé estgénéralement défini en littérature comme le produitentre la probabilité et l'impact : R - P x I.

I1 faut déterminer, pour chaque risque, le niveaud'acceptation qui permet de définir si le risque peutêtre assumé ou doit être diminu é, à travers l'utilisationde mesures aptes à réduire la probabilité, l'impact oules deux facteurs négatifs en même temps.

Le risque résiduel est défini comme le risque qui resteaprès la mise en æuvre des actions de réduction. Cerisque doit être lui aussi évalué pour son acceptabilité etcontrôlé au moyen de contre mesures définies à l'avance.

ffiLes origines du risque

Les risques principaux qui peuvent être rencontrésdans les ouvrages souterrains sont les suivants :

- risque géologique, lié à f insuffisance des informationsobtenues à travers la campagne de reconnaissances, à lacapacité de reconnaître le comportement du sol et d'enprévoir ses singularités (les tunnels longs et profonds etles barrages sont particulièrement vulnérables) ;

- risque d'étude, lié surtout à la difficulté du projet às'adapter aux conditions géomécaniques rencontréesréellement, aux défauts de construction, à l'expérience dubureau d'études ainsi qu'aux contraintes contractuelles ;

- risque de construction ,Iié au choix de techniques deconstruction non appropriées ou mal maîtrisées, auxphénomènes d'instabilité,, à l'expérience du construc-teur et aux contraintes contractuelles ;

- risques opérationnels liés aux défauts de fonctionne-ment et aux accidents ;

- risque financier, lié aux contraintes sociales et poli-tiques, à Ia non-acceptation des responsabilités, auxcontentieux. à la sécurité.

ffiLe plan de gestion du risque(Risk Mana gement Plan-RÀ,tP)

De nombreux et récents cas dans le monde ontdémontré que la gestion du risque peut être améliorée

4REVUE FRANçAIsE or cÉorucHNteuEN" 1094e Trimestre 2004

enormement par l'utilisation systématique et préalabledes techniques de risk management pendant l'étude ;plus son utilisation est mise en æuvre rapidement dèsle début de l'étude, plus les résultats sont appréciables.L'activation du système de gestion du risque assureune identification rapide des problèmes potentiels, lamise en æuvre de mesures appropriées de réductiondu risque et le contrôle et Ia répartition des risquesrésiduels entre les différentes parties qui prennent partau projet.

L'objectif est donc de minimiser Ie plus possibletous les risques identifiés à chaque phase de l'étude etde la construction, selon les informations disponibleset les décisions qui doivent être prises et de mettre enæuwe, pendant la réalisation, les mesures de réductiondu risque déterminées préventivement.

Le RMP doit être intégré dans chaque phase du pro-jet (étude, appel d'offres, contrat, construction, exploi-tation) et doit impliquer dans le processus toutes lesparties appelées en cause, pour éviter ou réduire lesrisques et répartir les responsabilités. Dans ce sens,l'approche d'un groupe qui incorpore différentes dis-ciplines et prospectives est fondamentale. De plus, il estessentiel que tous les < acteurs ) soient représentés :

maître d'ouvrage, maître d'æuvre, bureau d'études,entreprise de construction.

Le processus consiste en les phases suivantes (Chi-riotti, Grasso, 2002) :

- identification du risque, c'est-à-dire rédaction d'uneliste la plus exhaustive possible des risques potentiels ;

- quantification du risque, à travers l'évaluation de lapossibilité qu'il se manifeste et f impact sur le proj et ;

- assignation d'un ordre de priorité aux risques identi-fiés et sélection des risques qui dewont être repris enconsidération ultérieurement parce qu'inacceptables ;

- réduction du risque, si on ne peut l'éviter, en modi-fiant l'approche et la méthode de construction ;

- réévaluation du risque selon la mise en æuvre desmesures de réduction ;

* identification du risque résiduel en tenant compte dufait que, suite à f introduction des mesures de réduc-tion, la responsabilité de la gestion du risque résiduelpeut être attribuée à d'autre S ;

- définition des actions successives (contre mesures)nécessaires pour réduire ultérieurement le risque rési-duel si non acceptable ou pour en effectuer Ia gestion etle contrôle. Les risques qui ne pourront être atténuésdevront être également acceptés et gérés.

Le tableau I présente les composants d'un RMP àpartir des différents points de vue des participants. Lereste de l'article prend surtout en considération la pros-pective du bureau d'études.

ffiLidentification du risque

Dans la réalisation de grands ouvrages en souter-rain, la continuelle variabilité spatiale en termes destructures, de caractéristiques et de comportementgéotechnique et le niveau limité et ponctuel de connais-sances déterminent le niveau d'incertitudes le plusélevé qui caractérise le projet.

ffiSchémadespointsimportantsdelagestiondurisque,enfonctiondesdifférentspointsdevue(modifié par Clayton, 2001).Scheme of the relevant aspects for the risk management process, according to the different points of view(modified by Clayton, 2001).

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Définir les objectifs du projet etles exigences.

Etablir la tolérance du maîtred'ouvrage au risque, aussi bienpour le degré d'incertitude quepour le niveau de risque àprendre.

Activer la procédure de gestiondu risque en phase d'étude.

Estimer ia vulnérabilité du projetau risqu€ : géotechnique, finan-cier, de l'environnement, de lasanté, et de la sécurité (recours àdes experts).

Identifier comment, quand, et parqui les risques seront gérés.

Définir ies contrats en fonctionde la distribution des risquesacceptables et de façon à garan-tir le meilleur résultat écono-mique.

Assurer, avant le début des tra-vaux, ia mise en place de procé-dures efficaces de solution decontentieux.

S'assurer qu'un RMP est adoptépar le bureau d'études et l'entre-prise.

Identifier les exigences de base du maître d'ouvrage et la tolé-rance aux risques.

Identifier les risques au stade des études préalables [étab]irune liste).

Utiliser les techniques d'analyse des risques pour identifier,quantifier les risques et les placer en ordre de priorité.

Définir une campagne d'auscultations adéquate au niveau desrisques géotechniques du projet.

Adopter une stratégie pour l'étude et une méthodologie deconstruction aptes à gérer les incertitudes en atténuant lesrisques non acceptables, selon les critères de : réduction del'incertitude, simplicité et fiabilité de la solution de construc-tion, et conformité à l'état de l'art.

Reconnaître que l'approche déterministe peut être souventpeu précise.

Préférer une analyse de sensibilité et une analyse probabiliste.

Pour chaque mécanisme critique clef, définir plus d'une stra-tégie de défense (contre mesures).

Anticiper les contrôles et les auscultations lors de la construc-tion.

Quand c'est possible, avoir recours à l'étude flexible, trans-former les auscultations des paramètres et les événementsciés en pivot de la méthode observationnelle.

Compléter la liste des risques (y compris les risques résiduels)et communiquer cette liste au maître d'ouvrage et à l'entre-prise.

Activer les procédures de gestiondu risque le plus tôt possible, déjàau stade de l'appel d'offres et dela néoociation du contrat.

Créer une liste des risques nonencore identifiés/indiqués par lemaître d'ouvrage ou le bureaud'études.

Si le contrat est du type étude etconstruction, revoir les risquesgéologiques et soigner la récoltede données in situ.

Observer, contrôler, enregistrerle comportement de la structurelors de la construction.

Fournir les données au bureaud'études et interagir pour identi-fier les points critiques et, sinécessaire. modifier Ies méthodo-logies de construction et l'étudeelle-même.

5REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 1094e TrimesTre 2004

Le processus d'identification du risque, surtout géo-logique-géotechnique, doit passer à travers un par-cours structuré et systématique (Chiriotti, Grasso, 2002)composé de :

- la création d'un groupe de spécialistes proportionnéaux dimensions et à la complexité du projet;

- la récolte de données publiées ou non sur les condi-tions géologiques régionales et locales, y compris pho-tos de satellite et photos aériennes. Ces données four-nissent des informations importantes sur les structureset les contacts principaux qui dewont, même en phaseinitiale, être localement vérifiés et détaillés à travers letravail sur place et successivement supportés par unecampagne de reconnaissance adéqu ate ;

- la production d'un modèle géologique et estimationdes conditions de terrain les plus probables et de leurvariabilité relative ;

- f identification des techniques possibles de construction;

- l'utilisation du travail de groupe entre experts et miseen valeur d'expériences précédentes pour l'identifica-tion des risques, au moyen de listes de contrôle, heu-ristique, software de risque s, rock engineering systemde Hudson, etc. ;

- la préparation d'un registre formel des risques quidoit être utilisé comme base de données pour la défi-nition de la solution alternative optimale.

ffiQuantification du risque

Quantifier un risque signifie en évaluer les compo-sants, c'est-à-dire la probabilité et l'impact en termesde sécurité, temps et coûts. Dans le domaine desouvrages en soutemain, la quantification du risque sebase sur un ensemble d'approches analytiques (statis-tique) et d'opinions d'experts.

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Exemples de quantification du risqueselon les opinions d'experts

La quantification à travers les opinions d'expertsdevient nécessaire quand la nature et le nombre de don-nées ne sont pas propices à des élaborations statistiquesou quand l'analyse statistique des données ne peut iden-tifier des problèmes spécifiques (ex. localisation de faillesou d'incidents géologiques). Dans ce cas, l'expériencepermet de quantifier, même de façon simplifiée, les com-posants de probabilité (P) et d'impact (I) selon une échellede valeur comme celle reportée dans le tableau II.

ilii:fj;lttiA\iiij:,T,,ffinffiAi:Exempledevaleurdelaprobabilitéd'un événement (a) et de l'impactd'un événement (b).Example of probability (a) and impact(b) ratings of hazards.

Très probableProbable

Peu probableImprobableNégligeable

Très élevét4t .

h,leveMoyen

BasTrès bas

Il est évident que les échelles de valeur sonttypiques du projet, car elles en respectent les obliga-tions et les limites.

Le risque R est défini comme le produit de P et I etles résultats sont présentés dans la colonne 1 dutableau III. Pour définir le degré de valeur de ce mêmetableau, il est important d'y intéresser aussi le maîtred'ouwage (ou l'entreprise/opérateur, en cas de contratclef en main) afin de refléter directement la tolérancedu risque.

Associer un niveau de risque à chacun des risquesidentifiés permet d'obtenir une classification et de dis-cerner les risques qui doivent être minimisés desrisques qui doivent être acceptés.

frttittiii:ia'i!Ë.iA i,fu Exemp-l: d'é.,he,lle de valeur du risqueassociê à un évênement.Example of risk rating associated to hazards.

17 -25 Les travaux ne peuvent com-mencer avant que le risque n'aitété réduit. Si le risque ne peutêtre réduit, on pourrait devoirarrêter le projet.

13-16 La construction ne peut com-mencer avant que le risque nesoit réduit. Les solutions pourles risques existent mais néces-sitent d'autres ressources.

9-12 Les travaux peuvent commen-cer et progresser jusqu'aumoment où les contre mesuresdewont être prises.

Les travaux ne subissent pas deretard appréciable. Considérerdes solutions avec coûts ootimi-sés.

Insignifiant Aucune

itÊ"t#itfiffiffii,':iti!Ëj,7:ituii,t,ï,W.

Exemples de quantification probabiliste du risque

La quantification à travers des approches analy-tiques, comme l'approche statistique, permet une éva-luation moins qualitative aussi bien de la probabilitéque de l'impact.

Les lois statistiques permettent d'associer à diffé-rents éléments, discrets et continus, une distributionprobabiliste. On peut prendre l'exemple des para-mètres de classification et de géomécanique des mas-sifs rocheux (Kalamaras, 1996) définis à travers une dis-tribution gaussienne pour la résistance à lacompression mono-axiale, GSI, les modules de défor-mation, et une distribution exponentielle négative pourl'espacement des discontinuités, etc. En outre, la distri-bution de Poisson peut être utilisée pour définir la dis-tribution statistique d'évènements discrets tels que :

rencontrer une faille non prévue le long du tracé, unkarst,, un éboulement en surface ou l'instabilité dufront. L'exemple reporté dans la figure 1 montre le casd'un tunnel alpin de 20 km et l'étude de probabilité derencontrer des nappes qui amènent de l'eau dans letunnel.

5

432

1

5

43

2

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6REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 1094e trimestre 2004

Intoiérable

Substantiel

Significatif

Mineur

û)()4>3ct"où-ll-

{t}Ç)ç.s:'"ElJ-

Nomb r * d' *r ên*menis disclets

ii,f,f i#,,,,trr,i;y..,i:,nf,ffi.,,ffiÆi Représentation statistique de la probabilitéque se produise un événement : distributiondu nombre d'accidents géologiques d'unsegment en tunnel de 20 km de long définieselon le modèle de Poisson (Grasso et aI.,2OO7).Statistical representation of the probability of anevent : Poisson distribution of the number ofgeological accidents along a 2}km-long tunnel.

Les incertitudes géologiques qui caractérisent unprojet, mais également la vitesse d'avancement variableen fonction des différents facteurs humains et logis-tiques qui influencent typiquement le processus deconstruction, rendent impossible une prévision précisedes temps et des coûts. Ceux-ci varient toujours dansun certain intervalle. Par conséquent, l'impact d'unrisque en terme de durée et de cofit est représentablepar une loi statistique (Figs. 2A et 2B). De plus, puisquechaque coût total est associé à une durée, on peut repré-senter les informations contenues dans les figures 2A et2b sous la forme d'un nuage de points (Fig.2C).

Pour évaluer les conséquences économiques(impact) d'un événement discret périodique, on peututiliser une fonction exponentielle, au lieu d'une fonc-tion linéaire, pour exprimer les influences liées aux pro-blèmes logistiques, âu potentiel élevé de contentieux, àl'augmentation de l'impact politique et social en rela-tion avec la répétition de l'événement négatif dans ledomaine du projet.

L'utilisation de l'approche probabiliste en phased'étude permet, par exemple, d'évaluer si le système deconfinement choisi est fiable ou, mieux encore, de quan-tifier la probabilité d'instabilité et de vérifier si telle pro-babilité est acceptable . L'évaluation du support se basesur une évaluation de la distribution statistique de lamarge de sécurité (S), définie comme la différence entrela capacité (C) de confinement et Ia demande (D) et uti-lise, par exemple, la méthode bien connue de conver-gence-confinement. Elle se déroule de cette façon :

- définition du genre de données variables, aussi biendéterministes que probabilistes ;

- évaluation de la variabilité des paramètres géoméca-niques (par exemple : résistance de la roche intacteGSI) et de construction (exemple : épaisseur du bétonfibré projeté, espace entre les boulons) et définition deleur loi de distribution la plus appropriée ;

- détermination de la matrice de corrélation entre lesparamètres, en utilisant les corrélations connues entreles paramètres géomécaniques et en définissant les

ç.O

o:t-ctËo()o?.gç.oâ (c)

ôofrr total de construction

'Éif#!i!ffiiiÉ#,.9!,,,ffirf!.,W#ffili Repré s entation stati stique d' imp act entermes de temps et cofits (Einstein et aI.,7992).Statistical representation of the impact in termsof time and costs (Eistein et a1.,1992).

corrélations appropriées entre paramètres géoméca-niques et paramètres de construction, par exemple,pour prendre en considération que la densité du sup-port est gouvernée par les conditions du massifrocheux au front ;

- incorporation des différentes sources d'incertitudedans la méthode d'analyse (dans ce cas , la méthodeconvergence/confinement) à travers la simulationMonte-Carlo ;

- chaque ensemble de valeurs déterminé de cette façonest introduit dans les fonctions pour déterminer lacapacité de soutènement et la courbe de réaction duterrain et est évalué au point d'intersection entre lesdeux fonctiohs ; ce point représente la condition d'équi-libre, c'est-à-dire la demande D du système en termesde pression interne ;

- la marge de sécurité (S) est évaluée comme la diffé-rence entre les capacités (C) du support (calculée avecles équations proposées par Hoek (1980) en considérantle poids gravitationnel de la zone plastique) et lademande D déterminée auparavant;

- la simulation est rép étée un nombre significatif de foisde façon à obtenir une distribution de la fonction (S)

avec une précision acceptable;Hypothèses :

- probabilité d'occurrence d'un événement particu-Iier = 0,1 % (défini dans la phase d'identification durisque) ;

- segment en tunnel de 20 km de long ;

- extension de l'événement : 10 m.

Une telle méthode a été appliquée, entre autres, aucas d'un tunnel ferroviaire en Amérique du Sud, ayantune section de 100 m2, une longueur de 7 km, une cou-verture entre 150 et 200 m (classes III-N de RMR trèsvariables). Le but était d'optimiser le système de soutè-nement, construit à l'origine avec béton fibré projeté etboulons et d'augmenter sa fiabilité en termes de sécu-rité, de contrôle du temps et des coûts (Russo et al.,1ege). l

REVUE FRANçAIsE oE cÉorrcHNtQUEN'109

4e trimestre 9004

toûts Délais

Le schéma des analyses réalisées est reporté enfigure 3a. La solution proposée comme alternativeconsiste en cintres d'acier et béton fibré projeté. Lafigure 3b montre les résultats en termes de distributioncumulative de la marge de sécurité pour les deux solu-tions de soutènement (originale et alternative). I1 est ànoter que le facteur de sécurité (CFS) pour la solutionoriginale est 1,2 comparé à 1,6 pour la solution alterna-tive, mais la probabilité d'instabilité se réduit du 20 %.

lJn autre exemple simple pour l'application del'approche probabiliste est illustré en figure 4. L'ana-lyse d'interaction convergence-confinement, combinéeavec une simulation Monte-Carlo, est utilisée pour ana-lyser et comparer différents scénarios de crise : insta-bilité totale avec le support de boulons (alternative A),

fissures dans le soutènement de cintres et de bétonprojeté (alternative B) pour définir les mesures d'étudeopportunes, en tant que variation de la capacité de sou-tien, pour faire face aux petites variations géologiques(Grass o et aI., 2001).

La variabilité des conditions géologiques est repré-sentée par la relation entre la résistance du massifrocheux et la contrainte initiale. Pour chaque couplerésistance-contrainte, l'analyse fournit la valeur de Iapression nécessaire pour l'équilibre et le nuage depoints de la figure 4 (a) en représente la distribution. Al'intérieur du champ d'application de chaque sectiontype, la simulation permet de discriminer des petitesvariations relatives aux conditions géologiques quidemandent une adaptation relative de la section type

t u rnu lative Probabrlittl l%11{i0

-fi.û5 fr.ri] û.ts &1a *.1$ û"2s

$efety Margin, $ [MPaJ b

Schéma des analyses (a) et distribution cumulative de Ia marge de sécurité (b) pour les solutions desoutènement de première phase originaire (béton projeté et boulons) et alternative (béton projeté etcintres) pour un tunnel ferroviaire (Russo et a1.,7999).Steps of the analysis (a) and cumulative distribution of the safety margin (b) related to the evaluation of potential failureof a railway tunnel considering both the original support system (bolts and shotcrete) and the alternative solution (ribsand shotcrete) (Russo et al., 1999).

IREVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN'1094e trimestre 2004

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Définition de la variation de la section type par rapport à une analyse probabiliste de l'interaction terrain-soutènement (a) et exemple de variation du coût pour différentes solutions (b) (Grasso et aI.,2OOl).Variation of the section type as a function of the probabilistic analysis of the soil-support interaction (a) and costvariation for different alternatives (b) (Grasso et a1.,2007).

upper co$t limit )hçavier ssctionvariation

frx ted cost

lawer rsst lirnitlighter ssctio

en terme d'allègement c'est-à-dire de renforcementrelatif. Les résultats des analyses sont montrés dans lafigure 4 (b) qui illustre la correspondance entre le typede la section du soutien (lourde, normale,légère) et soncoût relatif.

EUtilisation de systèmes intégratifspour l'analyse du risque I

le DAT

En 2001.,\e Département de génie civil et de l'envi-ronnement de l'université de Southampton, sponsori-sée par I'Institution of Civil Engineers in Londou, à menéune enquête sur les techniques de gestion du risquedans la pratique (Claytoh,, 2001).Des questionnairesfurent distribués à plus de 250 sociétés (bureauxd'études pour l'environnement et la géotechniqu€,entreprises générales, géotechniques et spécialisées enauscultations) ; seulement 28 % d'entre elles répondi-rent au questionnaire.

De l'analyse des questionnaires rendus, l'on observaque 90 % des sociétés pensent que les procédures degestion du risque dewaient faire partie du projet dès laphase préliminaire ; seulement 70 % suivent une pro-cédure de gestion du risque, tandis que 30 % utilisent,dans ce but, uo logiciel. II apparaît de plus que, parmiles sociétés consultées, les bureaux d'études géotech-niques sont ceux qui utilisent le moins les techniquesd'analyse et de gestion du risque, tandis que les plusgrands utilisateurs sont les grandes entreprises deconstruction.

Par conséquent, puisqu'il existe sur le marché unintérêt toujours plus marqué pour faire de l'analyse du

risque un composant habituel des différentes phasesde projet, il est essentiei de promouvoir cette approcheet de trouver les instruments capables de la supporter,,surtout quand il s'agit de grands projets.

A notre avis, le logiciel le plus efficace pour ]'ana-lyse du risque est le système appelé Decision Aids forTunnelling (DAT), développé par le Massachuseffs lnsti-tute of Technology (MIT) et l'Ecole polytechnique fédé-rale de Lausanne (EPFL). Le DAT a été utilisé par Geo-data dans de nombreux projets, ce qui a conduit à desdéveloppements ultérieurs du logiciel.

Le DAT permet de simuler le processus deconstruction en souterrain, de façon probabiliste. Lesdonnées d'entrée sont représentées par les conditionsgéologiques et les paramètres de construction le longdu tracé, leur degré de variabilité et donc d'incertitude,y compris l'évaluation des incertitudes dans le proces-sus décisionnel. Les résultats du DAT illustrent leseffets de la géologie, de la construction, en fournissantune distribution des temps et des coûts lors de la phasede construction.

Le système DAT permet de gérer et d'analyser lesdifférentes séquences de l'excavation, comme dans lecas de fronts multiples excavés en parallèle ou enséquen cê ; il permet de simuler la construction simul-tanée de plusieurs tunnels dans un même projet. Leséventuels retards et interruptions de travail peuventêtre également représentés (Grasso et aL.,2002).

Principes de base du DAT

Le DAT est constitué par deux modules principaux :

Ie module géologique et le module de construction(Einstein et aI., 1992; Grasso et a1.,2002c).

9REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N.1094e lrimestre2004

Le module de description de la géologie permet laproduction, de façon probabiliste, de profils géolo-giques et géotechniques sous la forme de classes géo-mécaniques le long du tracé de l'ouvrage. Le proces-sus consiste en :

1) subdivision du tunnel en segments ou zoneshomogènes selon les conditions géologiques ou géo-mécaniques. Les différentes longueurs de ces segmentspeuvent être définies au moyen d'une distribution tri-angulaire ;

2) définition des paramètres géologiques et géo-techniques qui contrôlent la méthode d'excavation etdéterminent le système de support, pour chaqu e zonehomogène, selon les différents paramètres possibles devariabilité et d'incertitude ;

3) fourniture d'une extension et d'une matrice detransition pour chaque paramètre ; de telles informa-tions sont utilisées pour simuler un profil possible pourchacun d'eux (par exemple, le paramètre ( granite Iplutôt que a schiste r) en termes de probabilité en fonc-tion de la distan ca ;

4) détermination, par la combinaison des différentsétats des paramètres, des profils des classes géoméca-niques qui sont, à leur tour, utilisés dans la simulationde la construction.

Le module simulation dans la construction met enrelation les simulations des profils de classes géoméca-niques et les catégories de comportement de l'excava-tion avec les classes techniques directement associéesaux différentes solutions de projet (section type, revê-tement de première phase et définitifs, méthode d'exca-vation). Les paramètres relatifs à la construction peu-vent être définis de manière probabiliste oudéterministe. Le niveau de détails des données enentrée et, par conséquent, la précision de Ia simulationdépendent des phases de développement du projet.

@D,etlnlton ofparameters statesand average statesextents for each zonê

@ Transltlon metrlx foreach zone

@ Coupling ofparameters stâtÊsc,smbinatlon with atechnicEl clase(ground class)

@ Detinlûon of tlme andcost diEtribution foreach activity

La simulation des opérations de réalisation se basesur la méthode Monte-Carlo et suit, pas à pas, le profilde classes géomécaniques déjà défini.

La procédure se répète pour chaque zone du profil ;

on arrive ainsi à une évaluation finale des coûts et délaiscorrespondant à ce profil. Le total des coûts et destemps pour chaque simulation constitue un point dansle diagramme ( nuage ) de la figure 2.La simulation estrépétée pour chaque profil généré par le module géo-logique. Pour obtenir un résultat statistique satisfaisant,il faut généralement réaliser plus de 300 simulations.

Le schéma général du système DAT est reportédans la figure 5.

ffiDomaines d'application

Le DAT peut être appliqué à toutes les phases du pro-jet, depuis l'étude de faisabilité jusqu'à l'étude de défini-tion particulière. C'est un instrument utile pour toutes lesparties (Maître d'ouwage, bureau d'études, entreprises).

Les domaines d'application du DAT embrassentl'analyse du risque géologique, de projet, de construc-tion, avec d'imporfantes applications en ce qui concerneles décisions financières et de développement descontrats. Les principaux domaines sont donc:

1) la définition du degré de précision des cam-pagnes d'auscultation requises pour respecter un cer-tain niveau de tolérance (Fig. 6a) ;

2) le choix des alternatives de projet (Fig. 6b) ;3) le choix des méthodes de construction plus

appropriées pour réduire le risque et pour évaluerl'efficacité des contre-mesures différentes pour la ges-tion des risques résiduels ;

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@ Definition ofadvancementdirectlonr concurrenland t or serialexcavation of faces

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i,iiititi,'.#,Ftr##.fÉa#,,Êi i Schéma général du système DAT (Russo et aI., 7997).General scheme of the DAT system (Russo et aI., 1997).

i:::.::'|i:j.ir:i!':||.i|:jii,.!|i.|.,i;i:i|::.i:.l''i:ii;.;l|:!:.|.

10REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN'1094e trimestre2})

Exemple de réduction de l'incertitude due à la phase des auscultations (a) et de comparaison entresolutiôns alternatives par rapport à la distribution (b) (Einstein et aL,7992).Qualitative example of reducing the effects of the geological uncertainties on time and cost with adequateinvestigations (a) and comparison between alternative solutions (b) (Einstein et a1.,1992).

4) l'évaluation de la durée totale d'un projet et descoûts relatifs ;

5) la simulation des scénarios de crise et d'impactsur temps et coûts ;

6) l'organisation financière d'un projet (division duprojet en lots, choix du contrat approprié à chaque lot;simulation du cash-flow lors de la réalisation) ;

7) l'organisation des travaux et la distribution desressources.

En ce qui concerne le point 6, l'introduction des gra-phiques probabilistes distance-délais permet des consi-dérations intéressantes (Grasso et al., 2001). La figure 7

permet d'identifier les zones caractérisées par le degréd'incertitudes le plus élevé, pour lesquelles il faut prévoirune intégration d'auscultations eVou le recours à des tech-niques d'excavation différentes afin de réduire le risque.Le même graphique, en termes financiers, fournit unebase réaliste pour dMser l'æuwe en lots, chacun desquelsétant confié à une entreprise avec contrat séparé qui tien-dra compte du niveau des risques gue chacun comporte.

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ifriiii:ili1,iiffii,rgryfiïifii{rItffi;i#tlii Représentation sur le plan distance-tempsde planning excavation et soutènementdéterministes et probabilistes.Probabilistic planning of excavation andsupport vs deterministic planning.

Tunnel de base Maurienne-AnbinffiCaractéristiques gënérales du projet

Le tunnel de base Maurienne-Ambin, de 52,6 km delong et 2 500 m de couverture maximale, représente, aupoint de vue de la durée de la construction et des inves-tissements, l'æuwe principale de la liaison ferroviaireà grande vitesse Lyon-Turin. Le tunnel traverse plu-sieurs formations rocheuses de sédimentaires (cal-caires, arénaires) à métamorphiques (gneiss, schistes,quartzites) . La campagne de reconnaissance du siteréalisée en 1990 indiquait que le projet était réalisable.Cependant, les nombreuses lacunes en ce qui concerneles parties géomécanique et hydrogéologique repré-sentaient une grande source d'incertitudes et derisques.

ffiLa nécessité de l'analyse du risque

L'étude, la construction et la mise en exercice d'untunnel long et profond comme celui de Maurienne-Ambin peuvent être associées à des risques considé-rables dus au manque d'informations géotechniques,au choix erroné de techniques de construction et auxincidents potentiels lors de la construction du tunnel.

Ces risques ont été quantifiés, grâce au DAT, de lafaçon suivante :

- quantification de f impact dû à l'effet combiné entre lerisque géologique, géomécanique et hydrogéologiquesur la durée et sur les coûts du projet ;

- identification le long du parcours des zones où lesestimations construction-planning peuvent être dépas-sées de façon significative à cause de l'effet combinédes risques géologiques ;

* identification de la configuration du projet et des alter-natives d'organisation associées au risque minimal ;

11REVUE FRANçAIsE oE cÉorEcuNreuE

N'1094e trimestre2)}4

- définition des zones qul demandent de nouvelles recon-naissances pour réduire }e risque de façon acceptable.

WCaractéristiques de I'analyse du risqueavec utilisation du DAT

Au moment de la réalisation de l'étude, le maîtred'ouvrage avait identifié plusieurs scénarios deconstruction, caractérisés par les divers emplacementsdes galeries de service, les séquences de construction,la division du lot et les techniques d'excavation.

Le DAT a permis de mener une étude comparativeprobabiliste des alternatives disponibles, en simulantla variabilité et f incertitude du modèle de référence.Principalement, l'analyse a permis :

- d'évaluer l'effet d'une galerie de service et de recon-naissance parallèle à l'axe du futur tunnel sur les coûtset la durée du projet;

- d'évaluer l'effet des venues d'eau dans le tunnel et lecoût relatif des pompages sur les coûts totaux et 1a

durée du projet ;

- de considérer Ia fiabilité des prévisions géologiqueset géomécaniques ;

- de développer le graphique probabiliste de dépenseslors de la réalisation des travaux de génie civil.

WDonnées

Le niveau de détails des données a engendré uneénorme quantité de données, la plus grande que leDAT avait gérée jusque-là (Bonnard et Gardel, Geo-data, 2000). Par contre , Ia simulation s'est avérée trèsréaliste (Grasso et a1.,2002).

Durct'ion (yecrs)

7

Le profil longitudinal a été divisé en 44 zones homo-gènes et l'on a introduit 17 zones connues a prioricomme problématiques au point de vue des caractéris-tiques géomécaniques, géologiques, hydrogéologiques(comportement du sol, instabilité locale dérivant descharges anisotropes, zones de nappe avec possibilitéde très grande perméabilité, venues d'eau...).

Les paramètres de construction comprennent : lesvitesses d'avancement et les coûts unitaires associés à laméthode de construction et à la section type de la zonedu tunnel ; l'organisation générale des travaux y com-pris les retards accumulés entre les différentes phases ;

les coûts fixes associés aux méthodes de constructioh;le nombre de jours de travail par semaine ; I'influencepénalisante sur les temps et les coûts des conditionsimprévues dans les zones problématiques.

Des séries répétées d'accidents géologiques àimpact minime ont été prises en considératioh,puisque, sur Ia base de l'expérience, ces accidents sem-blent être assez fréquents dans les tunnels longs et pro-fonds. Leur impact se réduit considérablement en casde réalisation d'une galerie de reconnaissance paral-lèle, grâce au drainage préventif que celle-ci exerce, àI'acquisition anticipée de données sur les conditionsgéologiques que le tunnel rencontrera et à la possibilitéde réaliser des traitements locaux du massif rocheuxavant l'excavation.

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Principaux résultats obtenus

Au total, 11 projets alternatifs ont été sélectionnéssur la base du schéma d'étude, de la séquence et de laméthode de construction, de l'approfondissement desauscultations de base. Pour chaque alternative consi-dérée, 500 simulations ont été réalisées.

Les analyses du risque, réalisées avec le DAT, mon-trent que les différentes alternatrves sont influencées

exemple:

Probabilité cumulative decornpléter le projet endéans 7ans

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caractêrisées par différents

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Exemple de résultat fourni par le DAT : comparaison entre des alternativesniveaux d'auscultations in situ (complet, cas A, et partiel, cas B).Example of DAT results: comparison between alternatives characterized by different(complete investigation, Case A, and partial investigation, Case B).

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",*iT,

12REVUE FRANçAIsE or cÉorccnNreuEN'1094e trimestre 2004

de façons très différentes par les conditions géolo-giques, géomécaniques, hydrogéologiques, en ce quiconcerne les temps et le corjt global du projet. L'exten-sion de la campagne de reconnaissance et le niveau desinformations récoltées, agissant sur le degré d'incerti-tude qui caractérise le problème, influencent la garantiede pouvoir déterminer raisonnablement la date de findes travaux (Fig. B).

Après évaluation du risque restant, les résultatsobtenus avec ce genre de simulation déterminent decombien les auscultations doivent être augmentéespour rendre le risque acceptable. Les analysesconduites ont mis en évidence trois zones critiques,deux sur le versant français et une sur le versant italien,qui requièrent la réalisation du même nombre de gale-ries de reconnaissance.

La figure 9 montre l'impact relatif d'un accidentimprévu en terme de temps et de coûts additionnels,de venues anormales et non contrôlées d'eau dansl'excavation (I , pas de galerie de reconnaissance ;

II: galerie de reconnaissance et tunnel ferroviaireconstruits en même temps ; III : galerie de reconnais-sance construite avant le tunnel ferroviaire). Ce gra-phique est également très important pour sélectionnerles alternatives et quantifier le risque résiduel associé.

La figure 10 illustre, pour un des lots, l'analyse com-parative de deux solutions sur le programme d'excava-tion et la mise en æuvre des soutènements de premièrephase. La première utilise complètement un tunnelier,la seconde la méthode traditionnelle. Ce type d'analysea permis de metfre en évidence la localisation des zonescritiques à l'intérieur d'un même lot (proportionnelles àla largeur de la bande de prévision) et de confronter leniveau de criticité des différents lots.

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Âdditiunal cssts frnlntive pËrçf ntafi *]

L'analyse du risque conduite pour le tunnel de baseLyon-Turin constitue dans son genre un cas unique enterme de détails des données des analyses et del'approche utilisée pour la modélisation. Ces deuxaspects ont permis la simulation réaliste du processusde construction, ainsi que la possibilité d'évaluerl'impact d'aspects tels que les venues d'eau et lesimprévus géologiques. De plus, les résultats ont permisde définir la division optimum des lots à construire etdes zones requérant des auscultations supplémentaires.

EExempleLr le métro de Porto

Caractéristiques générales du projet

Le métro de Porto (Portugal) est un système demétro léger qui se développe sur une longueur de70 km, à travers 7 municipalités. De ces 70 km , 20 sonten construction. La partie en soutemain est située dansla ville de Porto. Les tunnels pris en considération sontle tunnel d'environ B m de diamètre interne des lignesC et S, pour une longueur totale de 7 km, réalisés avecdeux tunneliers EPB-TBM Herrenknecht. Sur le tracése trouvent 10 stations souterraines. Pour les travauxde génie civil, le projet a été confié, par contrat DesignBui\d Operate Transfer, au consortium d'entreprisesinternationales Normetro, formé des sociétés Soares daCosta, Somague et Impregilo. La construction com-mencée en 1998 devrait se terminer en 2004.

Un système de soutènement unique a été utilisé surune longueur de 1400 m ; il a une épaisseur de 300 mm

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::iu1ri.1,t!7i..i,fi:,ii,i,,i;1i!;i:lr:,1t1:i;"i,$,ffi'1fi:tj'tj': Évaluation probabiliste, à travers la distribution de coûtsl'excavation, de l'impact d'incidents géologiques pourconsidération.Probabilistic evaluation of geological accidents on additional costs,inflow for three considered alternative solutions.

Alternative l: $an$ la galerie de reconnâissance

Alternative ll: galerie de reçannaissanceet tunnel principal construit en même ternps.

Alternative lll: tunnsl pilote construit avant letunnel principal

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additionnels, retards et venues d'eau danstrois différentes alternatives prises en

additional time and additional cumulative water

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13REVUE FRANçAISE DE GËOTECHNIQUE

N" 1094e trimesTre 2004

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It Alternative avec 3 fronts TBM

Alternative avec 1 TBM au frontouest de Vanaus

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I lleïôrs

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WProgrammesdetravail(excavationetsoutènementdepremièrephase)relatifsàdeuxalternativescomparées entre elles de façon probabiliste.Planning (excavation and support) of two alternatives compared in a probabilistic way.

et est constitué de 6 voussoirs préfabriqués en bétonarmé plus la clef, ce qui permet d'excaver avec unrayon minimum de courbure de 200 m.

La couverture moyenne varie entre 15 et 30 m, avecun minimum de 3 à 4 m dans le segment final du tunnelC, réalisé sous des bâtiments de valeur dans Ie centrede la ville . La nappe est localisée entre L0 et 25 m au-dessus du tunnel.

ffiCaractéristiques particulières du milieu urbain

Les caractéristiques du contexte dans lequel setrouve l'ouwage et qui requièrent une attention parti-culière pour identifier et contrôler les paramètres cléssont les suivantes :

- construction du métro dans un contexte urbain trèshabité, avec plus de L 700 bâtiments à l'intérieur de lazone influencée par les excavations ;

- risque géologique à la charge du consortium d'entre-prises. Le contexte géologique est complexe et com-posé de matériaux hétérogènes dans la formation du< granite de Porto l caractérisés par une variabilitérapide et imprévisible dans l'espace. Le profil d'altéra-tion du granite varie de sain à complètement altéré etest caractérisé par la présence de blocs préservés aux-

quels s'ajoutent des structures fragiles (failles), desintrusions pegmatitiques, des niveaux granulaires noncohérents. Ces derniers manifestent une structurethixotropique métastable à potentiel élevé d'effondre-ment due à la grande porosité et à Ia faible cohésiondes sols résiduels ;

- développement du projet en terme de paramètresmoyens insuffisants. Forte probabilité de changementdue à la variabilité des conditions au front de taille, avecdifficulté de contrôle et adaptation immédiate de lapression de stabilisation du front ;

- Ies terrains suivent un comportement élastoplastique fra-gile, conduisant à des effondrements brusques et imprévi-sibles en surface, si le front de taille n'est pas suffisammentsupporfé ou si une ( sur-extraction ) est permise ;

- le contexte hydrogéologique complexe est caractérisépar la présence de parcours préférentiels de communi-cation (naturels et artificiels) qui garantissent unerecharge rapide de l'aquifère. Un réseau de galerieshydrauliques préexistantes et une grande densité depuits le long du tracé influencent le flux souterrain(aussi bien en drainage qu'en recharge) et constituentune interférence avec l'excavation ;

- les fluctuations de la nappe (souvent rapides et locali-sées, dépendantes du taux de pluviosité de la région et durégime des canaux préférentiels) influencent la stabilitédu front de taille. Ce dernier influence lui-même la nappe,provoquant une variation locale des gradients hydrau-

14REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN"'1094e trimesïre2}}4

Iiques qui, si élevés, peuvent conduire àd'érosion interne dans les matériaux plus

. prévision ponctuelle des valeurs des paramètres clés;o simulation des scénarios possibles de crise et de pré-vision des contre mesures applicables et prédéfinies ausein de l'étude elle-même;o définition des procédures pour activer les contremesures à travers une campagne d'auscultations ;

- définition des données du projet (charge sur le revê-tement) à travers l'utilisation de méthodes empiriqueset probabilistes pour vérifier les résultats des analysesnumériques (Russo et a1.,2001).

Une mise à jour de l'analyse complète du risque a étéréalisée après le début de l'excavation, après avoir com-plété le segment initial du tunnel C et après que s'estmanifestée une criticité sérieuse dans le processus deconstruction. Pour en garantir l'efficacité, l'analyse durisque a été réalisée en utilisant une rc équipe de travail Iregroupant prospectives et disciplines de chaque acteur.

L'application d'une telle procédure a porté à l'inté-gration du RMP à travers les éléments suivants :

1) réduction des risques potentiels dans la phased'étude ;

2) adaptation de la façon d'opérer de I'EBP-TBM ;

3) ajustement des contre-mesures des risquespotentiels et résiduels lors de la construction ;

4) activation d'un protocole spécial pow I'avancementdu tunnel (PAT), Iien dynamigue entre projet et construc-tion et outil dans Ie processus de décision et réalisation.

ffiLe RÀ,lP dans la phase d'étu deavant la construction

L'objectif est de récupérer B mois de retard accu-mulés sur un total prévu de 33 mois et de trouver unesolution d'accélération au moyen du DAT.

Le tracé des tunnels des lignes C et S a été divisé ensegments homogènes au point de vue des modalités

Hypotèse de projet

(identification de la

un phénomènealtérés.

et la rëduction du

Le rôle de Geodata dans le projet était le suivant :

- développement de l'étude de construction des tunnels ;

- évaluation de l'impact sur la surfa ca ;

- gestion des auscultations et mise à jour du projet enconséquehce ;

- réduction du risque.Les analyses réalisées pour répondre aux demandes

du maître d'ouvrage et de I'entreprise illustrent Ianécessité de respecter les temps de consigne del'ouvrage et de réduire le risque dérivant de l'incerti-tude géologique et hydrogéologique, spécialement ence qui concerne l'impact sur le bâti et sur l'opinionpublique. Par conséquent, le RMP a été articulé à deuxniveaux lors de l'étude d'exécution.

1. Niveau de sélection des alternatives :

- caractérisation géomécanique basée sur les analysesstatistiques des données (Russo et a1.,2001) ;

- choix de la méthode d'excavation et planning desconstructions, selon les termes de référence du travailet de la sécurtté, au moyen du système DAT.

2. Niveau d'étude des solutions d'ingénierie :

- adoption d'un processus de réduction du risque danschaque phase de l'étude, en identifiant le niveau durisque, à travers le degré d'incertitude et de variabilitéassocié aux paramètres clés, en reportant les risquesjusqu'aux standards du projet et en communiquant lesrisques résiduels (Fig. 11a) ;

- définition d'une stratégie flexible (Fig. 1lb) pour trai-ter les inconnues et les incertitudes résiduelles quiconsistent principalement eD :

Flisqueinitial

Le RMP adopté pour l'analyse

@Wwltttv.ffilMWIAIIWw Ë.Y Htsoue

âtM^'.:W résiduel

PNOBABILffÉ

(a) (b)

* Schéma de la politique de réduction du risgue au stade de la conception (a) et de la stratégie de gestion durisque résiduel en cours d'æuwe (b).Scheme ofthe approach for reducing the risk at the design stage (a) and strategy for managing the residual risk duringconstruction (b).

nsque

@ solution et prévision de'"Rf réponse et des effets) h, !â.6rwruffiYw

nr_fcuftations Gontre mesures etOptimisations du projet

1sREVUE FRANçAIsE oe cÉorrcHNteuE

N" 1094e trimestre 2004

d'avancement. Pour représenter de façon réaliste leprocessus d'excavation, la simulation DAT a inclus éga-lement des modalités d'avancement avec confinementpartiel en chambre d'excavation, introduisant de cettefaçon un certain pourcentage de risque d'instabilité dedurée variable par rapport à une possibilité d'amélio-ration de la vitesse d'avancement.

En plus de la solution de base (0), des alternatives(1-2-3) ont été considérées. Elles sont ainsi caractéri-sées (Fig. 1,2) :

alternative 0 : cohstruction des deux tunnels aumoyen d'un seul tunnelier qui creuse tout d'abord letunnel C et, ensuite, le tunnel S. L'amélioration etlou lerenforcement préalable du sol ou des bâtiments n'est

pas consid éré. La simulation considère Ia possibilitéque, parfois et pour de brefs moments , Ia modalitéd'excavation ne soit pas adéquate (par ex. : vitesse deréaction du responsable de la construction insuffisante,manque de contrôles à l'avancement...) ;

- alternative 1 : La consolidation du sol est prise encompte pour permettre une progression rapide. Le ren-forcement statique des bâtiments associé au présoutè-nement du sol permet d'augmenter la longueur dessegments où le tunnelier pourra opérer de façonouverte. Hypothétiquement, le présoutènement pour-rait se révéler efficace dans B0 % des cas (absenced'accidents ; vice-versa dans les 20 o restants. les acci-dents sont toujours possibles) ;

Â" SAÛEEIJT|C

Advance madp not always âpprûpriated

Jintrnduces riskl

+ 'lWYc of alignment by one TBM

Advance mode not always appropriated

[inlroduces risk]

d 72lo of alignmenf by one TBM' {+1sûrn r:f 2-tracks junction}

*+ 287o of atignment by D&B

ALTERNATIVE 3"1

R.TRÏ}{DÂI]E ?4DEÂGOSTO R,CAMPÂN},I

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7É,,ë.4

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Ittlc af alignment by one TBM

Advance mode not always appropriated

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t 85Yc of dignment by TBM I

Schéma des alternatives comparées entre elles au moyen du DAT.Layout of the various alternatives compared using DAT.

ALTËRNATÏVE I.1

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16REVUE FRANçAISE DE GËOTECHNIQUEN'1094e trimestre2004

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ffiSchémadesalternativescomparéesentreellesaumoyenduDAT'Layout of the various alternatives compared using DAT.

20

- alternative 2 : en plus de l'excavation réalisée avec letunnelier, deux fronts sont excavés en traditionnel (àl'explosif). Cette alternative présente deux options parrapport à l'excavation avec tunnelier (Fig. 12) ;

- alternative 3 : deux tunneliers sont utilisés pour creu-ser les deux tunnels.

Les résultats de l'anaiyse DAT sont montrés dans lafigure 13 dans laquelle sont indiquées les probabilités cumu-lées de la durée de la construction pour chacune des quatrealternatives. Il est évident que l'alternative 0 est la plus lenteet est suivie de près par l'alternative 1. Les alternatives 2 et3sont presque équivalentes en terme d'accélération de laconstruction et permettent de respecter les limites de tempsmais comportent des risques très différents.

Chaque solution permet de prévoir les travaux et lesopérations à réaliser avant le passage du tunnelier. Lasolution offerte par l'alternative 3 (utilisation de 2 tun-neliers) non seulement minimalise la préparation destravaux (par exemple : solution indépendante de laprogression des stations) mais est également plus fiableen ce qui concerne la stabilité du milieu hétérogène.Dans ce sens, le choix de la méthode d'excavation adé-quate est la première réponse au risque.

ffiffirTfiitiltfiiilrffilfi

lntégration du Rlt,lP dans la phase

de construction

Après l'excavation de la première partie du tunnelC, une analyse complète du risque a été menée entenant compte des aspects de l'étude et de la construc-

tion, pour laquelle aucune analyse n'avait été réaliséeprécédemment. L'approche ( groupe de travail > a étédécidée pour l'analyse du risque de façon à ce quesoient représentées toutes les opinions : entreprise,bureaux d'études, experts dans le domaine de la géo-technique, des auscultations, et des tunneliers.

La procédure de gestion du risque a été développéeau cours de rencontres de travail focalisées sur lespoints suivants :

- identification des événements critiques dans les diffé-rentes phases du projet (auscultations, étude, constructionet opération), de leurs causes et de l'entité de référ€DCe ;

- évaluation des probabilités que l'événement se pro-duise, évaluation de son impact sur la sécurité lors de laconstruction (pour les opérateurs et pour le public), descoûts et de la dur ée ;

- évaluation des risques associés à l'événement commecombinaison de probabilité et impact;

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Échelle quantitative de la probabilité (P)que se produise un événement.Quantitative scale of the probability (P) -Porto Metro.

FréquenteProbable

OccasionnellePeu probableImprobable

Événement presque certainEvénement attendu

1 dans 101 dans 100

1 dans 1 000

Fin potentielle du projet

Déiais de plusieurs mois.Coûts additionnels jusqu'à 10 000 000 €

Délais de plusieurs semaines.Coûts additionnels jusqu'à 1 000 000 €

Coûts extra de 100 000 €

Coûts extra de 10 000 €

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2

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ffiÉchellequantitativedel,impact(I)d,unévénementdanslemétrodePorto.Quantitative scale of the impact (I) - Porto Metro.

Lésions légères/incommoditésLe blessé peut continuer à travaiiler

17REVUE FRANçAISE DE GÉoTEcHNIQUE

N" 1094e ltrimesTre2004

Très haut Un ou plus incidents mortels

Lésions graves ou longue maladie

Moyen Lésions guérissables ou maiadie

Lésions lé gères/incommodités.L'accidenté nécessite un traitementimmédiat et un congé de maladie

Très bas

Échelle quantitative du risque (P x I) associé à un événement, utilisée pour le métro de Porto.Quantitative scale ofthe risk (P x I) associated to hazards, used for the Project of Porto Metro.

Rechercher des solutions alternatives.Si ce n'est pas possible,

spécifier les précautionsà prendreet en informer la Direction.

Enregistrer le risque résiduel.

Communiquer les résultats de l'analysede risque à la Direction, aux intervenants,

et éventuellement à tierces personnes.

Communiquer les résultats de l'analysede risque à la Direction, aux intervenants,

et éventuellement à tierces personnes.

Prendre en considération les alternativeset évaluer la proportion coût bénéficedes mesures de réduction en relation

avec ia gravité du risque (impact).

10-25

- priorité des risques en terme de réduction et accepta-bilité ;

- définition de mesures appropriées de contrôle durisque (RCM) pour réduire ce dernier;

- nouvelle définition du risque, après l'application duRCM, donc identification du risque résiduel ;

- définition d'actions ultérieures (contre mesures) néces-saires à la gestion et au contrôle du risque résiduel.

Les échelles qualitatives de probabilité (P), impact(I), risque (R) d'un événement sont indiquées respecti-vement dans les tableaux IV (a), 4 (b),, et V.

L'application des procédures décrites a mis en évi-dence les points critiques du projet et a permis l'inté-gration du RMP en ce qui concerne les méthodologiesd'étude, le choix des procédures d'opération du tunne-lier, et la communication entre les équipes d'étude etde construction.

De plus, pour garantir l'efficacité du RMP, différentsaspects organisationnels ont été revus etlou introduits :

1) rôles, responsabilité et flux des informations ausein du groupe ;

2) introduction du rôle et de l'équipe de l'Ingénieurrésident (IR) pour Ia supervision de la constructiondirectement par le bureau d'étude ;

3) activation de la réunion journalière (RRG) du tun-nel y compris la maîtrise d'æuwe, l'équipe de construc-tion et l'équipe de l'IR ;

4) activation d'un groupe d'experts internationauxpour les audits périodiques.

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Réduction du risque dans la phase d'ëtude

Les points suivants furent considérés dans le déve-loppement du RMP pour le projet (Grasso et a1.,2002a) :

- mise à jour du modèle géologique, géotechnique ethydrogéologique pour chaque segment encore à exca-ver, à travers un ensemble d'auscultations spécifiquespar phases, pour des sections de 200 à 400 m, de façonà utiliser Ie niveau de connaissance acquis pour le détailde Ia phase successive ;

- définition des critères spécifigues pour gérer les risquesrelatifs aux immeubles en surface et aux sous-services,en adaptant la prévision des tassements au milieu hété-rogène au moyen d'une méthode semi-empirique;

Haut

- adaptation du système d'auscultation, en prévoyant uncontrôle pour chaque immeuble dans la zone d'influencedu tunnel; pour réduire l'impact économique, aussi biendes instruments actifs (lus systématiquement) que desinstruments de contrôle additionnel (pour lesquels lesIectures systématiques sont réalisées seulement dans lecas où la limite d'attention a eté touchée dans les instru-ments actifs contigus) ont été placés et distribués selon leniveau de risque des immeubles;

- adoption d'une procédure spécifique pour calculer lapression de stabilisation du front, en l'adaptant auxconditions de chaque zorre ;

- sélection et contrôle d'un groupe additionnel de para-mètres clés, y compris les paramètres représentatifs dutunnelier lui-même de façon à pouvoir adapter l'étudeaux conditions rencontrées et donc de mitigern'importe quel risque résiduel ;

- établissement des valeurs pour chaque paramètre cléqui serviront de seuils d'attention et d'alarme pour lamise en action des contre mesures prévues.

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Âil;i;r;;iles mooalités d'opération de I'EPB-TBM

Les tunneliers employés peuvent opérer en modefermé (chambres d'excavations pleines de matériauxd'excavation conditionnés et pressurisés) ou en modeouvert (chambres d'excavation partiellement pleines dematériaux d'excavation conditionnés mais non pressuri-sés). Ces deux modalités sont appliquées en fonction desconditions géomécaniques rencontrées au front de taille.

Dans le cas spécifique, si le mode ouvert est utilisédans une situation où est normalement requise I'utilisa-tion du mode fermé (par exemple : lorsque l'entreprisedécide de changer le mode prévu par le bureau d'étudespour augmenter la production, ou bien lorsqu'unbrusque changement de la géologie n'est pas suivi parune réponse immédiate de l'opérateur), il existe unrisque de sur-excavation ayant comme conséquencesdes tassements excessifs et des éboulements, qui se tra-duisent au minimum par une augmentation des délaisde construction. Les risques d'une inadéquate opérationde la TBM et leurs impacts sont simulés par le DAT quiintroduit le délai exponentiel du cumul des retards dus à

Ia succession des accidents.

La figure 14 montre les résultats de l'analyse. Lerésultat obtenu dénote que :

18REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 1094e trimestre2004

Vérifier si le changement de conceptionpeut réduire les risques futurs.

Procéder avec la conception

Moyen Prendre en considération une étude ouune méthode de construction alternative.

Si ce n'est pas possible,spécifier les précautions à prendre.

Identifier le risque résiduel.

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WRésuItatsdesanalysesdesimulationdelaprobabiIitédeduréedestravauxavecousansaccidentsdusàl'utilisation non appropriée du tunnelier Qa position des stations et des rampes est indiquée, R).Results of the probabilistic simulation of the construction time with or without accidents due to the unproper use of theTBM [the position of both stations and ramps is indicated).

- le choix d'opérer en mode ouvert quand le modefermé serait requis ne conduit pas à de réels bénéficesen terme de production;

- dans un contexfe géologçIue exffêmement hétérogène, lerisque d'accidents dus à l'erreur humaine face à un chan-gement de conditions au front existe toujours et peut avoirdes conséquences désastreuses pour la sécurité du public.

Par conséquent, vu les délais réduits pour la réali-sation et I'environnement fortement habité , ce dernierrisque n'a pas été considéré comme acceptable dans ceprojet. De ce fait découle la nécessité que l'excavationsoit toujours réalisée en mode fermé.

L'impact de la réduction partielle de la vitessed'avancement sur les temps de consigne de l'ouvrage,dérivant de l'utilisation exclusive de la façon ferm ée, aété corrigé à travers une redistribution des distances àparcourir par les deux TBM par rapport à ce qui estreporté dans la figure 12.

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Réduction des risques dans Ia phas e de construction

La révision de l'analyse du risque a mis en évidencedeux paramètres clés :

- l'adoption de la méthode correcte d'excavation quisert comme première contre-mesure pour limiter lerisque d'instabilité et d'effondrement ;

son contrôle sévère, comme deuxième contre-mesure, pour limiter l'impact de l'éventuelle instabilité.Par conséquent, différentes actions ont été nécessairespour appliquer Ie RMP à la phase de construction(Guglielmetti et a1.,2002) :

o contrôle rigoureux des paramètres clés du tunnelierpour opérer dans les intervalles opérationnels prévus(Fig. 15);

o mise au point d'un système secondaire de supportactif du front de taille. IJn système automatique injectede la bentonite dans la chambre d'excavation si la pres-sion au front diminue sous les limites préétablies;o installation d'alarmes automatiques dans la cabine depilotage qui s'activent lorsque les valeurs de seuil (devolume extrait, pression au front...) sont dépassées ounon respectées, rédaction des procédures opération-nelles du tunnelier pour assurer son utilisation correcteet l'adoption de techniques d'excavation appropriées.Les procédures contiennent également les actions et lesflux d'information en cas d'anomalies;o création d'une équipe de suivi du système, composéede personnel de l'entreprise et du bureau d'études pourune interface systématique des paramètres clés avec lesprocessus d'étude, de constructioo, d'auscultations etles éventuelles modifications ;

- réalisation d'un système d'information géographique(SIG) intégré pour Ia gestion des interférences du projetau niveau de l'étude, du monitoring et des analyses.L'accès aux données est garanti en temps réel à tousles acteurs engagés dans la réalisation du projet.

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Protocole pour l'avancement du tunnel

Pour garantir le respect des principes théoriquesadoptés dès le début et résumés dans la figure. B, le pro-tocole pour l'avancement du tunnel (PAT) a êté insérédans le RMP. Le PAT est un document a vivant > qui agità l'intérieur du RMP comme lien entre l'étude et laconstruction (Grass o et aI. 2002).Le PAT est un documentd'étude détaillé, produit et mis à jour tous les 200-400 mavec un minimum d'anticipation sur l'excavation, quirésume les nécessités de l'étude et de la construction.Une approche multidisciplinaire est utilisée pour identi-

19REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N.1094e trimeslre 9004

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Exemple de contrôle des paramètres clés à travers des intervalles opérationnels prédéfinis qui mettent enévidence les anomalies et obligent à les interpréter, à mener des actions correctives et à mettre à jour defaçon dynamique les procédures.Example of control of the TBM's key-parameters through predefined operational ranges that emphasize anomalies,obliging to interpret them, implementing corrective measures and updating dinamically the procedures.

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fier les risques résiduels à travers la récolte de données,l'analyse et l'interprétation de toutes les données supplé-mentaires relatives à la section précédemment excavée,aux conditions géologiques et hydrogéologiques locales,aux informations sur ies interférences avec structure ensouterrain ou en surface, au relevé actualisé de l'état desimmeubles. Ces informations sont donc utilisées pourobtenir un très bon modèle de prévision.

Le contenu du PAT est donc discuté avec le maîtred'ouvrage et, après son approbation, est donné endotation à l'équipe de construction. A ce point, le PATdevient une directive dynamique pour les opérationsd'excavation, utilisée :

1) pour mettre à jour ultérieurement, par rapport àl'étude d'exécution, les paramètres clés sur une basequotidienne en fonction des auscultations en temps réel ;

2) comme support dans le processus décisionnel.La directive assure donc à toutes les parties en

cause que la construction est réalisée de façon complè-tement contrôlée.

Résultats de l'application du RMP au métro de Porto

Grâce aux procédures décrites, à partir de sep-tembre 2001,. la totalité de la ligne C (2 300 m) et environ1 700 m de la ligne S ont été complètement excavés,avec de bons résultats, sans incidents, et avec des tas-sements superficiels très limités, même en présence defaible couverture (3 à 4 m). La vitesse d'avancement de40 à 50 m par semaine est satisfaisante, surtout si l'on

considère la nécessité d'entrer continuellement enconditions hyperbariques dans la chambre d'excava-tion pour la maintenance de la tête à cause de la fortecapacité d'abrasion du granit.

Aucune situation d'alarme n'a plus été enregis-trée après l'application du RMP. De plus, l'augmen-tation du niveau de connaissance du sol, de saréponse à l'excavation, et du contrôle du tunnelier a

augmenté le degré de confiance dans la techniqued'excavation permettant d'optimiser les études (parex. : limitation des soutènements du sol avant le pas-sage du tunnelier ; optimisation du système d'aus-cultations et du régime de lectur€S; réduction desouvrages de protection préalables...) 1à où le degréd'incertitude qui caractérisait le projet avait obligéà prévoir des solutions beaucoup plus conserva-trice s .

EConclusion

Le risque géotechnique, sous forme de conditionsgéologiques non prévues ou imprévisibles, est un facteurdécisif pour le contrôle des temps, des coûts et de la sécu-rité de tous les plus importants projets d'ingénierie degénie civil. Le projet doit être géré dans toutes ses phases,en prêtant grande attention aux sources des risques, àleur identification, leur quantification et leur minimisation,après avoir défini la tolérance spécifique du projet auxrisques. Un tel processus requiert l'attention du maîtred'ouvrage, du bureau d'études et de l'entreprise dans

e0REVUE FRANçAISE DE GÉOTECHNIQUEN'1094e Trimeslre 9004

tibiiôtraphie-

toutes les phases du projet, depuis l'étude de faisabilitéjusqu'à I'entrée en exercice de l'æuvre terminée ; ilrequiert également le développement d'un RMP - straté-gie de gestion et répartition du risque.

Le RMP utilisera des instruments d'analyse durisque, de nature semi-empirique à probabiliste, quipermettront d'approcher, de manière flexible, l'étude

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et la construction, eh évitant ainsi l'imprécision et larigidité inhérentes à l'approche déterministe.

Les exemples d'application de l'analyse du risquereportés dans cet article ont démontré qu'une politiquede gestion du risque n'est pas une fantaisie, mais unoutil pratique pour l'ingénierie qui peut amener denombreux avantages.

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