ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES CENTRE DES … · ecole nationale des ponts et chaussees centre des hautes etudes de la construction module « ouvrages souterrains » ... réalisation

ENPC / CHEBAP Module « Ouvrages souterrains »

Les tunneliers

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ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES

CENTRE DES HAUTES ETUDES DE LA

CONSTRUCTION

MODULE « OUVRAGES SOUTERRAINS »

Les tunneliers

B.DEMAY


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1. INTRODUCTION : LES TECHNIQUES D’EXCAVATION MECANISEE .......... 4

2. LES PRINCIPAUX TYPES DE TUNNELIER ................................................. 5

2.1. LES TUNNELIERS A APPUI RADIAL (TUNNELIERS DITS « ROCHES DURES ») ................... 5

2.2. LES BOUCLIERS MECANISES A FRONT OUVERT ....................................................... 6

2.2.1. Les boucliers à attaque globale ............................................................... 6

2.2.2. Les boucliers à attaque ponctuelle ........................................................... 7

2.3. LES BOUCLIERS MECANIQUES A FRONT CONFINE .................................................... 7

2.3.1. Confinement par pression de boue .......................................................... 8

2.3.2. Confinement par pression de terre .......................................................... 8

2.3.3. Confinement à air comprimé ................................................................... 9

2.3.4. Boucliers à soutènement mécanique .......................................................10

2.3.5. Boucliers mécanisés à confinement mixte ...............................................10

3. LES PRINCIPAUX ORGANES D’UN TUNNELIER ...................................... 11

3.1. LES ORGANES DE CREUSEMENT ........................................................................11

3.1.1. La tête de coupe ...................................................................................11

3.1.2. Les outils de coupe ................................................................................11

3.1.3. Les appuis arrière ..................................................................................12

3.2. LES ORGANES D’EVACUATION DES DEBLAIS ..........................................................13

3.2.1. Les tapis transporteurs ..........................................................................13

3.2.2. Le marinage hydraulique .......................................................................14

3.2.3. L’extraction par vis ................................................................................14

3.3. EQUIPEMENTS DIVERS ...................................................................................15

3.3.1. Les voussoirs / l’érecteur à voussoirs ......................................................15

3.3.2. Injections de bourrage ..........................................................................16

3.3.3. Forages de reconnaissances ou de traitement de terrain .........................16

3.3.4. Joints d’étanchéité.................................................................................17

3.3.5. Outils de surcoupe ................................................................................18

3.3.6. Logistique embarquée ...........................................................................18

3.3.7. Le guidage des tunneliers ......................................................................18

4. LA PROBLEMATIQUE DU CONFINEMENT DANS LES TUNNELIERS

ACTUELS 20

4.1. LA NECESSITE DE LA MAITRISE DU CONFINEMENT AU FRONT DE TAILLE .......................20

4.1.1. La variabilité des configurations géologiques ...........................................20

4.1.2. Les phénomènes hydrauliques ...............................................................24


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4.1.3. L’influence des paramètres géomécaniques sur le fonctionnement du

tunnelier 26

4.1.4. La maîtrise des tassements ....................................................................28

4.2. LES PROBLEMES POSES PAR LE CONFINEMENT PAR PRESSION DE BOUE ........................29

4.2.1. Généralités. Constatations expérimentales ..............................................29

4.2.2. Approche théorique ...............................................................................30

4.2.3. Avantages et inconvénients du confinement à la boue .............................32

4.3. LE CONFINEMENT PAR PRESSION DE TERRE .........................................................33

4.3.1. Généralités ...........................................................................................33

4.3.2. Les additifs ...........................................................................................34

4.3.3. Avantages et inconvénients du confinement à pression de terre ...............37

4.4. LE CONFINEMENT A PRESSION D’AIR ..................................................................38

4.5. LE CONFINEMENT OU « SOUTENEMENT » MECANIQUE ............................................39

4.6. MAITRISE DU CONFINEMENT SUR CHANTIER ........................................................40

4.6.1. Le pilotage du tunnelier en cours de creusement .....................................40

4.6.2. Les interventions hyperbares .................................................................42


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1. Introduction : les techniques d’excavation mécan isée

Sont considérées comme techniques d’excavation mécanisée toutes les

techniques de creusement où l’abattage est réalisé mécaniquement à l’aide de

dents, pics ou molettes, par opposition aux techniques dites conventionnelles

utilisant l’explosif comme moyen d’abattage.

C’est en 1881 que la première machine de creusement mécanique d’un

tunnel a été conçue et réalisée par le Colonel de BEAUMONT lors des premiers

travaux de reconnaissance en vue de la construction du tunnel sous la MANCHE.

Cette machine, était mue à l’air comprimé et était destinée à être utilisée dans un

matériau à la fois tendre, cohérent et relativement homogène, à savoir la craie

Bleue du Pas de Calais. Elle a creusé avec succès 2.5 kms de galerie de 2.14 m de

diamètre en 1882 et 1883.

Les progrès techniques et technologiques ont permis au fil du temps de

créer des machines permettant d’une part de s’attaquer à des roches de plus en

plus dures et d’autre part d’évoluer dans des terrains de moins en moins cohérents,

voire meubles et aquifères.

Les techniques d’excavation mécanisée se répertorient en fonction de la

réponse plus ou moins élaborée qu’elles apportent aux fonctions principales de la

réalisation d’un tunnel, à savoir :

• l’abattage des terrains

• le soutènement des terrains, à la fois radial et frontal

• l’excavation des déblais (« marinage »)

• la mise en œuvre du revêtement définitif

Dans ce qui suit nous ne traiterons pas des machines de creusement à

attaque ponctuelle dont l’emploi est habituellement associé aux techniques

conventionnelles de réalisation des tunnels.


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2. Les principaux types de tunnelier

2.1. Les tunneliers à appui radial (tunneliers dits « roches dures »)

Un tunnelier à appui radial est une machine équipée d’une tête d’abattage

circulaire et rotative capable d’excaver en une seule opération la totalité de la

section. L’effort de poussée sur la tête d’abattage est mobilisé par des « grippers »

ou patins de vérins latéraux qui prennent appui radialement sur le parement

naturel de l’excavation.

Les grippers sont solidaires d’une structure d’appui maintenue fixe pendant

la phase d’excavation, la tête foreuse progressant en coulissant à l’intérieur de

cette structure par l’intermédiaire de vérins longitudinaux.

Dans la phase suivante les grippers sont repliés, la tête de forage est

immobile, et la structure est avancée de la longueur des vérins longitudinaux (=

« stroke »), puis on déplie les grippers et le cycle recommence.

Ce genre de machine ne crée pas de soutènement de l’excavation, mais on

peut y associer un atelier de boulonnage ou de pose de cintres métalliques à

quelque distance du front.

L’évacuation des déblais se fait le plus souvent au moyen de godets

périphériques qui se déversent dans une trémie centrale à la partie supérieure de la

machine lors de chaque passage en position haute.

Ce type de tunnelier trouve par définition son emploi dans des terrains

rocheux suffisamment durs et compacts (donc à priori imperméables) pour

supporter une pression élevée sans poinçonnement sous les patins des grippers, et

ne nécessitant bien sûr pas de soutènement immédiat.

La tête de forage est d’ailleurs massive pour encaisser sans déformation les

efforts importants nécessaires pour la pénétration simultanée des molettes dans le

terrain.

De nombreuses galeries hydro-électriques ont été creusées avec ce type de

machine, notamment la plupart des galeries EDF dans les Alpes.

On citera également dans cette famille le cas des aléseurs dont le principe

consiste à excaver sur un grand diamètre les terrains autour d’une galerie pilote, au

moyen d’une tête connectée à un système de grippers prenant appui sur les parois

de la galerie pilote, et fonctionnant par traction et non plus par poussée.


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2.2. Les boucliers mécanisés à front ouvert

Ces machines se distinguent des précédentes par le fait qu’elles comportent

un bouclier, c'est-à-dire une structure cylindrique rigide qui progresse au fur et à

mesure du creusement et qui assure la stabilité des parois de l’excavation (mais

non du front).

Ces machines s’utilisent dans des terrains de caractéristiques moyennes

pouvant nécessiter un soutènement immédiat des parois mais où le front d’attaque

reste stable. Ceci exclut d’avoir à reprendre une charge hydrostatique ou d’avoir à

craindre l’irruption brutale de l’eau. Ce type de tunnelier est donc réservé aux

terrains cohérents mais pas trop résistants, et relativement imperméables (roches

tendres/sols indurés).

Le soutènement peut être constitué soit de cintres métalliques, soit de

boulons et grillage, soit encore de voussoirs préfabriqués en béton ou métalliques.

On distinguera les boucliers à attaque globale et les boucliers à attaque

ponctuelle.

2.2.1. Les boucliers à attaque globale

Cette catégorie regroupe toutes les machines à plateau rotatif et à bouclier

mais sans confinement du front autre qu’un simple confinement mécanique exercé

par le plateau lui-même (soutènement passif, par opposition au soutènement actif

des boucliers à confinement).

On distingue les boucliers simples (composés d’une virole monolithique) et

les boucliers composés de 2 viroles ou plus, reliées entre elles par des mécanismes

d’articulation (boucliers articulés).

On distinguera également les boucliers :

• A appui radial (idem tunnelier roches dures)

• A appui longitudinal, c'est-à-dire prenant appui au moyen de

vérins de poussée sur un soutènement composé de voussoirs mis

en oeuvre à l’arrière de la machine au moyen d’un érecteur.

• A appui mixte, équipé à la fois d’appuis radiaux et longitudinaux.


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2.2.2. Les boucliers à attaque ponctuelle

Il s’agit en général de machines à attaque ponctuelle équipées d’un bouclier

faisant office de coque de protection de la machine. Le creusement peut également

se faire à l’aide d’un bras de pelle fixé à la structure du bouclier et équipé d’un

godet en rétro.

Dans certains cas (machines ZOKOR ou GROSVENOR) le bouclier prend

appui pour progresser sur le dernier anneau de voussoirs préfabriqués constituant

le revêtement.

La coque, cylindrique ou non, peut comporter des « lances » métalliques

actionnées par des vérins, parallèles aux génératrices extérieures du tunnel, qui

peuvent être avancées individuellement pour assurer la protection du front et éviter

la formation d’éboulements en cloche. A l’extrême, les boucliers à lances

WESTPHALIA utilisés pour la construction du métro de FRANCFORT ont une coque

composée d’une série de lances parallèles et juxtaposées qui coulissent les unes

par rapport aux autres et qui sont manœuvrées successivement et

individuellement. La structure est stabilisée grâce aux frottements de l’ensemble

des autres lances le long du terrain.

Ce type de machines n’offre pas des cadences d’avancement très rapides ni

ne met réellement à l’abri des incidents à front ; c’est pourquoi leur utilisation en

vogue dans les années 1980 a pratiquement disparu aujourd’hui au profit des

boucliers capables d’exercer un confinement (soutènement actif).

2.3. Les boucliers mécaniques à front confiné

Les boucliers à front confiné constituent ce que l’on pourrait appeler la

dernière génération de tunneliers, à savoir un matériel capable de faire face à des

situations géologiques particulièrement difficiles qui, jusqu’à leur apparition,

nécessitaient la mise en œuvre de méthodes spéciales longues et onéreuses de

traitement de terrain.

Ce type de tunneliers trouve fondamentalement son emploi dans les

terrains meubles et aquifères mais permet également de s’adapter à des

situations géologiques intermédiaires comme nous le verrons au chapitre 4.

Ils sont, à l’exception des boucliers à soutènement mécanique, pourvus à

l’avant d’une chambre d’abattage isolée de l’arrière du tunnel par une cloison

étanche dans laquelle sont installés les moyens d’excavation (tête de coupe) et où


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est maintenue une pression de confinement destinée à soutenir activement le front

d’excavation et équilibrer la charge développée par la pression hydrostatique.

La progression est assurée par des vérins de poussée prenant appui

longitudinalement sur le revêtement en voussoirs monté à l’arrière de la jupe à

l’aide d’un érecteur.

2.3.1. Confinement par pression de boue

En anglais « Slurry shield ».

Le confinement est réalisé par la mise en pression d’un fluide de forage à

base de boue bentonitique qui est amenée par des conduites depuis une station de

fabrication et de traitement à l’extérieur du tunnel.

La roue excavatrice tourne dans la chambre remplie de boue et les

matériaux abattus se mélangent à celle-ci.

Pour assurer la continuité du système il faut extraire en permanence au

moyen de pompes hydrauliques (transport hydraulique) la boue chargée de déblais

que l’on remplace simultanément par un flux de boue neuve. Un concasseur est

souvent utilisé pour ramener la granulométrie des déblais à des dimensions

compatibles avec le transport hydraulique.

La boue chargée est amenée à la station de traitement où les matériaux sont

séparés à l’aide de cyclones et de filtre-presses. La boue régénérée est recyclée

vers le front après addition de bentonite.

Comme nous le verrons en détail au chapitre 4 le système dit « à pression

de boue » permet d’assurer une pression réellement constante dans la chambre

d’abattage, la boue liquide transmettant facilement la pression imposée à

l’extérieur. Dans certains cas, la régulation de la pression de boue est facilitée par

l’utilisation d’une bulle d’air comprimé située dans une chambre intermédiaire, ce

qui permet de réguler la pression de boue en agissant à la fois sur les pompes

d’amenée et d’exhaure et sur le débit d’air comprimé.

Les interventions hyperbares dans la chambre d’abattage consistent à vider

totalement la chambre d’abattage de sa boue pour la remplacer par une bulle d’air

sous pression (détails au chapitre 4).

2.3.2. Confinement par pression de terre

En anglais « EPB shield (Earth Pressure Balance shield) ».


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Les sujétions liées à l’emploi de la boue, notamment la nécessité du

retraitement des boues, ainsi que leur limite d’emploi dans des terrains très

hétérogènes et perméables, ont conduit les entreprises et les constructeurs à

s’interroger sur la possibilité d’un confinement du front par les matériaux extraits

eux-mêmes sans passer par l’emploi de boue liquide ou d’air comprimé.

Les tunneliers à pression de terre sont caractérisés par l’extraction contrôlée

des matériaux hors de la chambre avant au moyen d’une vis d’Archimède dont le

débit doit être asservi à la pression moyenne régnant dans la chambre. La vis sert

donc d’organe de transition pour amener les déblais depuis la pression régnant

dans la chambre jusqu’à la pression atmosphérique du système d’évacuation finale

des déblais, généralement un convoyeur à bande. Comme la pression dans la

chambre est parfois très élevée, il peut être nécessaire d’interposer un organe

supplémentaire (distributeur rotatif ou à piston) en sortie de vis pour mettre les

déblais à la pression atmosphérique (notion de pertes de charge dans la vis), voire

d’utiliser une deuxième vis en série (cf. chapitre 3).

Un tunnelier à pression de terre peut bien sûr fonctionner en mode ouvert

lorsque les terrains le permettent, la chambre étant alors à la pression

atmosphérique.

Un tunnelier à pression de terre peut également fonctionner suivant un

mode analogue au tunnelier à pression d’air (voir § suivant) : il suffit pour cela que

les terrains soient suffisamment imperméables (argiles), et la chambre n’est alors

que partiellement remplie.

Nous verrons au chapitre 4 les détails du confinement par pression de terre,

et notamment l’emploi d’additifs pour en améliorer le principe de fonctionnement.

2.3.3. Confinement à air comprimé

Ce mode de confinement est très ancien car il a été utilisé dans la première

moitié du 20eme siècle pour le havage de caissons de piles de pont, puis étendu

aux tunnels en mettant en pression l’ensemble du tunnel. Les ouvriers travaillaient

alors en atmosphère comprimée (hyperbare), ce qui accroît considérablement la

pénibilité des travaux et limite la durée du travail effectif.

La nécessité de respecter des durées de décompression d’autant plus

longues que la pression est plus élevée, ajoutée au passage des déblais dans le sas,

réduisait considérablement les possibilités d’avancement journalier.


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Toutefois, la mise sous pression d’air de la seule partie du tunnelier

correspondant à la chambre d’abattage peut être une solution très intéressante, et

ce qu’accomplissent les tunneliers actuels fonctionnant à l’air comprimé.

Les tunneliers sont équipés soit d’une tête d’abattage à attaque globale soit,

plus généralement, de bars excavateurs similaires à ceux des machines à attaque

ponctuelle. Le confinement est réalisé par mise en pression de l’air contenu dans la

chambre d’abattage. Comme sur le tunnelier à pression de terre, l’extraction des

déblais est effectuée par un dispositif de décharge (en général une vis d’Archimède)

permettant d’amener les matériaux extraits de la pression de confinement à la

pression atmosphérique régnant dans le tunnel.

De telles machines peuvent constituer une très bonne solution pour des

chantiers de taille petite à moyenne car les investissements restent limités en

comparaison des tunneliers à plateau rotatif.

2.3.4. Boucliers à soutènement mécanique

Le bouclier à soutènement mécanique est un tunnelier équipé d’une tête

d’abattage à attaque globale et dont le soutènement frontal est réalisé par la mise

en pression des terres abattues contenues devant la tête d’abattage. Les déblais

sont extraits par des orifices disposés sur la tête et équipés de volets à ouverture

ajustables en temps réel.

2.3.5. Boucliers mécanisés à confinement mixte

Ce sont des machines équipées d’une tête d’abattage globale qui peuvent

fonctionner soit en mode ouvert ou fermé, soit selon plusieurs modes de

confinement.

Le passage d’un mode de confinement à un autre n’est pas automatique et

nécessite une intervention mécanique pour modifier la configuration de la machine.

Ces boucliers sont généralement limités aux machines de grand diamètre en

raison de l’espace nécessaire aux équipements spécifiques à chacun des modes de

confinement.


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3. Les principaux organes d’un tunnelier

3.1. Les organes de creusement

3.1.1. La tête de coupe

La tête de coupe est l’organe qui porte les outils. Elle doit assumer les

fonctions de découpe (abattage) du terrain et de collecte des déblais.

Elle peut être mue par des moteurs électriques ou hydrauliques. Les moteurs

électriques ont en principe un meilleur rendement mais ils présentent moins de

souplesse en ce qui concerne la variation possible du couple et de la vitesse de

rotation nécessaire notamment dans le cas de terrains hétérogènes.

Des ouvertures sont pratiquées dans la tête pour permettre le passage des

matériaux extraits. On distingue 3 configurations :

• Ouvertures périphériques avec ramassage des matériaux par

des godets disposés au voisinage des ouvertures, les matériaux

tombent dans une trémie qui alimente en partie centrale un

convoyeur à bande (cas des tunneliers « roches dures »)

• Ouvertures radiales : les matériaux tombent vers l’arrière de la

chambre et sont repris soit par une vis en partie basse ou centrale,

soit par les pompes d’extraction suivant le mode de confinement

(terrains meubles nécessitant confinement)

• Tête en étoile constituée de bras de faible largeur séparés par

des vides très importants (terrains cohérents mais peu résistants)

La transmission du mouvement se fait soit par un axe central (mais

couple limité dans ce cas) soit plus généralement par une couronne

d’entraînement dont le diamètre est compris entre la moitié et les deux tiers du

diamètre du tunnel.

La puissance nominale nécessaire pour la rotation doit être dimensionnée

largement car c’est d’elle que dépend en grande partie l’aptitude de la machine à se

sortir des situations difficiles, à éviter les blocages et à exercer un confinement

efficace, notamment dans le cas des tunneliers à pression de terre.

3.1.2. Les outils de coupe

Plusieurs types d’outils peuvent être installés sur les têtes des tunneliers.


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Dans les machines pleine face on utilise soit des molettes (disques), soit

des dents.

Les molettes sont analogues aux molettes de vitrier, elles sont portées par

un palier radial de façon à tracer des cercles concentriques sur le front. Leur

implantation dans le plateau et leur angle de pénétration dans le terrain sont tels

que les sillons décrits à chaque tour de roue par l’ensemble des disques soient

suffisamment proches pour provoquer la rupture de la portion de roche restant

entre les sillons. L’écartement des sillons est généralement compris entre 6 et 10

cms.

Les molettes sont l’outil de référence pour les formations rocheuses. Les

molettes ont des tailles allant d’un diamètre de 12 pouces à des diamètres de 19

pouces voire au-delà, qui sont capables d’attaquer des granites de résistance à la

compression de 250 MPa.

Les molettes peuvent également être munies de picots au carbure de

tungstène. Il existe aussi des molettes à double disque.

Les pics ou les dents travaillent à la façon des dents de rippers en raclant le

terrain dans lequel ils pénètrent. Ils conviennent pour des terrains meubles ou

cohérents et sont alors disposés sur les bras ou le long des fentes radiales de la

tête de coupe.

Il est de plus en plus fréquent de voir juxtaposés sur une même tête de

coupe des molettes et des outils-pics ou dents, afin de s’adapter à différents types

de terrains.

Les molettes et les outils doivent impérativement pouvoir être changés

depuis l’arrière de la tête afin d’éviter absolument tout travail entre le terrain et la

tête (très dangereux en terrain instable).

3.1.3. Les appuis arrière

Nous rappellerons ici les 2 concepts d’appui radial (grippers) et d’appui

longitudinal destinés à fournir les réactions d’appui suffisantes pour exercer les

forces de plusieurs milliers de tonnes que nécessite le fonctionnement du

tunnelier :

• Forces devant être exercées sur la tête d’abattage et ses outils

pour assurer la pénétration de la machine dans le terrain,


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• Forces liées au frottement du terrain le long de la jupe dans le cas

des boucliers

• Forces liées au confinement du front, y compris la contre-pression

hydrostatique.

Dans le cas des appuis radiaux, le terrain encaissant doit présenter une

résistance mécanique suffisante pour supporter une pression élevée sans

poinçonnement ni déformation sous les patins des grippers.

Dans le cas des appuis longitudinaux, le tunnelier s’appuie sur la dernière

tranche de revêtement (voussoirs) au moyen de vérins longitudinaux périphériques.

Les opérations de creusement et de pose du revêtement ne peuvent donc pas être

simultanées.

La formulation des bétons de voussoirs, ainsi que le ferraillage de ceux-ci

doivent être conçus de façon à ce qu’ils puissent résister sans dommage aux fortes

pressions localisées exercées par les vérins de poussée.

A ce propos on rappellera pour mémoire que la technique du béton extrudé

a été très vite abandonnée à cause des difficultés techniques de mise en oeuvre, de

l’incertitude sur l’épaisseur du revêtement inhérentes au procédé et bien sûr du fait

qu’elle ne permet pas l’appui longitudinal.

3.2. Les organes d’évacuation des déblais

3.2.1. Les tapis transporteurs

Dans les machines à front ouvert les déblais sont collectés par les godets

périphériques de la tête de coupe et déversés dans une trémie centrale qui a son

tour alimente un tapis distributeur.

Ensuite une succession de convoyeurs situés sur le train suiveur distribue les

déblais dans des berlines en attente de chargement.

L’évacuation des matériaux se fait de plus en plus souvent par des

convoyeurs à bande allant jusqu’à l’extérieur du tunnel, ces convoyeurs sont

allongés au fur et à mesure de l’avancement.

L’emploi des convoyeurs est limité par la consistance et la teneur en eau

des déblais évacués, en particulier dans le cas des tunneliers à pression de terre où

très souvent on ajoute aux matériaux de la chambre des additifs (voir chapitre 4).


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Dans le cas du tunnelier à pression de terre le pesage des matériaux par

bascule intégratrice située sur le convoyeur à bande est un outil très utile pour le

pilotage du tunnelier, notamment vis-à-vis de la prévention des fontils.

3.2.2. Le marinage hydraulique

Les déblais sont dilués dans la chambre avant avec une très forte proportion

de boue pour créer les conditions du transport hydraulique.

A cause des propriétés thixotropiques de la boue, le dimensionnement des

canalisations est conditionné par le nécessaire respect d’une vitesse critique

minimale pour éviter le dépôt et l’accumulation des matériaux dans les conduites.

On distingue les systèmes à boucle unique et les systèmes à double

boucle; dans ce dernier système, la boucle avant se referme sur un by-pass et

possède une géométrie fixe indépendante de l’avancement. Son débit peut être

réglé pour permettre le maintien de la pression à front sans être tributaire de

l’évacuation des déblais.

Les usines de traitement des boues doivent pouvoir être capables de traiter

essentiellement par cyclonage et centrifugation, des débits dépassant 1000 m3

/h.

3.2.3. L’extraction par vis

Le transport par vis est très régulièrement utilisé dans l’industrie, mais

généralement avec des produits calibrés.

Dans le cas des tunneliers à pression de terre ou pression d’air, la vis doit

pouvoir fonctionner quelque soit le type de matériau, provenant de terrains

hétérogènes, et s’accommoder de granulométries très variables (pas de concasseur

en entrée). La vis doit être dimensionnée en conséquence, en diamètre et en

puissance d’entraînement.

La vis doit également pouvoir réguler le débit en fonction de l’avancement

du tunnelier, quelque soit la pression dans la chambre, en freinant les matériaux

pour éviter un débourrage brutal.

Pour ce faire, les constructeurs ont développé deux techniques:

• La formation d’un « bouchon de matériaux » ralentissant le

transit, obtenu soit au moyen de 2 vis en séries dont l’une

coulisse longitudinalement dans son enveloppe, soit par un


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enveloppe tournante dans le même sens que la vis réduisant

l’effet d’entraînement de la vis,

• L’installation au débouché de la vis à l’air libre d’un appareil

régulant le volume de matériau rejeté : distributeur rotatif ou

pompe volumétrique à piston

La longueur de la vis dépend de la pression maximale prévue au bas de la

chambre. On estime généralement que dans des conditions moyennes le gradient

de pression le long de la vis peut être estimé à 20 KPa pour chaque pas de l’hélice

(en général 70 à 80 % du diamètre). Le diamètre est en général compris entre 0.40

m et 1.50 m suivant le débit à évacuer (ce qui conditionne bien sûr la vitesse

maximale d’avancement du tunnelier).

Le couple de rotation nécessaire pour faire tourner la vis est en moyenne de

l’ordre de 0.3 kN.m / par m3/h de déblais à évacuer, mais en fonction de la

granulométrie des terrains à excaver on peut aller jusqu’à 1.5 kN.m / m3/h et au-

delà. La vitesse de rotation de l’hélice est comprise entre 0 et 30 trs/mn,

l’inclinaison de la vis est généralement comprise entre 10 et 30°.

Les organes de la vis doivent bien sûr être prémunis contre une usure

prématurée en cas de matériaux abrasifs.

3.3. Equipements divers

3.3.1. Les voussoirs / l’érecteur à voussoirs

Les voussoirs sont des éléments préfabriqués en béton armé, à haute

densité de ferraillage, pouvant peser près d’une dizaine de tonnes dans le cas des

tunnels de grand diamètre. Leur approvisionnement et mise en place sont donc

obligatoirement mécanisés.

L’approvisionnement à front est fait par train et wagons spéciaux. Les

voussoirs sont déchargés par un portique ou un palan sur un convoyeur qui les

amène à l’érecteur qui les met en position définitive.

La préhension des voussoirs peut être effectuée soit par ventouse soit par

un doigt de préhension fonctionnant par clipsage, situé sur l’érecteur. L’érecteur est

doté de nombreux mouvements, à la fois rapides pour l’approche, et lents et précis

pour le positionnement définitif.


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Généralement, les voussoirs sont ensuite boulonnés entre eux

manuellement.

3.3.2. Injections de bourrage

Le revêtement étant posé à l’intérieur de la jupe du tunnelier, il existe une

possibilité de vide annulaire entre le terrain et le revêtement en voussoirs. Le

diamètre extérieur du revêtement en voussoirs est en effet nécessairement

inférieur au diamètre intérieur de la jupe par construction, et il est augmenté pour

permettre au tunnelier d’effectuer des courbes en altimétrie et planimétrie.

Ce vide est rempli par une injection de mortier de bourrage. La qualité de

cette injection influe directement sur la qualité du revêtement (ovalisation du

revêtement, désaffleurement des voussoirs) et la maîtrise des tassements en

surface.

Il existe deux modes d’injection :

• L’injection radiale, désolidarisée de l’avancement, au travers de

l’un des derniers anneaux en place,

• L’injection longitudinale au travers de tubulures réservées dans

la jupe du tunnelier

L’injection radiale, nécessairement inégale, est de plus en plus abandonnée

au profit de l’injection longitudinale répartie uniformément sur toute la périphérie

de l’anneau.

La composition du mortier de bourrage est adaptée à chaque cas mais

comprend généralement du sable, un liant (ciment, cendres volantes) un plastifiant

et de la bentonite. Elle doit permettre une mise en place aisée par pompage et

l’obtention de bonnes caractéristiques mécaniques de résistance et de déformation

à court / moyen terme (tassements).

3.3.3. Forages de reconnaissances ou de traitement de terrain

Le tunnelier peut être équipé d’une (ou plusieurs) foreuse(s) permettant

d’effectuer des forages longitudinaux destructifs longitudinaux ou déviants.

Ces forages posent souvent le problème d’avoir à traverser la chambre sous

pression ce qui induit l’utilisation d’un sas d’étanchéité.


Les tunneliers


La déviation du train de tiges est chose fréquente, car le matériel de

sondage embarqué est généralement léger.

Il existe aussi des tubes destinés à permettre le traitement éventuel par

injection d’une auréole de terrain en avant du front (concept théorique très peu mis

en pratique).

La tendance actuelle concernant les reconnaissances à front irait vers

l’utilisation de méthodes géophysiques (sismique réflexion) au moyen de sources et

récepteurs fixés sur la tête du tunnelier, et interprétation en temps réel des

signaux.

3.3.4. Joints d’étanchéité

Un premier joint d’étanchéité (joint de queue) doit exister entre la jupe et

l’extrados du revêtement en voussoirs pour éviter le retour du mortier de bourrage

vers l’intérieur du tunnel.

La technologie des joints/ anneau en néoprène a été abandonnée au profit

de l’instauration de joints à brosses métalliques entre lesquelles on injecte en

permanence une graisse épaisse spéciale. C’est la graisse elle-même, constamment

renouvelée, qui constitue la matière du joint et résiste ainsi aux efforts et

distorsions imposés en permanence dans cette zone.

Un deuxième joint joue un rôle fondamental, c’est le joint (joint de

roulement) qui existe obligatoirement entre le roulement cylindrique

d’entraînement du plateau excavateur et la paroi arrière fixe du compartiment

pressurisé. Son bon fonctionnement est essentiel pour d’une part maintenir la

pression au front et d’autre part éviter le passage dans le roulement de matériaux

du front de taille susceptible de le détériorer. Ce joint n’est en principe soumis qu’à

de très faibles distorsions et donc il peut cette fois être composé de plusieurs séries

de bavettes en néoprène, en formes de peigne, fixées sur la partie tournante et

graissées en permanence par des ajutages débouchant au travers des néoprènes.


Les tunneliers


3.3.5. Outils de surcoupe

Certains outils sont placés à la périphérie de la tête du tunnelier pour

réaliser une « surcoupe » réglable ou fixe à la périphérie de la jupe, de façon à

réduire les frottements et à faciliter l’inscription dans les courbes (cf. 3.3.7).

3.3.6. Logistique embarquée

Le fonctionnement d’un tunnelier nécessite une logistique complexe,

embarquée à bord de plate-formes roulantes traînées par le tunnelier et constituant

ce que l’on appelle le train suiveur (ou « back-up ») pouvant atteindre 200m de

long.

Le train suiveur comprend par exemple dans le cas d’un tunnelier à pression

de terre :

1. Une remorque de pilotage (cabine, armoires électriques, roto-

distributeur de mortier de bourrage, pompes d’exhaure)

2. Une remorque de puissance (pompes et systèmes hydrauliques)

3. une remorque d’injection du produit de bourrage

4. Une remorque « utilitaires » avec réfectoire, compresseurs,

outillages…

5. Une remorque portant les transformateurs électriques et les cellules

BT (alimentation primaire 20 kV / courant secondaire en 380 V)

6. Une remorque de ventilation

7. Une remorque de stockage des tuyauteries / enrouleurs à câbles

Les trains d’approvisionnement des voussoirs et consommables doivent

pouvoir circuler à travers ces remorques ayant une forme de portique prenant

appui via des roues sur les voussoirs.

3.3.7. Le guidage des tunneliers

Les tolérances de positionnement du tunnel réalisé par rapport à l’axe

théorique sont très faibles (de l’ordre de +/- 5 cm). La précision du guidage est

donc essentielle.

Le guidage comporte deux opérations distinctes :

• La navigation, qui est une opération de repérage topographique


Les tunneliers


• Le pilotage, qui est la conduite proprement dite

Le bouclier étant repéré par la position d’un point de son axe et la direction

de son axe, la navigation consiste à :

• Relever la position et la direction dans l’espace

• Les comparer aux données théoriques prévues

• En déduire les consignes pour la phase pilotage

Les points de repère nécessaires à ces relevés sont installés dans le tunnel

tous les 100 à 250 m en utilisant les moyens classiques de triangulation.

Au moyen d’un rayon laser rattaché à ses bases et de deux cibles installées

à l’arrière et à la partie médiane du tunnelier, on peut connaître en permanence sa

position et sa direction. On peut pour cela utiliser des cibles sensibles connectées à

un calculateur qui donne en temps réel les écarts par rapport à la position théorique

(système Z).

Les consignes de pilotage consistent d’abord à définir les actions à

entreprendre sur les vérins de poussée pendant la phase de forage pour maintenir

ou ramener le bouclier sur sa trajectoire théorique.

Le pilotage est couplé avec l’utilisation d’un plan de positionnement des

voussoirs dans l’espace autour de l’axe du tunnel : le système de l’anneau universel

(voussoirs à faces droites non parallèles) permet d’aligner les anneaux de façon à

prendre les courbes souhaitées.

Pour agir sur les vérins, on les divise en groupes (de 3,4…) correspondant à

des secteurs circulaires différents où l’on applique différentes pressions

hydrauliques, obtenant ainsi des différences d’allongement correspondant aux

valeurs données par le calcul. Il faut bien sûr vaincre les réactions du terrain

encaissant et pour ce faire on utilise souvent les outils de surcoupe permettant

d’élargir légèrement l’excavation.

La commande des vérins de poussée peut également faire l’objet d’une

automatisation, notamment dans le cadre de la maîtrise du confinement à front

(système CAP) et du contrôle général du fonctionnement du système mécanique

d’entraînement.


Les tunneliers


4. La problématique du confinement dans les tunneli ers

actuels

4.1. La nécessité de la maîtrise du confinement au front de taille

4.1.1. La variabilité des configurations géologiques

Dans tout creusement de tunnel il peut exister des situations « anormales »,

c’est à dire s’écartant du schéma géologique prévu (lequel est en général

intellectuellement « figé » dès que les géologues l’ont couché sur papier) et qui

généralement nécessitent l’établissement, le plus souvent immédiat, d’un

confinement au front de taille afin d’éviter des incidents majeurs de type fontis.

Nous en développerons ci-après quelques exemples.

4.1.1.1. Abaissement du toit d’une couche résistante

Le creusement se fait par exemple dans des horizons géologiques

sédimentaires, dans une couche dure surmontée de couches de terrains meubles.

En général il s’agit de couches horizontales ou subhorizontales (pendages faibles).

Le creusement se fait dans une couche dure choisie parce qu’elle est

résistante, et généralement globalement imperméable. Le tracé du tunnel est

confronté à l’abaissement brutal ou progressif du contact entre la couche dure et le

terrain meuble sus-jacent.

Exemple de configuration : creusement dans le calcaire grossier de la région

parisienne, surmonté par les marnes et caillasses et le sable de Beauchamp.

Dissolutions locales des marnes et caillasses, remplissage par le sable de

Beauchamp. Celui-ci est en charge hydrostatique, alors que le calcaire est

« simplement » perméable sur fissures.

Type de tunnelier concerné : généralement tunnelier à mode ouvert ou

tunnelier à pression de terre fonctionnant en mode ouvert, ou bien chambre à

moitié remplie, avec éventuellement une légère pression d’air

Calcaire

Sables de Beauchamp

Marnes et caillasses


Les tunneliers


Traitement possible de l’incident : décision de passer en mode fermé,

augmentation de la pression de confinement : la décision doit se faire sur un

intervalle de temps très court.

4.1.1.2. Présence d’un obstacle à l’avancement

Par exemple présence inopinée de fondations, récentes (massifs béton) ou

anciennes (pieux en bois), de canalisations d’assainissement (buses ou ovoïdes).

La rencontre de l’obstacle perturbe l’avancement de la machine et très

souvent implique son arrêt. Pour empêcher alors toute dégradation il y a lieu

d’établir ou de maintenir un confinement au front de taille.

Tous les types de tunneliers sont concernés.

Traitement possible de l’incident : très souvent le problème est réglé par

une intervention in situ, généralement hyperbare. Une solution de confortement /

consolidation de l’existant depuis la surface implique très souvent un arrêt prolongé

de la machine pendant lequel il y a lieu de savoir maintenir le confinement.

4.1.1.3. Creusement en terrains karstiques

Les karsts prennent potentiellement la forme d’un vide de taille variable,

dont la localisation est aléatoire, et qui peut concerner toute la section.

Le creusement est initialement prévu dans le calcaire, donc une roche, donc

hors eau, mais très souvent le karst communique avec la ou les nappes sus-

jacentes.

Type de tunnelier concerné : généralement tunnelier à mode ouvert ou

tunnelier à pression de terre fonctionnant en mode ouvert, chambre à moitié

remplie, avec éventuellement une pression d’air.

Exemple : émissaires creusés à Bordeaux

Traitement possible de l’incident : si le karst n’est pas trop important,

passage en mode fermé, augmentation de la pression de confinement. Si par contre

le karst est important ou mal situé (sous la machine), tentative de remplissage par

injection de coulis depuis la surface ou éventuellement depuis le tunnelier. D’où le

grand intérêt d’avoir des informations concernant le volume du karst (emploi d’une

méthode de détection par reconnaissance géophysique, comme par exemple le

cylindre électrique).


Les tunneliers


4.1.1.4. Transition entre milieu rocheux et terrain meuble

Franchissement de la surface de contact entre 2 milieux de caractéristiques

bien distinctes :

• passage du rocher au terrain meuble, lequel peut être boulant et

aquifère

On peut être sous nappe ou hors nappe.

rocher

Terrain

meuble (sable,

alluvions)


Les tunneliers


Le contact est matérialisé par une surface généralement gauche, rarement

plane, impliquant l’existence d’une zone de transition.

Exemple : tunnel de Caluire, interface entre gneiss et sable molassique

Type de tunnelier concerné : pression de boue ou pression de terre

Traitement possible de l’incident : passage du mode ouvert au mode fermé

dans le cas du tunnelier à pression de terre (sens : rocher > terrain meuble). Dans

le sens opposé, modification de la configuration de la tête de coupe.

4.1.1.5. Remontée du substratum rocheux

Creusement dans des terrains meubles ou tout au moins tendres, avec une

machine adaptée à ce type de terrains (configuration de la tête d’abattage).

Rencontre inopinée du substratum rocheux sous forme de remontée locale :

surface gauche située sous le tunnelier. Fonctionnement généralement sous nappe.

Fonctionnement en section mixte perturbant le régime de fonctionnement du

tunnelier et imposant un surcroît d’efforts à la machine. Le creusement est ralenti

et les conditions sont propices à une instabilité (circulation d’eau à l’interface sol

/rocher, surfaces de contact de faible résistance). Il faut donc pouvoir maîtriser à

tout moment le confinement.

Exemple : tunnel de Caluire, BPNL,Lyon


Les tunneliers


Métro ligne D à Lyon, Gorge de Loup - Vaise

Type de tunnelier concerné : pression de boue ou pression de terre

Conséquences de l’incident : modification de la configuration de la tête de

coupe (ajout de molettes).

4.1.1.6. Discontinuités au sein d’un massif rocheux

Présence de surfaces de discontinuité au sein d’un massif rocheux. Le

fonctionnement normal du tunnelier est à priori sans eau.

Présence d’une faille, remplie de matériaux broyés, de faible résistance,

généralement en charge. L’épaisseur de la discontinuité peut être très variable, de

20 cm à plusieurs mètres.

Type de tunnelier concerné : tunnelier roche dures, fonctionnant en mode

ouvert.

Exemple : creusement de galeries hydrauliques dans des barrages

Traitement possible de l’incident par injections préalables de la zone faillée,

à partir du tunnel.

4.1.2. Les phénomènes hydrauliques

4.1.2.1. Dans les sols

Sans rentrer dans le détail de calculs d’écoulement sophistiqués, on peut

dire que le creusement d’un tunnel dans un milieu homogène baigné par une nappe

provoque un abaissement de la pression interstitielle qui se propage dans le terrain

avec le temps.

En cas d’arrêt du creusement le régime hydraulique se stabilise avec un

écoulement permanent dans le tunnel, évidemment variable avec la perméabilité du

revêtement mis en place. A cet écoulement correspondent des gradients


Les tunneliers


hydrauliques susceptibles de provoquer via les forces d’écoulement des

entraînements de particules fines dans les sols et des débourrages de fissures dans

les massifs rocheux.

Dans les sols, il faut avoir conscience que dans des sols de perméabilités

voisines de 10-5 m/s le temps d’établissement du régime permanent dans un terrain

boulant (fonction par ailleurs du coefficient d’emmagasinement du terrain et de la

distance à la surface équipotentielle de réalimentation) peut n’être que de quelques

secondes et donc les phénomènes d’écoulement sont instantanés.

La réduction des perméabilités observées lors d’injections, même avec des

coulis adaptés (gel d’étanchement, résines…) n’est pas de nature à résoudre le

problème puisque le temps au bout duquel on peut craindre une instabilité a

augmenté certes mais insuffisamment ; il faut en réalité que ce temps soit

compatible avec les cycles d’avancement et le délai disponible pour s’opposer à ou

maîtriser l’écoulement, ce qui conduit dans la pratique à des niveaux

d’étanchement hors de portée des traitements habituels.

Contrairement à une pratique courante, le traitement préalable par injection

n’est donc pas toujours la réponse appropriée au problème des terrains boulants

sous nappe, et la solution la plus appropriée consiste en un confinement efficace.

4.1.2.2. En terrains rocheux : un exemple, le cas du métro de

RENNES

L’altération du substratum Briovérien se présente non pas comme un

phénomène de type « couche horizontale altérée au-dessus d’un substratum sain »

mais plutôt comme de véritables plans de faiblesse inter stratifiés au milieu

des différentes couches de schistes et de grès, et ces plans de faiblesse peuvent

pénétrer significativement dans le massif. Les zones dites broyées relèvent de la

même logique, et correspondent à des interfaces entre deux couches rigides ou à

une couche plus faible pincée entre deux couches plus rigides, sur lesquels se sont

exercées des contraintes tangentielles lors des plissements tectoniques (« mille-

feuilles »).

L’action de l’eau est l’agent principal de l’altération par transformation

minéralogique de la roche, or l’eau circule dans le substratum rocheux à la faveur

des discontinuités (plans de joints) lesquelles semblent avant tout correspondre

aux interfaces entre les différents bancs, orientés suivant la stratification /

schistosité.


Les tunneliers


TN

toit du substratum

Il est donc facile d’imaginer que l’irruption du tunnelier dans un massif

rocheux hydrauliquement hétérogène et en charge crée, si le confinement est

faible, un gradient hydraulique entre le toit du substratum et la chambre. Ce

gradient hydraulique a alors pour effet, via les forces d’écoulement, de pousser le

matériau de remplissage de la discontinuité (par exemple sable consolidé de type

gore, matériau d’altération, matériau broyé) vers le vide et donc de créer un

débourrage. Ce débourrage génère alors lui-même un éboulement de type chapeau

de gendarme.

4.1.3. L’influence des paramètres géomécaniques sur le fonctionnement du

tunnelier

Pour faciliter la compréhension de ce qui suit, on imaginera le creusement

d’un tunnel dans un sol homogène saturé sous nappe. Pour simplifier, on supposera

que la rupture du matériau peut se caractériser par un « critère de rupture » type

MOHR-COULOMB, TRESCA, HOEK ET BROWN... mettant en jeu l’influence d’une

contrainte normale et d’une contrainte de cisaillement. Le massif de sol devant le

front est par ailleurs soumis à un état de contraintes caractérisé par une contrainte

principale majeure d’origine géostatique et des contraintes mineures correspondant

aux contraintes horizontales.

Lorsqu’on vient excaver un tunnel, on provoque dans le massif de sol une

modification de l’état de contraintes conduisant à priori à un relâchement de l’état

de contraintes horizontal. Si cet état de contraintes est égal à zéro, le cercle de

MOHR caractérisant le sol devant le front peut tout à fait intersecter la courbe de

rupture (ceci est évidemment fonction de la cohésion, de l’angle de frottement et

du niveau de contraintes) et l’on a donc une rupture naturelle correspondant à un

éboulement.

Pression


Les tunneliers


Dans le cas de l’excavation au tunnelier, on peut expliquer la rupture du

matériau au niveau du front de taille par l’action combinée d’une contrainte

normale (apportée par la poussée du tunnelier) et d’une contrainte de cisaillement

(apportée par le couple exercé par la machine sur la tête et ses outils). C’est

l’action combinée des deux contraintes qui permet la rupture du matériau dans la

limite définie par les caractéristiques intrinsèques de celui-ci.

Lorsque l’on exerce une pression de confinement sur un sol saturé, on

exerce une pression « horizontale » qui contrebalance la pression hydrostatique

dans le sol et en même temps exerce une contrainte effective sur les grains de sol.

La contrainte normale est donc la somme d’une contrainte effective et d’une

pression hydrostatique, dont les composantes peuvent varier séparément.

Une contrainte horizontale trop élevée a pour effet de reporter le cercle de

MOHR des contraintes à l’intérieur de l’espace de stabilité (plan σ,τ) et d’empêcher

la rupture « naturelle » par défaut de poussée ; il y a alors « recompactage » du

terrain sous la roue de coupe dans tout ou partie du front, ce qui a pour effet de le

rendre le sol artificiellement plus résistant : il y a mise en butée du terrain et les

ruptures correspondent alors à un état de contraintes s’inscrivant dans un cercle de

MOHR de butée et non plus de poussée. On a donc une consommation de poussée

et de couple excessive par rapport à ce que demande le matériau. D’autre part,

plus le matériau est frottant, plus la sensibilité à un excès de confinement est forte

(cf. espace de stabilité / rupture dans le plan (σ,τ)).

Pour ce qui est des tunneliers à pression de terre, une problématique

spécifique dans un sol à la fois cohérent et frottant est, compte tenu du gradient de

pression important dans la chambre lié à la densité du matériau foisonné, d’avoir

une pression suffisante en calotte pour empêcher la rupture naturelle par défaut de

poussée (instabilité / éboulement) et d’éviter une pression excessive en radier pour

ne pas mettre en butée le terrain, et donc augmenter inutilement les efforts sur la

machine (le couple notamment). Ceci demande donc de connaître et maîtriser en

permanence les pressions à exercer en voûte et à l’axe.

Un confinement adapté au terrain est donc de nature à permettre un

fonctionnement optimisé du tunnelier en termes de consommation d’énergie et de

maîtrise de l’usure des pièces mécaniques.


Les tunneliers


4.1.4. La maîtrise des tassements

En dehors des situations géologiques exceptionnelles qui justifient d’un

confinement, une autre raison motive la mise en place d’un confinement ajusté en

permanence à la nature des terrains rencontrés : la maîtrise des tassements.

Le tassement obtenu en surface lors du passage d’un tunnelier se

décompose en quatre composantes :

• Le tassement en avant du front,

• Le tassement au droit de la jupe, lié à la conicité de celle-ci,

• Le tassement lié à la différence de diamètre entre le diamètre

intérieur de la jupe et le diamètre extérieur de l’anneau de

voussoirs,

• Enfin le tassement lié au comportement retardé des terrains sous

l’effet de la modification de l’état de contraintes autour du

revêtement (dissipation des pressions interstitielles dans les

terrains argileux, fluage…)

Un confinement adapté est donc de nature à maintenir les tassements sous des

valeurs de seuils compatibles avec les déformations admissibles pour les

constructions et les ouvrages sensibles en surface.


Les tunneliers


4.2. Les problèmes posés par le confinement par pre ssion de boue

4.2.1. Généralités. Constatations expérimentales

Le principe même du soutènement par pression de boue repose sur la

possibilité de mobiliser une pression dans un liquide face à un sol, saturé ou non,

soumis à un état de contraintes. Le liquide est ici composé d’une solution d’eau et

de bentonite (dosage de quelques dizaines de kgs/ m3) que l’on a préalablement

laissée évoluer dans des installations adéquates jusqu’ à parfaite saturation de la

bentonite.

Le sol est considéré comme un milieu poreux, siège d’un écoulement d’un

liquide dont les caractéristiques rhéologiques sont représentées par le modèle de

BINGHAM.

La pénétration de la boue a été étudiée expérimentalement par divers

constructeurs et laboratoires, à l’aide de perméamètres grand modèle. Les

montages utilisés comprennent un cylindre rempli du sol à étudier dans lequel on

fait pénétrer la boue grâce à une différence de charge hydrostatique. On peut ainsi

mesurer le gradient de pression, la longueur de pénétration, le débit écoulé.

Photo :perméamètre expérimental

Dans le cas extrême d’un terrain très ouvert avec une boue très fluide, il

s’établit un écoulement sous l’effet de la (sur)pression « hydrodynamique »,


Les tunneliers


écoulement qui finit par cesser de se produire lorsque la boue arrête de s’infiltrer

dans le terrain sous l’effet des pertes de charges.

Expérimentalement, on constate alors sur le perméamètre que le volume de

terrain à traverser est alors insuffisant pour bloquer l’infiltration de la boue et que

dans ce cas, il s’établit un écoulement permanent à travers la colonne de terrain,

caractérisé par un débit.

Ce cas de figure extrême correspond à l’établissement d’un régime

hydraulique d’écoulement dans un sol à partir d’une pression hydrodynamique. La

pression ne peut être maintenue qu’en contrepartie d’un débit généralement élevé

(cf. soutènement à l’air comprimé).

Par contre, dès qu’un « film » (film polyane par exemple) empêche cet

écoulement, c’est la poussée hydrostatique qui est mobilisée. C’est le mécanisme

recherché dans le soutènement à pression de boue : idéalement la formation d’un

film ou d’une membrane, plus généralement d’une zone colmatée appelée « cake »

pour mobiliser tout ou partie de la poussée hydrostatique potentielle.

Le cake est de type « membrane » ou « imprégnation » :

• Membrane : un film de boue d’épaisseur centimétrique se forme

à la paroi du front de taille; il ne se modifie pas quand la pression

de soutènement augmente.

• Imprégnation : sous l’effet des pertes de charge, la boue arrête

de s’infiltrer dans le terrain. L’épaisseur imprégnée est

directement fonction de la surpression hydrostatique (c’est à dire

la différence entre la pression du liquide dans la chambre et la

pression de l’eau dans le terrain) et l’écoulement reprend jusqu’à

une nouvelle stabilisation lorsque la pression dans la chambre

augmente.

4.2.2. Approche théorique

La stabilité du massif de sol soutenu dépend de la stabilité des grains de sol

au parement. Si l’on étudie la stabilité d’un volume infinitésimal d’un sol sans

cohésion au bord de la surface libre, on démontre [1] que le gradient de pression

nécessaire pour assurer la stabilité peut être calculé par la relation :

ϕϕαγγ

sin

)sin())(1(

−−−= bsnf


Les tunneliers


avec n = porosité du sol

γs = poids spécifique des grains solides

γb = poids spécifique de la boue

ϕ = angle de frottement interne du sol α = inclinaison de la surface libre / horizontale

dW = (γ-γb).dV provoque la chute du volume dV, et dF = δp.tgϕ.dS le

stabilise

(sol saturé par la boue) dS

p dF p-∆p

dW

dL

Pour un sol saturé par la boue γ - bγ = )(1( n− sγ - bγ )

dStg .. ϕρ∆ > (γ-γb). dV soit ϕ

γγtg

nf bs ))(1( −−

> pour α = 90°

Pour un sol courant (ϕ =30°, n=30% et une boue de 12 kN /m3) on trouve

une valeur moyenne de 18 kPa /ml (0.2 bar par ml).

Par ailleurs, la boue, considérée comme agissant comme un fluide de

BINGHAM parfait, apporte un gradient dit « gradient de stagnation » à cause de ses

propriétés thixotropiques, en relation avec les caractéristiques de perméabilité et de

porosité du terrain (diamètres des pores). Ce gradient de stagnation fso a été étudié

à la fois théoriquement et expérimentalement :

• théoriquement : l’étude de la mobilisation de l’écoulement d’un fluide de

BINGHAM possédant un seuil de cisaillement τf, dans un pore représenté par un

tube circulaire de rayon R démontre que le débit dans le tube s’annule si le

gradient hydraulique δp /L dans le tube satisfait la relation R = 2τf x[L/δp] soit

une relation du type :

fso = ( )aenR f

f Ρττ.2

• Des études expérimentales [2,3] ont mis en évidence une relation entre R et le

d10 du terrain en place (d10 en mm) :

fso = k. τf / d10, avec k variant de 0.25 à 2.

• Plus récemment, des études théoriques et expérimentales [4] ont conduit à

l’établissement d’une relation du type :


Les tunneliers


fso = Ak

n f

.45,0.

τ

k étant la perméabilité horizontale du terrain en place (m/s), A un coefficient

sans dimension compris entre 5 et 10, augmentant en théorie avec le degré de

dispersion des diamètres des pores du terrain, et diminuant avec le colmatage

progressif du terrain par la boue.

La comparaison des 2 gradients, l’un exigé part le terrain et l’autre apporté

par la boue s’infiltrant dans le terrain, avec le coefficient de sécurité inhérent à

l’incertitude sur les valeurs des paramètres (F ≥ 2) permet, en fonction des

conditions de terrain, de déterminer les valeurs du seuil de cisaillement nécessaire

fτ pour la boue.

Lorsque les pores sont de trop grande dimension, la valeur de fτ à

atteindre pour obtenir le gradient de stagnation souhaité peut être élevée. En

alternative à la démarche qui consiste à jouer (dans une certaine limite) sur les

caractéristiques de la solution de bentonite (augmentation de la concentration,

additivation…) il peut être envisagé de réduire le diamètre des pores, par exemple

par adjonction de fines d’argile ou de sable.

Les particules ajoutées forment un mélange granulaire d’une dimension

maximale dboue que l’on peut tenter de caractériser par :

d15sol ≤ 5dboue (condition de filtre)

Selon certains auteurs [2], l’expérience montre que des relations du type

d15sol ≤ 8dboue ou encore d20sol = 3dboue sont acceptables.

En résumé, le confinement à la boue nécessite, en sus du niveau de pression

souhaitable obtenu par le calcul, des caractéristiques particulières pour la boue en

relation avec celles du terrain.

4.2.3. Avantages et inconvénients du confinement à la boue

• L’une des conditions du succès des tunneliers à pression de boue

est la possibilité de réguler de manière très fine la pression dans

la chambre d’abattage en utilisant la « régulation par bulle d’air »

où la surface de la boue est sous pression constante d’air dans

une chambre arrière communiquant en partie inférieure avec la

chambre principale. Il s’agit à la fois de réguler le niveau de la


Les tunneliers


boue en agissant sur les pompes d’amenée et d’exhaure et la

pression de l’air.

• Le principal inconvénient du tunnelier à pression de boue réside

dans la nécessité de séparer la boue des fines du terrain venant

progressivement la charger en densité. Le traitement doit parfois

être élaboré (plusieurs niveaux de cyclonage, filtres presse) et

nécessite alors des installations sophistiquées, dont le débit peut

constituer une limitation à l’avancement du tunnelier d’une part,

et dont le disfonctionnement peut avoir des répercutions sur la

qualité de la boue et partant sur la stabilité du front, notamment

en terrains hétérogènes.

• En cas de creusement dans un terrain très grossier et perméable,

il peut être impossible d’obtenir un gradient de stagnation

suffisant pour stabiliser le front par les seules propriétés

rhéologiques de la solution de bentonite ; il est alors nécessaire

de lui adjoindre des additifs (voir § précédent) tels que de

l’argile,des polymères hydrosolubles, des copeaux de bois, des

confettis, des granulés de bentonite… ce qui renchérit et

complique inévitablement le procédé.

4.3. Le confinement par pression de terre

4.3.1. Généralités

Les sujétions liées à l’emploi de la boue, notamment la nécessité de

retraitement des boues, ainsi que les limites de leur emploi en cas de terrains très

hétérogènes (avec présence de blocs) ou très perméables, ont conduit les

entreprises et les constructeurs de machine à s’interroger sur la possibilité d’un

confinement du front par les matériaux extraits eux-mêmes, sans passer par

l’emploi de boue liquide ou d’air comprimé.

Le principe de confinement à pression de terre est l’extraction contrôlée des

matériaux hors de la chambre au moyen d’une vis d’Archimède (photo ci-dessous)

dont le débit doit être théoriquement asservi à la pression moyenne régnant dans la

chambre avant et qui doit être maintenue aussi constante que possible.


Les tunneliers


Cette pression est elle-même fonction de la force exercée par les vérins

longitudinaux de la machine pour assurer sa pénétration dans le terrain et

également du débit d’extraction par la vis.

Pour que le système puisse fonctionner correctement, il faut que les

matériaux présents dans la chambre présentent à la fois :

• Une maniabilité suffisante pour leur permettre d’occuper à tout instant le

volume de la chambre sans opposer une trop forte résistance au plateau

excavateur : ils doivent se comporter comme une boue épaisse ou un

béton dans son malaxeur,

• Une imperméabilité suffisante pour s’opposer à l’afflux brutal de l’eau

depuis le front de taille et maintenir dans le terrain une pression

interstitielle suffisante

Dans son principe, ce type de confinement est plus satisfaisant que le

confinement à la boue parce qu’il n’est pas tributaire de la formation d’un cake

superficiel.

4.3.2. Les additifs

Un sol relativement mou, ayant les propriétés d’un liquide très épais ou

d’une pâte, est le plus approprié pour un fonctionnement optimal d’un bouclier à

pression de terre. Selon certains constructeurs, le mélange idéal en sortie de vis


Les tunneliers


doit être assimilable à une argile dont l’indice de consistance serait compris entre

0.5 et 0.7 (argile dite ferme).

Argile ferme de consistance souhaitée

Une règle couramment admise est que le sol se prêtant naturellement bien à

un fonctionnement par pression de terre doit contenir de 20 à 30 % d’éléments

inférieurs à 80 µ. Evidemment tous les sols n’ont pas ces caractéristiques et l’on a

recours à des additifs pour combattre les déficiences naturelles du sol.

On peut retenir trois types d’additifs :

1. La boue lourde (« high density slurry »), procédé qui consiste à ajouter

directement aux sols les éléments fins afin de compléter sa courbe

granulométrique. Très utilisé à une époque au Japon, ce procédé a le

désavantage de faire amener à front une forte quantité de pondéreux

dont il faut par ailleurs se débarrasser.

2. Les additifs à base de polymères hydrosolubles ayant pour effet de

« coaguler » les éléments liquides contenus dans le marinage

3. La mousse, produite à partir d’une solution moussante à base de tensio-

actifs et d’eau par ajout d’un volume d’air via un générateur de mousse.


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Exemple de générateur de mousse (installation expérimentale)

De ces trois procédés l’injection de mousse est le plus couramment utilisé,

souvent en combinant l’emploi de polymères.

L’emploi de la mousse a pour objectifs principaux :

1. De jouer sur la consistance du sol en lui conférant un état pseudo-

plastique apte à transmettre des pressions

2. De rendre le terrain abattu moins perméable afin de limiter les

écoulements

3. D’homogénéiser le mélange formés par les matériaux abattus dans la

chambre

4. De limiter les frottements le long du chemin empruntés par les matériaux

(lubrification et réduction de l’usure)

La mousse est caractérisée par la composition de la solution de base et par

son taux d’expansion (rapport entre le volume produit et le volume de liquide

initial). Ce taux d’expansion varie évidemment suivant la pression dans la chambre,

les taux d’expansion à la pression atmosphérique se situant couramment entre 10

et 20.

L’absorption de la mousse par le terrain est caractérisée par le F.I.R (foam

injection ratio) qui est le rapport entre le volume de mousse consommé rapporté au


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volume de terrain excavé. Ce ratio varie couramment entre 20 et 50 % en fonction

de la granulométrie et de la porosité du terrain (valeur minimale pour faible

porosité) mais il est susceptible d’atteindre des valeurs supérieures à 100 % en cas

de terrains très ouverts.

4.3.3. Avantages et inconvénients du confinement à pression de terre

• Par opposition au confinement par pression de boue, le

confinement par pression de terre agit directement sur l’état de

contraintes totales dans le terrain au front de taille et il n’est pas

tributaire de la bonne formation d’un cake superficiel, il est donc

intrinsèquement plus simple.

• Les déblais ne nécessitent pas d’être traités pour récupérer la

boue (ils peuvent l’être néanmoins pour des raisons

environnementales).

• Globalement, le tunnelier à pression de terre s’adapte de manière

souple aux variations du terrain.

• Par contre, du fait que le confinement au front de taille se réalise

grâce au contact des matériaux dans la chambre avec ceux du

terrain, un couple plus important que dans le cas du confinement

par pression de boue est nécessaire. Ce couple est d’autant plus

fort que la pression de confinement est plus élevée.

• La chambre étant pleine de matériaux granulaires parfois très

abrasifs, les outils de coupe (molettes) aussi bien que la machine

elle-même (corps de la tête) peuvent s’user beaucoup plus

rapidement que dans le cas de la pression de boue.

• La régulation autour d’un niveau de pression de consigne est

potentiellement plus difficile que dans le cas de la pression de

boue régulée par bulle d’air, compte tenu de l’hétérogénéité des

matériaux dans la chambre [mélange triphasique squelette

granulaire + eau (du terrain ou ajoutée) + air (du terrain ou

ajouté)].

• Dans la pratique, le fonctionnement de ce type de confinement

peut s’avérer délicat si la conception de la vis ne permet pas une


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parfaite maîtrise de la pression dans la chambre. La vis doit être

en effet d’une longueur suffisante pour obtenir des pertes de

charge le long de celle-ci compatibles avec une évacuation

régulière à faible pression des matériaux. Dans certains cas

extrêmes de fortes pression hydrostatiques, il peut être

nécessaire de placer deux vis en série ou d’utiliser un déchargeur

rotatif ou un distributeur à piston.

• Il est en effet fondamental de pouvoir assurer un contrôle

volumétrique des matériaux extraits, ce qui est intrinsèquement

plus difficile à faire avec une vis qu’avec un transport hydraulique

pompé.

• Enfin, la plus grande densité dans la chambre (18 kN/m³ en

moyenne contre 12 pour la pression de boue) génère un écart de

pression important entre la voûte et le radier dans le cas des

grands diamètres ce qui peut conduire à des pressions

excessivement élevées en radier.

4.4. Le confinement à pression d’air

Les tunneliers actuels fonctionnant sous pression d’air doivent pouvoir

maîtriser instantanément les fuites d’air qui se produisent dans le terrain et le long

du chemin d’évacuation des déblais.

[1] Pour limiter les fuites d’air comprimé à travers la vis d’extraction, il faut

maintenir en permanence un niveau et une composition du mélange des

déblais abattus au-dessus de l’orifice d’entrée de la vis. Des dispositifs tels

que les capteurs de pression modernes sont d’une aide précieuse à ce sujet.

[2] Par contre le problème des fuites d’air dans le terrain peu se révéler

insurmontable. En effet, la loi qui régit l’écoulement des gaz dans un milieu

poreux s’écrit, de manière analogue à la loi de Darcy pour les liquides :

V = kg.gradp

kg étant la perméabilité relative du gaz

avec kηg

µk

g

wg ⋅

⋅=

k = perméabilité à l’eau


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µw = viscosité cinématique de l’eau = 10-6 m²/s à 20°C

ηg = viscosité dynamique du gaz = 1,82.10-5 N.s/m² pour l’air à 20°C

ces deux derniers termes variant avec la température.

Pour des configurations géométriques créant des gradients de pression

comparables, la formule ci-dessous montre que la vitesse, donc le débit circulant à

travers une section donnée, de l’air est au moins 60 fois supérieur au débit

équivalent d’eau.

On montre ainsi que, pour une perméabilité à l’eau supérieure à 10-5 m/s, le

débit d’air fuyant à travers le terrain est supérieur aux débits d’air fournis par les

installations des compresseurs généralement disponibles (de quelques mètres

cubes par minute à plusieurs dizaines de mètre cubes par minute).

Une perméabilité à l’eau supérieure à 10-5 m/s pour un terrain constitue de

fait la limite d’emploi usuelle des tunneliers à air comprimé. L’emploi d’additifs

projetés à front pour imperméabiliser le terrain pendant l’excavation permet

d’abaisser cette limite.

4.5. Le confinement ou « soutènement » mécanique

Il est mentionné ici pour mémoire. Le principe est d’exercer sur le terrain

par l’intermédiaire du plateau rotatif un simple confinement mécanique, ce

confinement pouvant être total (ensemble du plateau) ou partiel (secteur circulaire,

« breasting plate » selon les anglo-saxons).

La validité d’un tel confinement dépend étroitement de la configuration de la

tête d’abattage et en particulier de son taux d’ouverture. Un tel confinement

suppose qu’en cas de forte poussée du front, l’ensemble plateau/bouclier puisse

trouver, même à l’arrêt, une force de réaction suffisante (par appui direct ou par

frottement) pour éviter le recul. Son efficacité dépend étroitement de la puissance

disponible dans la mesure où, par principe, ce mode de confinement est d’autant

plus consommateur de couple que la pression à exercer est plus élevée.

L’emploi de telles machines se limite donc dans la pratique à des terrains

cohérents peu perméables ou hors nappe, ou bien à des roches tendres (ex.

tunnelier NFM du Métro d’ATHENES).


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4.6. Maîtrise du confinement sur chantier

4.6.1. Le pilotage du tunnelier en cours de creusement

Un tunnelier est une machine complexe dont le pilotage exige l’acquisition et

la maîtrise de nombreux paramètres.

Schématiquement ces paramètres sont de trois types :

• mécaniques,

• topographiques,

• paramètres traduisant l’interaction terrain/machine.

Parmi les paramètres mécaniques, on citera :

• l’intensité des moteurs électriques,

• la puissance consommée,

• la température d’organes mécaniques,

• la pression hydraulique.

Parmi les paramètres topographiques, on citera :

• les écarts absolus de position par rapport à des coordonnées,

• les distances absolues,

• les paramètres de tangage, roulis, lacet.

Tous les autres paramètres traduisent peu ou prou une interaction entre le

terrain et la machine :

• les pressions dans la chambre,

• les pressions dans la vis,

• les pressions d’injection de mortier de bourrage,

• le cas échéant la pression d’injection de bentonite le long de la jupe

• le couple consommé,

• la vitesse d’avancement,

• la poussée.


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Exemple de synoptique de suivi des paramètres (chantier BPNL)

L’analyse de chaque groupe de paramètres en temps réel (comparaison par

rapport à une valeur de consigne prévisionnelle, analyse des écarts) en relation

avec les informations géotechniques disponibles, permet la détection d’anomalies :

• vis-à-vis de la stabilité du front de taille,

• vis-à-vis du respect des critères de tassement,

• vis-à-vis des sollicitations s’exerçant sur l’anneau de voussoirs,

lesquelles nécessitent la mise en œuvre le plus rapidement possible

d’actions correctives.

Exemples classiques :

• l’asservissement du débit de la vis d’extraction à la vitesse d’avancement de la

machine,

• la régulation de la poussée via la pression dans la chambre

Des systèmes d’aide au pilotage des tunneliers comme CATSBY ou CAP sont

conçus dans ce sens.


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Les mécanismes d’interaction terrain-machine sont nombreux et complexes

et sont très loin d’être explicités totalement sur le plan théorique. Il n’en demeure

pas moins que l’exploitation des données liées au creusement, associée à une

bonne compréhension des données géotechniques et, le cas échéant, aux résultats

des reconnaissances à l’avancement, constitue le seul garde-fou contre l’apparition

de phénomènes destructeurs irréversibles (fontis…).

4.6.2. Les interventions hyperbares

Les opérations de maintenance dans la chambre – qui peuvent être

particulièrement fréquentes en cas d’usure - s’effectuent sous air comprimé afin

d’établir une contre-pression aux forces d’écoulement, ce qui nécessite la

réalisation d’un film étanche (le cake) à base de bentonite pour maintenir la

pression d’air comprimé à la valeur souhaitée.

L’opération de réalisation du cake doit être faite le plus rapidement possible

(vidange des matériaux contenus dans la tête, substitution par de la boue neuve

sous forte pression puis substitution par de l’air). Il s’agit d’une opération qui prend

au minimum quelques heures.

Il importe alors d’avoir une boue dont les caractéristiques rhéologiques

permettent à la fois une bonne pompabilité ( faible viscosité ) et en même temps

n’autorisent qu’une migration limitée dans le terrain (seuil de cisaillement élevé).

Cette boue peut avoir des caractéristiques différentes de la boue ordinaire utilisée

en creusement.

Pendant l’opération hyperbare on doit surveiller avec attention le régime

d’alimentation en air comprimé afin d’anticiper sur toute augmentation soudaine du

débit traduisant soit une fuite d’air brutale soit une perte d’imperméabilité du cake.

Il faut noter que sous l’effet des échanges thermiques avec l’atmosphère de la

chambre il se produit une dessiccation du cake amenant une augmentation

progressive de sa perméabilité à l’air. Dans une certaine mesure, l’ajout d’additifs

tels que les polymères permettent d’atténuer la vitesse de ce phénomène. On a

ainsi vu dans certaines conditions favorables des interventions hyperbares pouvoir

se prolonger pendant plusieurs jours sans avoir à renouveler l’opération de

fabrication du cake.


Les tunneliers


QUELQUES REFERENCES

1. Recommandations AFTES (G.T.4) relatives aux choix des techniques d’excavation

mécanisées, T.O.S. N° 157, Jan./Fev.2000

2. Fiches techniques des chantiers mécanisés éditées par l’AFTES

3. Projet national Tunnels 1985-1990

4. Projet National EUPALINOS 2000 sur le creusement des tunnels en terrains

hétérogènes, 1998

5. Les boucliers à pression de boue, par J. FERRAND et J. PERA – Annales de

l’ITBTP n° 420 (décembre 1983)

6. Boucliers à pression de terre : avantages, inconvénients, recherche et

développement M.MOKHAM. T.O.S. n° 119 – Sept./Oct. 1993

7. La Prévention des fontis dans les travaux au tunnelier : des études en temps réel.

P. ARISTAGHES, F. BERBET, P. MICHELON – T.O.S. n° 1 28 Mars/Avril 1995.

8. Imperméabilisation du front de taille par injection de boue bentonitiques

préalablement à des interventions hyperbares (BPNL) – B. DEMAY, L. NICOLAS –

T.O.S. n° 150 – Nov./Déc. 1998.

9. "Stabilité du front de taille et prévision des tassements sur le chantier SOCATOP

A86 VL1 ", B.DEMAY,B.LEROI, T.O.S. n°169, Jan./Fev. 2002

10. "Creusement de l’’AIRSIDE ROAD TUNNEL sous l’Aéroport

d’HEATHROW",B.DEMAY,J.L.AUDUREAU, T.O.S n°176, Mars /Avril 2003

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