Les bétons dans les tunnels - · PDF filedavantage orienter les premières études de conception d'un tunnel. En effet, lors du creusement d'un tunnel ... sent à des études de formulation

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TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°234 - Novembre/Décembre 2012

1 - Introduction-

Le béton prend une place très impor-

tante au moment de la construction

des ouvrages souterrains, au côté de

nombreux autres enjeux qui vont

davantage orienter les premières

études de conception d'un tunnel. En

effet, lors du creusement d'un tunnel

en méthode conventionnelle ou pour

les réparations, le béton projeté

assure, seul ou associé à des boulons

d’ancrage ou des cintres métalliques,

une très grande partie des soutène-

ments ; c'est une étape sensible dans

le cycle de creusement. Ensuite, de

manière quasi systématique en

France, les bétons coulés en place

généralement non armés ou peu

armés assurent le revêtement défini-

tif de l'ouvrage creusé par une

méthode conventionnelle ; les quan-

tités mises en œuvre sont importantes

et ces travaux se font toujours dans

des conditions très particulières et

parfois difficiles. Concernant le creu-

sement au tunnelier, le revêtement en

béton est le plus souvent constitué

d’éléments préfabriqués (voussoirs for-

tement armés), dont les performances

doivent être élevées pour limiter les

épaisseurs et résister aux nombreuses

sollicitations lors du transport et de la

pose des voussoirs et pendant le creu-

sement lorsque le tunnelier prend

appui sur les anneaux précédents. En

service, les revêtements coulés sur

place et les revêtements réalisés par

anneaux préfabriqués sont soumis à la

poussée des terrains, à la pression

hydrostatique, sans oublier les sollici-

tations accidentelles en cas d'incendie

par exemple mais sont aussi le support

de l'étanchéité, d'équipements d'ex-

ploitation, de sécurité et un certain

confort pour les usagers.

Les ouvrages souterrains présentent,

en matière de béton, quelques autres

particularités intéressantes :

• On peut d’abord citer les sollicita-

tions thermiques exceptionnelles

1 - Introduction-

Concrete is playing an increasingly

important role in the construction of

underground structures and is thus

concerned by a large number of other

issues that are increasingly affecting

initial tunnel design studies. Indeed,

during conventional excavation or

repairs of a tunnel, sprayed concrete is

used for most support walls, either on

its own or in conjunction with anchor

bolts or steel arch profiles. This repre-

sents an important stage in the exca-

vation cycle. In virtually all cases in

France, concrete poured on site –

generally with little or no reinforce-

ments – is then used for the final

lining of structures excavated using

traditional methods. This involves the

use of large quantities, and the works

in question are always carried out in

highly specific and sometimes difficult

conditions. In the case of TBM excava-

tion, in most cases the concrete lining

consists of prefabricated elements

(highly reinforced arch segments).

These must offer high performance in

order not to be too thick whilst with-

standing various types of stress during

shipping and installation, as well as

during excavation, when the TBM sup-

ports itself using the previous rings.

During service, both linings poured on

site and those consisting of prefabri-

cated rings are subjected to thrust by

soil, hydrostatic pressure, and acciden-

tal stress in the event of fire or other

incidents; these linings are bearing

waterproofing sheets, operating and

safety equipments; they also contribute

to the users comfort.

Underground structures also involve a

number of other particularities when

it comes to concrete:

• Firstly, there is the issue of exceptio-

nal thermal stress. Where applica-

ble, this must be taken into account

when assessing the resistance of the

Les bétons dans les tunnels :types, usages, spécificités, mise en œuvre et innovations

Concrete in tunnels:types, uses, particularities, implementation and innovations

L’objectif de cet article relatifs aux bétons dans les tunnels n’est pas de recommander mais décrire : les différents types debéton en tunnel, les usages, les formulations les plus utilisées,les techniques de mise en œuvre éprouvées, les spécificités ;d’évoquer les innovations, les expériences ; d'approcher les limites et les risques de ces utilisations mais de réfléchir pourencore améliorer les formulations et les techniques d’utilisation.

The purpose of this paper relating to concrete in tunnels is notto provide recommendations but to describe the different typesof concretes used in tunnels, their uses, the most commonlyused formulations, the proven techniques for their use, their specificities, to discuss innovations, experiments, to approachthe limitations and risks of these uses and to think about howto further improve formulations and application techniques.

CETU : Catherine LARIVE, Emmanuel HUMBERT, Laëtitia D’ALOIA-SCHWARTZENTRUBER, Bérénice MOREAU, Alain MERCUSOT, Serge ZAPELLI SETEC : Michel LEVY IFSTTAR : Loïc DIVETM

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qui sont prises en compte, si besoin

est, pour évaluer la tenue au feu de

l’ouvrage. Ces sollicitations condui-

sent à des études de formulation de

béton et de conception de la struc-

ture souvent longues et délicates.

• Il faut également mentionner la

prise en compte croissante du

développement durable qui conduit

par exemple, dans le domaine des

matériaux, à étudier les possibilités

de réemploi, de valorisation et de

gestion des matériaux excavés.

Dans cet article, les bétons courants

utilisés en souterrain pour des dalles,

cloisons et radiers ne sont pas déve-

loppés.

2 - Le béton projeté-

A quoi sert-il ?

Le béton projeté est un moyen rapide

de mise en oeuvre du béton sans

coffrage. Cet avantage permet le

bétonnage de la surface excavée dès

sa réalisation pour contenir la décom-

pression du terrain. La préparation de

la surface excavée se limite à une

purge des éléments instables.

En fonction des propriétés méca-

niques, de l'état de contrainte du mas-

sif encaissant et de l’épaisseur de la

couche, le béton projeté peut jouer un

rôle allant de :

• la simple peau protectrice destinée

à éviter une désorganisation pro-

gressive du terrain (altération ou

déjointoiement de petits blocs) :

cette peau de béton doit être proje-

tée immédiatement après l'excava-

tion et elle ne se calcule pas..

• à une peau de stabilisation, plus

épaisse et plus résistante, qui a pour

effet de bloquer localement les

instabilités, en combinaison avec

des éléments métalliques de soutè-

nement. Le dimensionnement est

généralement calculé par des

méthodes empiriques.

• jusqu'à un anneau de structure,

capable de reprendre des efforts nor-

maux et des moments. La couche de

béton projeté utilisée doit alors être

continue, concave et avoir une cour-

bure aussi régulière que possible

pour résister aux efforts extérieurs.

On parle souvent de coque. De plus

forte épaisseur, elle participe à la sta-

bilité de l'ensemble et limite les

convergences en étant associée à

d’autres renforcements. L'anneau se

calcule en déformations et nécessite

aussi une vérification en résistance.

Pour plus d’informations, le lecteur

pourra se reporter aux recommanda-

tions du GT 20 de l’AFTES dans la

revue TOS n°164.

Le béton projeté est le plus souvent

utilisé en complément de soutène-

ments métalliques (boulons, poutrelles

cintrées réticulées ou HEB ) ou en

remplacement de blindage métallique

entre cintres (profilés type HEB). Il doit

alors être renforcé par un treillis soudé

ou par des fibres ; la première solution

assure une bien meilleure connexion

entre le béton et les éléments métal-

liques, la seconde couvre toutefois de

nombreux cas courants.

Le béton projeté constitue également

le support des procédés d'étanchéité

extrados et permet d'obtenir un état

de surface (planéité, rugosité, ...)

répondant aux exigences du procédé

d'étanchéité choisi. Si nécessaire, en

cas d’utilisation de fibres métalliques,

une couche de finition sans fibres peut

être appliquée avant la mise en œuvre

du procédé d'étanchéité. Dans le cas

contraire, le dispositif d'étanchéité doit

être protégé par la mise en place d'un

géotextile de protection plus épais.

Les différents types debétons projetés

Dès le début du XX ème siècle, le béton

tunnel to fire. This type of stress often

entails long, delicate studies relating

to the concrete formula and design

of the structure itself.

• Another aspect is the increasing

attention paid to sustainable

development. For instance, this

may involve examining whether

excavated materials may be re-

used or recycled, and more gene-

rally how they are dealt with.

This article does not deal with the

standard types of concrete used

underground for slabs, partition walls

or foundations.

2 - Sprayed concrete-

Uses

Sprayed concrete is a way of installing

concrete quickly without the use of

formwork. The advantage is that the

excavated surface can be concreted

immediately in order to contain stress

release. Preparation of the excavated

surface involves nothing more than

removal of unstable elements.

Depending on the mechanical proper-

ties, stresses in the surrounding for-

mation and the thickness of the layer,

sprayed concrete may serve to

varying degrees:

• a simple protective layer, designed to

avoid the terrain deteriorating (alte-

ration or small blocks coming loose):

any such layer must be applied

immediately after excavation; no

design calculations are involved

• a thicker and stronger stabilisation

layer, serving to counter local insta-

bilities, in conjunction with steel

supporting elements. The related

dimensions are generally calculated

by empirical methods

• a structural ring that is capable of bea-

ring normal stress and moments. In this

case, the layer of sprayed concrete

used must be continuous, concave,

and have as regular a curvature as

possible in order to withstand external

stress. This is often referred to as a

shell. This is the thickest type of layer;

it contributes to overall stability and

minimises convergence, in conjunc-

tion with other reinforcements. The

ring is designed using deformation

calculations and its strength must also

be verified.

For further details, readers are invited

to consult the recommendations of

AFTES Working Group GT 20 in issue

164 of TOS magazine.

In most cases, sprayed concrete is

used alongside steel supports (bolts,

ribbed arches or HEB profiles) or to

replace steel shielding between HEB

arch profiles. In this case it must be

reinforced with fibre or welded wire

mesh. The former solution provides

much better linkage between the

concrete and the steel components,

but the latter is suitable in a large

number of standard situations.

Sprayed concrete also serves as the

surface for external waterproofing

procedures, allowing a degree of

surface flatness and smoothness that

is sufficient for the selected water-

proofing solution. If steel fibre is used,

a fibre-free finishing layer may be

applied before implementing the

waterproofing procedure if necessary.

If this is not done, the waterproofing

complex must be protected, with the

installation of a thicker protective geo-

textile.

Types of sprayed concrete

Dry mix sprayed concrete has been

in existence since the early twentieth

century. All the dry materials are intro-

duced into the concrete spraying

machine and projected at high velo-

city into a flow of compressed air.

Water is added at the end of the

nozzle (Figure 1). The aggregates may

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a été projeté par voie sèche. Tous les

matériaux secs sont introduits dans

la machine de projection et transpor-

tés à grande vitesse dans un flux d’air

comprimé. L’eau est ajoutée en bout

de lance (Figure 1). On peut humidifier

les granulats pour limiter les pous-

sières (on parle alors de voie humide)

ou introduire l’eau en amont de la

buse, grâce à une lance de prémouil-

lage.

La voie mouillée, qui consiste à trans-

porter par pompage un béton déjà

malaxé et le mettre en place par pro-

jection grâce à un apport d’air com-

primé à la lance, s’est développée

dans les années 70 (Figure 2). A cette

époque, la résistance, la qualité et la

durabilité des bétons projetés par voie

mouillée n’étaient pas excellentes et

les produits accélérateurs utilisés pour

faire tenir le béton étaient nocifs pour

le personnel, l’environnement et le

béton lui-même.

Les avantages de la voie mouillée

tiennent à la diminution des pous-

sières et des pertes de bétons dues

aux rebonds, ainsi qu’à l’augmenta-

tion des débits de projection (de 4 à

6 m3/h au maximum en voie sèche

contre 25 à 30 m3/h en voie mouillée

pour les robots de projection).

La voie sèche reste plus performante

lorsqu’on recherche une forte adhé-

rence sur le support (dosage en

ciment important du fait du rebond

des gros granulats dans la première

couche de béton) ou des perfor-

mances mécaniques très élevées.

Sa souplesse d’utilisation et ses très

bonnes performances en termes de

résistance mécanique et d’adhérence

du béton projeté, lui confèrent un

grand intérêt dans de nombreux cas

tels que :

• la réparation d’ouvrages en béton

armé,

• le renforcement d’ouvrages en

maçonnerie,

• les chantiers où le volume de tra-

vaux est limité et ne justifie pas une

installation de chantier importante,

• la réparation d’ouvrages nécessitant

une remise en service rapide après

projection, rendue possible grâce à

l’utilisation de bétons projetés à

Résistance Initiale Garantie (RIG),

mis au point et quasi systématique-

ment utilisés pour les ouvrages fer-

roviaires, pouvant également être

intéressants en ouvrages neufs en

cas de terrains meubles.

Pour tous les types de bétons projetés,

la mise en œuvre est une étape bien

plus critique que pour les bétons cou-

lés et la qualification des opérateurs

de projection est indissociable de la

qualité du matériau (consulter le site

www.asquapro.com pour plus d’infor-

mations sur la certification des porte-

lances). Cette certification est

be dampened to reduce the amount

of dust (this is then referred to as

a damp mix) or water may be intro -

duced prior to the nozzle, using a

pre-wetting pipe.

The wet mix process consists of

pumping pre-mixed concrete which is

then sprayed into place by supplying

compressed air at the nozzle. It was

developed in the 1970s (Figure 2). At

that time, the strength, quality and

durability of wet mix sprayed concrete

was not particularly good. The acce-

lerators used to help the concrete

bind were harmful for personnel, the

environment and the concrete itself.

The advantages of wet mix sprayed

concrete relate to the decrease in

dust and less loss of concrete due to

rebounding, as well as faster

spraying rates (rising from 4-6 m3/h

maximum for the dry mix to 25-30

m3/h for wet mix concrete spraying

machines).

Dry mix sprayed concrete is still the

best when strong adhesion to the

surface is sought. This is due to a high

dosage of cement as a result of larger

aggregates rebounding in the first

layer of concrete. It is also better if

there is a need for very high mecha-

nical performance.

This type of sprayed concrete is very

flexible in terms of use and offers very

good performance in terms of mecha-

nical strength and adhesion. As a

result, it is of interest in many different

scenarios, some of which are listed

below :

• repair of reinforced concrete struc-

tures,

• reinforcement of masonry struc-

tures,

• worksites with a relatively small

amount of works that do not call for

major worksite installations,

• repairing structures that need

to re-enter use very quickly after

spraying. This is made possible by

using Guaranteed Initial Strength

(Résistance Initiale Garantie, RIG)

sprayed concrete. This has been

developed for railway structures,

when it is almost always used, and

can also be of interest for new

structures in loose soil.

For all types of sprayed concrete, imple-

mentation is a much more critical stage

than in the case of poured concrete;

properly qualified operators are just as

important as the quality of the material

itself (see www.asquapro.com for more

information about certification of noz-

zlemen). This certification is highly

recommended and increasingly, is

mandatory for contracts including

sprayed concrete. The level of qualifi-

cation required must be appropriate to

the difficulty of the worksite (nozzle-

man, experienced nozzleman or highly

qualified nozzleman). It is also very

TECHNIQUE/TECHNICAL

Figure 1 - Principe de la projection en voie sèche / Dry mix sprayed concrete process.

Figure 2 - Principe de la projection en voie mouillée / Wet mix sprayed concrete process.

Machine de projection / Concrete spraying machine

Béton prêt à l’emploi / Ready-mix concrete

Compresseur à air / Air compressor

Compresseur à air / Air compressor

Réseve d’eau / Water tank

Arrivée d’eau / Water inlet

Arrivée d’air / Air supply

Pompe à béton / Concrete pump

Lance / NozzleLance / Nozzle



fortement recommandée, et de plus

en plus souvent exigée dans les mar-

chés comportant du béton projeté. Le

niveau de qualification demandé doit

être adapté à la difficulté du chantier

(porte-lance, porte-lance confirmé ou

porte-lance hautement qualifié). Il est

également très important de s’assurer

que l’encadrement et le personnel

chargé du contrôle interne maîtrisent

bien la technique de projection.

Les nouveautés en matièrede bétons projetés pour le soutènement

De manière générale, en France

comme ailleurs, les bétons projetés de

soutènement sont aujourd’hui mis en

place par voie mouillée, c’est-à-dire

après malaxage et contrôles en cen-

trale à béton. Ils bénéficient alors de

tous les progrès des bétons coulés.

Leurs spécificités sont liées à l’anta-

gonisme des exigences liées au pom-

page, d’une part, et à la tenue du

béton sur des surfaces verticales ou

en surplomb, d’autre part.

La consistance recherchée (S3 ou

plus) est obtenue grâce à des plasti-

fiants ou superplastifiants, réducteurs

d’eau, ce qui permet d’obtenir une

consistance fluide tout en gardant un

rapport Eau/Ciment limité (E/C ≤ 0,5).

Le respect d’un E/C relativement fai-

ble est particulièrement important

depuis qu’il existe des activateurs non

alcalins qui permettent un développe-

ment rapide des résistances initiales

tout en assurant une bonne durabilité

du béton projeté.

Les accélérateurs sans alcalins,

apparus au milieu des années 90,

sont probablement le progrès le plus

significatif pour la qualité des bétons

projetés par voie mouillée. Les docu-

ments de l’ASQUAPRO, association

pour la qualité de la projection des

bétons, précisent bien les pratiques

actuelles. En France, les accélérateurs

à base d’aluminates sont interdits et

il est vivement conseillé de spécifier

dans chaque marché l’interdiction des

accélérateurs à base de silicates, pour

un béton projeté en voie sèche ou

humide. De façon plus générale, il

convient d'accorder un grand soin aux

spécifications inscrites dans le CCTP,

comme le choix du type de ciment par

exemple. Ces spécifications doivent se

conformer aux recommandations en

vigueur de l'ASQUAPRO.

Pour des ouvrages exceptionnels, tels

que le tunnel sous la Manche après

incendie, les performances méca-

niques peuvent être comparables à

celles d’un béton coulé en place

(jusqu’à Rc = 60 MPa). Même avec

des bétons plus courants, on sait obte-

nir par cette technique une section

réparée monolithique, c’est-à-dire

dont le point de rupture en traction

n’est pas le contact béton support-

béton rapporté.

Les fibres dans les bétons projetés

Au niveau des matériaux, l’ajout de

fibres dans les bétons projetés a per-

mis des progrès significatifs, même si

elles ne peuvent pas systématique-

ment remplacer les treillis soudés.

Dans de nombreux cas de figures, les

fibres présentent un intérêt incontes-

table car elles renforcent le béton en

lui permettant de reprendre des

charges même après fissuration (on

parle de comportement ductile et non

fragile) (Figure 3). Les fibres métal-

liques sont utilisées avec succès

depuis plus de trente ans ; l’innovation

réside depuis une dizaine d’années

dans le recours à des macro-fibres

synthétiques qui peuvent également

permettre d’obtenir de bons résultats

en terme de capacité d’absorption

d’énergie. Leurs dimensions sont

proches de celles des fibres métal-

liques, beaucoup plus importantes

important to ensure that supervisors

and those in charge of internal control

are also properly familiar with sprayed

concrete techniques.

New developments insprayed concrete for support walls

In France and elsewhere, sprayed

concrete for support walls is generally

applied using the wet mix process, i.e.

after being mixed and inspected in a

concreting plant. This sprayed

concrete thus benefits from all the

progress made in poured concrete.

It differs due to the contrary constraints

imposed by pumping and the need for

the concrete to hold on vertical and

overhanging surfaces.

The required consistency (S3 or greater)

is obtained by means of water-reducing

plasticizers or superplasticizers; these

make it possible to achieve fluid

consistency whilst maintaining a low

water/cement ratio (W/C ≤ 0.5). Obser-

ving this relatively low water/cement

ratio has become all the more impor-

tant since the advent of alkali-free

accelerators that allow a rapid rise in

initial strength as well as good dura-

bility of the sprayed concrete.

Alkali-free accelerators first made

their appearance in the 1990 s and

are probably the single most impor-

tant advance in terms of wet mix

sprayed concrete. The French sprayed

concrete quality association ASQUAPRO

has documentation providing details of

all current practices. In France, alumi-

nate-based accelerators are prohibited.

It is also strongly recommended that a

prohibition on silicate-based accelera-

tors is specified in any contract for dry

or wet mix sprayed concrete. More

generally, extreme care should be taken

with the details of the Particular Techni-

cal Specifications (CCTP), such as the

type of cement to be used. These spe-

cifications must comply with ASQUA-

PRO’s regulations in force.

For exceptional works, such as the work

on the Channel Tunnel after the fire,

mechanical performance may be com-

parable to that of concrete poured on site

(compression strength of up to 60 MPa).

Even with more standard types of

concrete, this technique makes it possi-

ble to have a monolithic repaired section

– i.e. one for which the tensile failure

point is not the joint between the surface

concrete and the additional concrete.

Fibres in sprayed concrete

In terms of materials, the addition of

fibres to sprayed concrete has

enabled significant progress to be

made, even if they cannot replace

welded wire mesh in every situation.

In many instances, fibres have unde-

niable benefits: they reinforce the

concrete, allowing it to bear loads even

after cracking (this is known as ductile,

rather than fragile behaviour) (Figure 3).

Steel fibres have been successfully

used for over thirty years. The innovative

aspect in the last ten years or so has


Figure 3 - Plaque de béton fibré / Fibre-reinforced concrete panel.


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que celles des microfibres utilisées

pour minimiser les effets du retrait

ou de l’écaillage en cas d’incendie

(dont le diamètre est de 16 à 35 μm,

maximum 50 μm et la longueur de 8

à 16 mm). Il existe également des

fibres utilisant d’autres types de maté-

riaux, citons par exemple le dévelop-

pement en cours de fibres de verre

pour les bétons projetés.

Quel que soit le type de fibres, leurs

performances varient en fonction des

produits mais aussi de leur adaptation

à la matrice béton et des matériels et

personnels assurant la mise en

œuvre. Le choix de l’emploi des

fibres et de leur type doit tenir

compte de tous les paramètres d’un

projet. Des études et des essais doi-

vent systématiquement être réalisés,

en laboratoire et sur chantier, pour

contrôler les performances d’un béton

fibré, ainsi que leur maintien dans le

temps. Tout l’enjeu des spécifications

des cahiers des clauses techniques

particulières (C.C.T.P.) est de permet-

tre l’émergence de nouveaux produits

sans mettre en péril la sécurité des

personnes ou la durabilité des struc-

tures. L’ASQUAPRO a rédigé un fas-

cicule technique sur « l’utilisationdes fibres pour le renforcement desbétons projetés pour le soutènementprovisoire des tunnels », téléchargea-

ble sur le site www.asquapro.com,

proposant des clauses plus précises

que la capacité d’absorption d’éner-

gie. Là aussi, il convient d'accorder un

grand soin aux spécifications inscrites

dans le CCTP, comme la quantité de

fibres ou la capacité d’absorption

d'énergie. Ces éléments doivent par

ailleurs faire l'objet d'un suivi continu

lors du déroulement du chantier afin

de garantir la qualité, la sécurité et la

durabilité de l'ouvrage.

Le matériel

Le matériel a également bien évolué

avec l’apparition de robots de pro-

jection plus performants : certains

robots récents (depuis le début des

années 2000) permettent d’obtenir un

flux de béton quasi continu (moins de

risque de feuilletage du béton projeté),

une projection entièrement automati-

sée, avec éventuellement un levé

scanner de la surface à recouvrir et un

contrôle de l’épaisseur projetée ; cette

dernière fonctionnalité a été dévelop-

pée pour le contrôle de l’épaisseur des

mortiers de protections passives

contre l’incendie (Figure 4 : Projection

manuelle - Robot de projection).

Citons aussi l’apparition des diffu-

seurs, insérés avant la buse, pour

mélanger l’activateur dans le flux d’air

comprimé et l’amélioration des

doseurs qui permettent de régler l’ac-

tivateur de manière précise. Ils sont

maintenant asservis électroniquement

à la pompe à béton.

Le choix de la méthode de projection

Pour bénéficier de cadences de mise

en œuvre élevées et limiter les pous-

sières en milieu confiné, la voie mouillée

est actuellement largement prépon-

been to use synthetic macro-fibres that

also make it possible to obtain good

results in terms of energy absorption

capabilities. Their dimensions are simi-

lar to those of steel fibre and much lar-

ger than those of the microfibres used

to minimise the effects of shrinkage or

spalling in the event of fire (the latter are

between 16-35 μm, with a maximum

of 50 μm, and a length of 8-16 mm).

There are also fibres that use other

types of material: for instance, develop-

ments are underway concerning glass

fibre for sprayed concrete.

Irrespective of the type of fibre, perfor-

mance varies depending not only on the

product but also on how well-adapted

to the concrete matrix it is, as well as

the plant and personnel used to install

it. The decision to use fibres – and

which type – must take into account

every aspect of the project in ques-

tion. Studies and tests must be carried

out in all cases, both in a laboratory and

on site, to check the performance of the

fibre-reinforced concrete and its dura-

tion over time. The vital issue for the

details of Particular Technical Specifi-

cations (Cahiers des Clauses Tech-

niques Particulières, CCTP) is to make

it possible for new products to emerge

without endangering the safety of indi-

viduals or the durability of the structures

in question. ASQUAPRO has drafted a

technical memorandum on the “Useof fibres to reinforce sprayedconcrete for the temporary supportof tunnels” (“L’utilisation des fibrespour le renforcement des bétonsprojetés pour le soutènement provi-

soire des tunnels”). This can be down-

loaded from www.asquapro.com and

suggests clauses that do more than

simply specify energy absorption capa-

cities. Here again, extreme care must

be taken with the wording of the Parti-

cular Technical Specifications, for ins-

tance as to the quantity of fibres and

energy absorption capacities. These

aspects must also be monitored conti-

nuously during the progress of works in

order to ensure the quality, safety and

durability of the structure.

Plant

There have been considerable deve-

lopments in the plant used, with the

appearance of high-performance

concrete spraying machines: since

the early 2000s, some machines have

made it possible to supply a virtually

continuous flow of concrete, decrea-

sing the risk of flaking for sprayed

concrete, as well as offering fully

automated spraying. This may include

scanned measurement of the surface

to be covered and checking the thick-

ness applied. The latter feature was

developed to check the thickness of

mortar providing passive fire protec-

tion (Figure 4). Other innovations

include diffusers inserted just behind

the nozzle to mix the accelerator in

with the flow of compressed air, and

improvements to dosers allowing the

accelerator to be adjusted more accu-

rately. These are now electronically

controlled by the concrete pump.

TECHNIQUE/TECHNICAL

Figure 4 - Projection manuelle - Robot de projection / Manual spraying - Concrete spraying machine



dérante pour le soutènement des

ouvrages souterrains. Toutefois, Il faut

garder en tête qu’elle n’est pas systé-

matiquement la solution la plus adap-

tée, en particulier dans des terrains

meubles. Sur un lot du projet Eole (RER

E en région parisienne), une variante de

soutènement a été mise en œuvre,

avec succès, en projetant quasi immé-

diatement après l’excavation, par voie

sèche un béton fibré à Résistance Ini-

tiale Garantie (RIG : au moins 3 MPa à

3 h dès 10°C sur des cubes de 10 cm

de côté). Le pas d’avancement du creu-

sement étant très réduit, les projections

fréquentes et en petites quantités, la

souplesse d’utilisation de la voie sèche,

les hautes performances du béton RIG

fibré (50 kg/m3 de fibres métalliques

dans le mélange sec pour un dosage

de 28 kg/m3 sur le parement) et la pos-

sibilité de projeter sur des surfaces

suintantes ont permis d’augmenter la

sécurité du personnel (absence de treil-

lis soudé), et de minimiser les tasse-

ments en surface, ce qui est souvent

un enjeu majeur dans les ouvrages

urbains. Au final, les cadences de creu-

sement n’ont pas été pénalisées par ce

choix, tout au contraire.

3 - Les revêtements de tunnels coulés en place-

Le béton projeté, renforcé ou non,

innovant ou non, calculé ou non..

n’est que le soutènement provisoire

des nouveaux ouvrages creusés en

méthode conventionnelle et le revê-

tement prend progressivement le

relais pour toutes les charges du ter-

rain. De ce fait, dans les calculs de

conception du revêtement, la part du

soutènement par béton projeté n’est

pas prise en compte. Ainsi, pour s’as-

surer de la stabilité et de la reprise

des charges des ouvrages voûtés

revêtus, l’épaisseur de la structure et

la résistance à la compression carac-

téristique du béton à 28 jours sont les

premiers critères auquels on pense

immédiatement. On ne doit cependant

pas oublier que l’augmentation de la

résistance va de pair avec une augmen-

tation du module d’Young et donc de la

rigidité du revêtement. Pratiquement, le

module n’est en général pas dimension-

nant dans le cas des voûtes non armées

et c’est le critère d’excentrement de

l’effort normal qui définit l’épaisseur

de béton nécessaire.Dans tous les cas,

il faut que le contact entre le revêtement

et le massif ou le soutènement soit franc.

Enfin, si l’on souhaite des temps de cof-

frage assez courts, on doit assurer une

résistance mécanique initiale élevée qui

peut être contradictoire avec la

recherche d’une fissuration réduite pour

un béton non armé.

La solution adoptée est souvent le

meilleur compromis entre ces diffé-

rentes exigences, les hypothèses de

charge et les conditions réelles d'exé-

cution compte tenu des moyens qu'il

est possible de mettre en œuvre. Ainsi,

même si on cherche à privilégier le

béton non armé, certains revêtements

sont renforcés avec des armatures.

Structures non armées ou armées

Les revêtements sont constitués

le plus souvent de béton non armé.

Il est néanmoins nécessaire de

ferrailler certaines sections (prise en

considération d’une fissuration préju-

diciable notamment) afin d'assurer la

reprise d'efforts jugés excessifs pour

un revêtement non armé. Des difficul-

tés peuvent aussi surgir du fait de l'ab-

sence de code de calcul spécifique. La

principale conséquence de ces diffi-

cultés et de l'application de règles mal

adaptées aux spécificités des revête-

ments de tunnels est le risque de voir

augmenter notablement la proportion

de revêtements armés dans les

ouvrages neufs. Ceci paraît d'autant

plus difficile à justifier que les retours

d'expériences attestent d'un compor-

tement très généralement satisfaisant

des revêtements en béton non armé

Choosing the sprayedconcrete method

To have the benefit of rapid applica-

tion times and keep the spread of dust

in a confined environment to a mini-

mum, the wet mix process is currently

the most widely used for the support

walls of underground structures.

However, it should be borne in mind

that this is not always the most appro-

priate solution, especially in loose soil.

For one section of the EOLE project

(the RER E line in Greater Paris) an

alternative type of support was suc-

cessfully used. This involved dry mix

application of fibre-reinforced concrete

almost immediately after excavation.

This had Guaranteed Initial Strength

(Résistance Initiale Garantie, RIG)

of at least 3 mPa after 3 hours at a

temperature of at least 10°C for each

10 cm cube. The rate of progress of

excavation was very slow. As a result,

frequent application of small quanti-

ties, the flexibility of the dry mix, the

excellent performance of fibre-rein-

forced ‘RIG’ concrete (50kg/m3 of

steel fibre in the dry mix dosed at

28 kg/m3 on the lining) and the possi-

bility of spraying onto weeping surfaces

all made it possible to improve safety

for personnel (with no welded wire

mesh used) as well as keep surface

settlement to a minimum – often a

major issue for urban structures. Ulti-

mately, the rate of excavation was in

no way adversely affected by this deci-

sion, and if anything was improved.

3 - Tunnel linings poured-on site-

Shotcrete, reinforced or not, innova-

tive or not, calculated or not... is only

a temporary support for tunnels

excavated with the conventional

method and where the lining takes

gradually over all the loads from the

soil. Therefore, in the design calcula-

tions of a lining, the part of support

carried by shotcrete is not taken into

account. Thus, to ensure stability and

support of lined arches, the thickness

of the structure and the characteris-

tic compressive strength of concrete

at 28 days are the criteria which

come up to mind first. However, it

should also be borne in mind that

strength increases in parallel with an

increase in the Young’s modulus and

thus in the rigidity of the lining. In prac-

tical terms, the modulus is not design-

critical for non-reinforced arches. The

required concrete thickness is defi-

ned by the normal force offset crite-

rion. In any event, the contact between

the lining and the formation or support

must be clean. Indeed, to achieve rela-

tively short formwork times, high initial

mechanical strength is required; this

may run counter to the desire to have

minimal cracking in plain concrete.

Often, the solution adopted amounts

to the best compromise between

these various requirements, load

hypotheses and actual construction

conditions in the light of the means

that can be used. It follows that even

if plain concrete is to be preferred,

some linings are reinforced with rebar.

Non-reinforced or reinforced structures

In most cases, linings are made of plain

concrete. However, there is no alterna-

tive but to reinforce certain sections

(particularly to prevent damaging

cracking) in order to ensure load-bea-

ring performance deemed to be in

excess of the capabilities of non-rein-

forced linings. Difficulties may also arise

due to an absence of any specific des-

ign code. The foremost consequence of

these difficulties and the application of

rules that are poorly suited to the spe-

cifics of tunnel linings is the risk of

seeing a significant increase in the pro-

portion of reinforced linings in new tun-

nels. This is all the more difficult to

justify since feedback indicates that in

general, plain concrete behaves in a



517

M


car la mise en place d'armatures dans

les revêtements de tunnels constitue

toujours une sujétion importante à

laquelle il ne faut recourir qu'après en

avoir dûment justifié la nécessité.

• Revêtements coffrés non armésLes revêtements non armés, dès la

mise en oeuvre, ont tendance à se fis-

surer : retrait, sollicitations dues au

poids propre et singularités inévitables

telles que les hors profils générant des

variations d'épaisseur importantes du

revêtement. Sous réserve d’une épais-

seur suffisante et d'un bon contact suf-

fisant entre le support (terrain /

soutènement / membrane d’étanchéité)

et le revêtement, cette fissuration n'est

pas généralement pas préjudiciable à

la stabilité du revêtement.

• Revêtements coffréslocalement armésDans un revêtement non armé en section

courante, sont malgré tout ferraillées :

• les zones particulièrement sollici-

tées : banquettes de fondation, pié-

droits, ouvrages transversaux,

niches, connexions…,

• les zones soumises à des efforts

ponctuels : anneaux de désin -

carcération, appuis de dalles de

ventilation (corbeaux, consoles,

encastrements..), accélérateurs,

ancrages de suspentes,

• les zones à fort changement de

courbure du profil en travers.

Le dimensionnement de ces parties

du revêtement prend en compte les

contraintes liées aux aciers (enrobage,

feu, etc) et la formulation du béton

devient parfois très spécifique. Les

outils-coffrants sont également plus

complexes à construire (nouvelles

fenêtres pour une mise en place plus

facile des aciers par exemple). Il ne

faut donc pas oublier ces contraintes

qui peuvent être lourdes pour l’en-

chaînement des phases et le cycle

global de la réalisation du revêtement

dont le bétonnage.

• Revêtements totalement armésLes revêtements particuliers, où toute

la section est armée, se rencontrent

principalement dans :

• les zones de franchissements

d'accidents géologiques,

• les ouvrages creusés dans un ter-

rain de faible raideur, où l’on

observe des convergences ou des

divergences importantes et où l’in-

teraction sol-structure est insuffi-

sante pour recentrer l’effort normal

dans les sections,

• les ouvrages étanches soumis à une

charge hydrostatique importante,

• les galeries d’assainissement avec

des écoulements en charge,

• les ouvrages de têtes réalisés à l’air

libre et remblayés (faux tunnels).

Le dimensionnement géométrique du

profil du revêtement armé prend en

compte des hypothèses encore bien

plus contraignantes liées aux ferraillage

(ratio d’acier parfois très important

allant jusqu’à 120 kg/m3), au béton

(dimension réduite des granulats,

consistance fluide par exemple) mais

aussi aux phases de mise en place des

armatures (structures indépendantes

ou chargées sur le coffrage), aux outils-

coffrants particuliers (conception non

classique, abaissement du coffrage,

transport du ferraillage) et au bétonnage

très proche de celui des ouvrages

d’extérieur (ponts, bâtiments..).

• RadiersLes radiers horizontaux ou contre-voû-

tés sont généralement armés et la

reprise des efforts concentrés au point

de contact radier/piédroit conduit à

remonter le ferraillage dans la partie

inférieure des piédroits du revêtement.

Le ratio d’acier est généralement nota-

ble. En général les coffrages du radier

ne sont pas totalement fermés et le

béton reste visible pour suivre le rem-

plissage et l’enrobage des aciers.

Le béton des structures non armées

L'une des particularités des tunnels

est d'utiliser largement le béton

non armé. Cela peut surprendre les

highly satisfactory manner. Installing

rebar in tunnels is always a major

undertaking, and one that should be

engaged in only if the need to do so has

been properly demonstrated.

• Non-reinforced formed liningsNon-reinforced linings have a tendency

to crack right from installation. This is

due to shrinkage, the stress of their own

weight and inevitable singularities, such

as overbreak, that result in major varia-

tions in the lining thickness. Provided

there is sufficient thickness and good

enough contact between the surface

(soil / support wall / waterproofing

membrane) and the lining, cracking of

this nature is not generally detrimen-

tal to lining stability.

• Locally reinforced formedlinings

Reinforcements may be used for stan-

dard sections of non-reinforced linings

in certain cases:

• areas subject to particular stress:

foundation ledges, side walls, inter-

secting tunnels, shelters, connec-

tions, etc.

• areas subject to occasional stress:

anchor rings, ventilation slab sup-

ports (corbels, consoles, embed-

ments, etc.), fan jets, bracket anchors

• areas where there is a significant

change in cross-sectional profile cur-

vature.

The design of these areas of the lining

takes into account factors relating to the

rebar (coating, fire, etc.) and the formu-

lation of the concrete, which may be

highly specific. The formwork machines

are also more complex to assemble (for

instance, they may require additional

windows to facilitate the installation of

rebar). These types of consideration

should therefore be borne in mind,

since they can have major conse-

quences on sequencing works and on

the overall lining construction cycle.

• Fully-reinforced liningsSpecial linings which are reinforced

throughout are to be found mainly in the

following contexts:

• passing through geological accidents

• structures excavated in loose terrain

in which major convergence or diver-

gence is observed and in which the

soil-structure interaction is insuffi-

cient to centre normal force in the

cross-section

• watertight tunnels subject to signifi-

cant hydrostatic load

• drainage tunnels in which the flow of

liquid constitutes a load

• tunnel head structures built in the

open air and then covered (false tun-

nels).

The geometric design of reinforced

lining profiles takes into consideration

much more stringent hypotheses that

relate to the reinforcements (with a

steel ratio that can sometimes be as

high as 120 kg/m3), to the concrete

(including criteria such as small aggre-

gates and a fluid consistency), as well

as phasing of reinforcement installation

(with structures that may be indepen-

dent or added to the formwork), special

formwork machines (non-standard

design, lower formwork, transport

of reinforcements), and concreting

method similar to that of outside works

(bridges, buildings…).

• InvertsHorizontal and counter-arch inverts are

usually reinforced. The concentration of

loads where the invert meets the side

wall means that the bottom part of the

lining side walls must also be reinfor-

ced. This generally involves a high steel

ratio. In general, invert formwork is not

completely closed, and the concrete

remains visible, allowing filling and

coating of the rebar to be observed.

Concrete in non-reinforcedstructures

One of the distinctive features of tun-

nels is that in most instances, plain

concrete is used. This may come as

a surprise to civil engineering spe-

cialists who are unfamiliar with tun-

nels since it results in cracks

several millimetres wide and thus

large enough to be alarming on a

TECHNIQUE/TECHNICAL



spécialistes d'Ouvrages d'Art non

habitués aux tunnels car la consé-

quence est l'existence de fissures

plurimillimétriques qui seraient

alarmantes sur un pont par exemple.

Dès la mise en œuvre, les bétons

ordinaires, de classe C25/30 et de

consistance fluide ont tendance à se

fissurer en raison du retrait et des

sollicitations dues au poids propre,

mais aussi des singularités telles que

les hors-profils générant des varia-

tions d'épaisseur importantes du

revêtement (Figure 5).

Les bétons sont à définir conformé-

ment à la norme NF EN 206-1 et, dans

tous les cas, les caractères de base

suivants doivent être spécifiés :

• la classe d’environnement,

• la classe de consistance (peut être

laissée au choix de l’entreprise),

• la résistance au décoffrage,

• la résistance à 28 jours,

• et éventuellement les contraintes

spécifiques liées à la durabilité

(RAG, RSI, gel - dégel, chlorures,).

La rhéologie fait partie des spécifica-

tions incontournables d’un béton.

Par ailleurs, la tenue au feu est à part,

elle ne relève pas exactement de la

durabilité.

Selon la situation géographique du tun-

nel, son niveau de salage, etc.,

différentes classes d'exposition peu-

vent être identifiées pour les éléments

en béton (cf. “Guide pour le choix des

classes d'exposition des tunnels rou-

tiers creusés”, www.efbeton.com). Ces

classes d'exposition doivent être

spécifiées dans le CCTP. En cas

d'utilisation d'un béton XF4 classé G+S

au sens des recommandations pour la

durabilité des bétons durcis soumis au

gel du LCPC (décembre 2003), des

essais d'écaillage sont nécessaires. Du

fait du temps nécessaire pour mener à

bien ces essais, il convient d’anticiper

au plus tôt les études de formulation et

les essais de convenance.

Le parement de l’intradosdes revêtements

En dehors des problèmes de fissura-

tion mécanique récurrents et des

éventuels défauts de réalisation

(Figure 6), le béton des revêtements,

selon sa compacité, sa porosité et son

retrait, est plus ou moins sensible à

l’esthétique et à l’encrassement que

des ouvrages d’art d’extérieurs. Pour

les ouvrages souterrains routiers, les

parements sont souvent régulière-

ment entretenus ; aussi la protection

et l’entretien sont considérés comme

des actions nécessaires. Cependant,

avant de protéger de manière préven-

tive et systématique (éventuelles

réparations et peintures), on doit par-

faitement maîtriser la fabrication et la

mise en place du béton, la vibration et

le décintrage de l’outil coffrant. La

qualité des parements doit être spé-

cifiée dans le cahier technique des

prescriptions particulières (CCTP).

bridge, for instance. Standard, fluid

C25/30 class concretes tend to crack

right from installation due to shrin-

kage and the stress resulting from

their own weight, as well as due to

singularities such as overbreak, lea-

ding to considerable variations in the

lining thickness (Figure 5).

Concrete types should be established

pursuant to standard NF EN 206-1. In

any event, their fundamental charac-

teristics should be as follows:

• the environment class

• the consistency class (this may be

left to the contractor’s discretion)

• strength on formwork striking

• strength at 28 days

• any specific considerations relating

to durability (alkali-aggregate reac-

tion, DEF, freezing/thawing, de-icing,

etc.).

Rheology is one of the vital specifica-

tions for concrete. In addition, fire

resistance is dealt with elsewhere

since it is not directly related to dura-

bility.

Depending on the tunnel’s geographi-

cal situation, how much it is salted,

etc. various exposure classes can be

identified for the concrete compo-

nents (see the “guide for selecting

exposure classes for excavated road

tunnels”, Guide pour le choix des

classes d’exposition des tunnels rou-

tiers creusés, www.efbeton.com).

These exposure classes must be spe-

cified in the Particular Technical Spe-

cifications. For freeze/thaw + de-icing

class XF4 concrete (as per LCPC

“recommendations for the durability

of hardened concretes subject to

frost”, “Recommandations pour la

durabilité des bétons durcis soumis

au gel”, December 2003), spalling

testing is required. In view of the time

required for these tests to be properly

completed, formulation studies and

suitability trials should be planned as

early as possible.

The inner surface of linings

In addition to recurring issues of

mechanical cracking and any

construction defects (Figure 6: micro

cracking of lining), lining concrete

may be more sensitive to issues of dirt

and aesthetics than external struc-

tures depending on its compactness,

porosity and shrinkage. In the case of

underground road tunnels, the inner

surface of linings is often maintained

regularly; in such cases, protection

and maintenance are qualified as

necessary actions. However, well

before carrying out systematic pre-

ventive protection work (e.g. repairs,

painting), the issue is first and fore-

most one of proper control of the

manufacture and installation of the

concrete, vibrating and removal of the

formwork. Inner lining quality must be

specified in the Particular Technical

Specifications.


Figure 5 - Béton arrivant dans le coffrage par pompage / Concrete being pumped into formwork. Figure 6 - Nid de cailloux / Non-cemented pebbles.


519

M


La réalisation du revêtement

• Cycle de bétonnage Dans les ouvrages récents, pour des

revêtements d’un diamètre de l’ordre

de 10 mètres et d’une épaisseur de 40

centimètres, il est de plus en plus cou-

rant de réaliser un cycle complet de

bétonnage en 24 heures, en augmen-

tant les moyens si nécessaire. Les

caractéristiques dimensionnantes des

bétons sont la résistance à la com-

pression au moment du décoffrage, la

résistance à 28 jours (souvent dictée

par les exigences de durabilité) et la

durabilité (alcali-réaction, réaction sul-

fatique interne, gel-dégel, chlorures..).

Dans ce cycle standard et court de

24h, le temps de la phase ‘coffrage’

dépend surtout de la construction du

masque (particulièrement en hors

profils). Il est bien evidemment ne pas

réduire le temps de durcissement du

béton, point essentiel à la qualité du revê-

tement, mais augmenter les moyens

pour réaliser le coffrage d’about.

• décoffrage du dernier plot,

• translation de l’outil coffrant

jusqu’au plot suivant à bétonner,

nettoyage et préparation de la peau

coffrante, mise en place des arma-

tures et/ou des inserts s’il y a lieu,

implantation définitive de l’outil en

position coffrée,

• pose du masque d’about,

• bétonnage (remplissage, clavage..),

• durcissement du béton (temps à ne

pas écourter).

• BétonnageDe façon générale, le béton est mis en

œuvre par pompage au travers des

trappes et pipes de bétonnage pré-

vues à cet effet dans le coffrage

(Figure 7). Afin de garantir une bonne

qualité des revêtements (caractéris-

tiques mécaniques et parement), un

suivi est indispensable et les points les

plus importants suivants ne doivent

pas être négligés. Heureusement les

expériences des dernières années

montrent que les personnels sont de

plus en plus formés et expérimentés.

• Suppression des rajouts d'eau dans

le béton (certains adjuvants en solu-

tion aqueuse ne sont pas considérés

comme rajout d'eau).

• Modération de la chute du béton

depuis les trappes de bétonnage

(risque de ségrégation, entraîne-

ment d’air..).

• Surveillance de la vitesse de montée

dans les coffrages afin de ne pas

dépasser celle prise en compte pour

la conception du coffrage (la vitesse

maximale admise par les construc-

teurs est 2,50 m/h).

• Maintien du dénivelé du béton entre

chaque piédroit (autre paramètre

pris en compte dans le calcul de

l’outil) inférieur à 1m (la hauteur est

souvent déterminée par la charge

de béton mise en œuvre, 1 toupie

d’un côté puis 1 toupie de l’autre –

toupie de 6 à 8 m3).

• Suivi des singularités localisées

telles que hors profils importants,

niche de sécurité, croisement de

galeries qui peuvent être à l’origine

de modification du cycle et des

règles de bétonnage,

• Respect des règles de remplissage

et de clavage afin de remplir au

mieux le vide disponible (en général

on prend en compte une pression

de 0,2 MPa pour le calcul du

coffrage et 0,1 Mpa réellement pour

le clavage). Le remplissage des

coffrages doit être irréprochable

Construction of the lining

• Concreting cycle In recent structures, for linings around

10 metres in diameter and some 40

centimetres thick, it is increasingly

common for a full concreting cycle to

be completed in 24 hours, if neces-

sary by increasing the resources

brought to bear. The design criteria for

concrete relate to compression strength

at formwork striking, strength after

28 days (often dictated by durability

requirements) and durability (alkali-

aggregate reaction, delayed ettringite

formation, freezing/thawing, chlo-

rides, etc.).

In the standard, short 24-hour cycle,

the time required for the formwork

stage depends above all on construc-

tion of the facing, particularly in the

event of overbreak. Concrete harde-

ning time should not be decreased,

rather the resources used to construct

the end formwork should be increased.

• removing formwork from the most

recent section,

• moving the formwork machine to

the next section to be concreted,

cleaning and preparing the form-

work skin, installing rebar and/or

inserts as required, final location of

the machine for forming,

• installing the end facing,

• concreting (filling, grouting),

• hardening (not to be rushed).

• ConcretingGenerally speaking concrete is instal-

led by being pumped through dedica-

ted concrete chutes and pipes in the

formwork (Figure 7). To ensure good

lining quality (in terms of mechanical

characteristics and the outer finish),

monitoring is vital. A number of parti-

cularly important points must be

checked. Fortunately the experience

of recent years shows that staff are

more and more trained and experien-

ced.

• Avoiding any addition of water to the

concrete (some additives in

aqueous solutions are not conside-

red as adding water).

• Ensuring concrete does not fall too

far from concrete chutes (risk of

segregation, inclusion of air, etc.).

• Monitoring the speed at which forms

fill so as not to exceed the design

specification (manufacturers accept

a maximum speed of 2.5 m/h).

• Maintaining the difference in

concrete height between each side

wall (another parameter taken into

account in machine design) at less

than 1 m (the height is often deter-

mined by the amount of concrete

being applied, with one mixer with

a volume of 6-8 m3 on each side).

• Monitoring local singularities such

as significant overbreaks, safety

shelters, or gallery intersections:

these may require changes to the

TECHNIQUE/TECHNICAL

Figure 7 - Robot semi automatique - Acheminement du béton par conduites rigides et souples / Semi-automatic machine - Concrete arrives through rigid and flexible pipes.



malgré les irrégularités du support

et la présence d’éléments de sou-

tènement et de pièces incorporées

dans le béton (maniabilité). La vibra-

tion du béton doit permettre une

compacité élevée pour assurer une

bonne résistance aux agents agres-

sifs. Le clavage, lui, doit remplir au

mieux le vide restant en clé (fonda-

mental en particulier pour la bonne

efficacité du compartimentage du

dispositif d’étanchéité par géomem-

brane).

• Mise en œuvre de la vibration dans

les conditions prévues au pro-

gramme de bétonnage (vibration

interne et externe), La vibration reste

cependant très bruyante et pas

toujours parfaitement maîtrisée.

• Préparation de la cure, lorsqu'elle

est prévue pour limiter la fissuration

et surtout si un fort courant d'air

et des températures ambiantes

extrêmes assèchent le béton ou

gênent sa bonne hydratation en sur-

face.

Par ailleurs, il faut que le retrait du

béton soit aussi faible que possible,

d'autant que ce retrait n'est pas libre.

Le retrait du revêtement est gêné

par les irrégularités géométriques de

l’extrados.

• Vibration du bétonDans le cas d’un béton traditionnel,

le rôle de la vibration du béton frais

est d’assurer le bon remplissage des

coffrages (en particulier l’enrobage

des aciers et des inserts) et l’obten-

tion de la qualité requise des pare-

ments.

Deux solutions sont possibles : la

vibration interne (aiguilles vibrantes

utilisées au travers des trappes de

bétonnage aménagées dans le cof-

frage – limitation de l’épaisseur des

couches à 45 cm) et/ou la vibration

externe du coffrage (cas des coffrages

métalliques - seuls les vibreurs au

droit de la partie en cours de remplis-

sage sont à mettre en action).

Les deux techniques sont très souvent

utilisées simultanément.

Il n’existe pas de règle scientifique

définissant le nombre de vibreurs et

le temps de vibration du béton. Il

s’agit là de faire appel à la compé-

tence des fournisseurs de matériels

qui travaillent en relation avec les

constructeurs de coffrage et les

fabricants de béton. En général, ils

déterminent le nombre et le mode de

fixation des vibreurs, leur fréquence

de vibration, leur puissance (fonction

de l’épaisseur de béton, de sa flui-

dité), de la cadence de bétonnage

envisagée et de la conception du cof-

frage. La règle empirique est de

vibrer le béton quelques secondes

très souvent, plutôt que de le faire

plusieurs minutes de façon plus

espacée. La procédure de bétonnage

doit être précise sur ce point et

approuvée par le maître d’œuvre au

préalable.

• Durcissement et performances du bétonLa valeur minimale de la résistance

en compression du béton à atteindre

avant le décoffrage doit être justifiée

par une note de calcul. Cette résis-

tance doit être suffisante pour que les

différentes parties d'ouvrage béton-

nées ne soient pas soumises à des

contraintes excessives et par-là fis-

surées.

La résistance minimale à la com-

pression généralement admise pour

le décoffrage des voûtes de dimen-

sion standard est de 10 MPa et le

temps minimal de coffrage de 10

heures pour un ouvrage circulaire (à

moduler en fonction de la géométrie

et des caractéristiques du béton).

L’utilisation de la maturométrie

est recommandée pour justifier

l’obtention de la résistance exigée.

Les recommandations du Guide

technique « Résistance du béton

dans l’ouvrage, la maturométrie »,

publiées par le LCPC en mars 2003,

servent de référence pour l’étalon-

nage et l’utilisation de la méthode.

concreting cycle and/or proce-

dures.

• Abiding by filling and grouting rules

in order to fill the available space as

completely as possible. In general,

pressure of 0.2 MPa is taken into

account for formwork (design pres-

sure), and 0.1 MPa (actual pres-

sure) for grouting. Forms should be

filled perfectly, despite any surface

irregularities or the presence of

support elements or other parts

embedded in the concrete (ease of

handling). Vibrating the concrete

should result in a high level of com-

pactness to ensure proper resis-

tance to aggressive agents. Grouting

should fill the remaining void at the

crown as completely as possible.

This is particularly vital for the geo-

membrane waterproofing system to

be properly compartmented.

• Implementation of vibrating as

required by the concreting pro-

gramme (internal plus external

vibrating). Vibrating is however still

very noisy and not always properly

controlled.

• Preparation of curing where used to

minimise cracking, more especially

if a strong air current and extreme

ambient temperatures dry out the

concrete or prevent proper surface

hydration.

There should be as little shrinkage as

possible of the concrete, especially

since this is not free shrinkage. Lining

shrinkage is hindered by geometrical

irregularities on the outer side.

• Vibrating concreteFor conventional concrete, the pur-

pose of vibrating the fresh concrete is

to ensure forms are properly filled

(especially to coat reinforcements and

inserts) and achieve the required

lining quality.

Two solutions exist: internal vibration

(vibrating rods deployed though the

concrete chutes fitted in the form-

work, limiting layer thicknesses to

45 cm) and/or external vibrating of the

formwork (in the case of metal forms,

only vibrators adjacent to the part

being filled should be used). Both

techniques are very often used simul-

taneously.

There is no scientific rule that

defines the number of vibrating

machines or how long vibrating

should last. The issue draws on the

skills of the materials suppliers, who

work in liaison with formwork manu-

facturers and concrete producers.

Generally, it is they who determine

how many vibrators there should be

and how these are fixed, what fre-

quency they should vibrate at, their

power (which depends on the thick-

ness and fluidity of the concrete), the

planned rate of progress of concre-

ting work and formwork design. The

empirical rule involves vibrating

the concrete for a few seconds,

frequently, rather than doing so for

several minutes less frequently.

The concreting procedure must be

very precise in this respect, and

approved by the project manager

beforehand.

• Hardening and concrete performanceThe minimum compression strength

of the concrete to be achieved prior

to formwork striking should be sup-

ported by design calculations. This

value must be large enough to ensure

that the various parts of the structure

being concreted are not subjected to

excessive stress such that they crack.

The generally accepted minimum

compressive strength for formwork

striking of standard dimension arches

is 10 MPa; the minimum forming time

is 10 hours for a circular shaped

structure (this varies depending on

the geometry and the characteristics

of the concrete).

The use of maturity measurement is

recommended in order to demons-

trate that the required strength has

been achieved. The recommendations

of the Technical Guide “Strength of



521

M


Les caractéristiques recherchées des

bétons au décoffrage concernent :

• la résistance mécanique à la com-

pression qui doit être suffisante pour

ne pas amener de désordres dans

le béton suite à l’application d’ef-

forts extérieurs qu’il serait incapable

de reprendre (succion au décof-

frage, poids propre, abaissement de

l’outil),

• la durée durant laquelle le béton doit

rester coffré avant d’être exposé à

l’air, pour éviter une dessiccation

préjudiciable par évaporation de

l’eau superficielle pouvant générer

de la fissuration et un affaiblisse-

ment de la compacité du béton de

peau.

• Cure après décoffrageLa cure du béton permet de limiter la

fissuration de retrait qui dépend de la

formulation du béton mais également

des conditions d’exécution. Les

bétons de revêtement en tunnel ne

font pas systématiquement l’objet

d’une cure. Pourtant les conditions

d’exécution et environnementales

(température ambiante élevée, fort

courant d'air..) le justifient générale-

ment.

Pour certains types de béton (forte

chaleur d’hydratation, BAP..), la cure

de l’ensemble du revêtement doit être

appliquée immédiatement après le

décoffrage :

• par le maintien en place du coffrage

au delà du temps nécessaire à un

cycle quotidien.

• par la pulvérisation régulière d’eau

ou d’un produit de cure directement

sur le parement béton pour en éviter

l’évaporation d’eau. Ces produits

doivent être compatibles avec la

qualité et la teinte du parement exi-

gés et avec les peintures éven-

tuelles appliquées ultérieurement.

• par le maintien en température et

en hygrométrie du béton par l’inter-

médiaire de chambres de cure. Il

s’agit le plus souvent d’un portique

(charpente métallique sur roues) de

la longueur du plot (idéalement il

faudrait une longueur correspon-

dant à un maintien en position pen-

dant au moins trois jours), mis en

place immédiatement après décof-

frage, bâché (souvent du géotextile)

de façon à créer un espace annu-

laire à humidité contrôlée au contact

du parement (avec ou sans brumi-

sation d’eau) et isolé de la circula-

tion d’air du tunnel (Figure 8). Les

spécifications relatives à la cure

doivent être décrites précisément

dans le CCTP.

Les outils-coffrants et le béton

Pour réussir un revêtement (forme,

caractéristiques mécaniques du

béton, parement..), les coffrages doi-

vent parfaitement assurer : les formes

géométriques projetées sans défor-

mation lors du bétonnage, la qualité

d'aspect des parements spécifiée,

l'étanchéité au cours du remplissage

du volume et la vibration du béton. De

nombreux ouvrages récents sont par-

faitement réussis. Les entreprises

passent de plus en plus de temps pour

former leurs spécialistes.

A ce jour, et pas uniquement en

France, trois types de coffrages sont

construits en fonction du profil en tra-

concrete in structures and maturity

measurement” (“Résistance du béton

dans l’ouvrage, la maturométrie”),

published by LCPC in March 2003,

serve as a benchmark for methods

and their use.

The characteristics sought for

concrete on removal of formwork are

as follows:

• sufficient mechanical compression

strength to avoid faults in the

concrete as a result of external

stress that it cannot support (suc-

tion on formwork striking, its own

weight, lowering of the machine)

• the time during which the concrete

must remain within the form prior

to being exposed to air, to avoid

harmful desiccation following the

evaporation of surface water: this

may lead to cracking and weaker

compacting of the skin concrete.

• Curing following formworkstrikingCuring concrete makes it possible to

keep shrinkage cracking – which

depends on the concrete formula – to

a minimum. This is also dependent on

the execution conditions. Concrete

used for tunnel linings is not systema-

tically cured. However, it is generally

justifiable given the execution condi-

tions and the environment (a high

ambient temperature, strong air cur-

rents, etc.).

For some types of concrete (high

hydration heat, SCC, etc.) curing the

lining as a whole should be carried out

immediately after formwork striking:

• by leaving the formwork in place

longer than the time required by a

daily cycle.

• by regular spraying of water or other

curing product directly onto the

concrete lining to prevent water

evaporation. These products must

be compatible with the required

lining surface quality and colour and

with any paint that is applied sub-

sequently.

• by keeping the concrete at proper

temperature and humidity levels

using curing chambers. In most

cases these consist of a gantry (a

steel frame on wheels) extending

the length of the section (ideally,

this should be long enough to be

kept in place for at least three days)

that is installed immediately after

formwork striking and covered,

usually with a geotextile, in order to

create a space isolated from air cir-

culation in the tunnel and adjacent

to the lining, within which the humi-

dity level is controlled (with or

without water misting) (Figure 8:

Curing gantry following formwork).

Specifications relating to curing

should be described in detail in the

Particular Technical Specifications.

Formwork machines andconcrete

A number of aspects are important for

formwork to result in a successful

lining (in terms of its shape, the

mechanical characteristics of the

concrete, and the surface required).

The geometrical shapes must be

sprayed without deformation during

concreting, the quality of the aspect of

the lining surface must be specified;

waterproofing during filling of the form

TECHNIQUE/TECHNICAL

Figure 8 - Portique de cure suivant le coffrage / Curing gantry following formwork.



vers de l’ouvrage, de la longueur et

des cadences d’utilisation : outil auto-

porteur sans dispositif de translation

lourd (plutôt pour des petites galeries),

outil autoporteur avec portique de

translation, de positionnement et de

décintrement indépendant de l’ossa-

ture du coffrage ou outil autoporteur

avec portique de translation, de posi-

tionnement et de décintrement intégré

à l’ossature du coffrage (Figure 9). Les

“nouveautés” concernant ces outils

sont relatives à la distribution du béton

de plus en plus semi-automatique

(canalisations rigides, distributeur, net-

toyage des conduites facile…), l’allé-

gement de certaines parties des

coffrages (le poids des coffrages d’une

longueur de 10 m et d’un rayon de l’or-

dre de 5 m d’environ 100 tonnes), la

précision des équipements d’implanta-

tion de l’outil (inférieur au demi-centimè-

tre) et l’étude de structures standards

adaptables sur de nombreux ouvrages

et pour cela moins chers.

4 - Conception spécifique-des revêtements en-voussoirs pour les-ouvrages au tunnelier-

Certains types de tunneliers ont la

particularité de pouvoir poser directe-

ment le revêtement juste après

l'excavation, ceci sous la protection de

la jupe de l’outil-tunnelier. Dans ce

cas, le revêtement est constitué de

voussoirs préfabriqués : éléments

dont l'assemblage constitue à la fois

le soutènement et le revêtement du

tunnel. Le plus souvent aujourd'hui,

ces éléments sont en béton armé.

Servant à la fois de soutènement pro-

visoire et de revêtement définitif, les

voussoirs doivent assurer la stabilité

de l'anneau vis-à-vis des sollicitations

permanentes et des sollicitations

s'exerçant durant la construction du

tunnel. La densité d'armatures y est

importante, avec en moyenne un ratio

d'acier de 80 à 150 kg par mètre cube

de béton. Dans certains cas spéci-

fiques, ce ratio peut monter à plus de

250 kg d'acier par mètre cube de

béton armé.

L'épaisseur des voussoirs est variable,

limitée pour des raisons de transport

et de mise en place par un érecteur

(Figure 10). Elle est grossièrement

proportionnelle au diamètre de l'exca-

vation, allant de 20 à 30 cm pour les

tunnels de diamètre réduit (2 à 5

mètres) et jusqu'à 70 cm d'épaisseur

dans certains cas très particuliers.

Pour les tunnels de 10 mètres de dia-

mètre, l'épaisseur des voussoirs est

and vibrating must be carried out pro-

perly. Many recent structures are com-

plete successes in this regard.

Contractors are spending longer trai-

ning their specialists.

To date, in France and elsewhere, three

types of formwork are constructed,

depending on the tunnel’s cross-sec-

tional profile, its length, and the rate of

progress. These are: self-supporting

machines without heavy moving gear

(for smaller galleries); self-supporting

machines with a gantry for moving

along the tunnel, positioning and fal-

sework striking that is independent

from the formwork structure; or self-

supporting machines with a gantry for

moving, positioning and falsework

striking that is incorporated into the

formwork structure (Figure 9). New

developments relating to these

machines concern (increasingly) semi-

automated concrete distribution (rigid

pipes, a distributor, easier to clean

conduits); making some parts of the

form lighter (forms 10 m long with a

radius of about 5 m weigh close to 100

tonnes); increasingly accurate location

gear (locating the form to within less

than half a centimetre); and work on

standard structures that can be adap-

ted to a wide variety of tunnels, thus

bringing down their cost.

4 - Specific design of arch-segment linings for tunnels-excavated using a TBM-

Some types of TBM are able to install

the lining immediately after excava-

tion, protected by the TBM skirt. In this

instance, the lining consists of prefa-

bricated arch segments. When

assembled, these constitute the tun-

nel’s support walls and its lining. In

most current cases, these elements

are made of reinforced concrete.

Acting both as temporary support and

the final lining, arch segments must

ensure stability of the ring under per-


Figure 9 - Exemple de coffrage avec portique intégré / Formwork with integrated gantry.

Figure 10 - Voussoirs (Ferraillage – Calpinage - Pose par érecteur) / Arch segments (reinforcements; layout; installation using an erector).


523

M


généralement comprise entre 40 et

50 cm.

Le plus souvent, ce sont les sollicita-

tions en phase de construction qui

dimensionnent les armatures, lorsque

le tunnelier prend appui sur l'anneau

précédent pendant la poursuite du

creusement. En effet, aux conditions

de pose et de montage, s'ajoutent les

imprécisions de mise en place des

voussoirs dans l'anneau, entraînant

des sollicitations ponctuelles de

contact et d'appui. Des imprécisions

géométriques de quelques millimètres

seulement peuvent conduire à des

sollicitations ponctuelles très impor-

tantes. Cela conduit à faire appel à une

résistance élevée du béton, ce qui ne

pose pas de problème du fait de la

préfabrication des voussoirs.

Par ailleurs, l'utilisation de béton fibré

en complément ou substitution de cer-

tains types d'armatures, semble être

une solution prometteuse, notamment

pour réduire le ratio d'armatures, tout

en garantissant des performances

mécaniques équivalentes. Ce type de

solution reste toutefois aujourd'hui, en

France, peu répandu et fait encore

l'objet de mise au point et de travaux

de recherche. Le GT38 de l’AFTES est

en cours de finalisation de recomman-

dations sur ce sujet.

5 - Apports et limites-de l’augmentation des-performances et bétons-autoplaçants pour les-revêtements de tunnels-

Les BHP : Béton à HautesPerformances

Dans le cadre du projet national BHP

2000, le tunnel routier de Fontain a été

réalisé en 1998-1999 avec un revê-

tement en béton coulé non armé de

bonnes performances (Voir la revue

“Tunnels et Ouvrages Souterrains” de

mars-avril 2008). Il s'agit d'un tunnel

bi-tube d’environ 240 m, situé sur la

voie des Mercureaux dans le départe-

ment du Doubs. Pour le premier tube,

le béton utilisé était un B25 classique

alors qu'un B50 a été retenu pour le

second.

A cette occasion, la faisabilité de

réalisation d'un ouvrage en béton de

consistance fluide a été vérifiée avec

l'utilisation du même coffrage que

pour un béton ordinaire de consis-

tance plastique (slump moyen de

11 cm pour le premier contre 23 cm

pour le second) moyennant des pré-

cautions particulières notamment

pour les coffrages d'abouts (pression,

étanchéité). Le gain en performance

du B50 par rapport au B25 a permis

de réduire de 0,35 m à 0,25 m

l'épaisseur nominale (théorique) du

revêtement, cependant compte tenu

du contexte géologique et des irrégu-

larités de l'excavation et donc des

épaisseurs réelles de béton mises en

œuvre, le coût du revêtement en

‘BHP’ s'est révélé plus élevé de 68%

environ. La fissuration de retrait du

‘BHP’ non armé s'est révélée plus

rapide et d’ampleur comparable à

celle du béton ordinaire.

Il est ainsi apparu que, pour un

ouvrage creusé en méthode conven-

tionnelle, de dimension moyenne et

dans un contexte géologique où le

revêtement n'a pas à reprendre d'im-

portantes sollicitations, le surcoût

d’une augmentation des performances

du béton n'est pas compensé par

d'autres avantages. Par contre, cela

peut être très intéressant pour les

voussoirs préfabriqués destinés aux

revêtements des ouvrages creusés au

tunnelier. Par exemple, dès les années

90, un BHP a été utilisé pour les vous-

soirs du tunnel sous la Manche et l’ou-

vrage est toujours en excellent état.

Le BAP : Béton Auto Plaçant

Le tunnel des Monts est situé sur la

voie rapide urbaine de Chambéry

manent stress, as well as under stress

exerted during construction of the

tunnel. They have a high density of

rebar: on average they use between

80 and 150 kg of steel per cubic

metre of concrete. In some specific

cases, this ratio may rise as high as

250 kg of steel per cubic metre of

concrete.

Arch segment thickness is variable. It

is limited by shipping considerations

and its installation by means of an

erector (Figure 10). Roughly speaking,

it is proportional to the diameter of the

excavation; 20-30 cm for small-dia-

meter tunnels of between 2 and 5

metres, and up to 70 cm in certain

highly specific cases. For tunnels with

a diameter of 10 metres, arch seg-

ments are generally between 40 and

50 centimetres thick.

In most cases, rebar sizing depends

on the stresses involved during

construction, when the TBM supports

itself on the preceding ring as exca-

vation proceeds. Indeed, in addition

to the conditions in which installation

and assembly take place, occasional

contact and thrust stress occurs due

to imprecise location of the arch seg-

ments in the ring. A geometric inac-

curacy of only a few millimetres can

lead to extremely significant short-

term stress. This calls for very strong

concrete. This is not a problem given

that arch segments are prefabri -

cated.

Moreover, the use of fibre-reinforced

concrete in addition to or instead of

certain types of rebar appears to be a

promising solution, particularly in

terms of lowering the rebar ratio

whilst offering equivalent mechanical

properties. However, this type of solu-

tion is as yet little used in France and

is the subject of ongoing research and

development. AFTES Working Group

GT38 is currently finalising recom-

mendations on this topic.

5 - Benefits and limits of-enhanced performance-and self-consolidating-concrete for tunnel linings-

HPC: High-PerformanceConcrete

As part of the French “BHP 2000”

project, in 1998-1999 the Fontain

road tunnel was built with a high-per-

formance, plain concrete lining (See

Tunnels et Ouvrages Souterrains

magazine, March-April 2008). This

twin-tube tunnel, some 240 metres

long, is located on the Voie des

Mercureaux in Doubs. Conventional

B25 concrete was used on the first

tube and B50 was used for the

second.

On this occasion, the feasibility of

constructing a tunnel using fluid

concrete was checked by using the

same formwork as for ordinary, plastic

consistency concrete (average slump

of 11 cm for the former and 23 cm for

the latter), with particular precautions

being taken, especially for the form-

work ends (pressure, watertightness).

Performance gains for the B50 com-

pared to the B25 enabled the nominal

(theoretical) thickness to be reduced

from 0.35 m to 0.25 m. However,

given the geological context, the

resulting uneven excavation and

consequent variations in thickness of

the concrete used, the HPC lining

actually worked out 68 % more

expensive. Plain HPC shrinkage

cracking was faster, and of a similar

size, to that of conventional concrete.

It thus appears that for tunnels exca-

vated using conventional methods, of

average size, in a geological context

in which the lining does not need to

bear major stress, the additional cost

of using high performance concrete is

not offset by other benefits. However,

it could be extremely worthwhile for

prefabricated arch segments destined

for use in tunnels excavated using a

TBM. For instance, in the 1990s, HPC

TECHNIQUE/TECHNICAL



(Figure 11) qui a été mise en service

en 1981. Ce tunnel de 2 x 3 voies et

d’environ 900 mètres de longueur

figure parmi les derniers grands tun-

nels du réseau national construits

sans étanchéité en extrados. En raison

des nombreuses infiltrations d'eau et

de la nécessité de mettre l'ouvrage en

conformité avec la nouvelle réglemen-

tation sur la sécurité, des travaux de

réhabilitation des deux tubes ont été

réalisés en 2005 et 2006.

Pour le génie civil, ces travaux com-

prenaient la mise œuvre d'un chemi-

sage à l'intrados du revêtement

existant, dont les fonctions principales

étaient d'assurer l'étanchéité de l'ou-

vrage et de supporter tous les équipe-

ments d'exploitation et de sécurité.

Compte tenu de la nécessité de main-

tenir le gabarit existant sur les 3 voies

dans l'ouvrage rénové et des condi-

tions d'exécution des travaux, en par-

tie sous circulation, les critères de

choix importants du chemisage

étaient : une épaisseur limitée et régu-

lière et la possibilité de mise en oeuvre

du béton uniquement de nuit avec

remise en service partielle de

l'ouvrage tous les matins. Le cycle de

réalisation des plots de revêtement

était de 24 heures.

C'est ainsi qu'a été construite à Cham-

béry la première voûte de tunnel en

béton autoplaçant au monde ! Ce

matériau très fluide a été choisi dans

la solution de base du C.C.T.P. (Cahier

des Clauses Techniques Particulières)

pour assurer un parfait remplissage

des coffrages, même dans les plots

armés, pour réduire le temps de béton-

nage et obtenir une qualité de pare-

ment permettant une mise en peinture

sans ragréage préalable. Grâce à sa

mise en oeuvre sans vibration, le béton

autoplaçant a aussi permis d’améliorer

l’environnement sonore en phase

chantier. Le bruit de la vibration de la

structure des coffrages peut atteindre

les 115 dB et on en comprend mieux

l’intérêt pour le personnel du chantier

et les riverains...

Après quelques années, on note dans

l’ouvrage une fissuration de retrait

assez importante, qui, sans être

alarmante, fait tout de même l’objet

d’un suivi bisannuel.

6 - Le béton dans les-incendies en tunnels-

Quelques exemples

Sans être exhaustif, on peut citer les

incendies du tunnel du Storebaelt

(1994), du tunnel sous la Manche

(1996, 2008 et dans une moindre

mesure 2006), du tunnel du Mont

Blanc (1999), des Tauern (1999), du

Saint Gothard (2001), du tunnel du

Fréjus (1983 et 2010, mais surtout

2005).

De nombreuses réflexions étaient déjà

en cours avant la catastrophe du tun-

nel du Mont Blanc. Elles se sont

concrétisées par l’évolution de la

réglementation. L’objectif prioritaire

est bien sûr d’éviter toute autre catas-

trophe humaine du même type. Sur le

plan de la structure des ouvrages, on

peut se réjouir qu'il n'y ait pas eu d’ef-

fondrements provoqués par ces

incendies. Cependant, on a constaté :

• au tunnel sous la Manche, un écail-

was used for the arch segments in the

Channel Tunnel, and the infrastructure

is still in excellent condition.

SCC: Self-compactingconcrete

The Tunnel des Monts is located on

the Chambéry expressway (Figure 11)

and entered service in 1981. The tun-

nel is some 900 metres long, with two

three-lane carriageways. It was one

of the last large tunnels on the natio-

nal network to have been built without

waterproofing round the outside of the

tunnel. Due to a large amount of water

ingress and the need to bring the tun-

nel into line with new safety regula-

tions, renovation works on both tubes

were carried out in 2005 and 2006.

In terms of civil engineering works,

these works consisted of installing a

new lining inside the existing lining.

Its key functions were to waterproof

the structure and support all opera-

tions and safety equipment.

In order to preserve the existing clea-

rance on all three lanes in the reno-

vated tunnel and in the light of works

conditions, with some work being car-

ried out under traffic, the major consi-

derations for the new lining related to

having limited, regular thickness, as

well as it being possible to carry out

concreting only at night, with partial

re-opening of the tunnel every mor-

ning. Lining sections were construc-

ted following a 24-hour cycle.

Chambéry thus became the first ever

site in the world where self-compac-

ting concrete was used to build a tun-

nel arch. This highly fluid material was

adopted in the basic solution specified

in the Particular Technical Specifica-

tions (Cahier des Clauses Techniques

Particulières, CCTP) to ensure the

formwork was completely filled, inclu-

ding in reinforced sections, thus brin-

ging down concreting time and

obtaining a surface finish that was

good enough to be painted without

prior rendering. Self-compacting

concrete does not need to be vibrated,

with the result that the worksite bene-

fited from improved noise levels.

Vibrating formwork noise levels can

reach 115 dB, so doing without this

process is clearly beneficial for site

personnel and local residents.

Several years on, fairly significant shrin-

kage cracking has been noted. While

this is not alarming, it is nevertheless

subject to twice-yearly inspection.

6 - Concrete in tunnel fires-

Examples

A non-exhaustive list might include the

tunnel fires at Storebaelt (1994), the

Channel Tunnel (1996, 2008 and to a

lesser degree, 2006), the Mont Blanc

Tunnel (1999), Tauern (1999), Got-

thard (2001), and Fréjus (1983 and

2010, and more especially 2005).

Even prior to the Mont Blanc Tunnel

disaster, this field was already being

studied extensively. This research has

resulted in changes in legislation.

Naturally, the main objective is to avoid

another human catastrophe of the

same type. In terms of tunnel structure,

the fact that none of these fires resul-

ted in a collapse may legitimately be


Figure 11 - Tunnel des Monts rénové / Renovated Tunnel des Monts.


525

M


lage du béton qui a atteint loca -

lement les 40 cm de l'épaisseur

du revêtement et, en moyenne, 20

à 30 cm sur des dizaines de mètres

de longueur de tunnel,

• au tunnel du Mont Blanc, quelques

effondrements localisés de la dalle

de roulement, très localement des

zones de béton assez creusées

mais pas d’écaillage généralisé ;

• au tunnel du Storebaelt (feu de tun-

nelier), les cintres mis en place

après l'incendie n'ont pas pu être

retirés au cours de la réparation car

le revêtement résiduel s'était appuyé

sur eux et le maître d'ouvrage a pré-

féré perdre 40 cm sur le gabarit final

plutôt que de se lancer dans de

grands travaux pour refaire le revê-

tement dans une zone de terrain

très défavorable ;

• au tunnel routier du Fréjus, en 2005,

les piédroits ont perdu jusqu’à une

vingtaine de centimètres d'épais-

seur dans une zone où, heureuse-

ment, ils étaient plus épais que

nécessaires (60 et 80 cm au lieu de

40 cm théoriques) et où le rocher

était très bon. La dalle du plafond de

ventilation qui n’avait que 15 cm

d'épaisseur et dont la qualité de

béton était moins bonne, n’a pas

écaillé et ne s'est pas effondrée.

L’intervention rapide des pompiers

et l’arrosage massif de la dalle ont

également joué un rôle favorable.

Toutes ces constatations ont conduit

à rechercher des améliorations et une

meilleure évaluation de la tenue au

feu du béton. On peut citer, à titre

d’exemple innovant, le tube sud du

tunnel autoroutier de Toulon dont non

seulement la dalle de ventilation mais

aussi les bétons de revêtement ont été

réalisés avec incorporation de micro-

fibres de polypropylène.

Outre les systèmes de protection

passive du béton par des plaques

préfabriquées ou des mortiers proje-

tés, mentionnons les systèmes actifs

par brumisation, mis en place par

exemple tout le long du tunnel routier

de l’A86 et, localement, dans le tunnel

sous la Manche. Eurotunnel a récem-

ment mis en œuvre le projet SAFE

qui permet d'arrêter un train sur lequel

un feu aurait été détecté, dans une

zone de la longueur du train, équipée

d'un système de brumisation. Ces

systèmes, qui fonctionnent avec une

quantité d'eau limitée, compatible

avec le débit d'une conduite incendie,

peuvent empêcher l'incendie de pren-

dre de l'ampleur en attendant l'arrivée

des pompiers.

Impact du risque incendiedans la formulation des bétons d’ouvrages souterrains

Dans les tunnels neufs, les structures

peuvent être dimensionnées de

façon à résister à un incendie donné

et ne pas nécessiter de protections

passives rapportées, à une condition :

prendre en compte, le cas échéant, le

risque d'écaillage (Figure 12).

Dans les incendies courants, ce sont

les bétons hautes performances qui

sont le plus sensibles à l’écaillage,

en raison de leur faible porosité. Dans

le cas du milieu confiné des tunnels,

les sollicitations thermiques sont

tellement sévères que même les

seen as the source of a certain degree

of satisfaction. However, a number of

observations have been made:

• in the Channel Tunnel, concrete

spalling of the lining was as deep

as 40 cm in some places, and bet-

ween 20 and 30 cm on average for

lengths of several tens of metres in

the tunnel;

• in the Mont Blanc Tunnel, there was

some local collapse of the deck slab

and very locally, hollowed-out sec-

tions of concrete, but no generali-

sed spalling;

• in the Storebaelt tunnel (a TBM fire),

the arch profiles installed after the

fire could not be withdrawn during

repairs because the residual lining

had come to rest on them. The pro-

ject owner opted to lose 40 cm of

clearance rather than undertake

major works to replace the lining in

a highly unfavourable area of soil;

• in the 2005 incident in the Fréjus

road tunnel, the side walls lost up

to twenty centimetres of their thick-

ness in an area where, fortunately,

they were thicker than needed

(60 and 80 cm instead of a nominal

thickness of 40 cm), and the rock

was very sound. The ceiling venti-

lation slab was only 15 cm thick,

and used less good quality

concrete, but it did not burst or

collapse. Rapid intervention by

firefighters and massive spraying of

the slab also helped in this regard.

These observations have led to impro-

vements in concrete fire resistance

being sought, as well as better

assessment thereof. One innovative

example in this respect is the sou-

thern tube of the Toulon motorway

tunnel. Both the ventilation slab and

the lining concrete incorporated poly-

propylene microfibres.

In addition to passive protection of

concrete using prefabricated panels

or sprayed mortar, mention should

also be made of active misting sys-

tems, installed along the entire length

of the A86 motorway tunnel and in

some places in the Channel Tunnel.

Eurotunnel recently implemented SAFE,

a project that enables a train on which

a fire has been detected to stop in an

area fitted with a misting system for a

length equal to that of the train itself.

These systems use a limited quantity of

water that is compatible with the flow

from a fire conduit. They can help pre-

vent the fire from spreading pending

the arrival of the fire service.

Impact of fire risk in the formulation of concrete forunderground structures

In new tunnels, structures can be des-

igned to withstand a given fire and

thus do without additional passive

protection, provided always that they

take into account the risk of spalling

(Figure 12).

In the most common fires, high-

performance concrete is the most

sensitive to spalling, due to its low

porosity. In the confined space of a

tunnel, thermal stress is so severe

that even standard concrete runs

a high risk of spalling. The so-called

Modified Hydrocarbon Curve (“Hydro-

Carbure Majorée”, HCM) reaches

1200 °C in less than ten minutes,

before levelling off at 1300 °C.

TECHNIQUE/TECHNICAL

Figure 12 - Béton écaillé (armatures apparentes) / Spalled concrete (visible rebar).



bétons ordinaires présentent un fort

risque d’écaillage : la courbe dite

“HydroCarbure Majorée” (HCM) atteint

1200°C en moins de dix de minutes

et plafonne ensuite à 1300°C.

À ce jour, le risque d’écaillage ne peut

pas être appréhendé par le calcul et

la modélisation. Le seul moyen de

l'évaluer est d'avoir recours à des

essais. Cependant, les formules de

béton peuvent être adaptées de façon

à mettre toutes chances de succès de

l'essai de son côté.

Une première solution est l’ajout de

fibres de polypropylène. Cette méthode

s’avère jusqu’ici la plus efficace

vis-à-vis de l’écaillage. On attribue

cet effet à la fonte et à la vaporisation

des fibres, qui facilitent la migration

de la vapeur d’eau vers la surface au

travers du réseau poreux qu’elles

forment. Avec l’expérience, les

dosages et les caractéristiques des

fibres (diamètre, longueur) ont pu être

précisés (cf. “Compléments au guide

du comportement au feu”, publiés par

le CETU le 30 mars 2011).

Actuellement, en France, deux tran-

chées couvertes ont été réalisées à

l’aide de béton additionné de fibres de

polypropylène : la tranchée couverte

d’Angers et la couverture de la RN 314

à la Défense.

Dans le cas de la RN 314, une formu-

lation de béton avec ajout de 2 kg/m3

de fibres de polypropylène a été

étudiée. Après avoir montré que le

béton choisi répondait à toutes les

autres exigences du cahier des

charges, sa tenue au feu vis-à-vis de

l’écaillage a été testée.

Deux essais ont été réalisés :

• Le premier essai, facultatif (appelé

“essai de vérification”), permet de

se rassurer sur la formule choisie

grâce à un essai HCM 2 heures.

A ce stade du projet, le béton utilisé

pour l'essai ne peut être identique à

celui qui sera utilisé sur chantier

(changements d'approvisionnement

par exemple) ; on teste un élément

représentatif de la mi-travée de la

couverture et de son chargement

avec la formule étudiée. Un écail-

lage superficiel de 2,5 cm a été

mesuré après refroidissement, ne

mettant pas en cause la stabilité de

la poutre. À l’issue de cet essai, la

résistance au feu de la travée de

l’ouvrage est assurée, la formule

validée et imposée à l’entreprise

chargée des travaux comme béton

à composition prescrite.

• Lors des travaux, un deuxième essai

représentatif des sections d’appuis

est réalisé avec le béton du chantier.

La surface chauffée est donc com-

primée, ce qui favorise l’écaillage.

Cet essai de convenance est obliga-

toire pour justifier la tenue au feu du

béton. Si l’essai échoue, les parties

d’ouvrage déjà réalisées devront

être protégées. L’écaillage obtenu,

atteignant par endroit 7 cm, a été

beaucoup plus important que prévu

mais l’élément représentatif de l'ou-

vrage n’ayant pas rompu, la stabilité

de l’ouvrage a tout de même pu être

justifiée, ce qui n'aurait pu se faire

par le calcul seul. Cet essai montre

l’importance du chargement sur

le phénomène d’écaillage et illustre

le fait que l’ajout de fibres de poly-

propylène n’élimine pas systé -

matiquement la problématique de

l’écaillage.

Une deuxième solution consiste à

chercher une formule optimale. En

effet, si les fibres sont la meilleure

garantie pour réduire l’écaillage, d’au-

tres paramètres de formulation peu-

vent être étudiés : dosage, nature et

dimensions des fibres, nature du

ciment, ajout d’un agent entraîneur

d’air, etc. La nature des granulats peut

également influer significativement

sur l’écaillage, mais le choix du site

d’approvisionnement est en général

limité et conditionné par le transport.

To date, the risk of spalling cannot be

apprehended by means of calculation

or modelling; the only solution is to

resort to testing. However, concrete

formulas may be adapted in order to

give the test every chance of success.

One such solution is to add polypro-

pylene fibres. To date, this has proved

to be the most effective means of

combating spalling. The effect is

attributed to the fibres melting and

vaporising. This facilitates migration

of water vapour towards the surface,

through the porous network left

behind. With experience, fibre doses

and characteristics (such as their

length and diameter) have been refi-

ned (cf. “Compléments au guide du

comportement au feu”, “Supplements

to the fire behaviour guide”, published

by CETU on March 30, 2011).

To date in France, two covered

trenches have been built using

concrete with added polypropylene

fibre: the Angers covered trench and

the covered section of RN 314 at La

Défense.

For the RN 314, a concrete formula

containing 2 kg/m3 of polypropylene

fibre was examined. After having

demonstrated that this type of

concrete fulfilled all the other requi-

rements of the specifications, its fire

resistance in terms of spalling was

tested.

Two tests were conducted :

• The first, non-mandatory test,

known as a “verification test”, allo-

wed the formula used to be confir-

med by means of a two-hour HCM

test. At this stage of the project, the

concrete used for the test could not

be identical to that used on the

worksite (for instance, due to poten-

tial changes in supply). A represen-

tative element from the centre of

the covering was tested, with its

load, using the formula being stu-

died. Superficial spalling of 2.5 cm

was measured after cooling, small

enough not to compromise the sta-

bility of the beam. Following this

test, which demonstrated fire resis-

tance for the structure’s span, the

validated formula was made bin-

ding on the contractor in charge of

the works, as ‘concrete with pres-

cribed composition’.

• During works, a second test, repre-

sentative of supporting sections,

was carried out using the concrete

used on the worksite. The heated

surface was compressed, encoura-

ging spalling. This suitability test

was mandatory to demonstrate the

fire resistance of the concrete. If the

test was negative, those parts of the

structure that had been completed

would have had to be protected. The

resulting spalling was as deep as

7 cm in some places, much larger

than expected, but the representa-

tive component of the structure did

not fail, so the stability of the struc-

ture was nonetheless demonstra-

ted. This could not have been

achieved by means of calculations

alone. This test shows the impor-

tance of load considerations in spal-

ling and illustrates the fact that the

addition of polypropylene fibres

does not systematically resolve the

issue of spalling.

An alternative solution involves finding

the optimum formula. Indeed, while

fibres are the best means of minimi-

sing spalling, other formulation para-

meters may also be explored: the

dose, nature and dimensions of fibres,

the type of cement, addition of an air-

entraining agent, etc. The type of

aggregate can also have a major

impact on spalling, but selection of

the supply site is generally limited and

determined by transport conside -

rations.

This process requires a longer period

of study, relating to several formulas.

After testing, the formula that per-



527

M


Cette démarche nécessite un délai

d’étude plus long, portant sur

plusieurs formules. Après essai, la

formule la plus performante, c’est-à-

dire celle qui présente le meilleur

compromis entre l’écaillage mesuré

et le coût de production, est choisie.

C’est la démarche suivie par le maître

d’ouvrage de la rocade L2 à Marseille,

pour la tranchée couverte de la Four-

ragère, aujourd’hui rattachée à la

DREAL PACA. Le planning permettait

de procéder à cette étude de formu-

lation et d'introduire la formule rete-

nue lors de la finalisation du cahier

des charges, afin d’être spécifiée au

titulaire du marché de travaux comme

un béton à composition prescrite.

Les dimensions des fours permettant

de tester 6 petites dalles lors d’un

même essai, 6 formulations ont été

étudiées. Contrairement aux 5 variantes,

la formulation de référence ne conte-

nait ni fibres de polypropylène, ni

entraîneur d’air. L’essai comparatif a

été instructif car, bien que relative-

ment résistante (57 MPa), la formule

de référence n'a pas écaillé et il n'a

pas été observé d'effet favorable

sensible des ajouts envisagés (fibres

polypropylène et entraîneur d'air).

Ceci est très avantageux pour le projet

car la formule de référence peut être

conservée. Une économie consé-

quente est ainsi réalisée sur la fourni-

ture des 27 000 m3 béton (de l'ordre

de 40€/m3, soit environ 20 % du prix

du matériau). Cet essai a donc permis

de choisir une formule économique.

On retiendra également que les

granulats calcaires ainsi que le ciment

au laitier peuvent constituer une piste

de formulation d'un béton résistant

au feu.

L’essai de convenance représentatif

de la structure sur appui a été réalisé

plus tard dans le cadre du marché de

travaux avec la formule du chantier.

L’écaillage moyen obtenu sous courbe

HCM a été de 2,8 cm ou 4,2 cm selon

l'aire de la dalle considérée. Les

calculs de structures sont en cours

afin de déterminer si des protections

passives sont nécessaires.

Que l’on cherche à optimiser la for-

mule ou que l’on choisisse forfaitaire-

ment un fort dosage en fibres de

polypropylène, il est possible lors de

la conception de tunnels neufs d’avoir

recours à des formules de béton qui

n’écaillent pas ou peu. Un essai repré-

sentatif de l’ouvrage est cependant

indispensable pour s’assurer du

comportement du béton choisi vis-à-

vis de l’écaillage. Le chargement, les

dimensions et les matériaux de l'élé-

ment testé doivent être représentatifs

de l'ouvrage. C'est pourquoi ces

essais au feu nécessitent des fours

de grandes dimensions. Trois labora -

toires agréés en France possèdent

aujourd’hui de tels fours : le CERIB,

le CSTB et EFECTIS France.

7 - Prise en compte-croissante du développement-durable : perspectives de-valorisation des matériaux-d’excavation en granulats-pour béton-

Tant pour les tunnels de montagne

que pour ceux situés en zones très

urbanisées, on peut avoir affaire à de

difficiles problèmes d'environnement.

Les carrières ou emprunts d'agrégats

s'épuisent ou rencontrent de fortes

oppositions à leur ouverture, les

emplacements de dépôt des déblais

sont limités, surtout pour les ouvrages

longs. Ces deux phénomènes incitent

les constructeurs à réemployer, autant

que possible, les déblais extraits du

tunnel, en particulier pour son revête-

ment en béton.

Cette méthode, qui était utilisée autre-

fois pour raison d'économie (tunnel

ferroviaire de Ste Marie aux Mines

forms the best, i.e. the one that offers

the best compromise between the

spalling measured and production

cost, is adopted. This was the

approach taken by the Marseille L2

ring road project owner for the La

Fourragère covered trench, now

managed by DREAL PACA. The

schedule allowed enough time for this

formulation study to be carried out

and add the selected formula to the

final specifications. In this way it could

be specified to the successful bidder

as a “concrete with prescribed com-

position”.

Furnace dimensions made it possible

to test six small slabs in a single test,

so six formulas were tested. Unlike

the five alternatives, the control for-

mula did not contain polypropylene

fibres or an air-entraining agent. The

comparative test proved to be highly

instructive. Even though it was relati-

vely strong (57 MPa), the control for-

mula did not spall, and the potential

additions of polypropylene fibre or air-

entraining agents did not actually offer

any significant favourable benefit.

This was an extremely worthwhile

exercise for the project since it allo-

wed the control formula to be used.

This led to major savings, for the sup-

ply of 27,000 m3 of concrete, of some

€40/m3 i-e approximately 20% of the

cost of the material. The test thus

made it possible to choose a more

economic formula. Limestone aggre-

gates and slag cement may also offer

interesting avenues for formulating

fire-resistant concrete.

The representative test of suitability

for the supported structure was car-

ried out later as part of the contract

of works, using the worksite formula-

tion. The mean spalling on the Modi-

fied Hydrocarbon Curve was 2.8 cm

or 4.2 cm depending on the surface

area of the slab in question. Structural

design calculations are underway to

establish whether or not passive

protection measures are required.

When designing new tunnels, it is now

possible to use concrete formulas that

are subject to little or no spalling,

whether by optimising the formula or

directly choosing to have a high dose

of polypropylene fibres. A representa-

tive test for the structure is nonethe-

less vital to verify how the selected

concrete behaves with regard to spal-

ling. Load, dimensions and materials

used for the element under test must

be representative of the structure as

a whole. This is why fire tests require

large furnaces. There are three appro-

ved laboratories in France with large

enough furnaces: CERIB, CSTB and

EFECTIS France.

7 - The increasingly-important issue of -sustainable development:-recovery of excavated-material for use as-concrete aggregates-

Significant environmental issues may

arise for tunnels everywhere, whether

they are located in mountains or in

highly built-up areas. Quarries and

aggregate sources are becoming

exhausted; the opening of new

sources is encountering strong

opposition; and there are limited

numbers of locations for depositing

muck, especially for longer tunnels.

These phenomena have encouraged

construction firms to re-use muck

excavated from the tunnel, especially

for the tunnel lining.

This method, previously used for

reasons of economy (e.g. the Saint

Marie aux Mines rail tunnel, between

1932 and 1936, and various masonry

tunnels) is now coming back into

vogue. Two examples are the Löt-

schberg and Gotthard tunnels. In

the light of all the issues discussed

TECHNIQUE/TECHNICAL



entre 1932 et 1936 et divers tunnels

en maçonnerie), a tendance à être

réutilisée ; ce fut le cas pour les

tunnels du Lötschberg et du Gothard.

Compte tenu de toutes les contraintes

évoquées par ailleurs (performances

mécaniques, alcali-réaction, résis-

tance au cycles de gel-dégel), la

démarche est délicate et demande

une grande vigilance lorsque la géo-

logie du terrain encaissant est chan-

geante. Soulignons que le Groupe de

travail 35 de l’AFTES, a déjà publié en

2007 des recommandations sur ce

sujet et a récemment entrepris de les

mettre à jour.

Cas des tunnels du Lyon-Turin Ferroviaire

La partie transfrontalière de la future

liaison ferroviaire entre Lyon et Turin,

dont le promoteur est la société LTF,

filiale du Réseau Ferré de France

(RFF) et du Réseau Ferré d’Italie (RFI),

comportera un tunnel bi-tube d’en-

viron 57 km et 2 galeries d’intercon-

nexion de 2 km. Les chantiers

génèreront 16 millions de m3 de

déblais et la société LTF souhaite en

valoriser un maximum.

D’après l’ensemble des études réa-

lisées jusqu’à ce jour, 25 % à 35 %

des déblais pourraient être transfor-

més en granulats à béton pour le

revêtement du tunnel. Cette solution

serait mise en place dans le cadre

d’une démarche de développement

durable. Elle permettrait :

• d’éviter l’excavation de nouvelles

carrières favorisant ainsi une

gestion économe et durable des

ressources naturelles,

• de limiter la mise en dépôt défini-

tive des déblais et leur transport

par route, réduisant ainsi l’émis-

sion de gaz à effet de serre.

• Les difficultés liées à la qualité des matériaux excavésUne particularité de ces déblais de

chantiers, sur quelques kilomètres

dans le secteur des installations

souterraines de Modane/Villarodin-

Bourget, par rapport aux granulats

utilisés dans la fabrication des bétons

réside dans leur teneur en sulfates.

En effet, ils contiennent une quantité

de sulfates variant de 1,6 à 4,3 %

(exprimée en SO3) présente sous

forme de gypse et d’anhydrite. Dans

un béton, les sulfates sont suscep -

tibles de réagir avec certains com -

posants du ciment pour donner

naissance à des produits expansifs

(ettringite, thaumasite) générant

alors une détérioration du matériau

par gonflement/fissuration. Afin

d’éviter ces réactions, des normes

limitent la teneur en sulfates pour les

différents constituants du béton

(granulats, ciment, eau). En particu-

lier, la norme NF EN 12620-1 intitulée

“Granulats pour béton” restreint la

quantité de sulfates dans les granu-

lats à 0,2 % en SO3 pour les bétons

de structure de génie civil.

• Les recherches entreprisesA la demande de LTF (LYON TURIN

FERROVIAIRE) et l’IFSTTAR (Institut

Français des Sciences et Technolo-

gies des Transports, de l’Aménage-

ment et des Réseaux) a été mené un

programme de recherche en collabo-

ration avec les sociétés HOLCIM,

VICAT et le LERM. Des études ont été

réalisées afin de mieux comprendre

les risques de relargage des sulfates

dans les bétons en termes de quan-

tité et de cinétique ainsi qu’en fonc-

tion des caracté ristiques du milieu

(composition chimique, pH, tempéra-

ture…). Un autre objectif de cette

recherche a été d’étudier le compor-

tement de liants susceptibles d’être

adaptés à ce type de granulats afin

d’éviter toute altération du béton par

une réaction sulfatique.

• Les solutions en perspectiveLes premiers résultats de cette recher -

che montrent que trois solutions

elsewhere (mechanical performance,

alkali-aggregate reaction, and resis-

tance to freezing/thawing), this is a

delicate process and must be very

carefully supervised when the sur-

rounding geology is not uniform. It

should be noted that AFTES Working

Group GT35 published recommenda-

tions on this topic in 2007 and has

recently started work to update these.

The Lyon-Turin rail tunnels

The cross-border section of the future

rail link between Lyon and Turin being

developed by LTF (a subsidiary of

Réseau Ferré de France (RFF) and the

Italian rail network operator RFI) will

comprise a twin-tube tunnel some

57 km long, with two interconnecting

galleries 2 km long. The worksite will

generate 16 million cubic metres of

muck, of which LTF is seeking to

reuse as much as possible.

Research conducted to date indicates

that between 25 and 35 percent of

the muck could be used as concrete

aggregate for the tunnel lining. This

solution would form part of a sustai-

nable development policy. The solu-

tion would achieve the following

results:

• not having to excavate new quar-

ries, thereby promoting sustainable

management of natural resources,

• minimising the final disposal of

muck and the related road trans-

port, with a corresponding reduction

in greenhouse gas emissions.

• Difficulties relating to thequality of excavated materialsOne of the distinctive features of this

site muck, for an underground

section several kilometres long in the

vicinity of Modane/Villarodin-Bourget,

and in terms of the aggregates used

to make concrete, is their sulphate

content. The sulphate content

(expressed in terms of SO3) varies

between 1.6 and 4.3 percent, present

in the form of gypsum and anhydrite.

In concrete, sulphates are liable to

react with certain components of the

cement and result in expanding mine-

rals (ettringite and thaumasite) that

then damage the material through

swelling and cracking. To minimise

these reactions, standards restrict the

sulphate content of various compo-

nents of concrete (aggregates,

cement and water). In particular, stan-

dard NF EN 12620-1, 'Aggregates for

Concrete' limits sulphate quantity in

aggregates to 0.2 percent of SO3 for

civil engineering structural concrete.

• ResearchAt the request of LTF (LYON TURIN

FERROVIAIRE) and IFSTTAR (French

Institute of Science and Technology

for Transport, Development and Net-

works, Institut Français des Sciences

et Technologies des Transports, de

l’Aménagement et des Réseaux) has

conducted a research programme in

collaboration with HOLCIM, VICAT and

LERM. Research has been conducted

to better apprehend the risk of sul-

phate release in concrete in terms of

quantity and behaviour, as well as in

terms of the characteristics of the

medium (chemical composition, pH,

temperature, etc.). Another purpose

of this research has been to study the

behaviour of binders that could be

appropriate for this type of aggregate

in order to prevent the concrete being

damaged due to a sulphate reaction.

• Potential solutionsInitial results of this research indicate

that three innovative solutions invol-

ving concrete could allow this muck

to be recycled as concrete aggregate.

- Sorting and/or washing muck

It appears that the sulphates are loca-

ted principally in the fines of excava-

ted materials (0/0.315 mm). This

means that sorting would make it

possible to decrease the sulphate

content of the concrete aggregates

significantly. Moreover, the sulphate



529

M


novatrices dans le domaine des

bétons pourraient permettre de valo-

riser ces déblais en granulats à

béton.

- Tri et/ou lavage des déblais

Il apparaît que les sulfates sont prin-

cipalement localisés dans la fraction

fine (0/0,315 mm) des matériaux

d’excavation de sorte qu’un tri sélec-

tif permettrait de diminuer fortement

la teneur en sulfates dans les granu-

lats à béton. Par ailleurs, la cinétique

de lixiviation des sulfates est rapide.

Une solution pourrait donc consister

à laver ces déblais puisqu’environ

50 % des sulfates sont éliminés lors

d’un lavage pendant environ 7

heures.

- Utilisation d’un ciment approprié

Le comportement de différentes

compositions de mortier a été étudié

afin de réduire ou de supprimer le

risque de dégradation par les sul-

fates. Après 6 mois d’exposition

dans des conditions de vieillissement

accéléré, les mortiers formulés avec

un ciment Portland de type CEM I

ayant une teneur en C3A inférieure à

1 % et avec un ciment sursulfaté ne

présentent aucune expansion.

Ces premiers résultats sont encou-

rageants. Le bon comportement du

ciment sursulfaté peut s’expliquer

par le fait qu’il s’agit d’un liant

comportant environ 80 % de laitier

de haut fourneau activé par du

gypse. Dans ces conditions, les

sulfates contenus dans les granulats

participent également à l’activation

de ce liant.

- Utilisation des sulfates contenus

dans les granulats pour le gypsage

du ciment

Cette étude a été réalisée à partir de

mortiers formulés avec un ciment au

laitier de haut fourneau de type CEM

III/B n’ayant pas fait l’objet d’un

gypsage par le cimentier. Le gypsage

a alors été effectué par l’apport des

sulfates contenus dans la fraction

sable des granulats. Les propriétés

rhéologiques et mécaniques obte -

nues sont similaires à celles

d’un mortier formulé avec un ciment

CEM III/B gypsé normalement par le

cimentier. Au bout de 6 mois, aucun

phénomène d’expansion résultant

d’une réaction sulfatique n’a été

observé.

Cas du tunnel de Saint Béat

La raréfaction de la ressource en

granulats alluvionnaires dans cer-

taines régions de France et les

impacts sur les milieux naturels

conduisent à s’interroger plus que

jamais sur la valorisation des maté-

riaux d’excavation issus du creuse-

ment des ouvrages souterrains. Un

approvisionnement “direct” permet

également de limiter les impacts liés

au transport.

La valorisation sur site, y compris

dans les bétons, constitue donc le

choix opéré par la DREAL Midi Pyré-

nées, Maître d’Ouvrage du projet de

déviation du village de Saint Béat.

Situé en Haute Garonne sur la RN

125, ce projet d’un peu plus de 2000

m comprend un tunnel creusé à l’ex-

plosif de 1018 m. L’ensemble des

bétons de l’ouvrage, hormis le béton

projeté utilisé pour le soutènement et

le béton de fondation du revêtement,

seront réalisés avec des granulats

élaborés sur le site à partir des maté-

riaux issus du creusement.

La motivation du Maître d’Ouvrage

assisté de son Maître d’œuvre, la DIR

Sud-Ouest, vise d’une part, à limiter

les nuisances liées à un approvision-

nement en granulats alluvionnaires

provenant de la vallée de la Garonne

à une soixantaine de kilomètres,

d’autre part à limiter celles liées à

l’évacuation et donc au transport et

au stockage des matériaux issus du

creusement. La valorisation sur site

permet donc de répondre aux

exigences du Grenelle de l’environ-

nement en réduisant les coûts

leaching is very rapid. One solution

could therefore consist in washing the

muck: some 50 percent of the sul-

phates are removed by washing for a

period of some seven hours.

- Use of appropriate cement

The behaviour of mortars with various

compositions has been studied with a

view to reducing or eliminating the

risk of damage from sulphates. After

six months’ exposure in accelerated

ageing conditions, mortars formulated

with CEM I type Portland cement with

C3A content of less than one percent

and a supersulphated cement show

no signs of expansion. These initial

results are encouraging. The good

performance of the supersulphated

cement may be attributed to the fact

that it is a binder containing some 80

percent of blast furnace slag, activa-

ted by gypsum. In these conditions, the

sulphates contained in aggregates also

play a role in activating the binder.

- Use of sulphates in aggregates to

add gypsum to cement

This research was conducted using

mortars formulated with CEM III/B

type blast furnace slag cement that

had not had any gypsum added by the

cement manufacturer. Instead, this

was carried out by adding the sul-

phates contained in the sandy part of

the aggregates. The rheological and

mechanical properties obtained were

similar to those of a CEM III/B type

mortar to which gypsum had been

added in the usual manner by the

cement manufacturer. After six

months, no expansion due to a sul-

phate reaction was observed.

The Saint Béat tunnel

The dwindling availability of alluvial

aggregates in some regions of France

and the related impact on natural

environments have resulted in the

issue of using materials from the

excavation of underground works

being examined as never before.

‘Direct’ supply also makes it possible

to minimise the impacts relating to

transport.

Recycling on site, including for use in

concrete, was thus adopted by DREAL

Midi Pyrénées, Project Owner for a

bypass round the village of Saint Béat.

Located in Haute Garonne on road RN

125, this project, just over 2000

metres long, includes a 1018-metre-

long tunnel excavated using explo-

sives. All the concrete used for the

structure, apart from the sprayed

concrete used for the support walls

and the lining foundation concrete,

will be built using aggregates manu-

factured on site using materials from

the excavation.

The thinking of the Project Owner and

the Project Manager, DIR Sud-Ouest,

is to minimise disturbance relating to

the supply of alluvial aggregate from

the Garonne valley, some sixty kilome-

tres away, and that relating to removal

(and thus transport and storage) of

excavated materials. On-site recycling

makes it possible to comply with the

requirements of the Grenelle environ-

mental summit by bringing down the

‘environmental’ costs, whilst at the

same time bringing down financial

costs (with little or no use of disposal

sites, less transport of materials, and

so on.). This involves studying the

amortization of worksite installations

(crushing equipment, worksite

concrete plant, etc.) and optimising

these for the scale of the bypass pro-

ject. Indeed, bearing in mind that

only 15 % of the extracted materials

can be used to make concrete for

the tunnel, other forms of recycling

have been sought, including the

more traditional solution of recy-

cling the muck to form the structure

of the roadway. Excess materials

may also be stored temporarily for

future projects.

The project's technical feasibility was

also examined ahead of time by the

TECHNIQUE/TECHNICAL



“environnementaux”, tout en rédui-

sant les coûts financiers (réduction

voire suppression de la mise en

décharge, réduction du transport de

matériaux, etc.). Pour cela, l’amortis-

sement des installations de chantier

(installation de concassage, centrale

de chantier, etc.) doit être étudié et

optimisé à l’échelle du projet de

déviation. En effet, sachant qu’au

mieux seulement 15% des maté-

riaux extraits peuvent être utilisés

à la fabrication des bétons du tun-

nel, d’autres pistes de valorisation

ont été recherchées comme celle

plus classique de la valorisation en

structure de chaussée. S’il y a lieu,

les matériaux excédentaires peuvent

être stockés provisoirement pour des

projets futurs.

La faisabilité technique du projet a

été étudiée en amont par le Départe-

ment Laboratoire de Clermont-

Ferrand (DLCF) du CETE de Lyon sur

la base des sondages et des carac-

térisations réalisés par le Départe-

ment Laboratoire de Toulouse (DLT)

du CETE Sud-Ouest. Le tunnel sera

creusé dans la zone interne méta-

morphique des Pyrénées. Il s'agit de

formations constituées de calcaires

métamorphisés. La géologie est donc

apparue favorable avec des maté-

riaux non gélifs, ne nécessitant a

priori pas de retraitement avant valo-

risation dans des bétons. La seule

inquiétude portait sur la valeur du

coefficient Los Angeles (LA) qui sem-

blait un peu élevée au regard de la

réglementation et compte tenu des

spécifications liées aux bétons, ces

dernières ayant dû être affinées pour

favoriser au mieux l’utilisation des

matériaux extraits en tant que gra-

nulats pour bétons. Des matériaux

ont donc été prélevés à proximité du

site et le DLCF a procédé à une étude

des bétons du revêtement les plus

pointus. Les résultats se sont avérés

satisfaisants en termes d’ouvrabilité

et de résistances mécaniques malgré

une valeur particulièrement défavo-

rable du LA.

La partie “bétons coulés” du Cahier

des Clauses Techniques Particulières

(CCTP) du tunnel a été rédigée par le

CETU et le DLCF. L’option prise a été

de produire des granulats respectant

les normes granulats (NF EN 12620 et

XP P 18-545) afin de rester dans le

cadre de la norme béton (NF EN 206-

1). Une approche performantielle est

cependant possible au regard de la

tenue au gel/dégel en présence de

sels de déverglaçage (cas des bétons

de revêtement à proximité des têtes).

De nombreuses questions liées à

l’élaboration de granulats sur site,

d’ordre technique ont dû être abor-

dées : matériel nécessaire, aires de

stockage provisoire du marin, procé-

dure de tri rapide, procédures de

contrôle des granulats élaborés sur

site, étude de la possible pollution

des granulats par les résidus d’ex-

plosif, etc. Enfin, la logistique et le

planning doivent être analysés de

près afin de ne pas compromettre la

réalisation du projet (démarches

administratives très en amont pour

les aires de stockage et les installa-

tions). Ainsi, même si cette approche

est encore peu développée en

France, les expériences étrangères

et notamment suisses, ou celles

acquises en matière d’élaboration de

granulats à partir de roches mas-

sives, ont permis de rédiger le CCTP.

Le tunnel de Saint Béat : la valorisa-

tion dans les bétons en quelques

chiffres :

• Volume de matériaux en place

excavés : 110 000 m3

• Volume des bétons (hors béton

projeté et béton de fondation du

revêtement) : 24 000 m3

• Quantité de granulats élaborés sur

site pour les bétons : 42 000 t

(16 800 m3 soit environ 15 % des

matériaux extraits)

Lyon CETE's Clermont-Ferrand Labo-

ratory Department (DLCF) on the basis

of surveys and characterisations car-

ried out by the South-West CETE's

Toulouse Laboratory (DLT). The tunnel

will be excavated in the inner meta-

morphic area of the Pyrenees. The

formations consist of metamorphic

limestone. The geology thus appeared

favourable, with materials that are not

frost-riven and that should not require

retreatment prior to being recycled in

concrete. The only concern relates to

the Los Angeles Coefficient (LAC).This

appears to be somewhat high compa-

red to regulations and in the light of

the specifications relating to concrete;

these have had to be clarified to

encourage as much use as possible

of extracted material as concrete

aggregate. Samples were taken close

to the site; DLCF carried out a study

of the most sophisticated types of

lining concrete. The results have pro-

ved to be satisfactory in terms of wor-

kability and mechanical strength,

despite a particularly unfavourable

LAC.

The “poured concrete” section of the

Particular Technical Specifications for

the tunnel was drafted by the Tunnels

Study Centre CETU, along with DLCF.

The decision was taken to produce

aggregate complying with aggregate

standards NF EN 12620 and XP P 18-

545 so as to remain within the scope

of concrete standard NF EN 206-1. A

performance-based approach is

nonetheless possible, taking into

consideration the freezing/thawing

behaviour where de-icing is carried

out (for lining concrete near the tunnel

heads).

A large number of technical questions

regarding the manufacture of aggre-

gates on site had to be examined:

these dealt with issues including the

plant required; temporary muck sto-

rage areas; rapid sorting procedure;

inspection procedures for aggregates

produced on site; and the potential

pollution of aggregates by explosive

residues. Finally, logistics and plan-

ning must be closely analysed in order

not to compromise completion of the

project (administrative procedures to

be carried out well ahead of time for

storage areas and other installations).

Even though this approach is as yet

little used in France, experiences from

other countries, more especially

Switzerland, and experience gained

in manufacturing aggregates from

massive rocks, made it possible to

draw up the Particular Technical

Specifi cations.

Saint Béat tunnel: key figures on

concrete re-use:

• Total volume of material excavated

on site: 110,000 m3

• Total volume of concrete (excluding

sprayed concrete and lining foun-

dation concrete): 24,000 m3

• Total amount of aggregate produ-

ced on site for concrete: 42,000 t

(16,800 m3, equivalent to 15 per-

cent of extracted material).



531

M


8 - Conclusion-

Les bétons utilisés en ouvrages souterrains ont des spécificités parti-

culières. Cependant, ils bénéficient des progrès réalisés dans les

bétons de toute nature pour progresser dans toutes les directions de

commodité de réalisation, de durabilité, de résistance au feu et de

performances mécaniques. t

TECHNIQUE/TECHNICAL

Références / References-

AFTES Recommendations (http://www.aftes.asso.fr/publications_recommandations.html)

• La technologie et la mise en oeuvre du béton projeté renforcé de fibres (Technology for using fibre-reinforced sprayed concrete) GT6R3F1- 1994 – TOS no.126SP 99

• La méthode de construction des tunnels avec soutènement immédiat par béton projeté et boulonnage (Tunnel construction methods with immediate support by means of sprayed concrete and bolting) GT6R2F1 - 1979

• Réflexions sur les méthodes usuelles de calcul du revêtement des souterrains GT7R2F1 - 1976 TOS no. 14SP 93Considerations on the usual methods of tunnel lining design GT7R2A1 - TOS 1993 - SP 93

• L’utilisation du béton non armé en tunnel GT7R5F1 - 1998 – TOS no.149HS4The use of plain concrete in tunnels GT7R5A1 - 2000 – TOS no. 158

• Conception et dimensionnement du béton projeté utilisé en travaux souterrains GT20R1F1 - 2001 – TOS no. 164 Design of sprayed concrete for underground support GT20R1A1 - TOS 2002

• Compatibilité des recommandations AFTES relatives aux revêtements des tunnels en béton avec les Eurocodes (Compatibility of AFTES recommendationson concrete tunnel linings with Eurocodes) GT29R2F12007 – TOS no. 204 HS4

• L’utilisation des règles et normes générales de conception et de dimensionnement pour les revêtements de tunnel en béton armé et non armé(Use of general design rules and standards for reinforced and plain concrete) GT29R1F1 - 2001 – TOS no. 165HS4

• La gestion et la valorisation des matériaux d’excavation (Management and reuse of excavated materials) GT35R1F1 - 2007 – TOS no. 199• Géométrie, béton, coffrage et bétonnage des revêtements de tunnels GT36R1F1 - 2007 – TOS no. 202 HS4

Geometry, concrete mixes, formwork and concrete pouring practice GT36R1A1- 2000 - TOS no. 202 HS4• Géométrie, béton, coffrage et bétonnage des revêtements de tunnels GT36R1F1 - Annexe 1 : Défauts de réalisation – 2012 – TES 233

Geometry, concrete mixes, formwork and concrete pouring practice GT36R1A1 - Appendix & : Construction defects – 2012 – TES 233• Tunnels routiers : Résistance au feu (Fire resistance of road tunnels) GT37R1F1 - 2008 – TOS no. 205

CETU pilot project file (http://www.cetu.developpement-durable.gouv.fr/)Section 4: Procédés de creusement et de soutènement (Excavation and support procedures) - July 1998Section 5: Etanchement et revêtement (Waterproofing and lining) – July 1998

ASQUAPRO technical memoranda (http://www.asquapro.com/)Mise en œuvre des bétons projetés (Use of sprayed concrete)Utilisation des fibres pour le renforcement des bétons projetés de soutènement provisoire des tunnels (Use of fibres to reinforce sprayed concrete for provisional tunnel support)

8 - Conclusion-

The types of concrete used in underground works have some highly

specific characteristics. However, they have benefited from advances

in all types of concrete, thus progressing in many ways, including ease

of manufacture, durability, fire resistance, and their mechanical

properties. t


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Les bétons dans les tunnels - · PDF filedavantage orienter les premières études de conception d'un tunnel. En effet, lors du creusement d'un tunnel ... sent à des études de formulation