Etude expérimentale et théorique du comportement d'un tunnel renforcé par boulonnage frontal

Trompille Virginie

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• Publié par: Shean
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• Langue: Français

Extrait

Références bibliographiques 167
Conclusion et perspectives

L’objectif du travail de recherche présenté dans ce mémoire était de contribuer à l’étude du
comportement du front de taille d’un tunnel renforcé par boulonnage frontal. Pour ce faire, différentes
approches ont été menées.

Modèle analytique développé

Pour complèter les approches en stabilité de type calcul à la rupture, une approche analytique en
déformation a été développée. Formulée dans le cadre de la méthode d’homogénéisation en élasto-
plasiticité, cette approche est une des extensions d’un modèle de base faisant l’hypothèse de
l’adhérence parfaite entre le sol et les boulons. Or des observations expérimentales et in situ ont
montré que la résistance limite des boulons ne peut pas être mobilisée totalement, l’apport des boulons
est alors sur-estimé. Afin de s’affranchir de cette hypothèse restrictive, le nouveau modèle proposé
prend en compte un descellement près de la paroi, conduisant à une contribution du renforcement plus
réaliste.

Du point de vue pratique, le modèle analytique développé est simple d’utilisation puisque, tous calculs
faits, on montre que le comportement de l’ouvrage ne dépend que de quatre paramètres
adimensionnels. Le caractère semi-explicite des équations permet de visualiser clairement les
différents évènements, ainsi que les relations de causalité entre les divers paramètres (chargement,
raideur, résistance) et la réponse mécanique de l’ouvrage. En conséquence, le modèle s’avèrent idéal
pour des estimations quantitative et des études paramétriques au stade du prédimensionnement.

Une comparaison des prédictions du modèle analytique a été menée avec des calculs numériques
3Dréalisés avec le logiciel de calcul FLAC . Plus particulièrement, les valeurs d’extrusion au front et la
répartition de la traction le long du boulon ont été analysées. Les résultats de la confrontation des deux
méthodes sont bons, avec une erreur relative comprise entre 1% et 28% selon le cas étudié.

Retour d’expérience in situ

Afin d’évaluer la robustesse du modèle analytique sur le comportement d’un tunnel renforcé par
boulonnage frontal en prenant en compte le phénomène de descellement qui peut se produire à
l’interface sol/boulon, une comparaison des prédictions du modèle analytique a été menée avec des
mesures in situ en provenance du chantier de Tartaiguille. Un profil d’extrusion du front au cours du
creusement a pu être extrait des données de chantier et les caractéristiques du sol ont été déduites des
nombreuses campagnes de reconnaissance géotechnique dont ce tunnel a fait l’objet. Les prévisions du
modèle donnent de bons résultats avec une erreur relative comprise entre 7% et 23 %. De plus, le
profil des déplacements devant le front mesuré sur chantier est relativement proche de celui prédit par
le modèle.

Toutefois, une étude paramétrique a mis en évidence l’influence prépondérante du module d’Young du
sol sur les autres paramètres tels que la cohésion et la densité de boulonnage. Il convient donc de se
garder à une généralisation immédiate de la portée de cette première comparaison, réalisée pour un site
spécifique avec un jeu de caractéristiques géomécaniques particulières. A cela s’ajoute les difficultés
habituelles dans l’interprétation des campagnes de reconnaissance et les dispersions usuelles des
résultats de mesures. Une partie de ces difficultés provient d’un certain degré d’hétérogénéité
"naturelle" du terrain in situ.

Modèle réduit tridimensionnel de tunnel boulonné au front

Un modèle réduit tridimensionnel sous gravité terrestre a été développé pour simuler le creusement
d’un tunnel à front ouvert, renforcé par un boulonnage longitudinal. Une campagne expérimentale de Références bibliographiques 168
huit essais a été menée afin de mettre en évidence l’apport du boulonnage frontal lors du creusement.
Pour ce faire, différents capteurs ont été utilisés pour mesurer les contraintes et les déplacements
internes devant le front, l’extrusion au front et les tassements en surface. L’exploitation des grandeurs
mesurées par ces différents capteurs montre que la présence des boulons au front vient modifier de
façon significative le comportement du terrain, notamment à l’avant du front de taille.

Durant la phase de terrassement du tunnel, les déplacement internes devant le front, au centre, sont
réduits par un facteur trois grâce à la présence des boulons. Concernant les tassements en surface et les
contraintes internes, une telle conclusion s’avère difficile à formuler puisque les valeurs enregistrées
sont trop faibles. Durant la phase de chargement en surface, les déplacement internes devant le front
sont considérablement réduits grâce à la présence des boulons. Concernant l’extrusion du front,
l’apport du boulonnage est moins évident à montrer, du fait des nombreuses chutes locales qui
viennent perturber les mesures. Le chargement surfacique de rupture est quasiment deux fois plus
important en présence de boulons. Ces différentes conclusions relatives aux grandeurs mesurées
convergent dans le même sens, à savoir que la présence des boulons au front vient augmenter la
résistance et donc la stabilité du front de taille du tunnel.

En appliquant les lois de la similitude aux différents paramètres du modèle réduit, on constate que le
prototype associé au modèle réduit possède des caratéristiques mécaniques et géométriques proches de
celles des tunnels réels. Une différence importante est cependant à noter concernant le module
d’Young des boulons qui apparaît sur-dimensionné dans le modèle réduit. Les résultats expérimentaux
d’extrusion au front et devant le front ont été comparés aux prévisions du modèle théorique. En ce qui
concerne la phase de creusement, les résultats de la comparaison sont guère satisfaisants puisque les
prévisions sont 3 à 10 fois plus grandes que les mesures, respectivement dans le cas sans et avec
boulons. Toutefois, ce résultat n’est guère inattendu du fait des nombreuses différences entre les
hypothèses du modèle analytique et la réalité de l’expérimentation menée sur modèle réduit. D’abord,
la valeur du coefficient de Poisson diffère (0.5 en théorie contre 0.25 en réalité). De plus, dans le
modèle réduit, le creusement du tunel s’accompagne de phases d’enfoncement du tube qui viennent
considérablement perturber le terrain et le creusement s’effectue sous une pré-voûte non nulle : ces
deux faits ne sont pas pris en compte dans le calcul analytique. Concernant la phase de chargement en
surface, les résultats sont meilleurs. Toutefois, une certaine dispersion dans les résultats
expérimentaux existe : pour certains essais la forme de l’évolution de l’extrusion en fonction du
chargement est proche de celle calculée analytiquement alors que pour d’autres essais elle diverge.
Toute conclusion quant à la validité ou non du modèle théorique s’avèrerait donc prématurée, d’autres
essais avec et sans boulons doivent d’abord s’ajouter au nombre d’essais actuel.

Perspectives

Quelques tentatives de validation du modèle en le confrontant à l’expérience ont été proposées mais
les conclusions restent toutefois partielles. Davantage d’observations de chantiers réels sont donc
nécessaires pour mieux comprendre toutes les finesses du comportement d’un tel ouvrage et affiner les
conclusions de cette première étude, et éventuellement apporter des améliorations au modèle
théorique.

Concernant l’instrumentation du modèle réduit, les mesures de déplacements et de contraintes internes
semblent très fiables et les résultats ainsi obtenus donnent des informations précieuses sur la
cinématique de rupture. De telles mesures pourraient facilement être mises en œuvre dans d’autres
études expériementales.

De futurs essais sur modèle réduit permettraient d’étudier l’influence du nombre de boulons au front
ainsi que celle de la pré-voûte (essai avec une pré-voûte nulle tout au long de l’avancement)