Comportement des tunnels en terrains tectonisés : application à la liaison ferroviaire Lyon-Turin, Behavior of tunnel in tectonised ground : application for Lyon-Turin railway link

De
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Sous la direction de Jean Sulem
Thèse soutenue le 07 décembre 2010: Paris Est
Comportement différé, anisotrope à la descenderie de Saint-Martin-la-Porte
-Tunnel profond
-Terrain poussant
-Comportement différé
-Anisotropie
Time-dependent, anisotropic behavior of Saint-Martin-la-Porte gallery
-Deep tunnel
-Squeezing ground
-Tine-dependent behavior
-Anisotropy
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1096/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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Centre d’etudes des tunnels Ecole des Ponts { ParisTech
UR Navier CERMES
Ecole doctorale SIE
Comportement des tunnels en
terrains tectonises { Application a la
liaison ferroviaire Lyon{Turin
THESE
presentee publiquement le 7 Decembre 2010 pour l’obtention du
Doctorat de l’Universite Paris Est
par
The Manh VU
Composition du jury :
Rapporteurs : Giovanni BARLA
: Henry WONG
Examinateurs : Alain GUILLOUX
: Nathalie MONIN
: Marc PANET
: Ahmad POUYA
Conseiller d’etude : Didier SUBRIN
Directeur de these : Jean SULEM
tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011Remerciements
Lorsque j’ai entrepris les demarches pour debuter une these il y a plus de 3 ans, on m’a
conseille de choisir le directeur de these plut^ ot que le sujet. M^eme si je n’ai pas suivi ce
conseil, j’ai eu la chance d’avoir trouve un sujet tres interessant et de plus, d’^etre encadre
par Jean SULEM, directeur de recherche au CERMES-UR NAVIER de l’Ecole Natio-
nale des Ponts et Chaussees. Sa passion et son enthousiasme ont soutenu ma motivation
et m’ont encourage tout au long de 3 ans de these. Mes remerciements s’adressent tout
d’abord a lui.
Je remercie egalement et tout particulierement mon conseiller d’etude, Didier SU-
BRIN, responsable du p^ ole Geologie, Geotechnique et Dimensionnement, qui m’a encadre
directement pendant pres 4 ans au Centre d’Etude des Tunnels (CETU) ainsi qu’Alain
ROBERT qui m’a fait partage son experience et m’a donne de precieux conseils.
Je remercie le CETU qui m’a accueilli et a nance ce travail.
Je tiens a remercier Nathalie MONIN, de la societe Lyon-Turin Ferroviaire, qui m’a
fourni toutes les donnees de la descenderie de Saint-Martin-la-Porte et a contribue au
succes de ce memoire par les conseils sur l’aspect geologique.
Ensuite, je voudrais remercier chaleureusement l’equipe du CETU avec qui j’ai passe
des moments inoubliables, pendant trois annees et demi.
Je n’oublie pas a adresser mes remerciements a tous les membres du jury et tout
d’abord aux rapporteurs, le Professeur Giovanni BARLA, du Politecnico di Torino, et le
Professeur Henry WONG, de l’Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat, qui ont
accepte d’examiner mon travail. Je remercie aussi les examinateurs, Alain GUILLOUX,
Marc PANET et Ahmad POUYA pour l’honneur qu’ils m’ont fait de faire partie de mon
jury de these et pour leurs remarques et les discussions le jour de la soutenance.
En n, ces derniers mots s’adressent a ma famille pour son soutien et ses encourage-
ments, qui ont pleinement contribue a la reussite de mes etudes.
iii
tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011Table des matieres
Table des matieres i
Introduction generale 5
1 Ouvrages souterrains en terrain poussant 7
1.1 Comportement des tunnels en terrain poussant . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1 Retours d’experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 Le phenomene de terrain poussant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3 Identi cation du comportement poussant . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.4 Prise en compte du phenomene dans la conception en methode
conventionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 La descenderie de Saint-Martin-la-Porte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.1 Description de l’ouvrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.2 Contexte geologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.3 Methode d’excavation et di cultes rencontrees . . . . . . . . . . . . 30
1.2.4 Soutenements mis en uvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2 Modelisation des tunnels 39
2.1 Bases de la modelisation du comportement des roches . . . . . . . . . . . . 39
2.1.1 Comportement des roches dans les essais de laboratoire . . . . . . . 39
2.1.2 Discontinuites dans les massifs rocheux . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 Notions theoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1 Elasticite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2e anisotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.3 Plasticite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Tunnels dans un massif isotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.1 E et de voute^ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.2 Equations fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.3 Methode convergence{con nement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.4 Solution du probleme unidimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.5 Theorie de la variable complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4 Tunnels dans un massif elastique anisotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
i
tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011ii Table des matieres
2.4.1 Equations fondamentales pour un comportement elastique anisotrope 58
2.4.2 Solution de Green et Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.3 S de Green et Zerna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.4 Solution de Lekhnitskii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.5 S de Hefny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5 Comportement di ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.1 Modeles rheologiques prenant en compte un comportement di ere
du terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.2 Modele semi-empirique de Sulem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3 Etude de l’anisotropie de la descenderie de Saint-Martin-la-Porte 73
3.1 Convergences observees dans la . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.1 Mesures brutes de convergence et de nivellement . . . . . . . . . . . 74
3.1.2 Convergences moyennes et maximales . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.3 Autres facteurs a considerer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2 Mise en evidence d’axes principaux de deforma-tion . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.1 Description de la cinematique en paroi . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.2 Traitement geometrique des donnees de convergence et de nivellement 78
3.2.3 Synthese des donnees mises en forme . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3 Prevision de l’evolution de convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.1 Outil d’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.2 Calage sur les axes principaux de deformation . . . . . . . . . . . . 86
3.3.3 Methode observationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4 Confrontation aux donnees lithologiques et structurales . . . . . . . . . . . 93
3.4.1 Leves de front et reconstitution geologique . . . . . . . . . . . . . . 93
3.4.2 Analyse lithologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.3 Analyse structurale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4 Developpement d’un modele anisotrope elastique non{lineaire 115
4.1 Principes fondamentaux de la modelisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2 Solution pour un milieu in ni isotrope transverse elastique lineaire . . . . . 116
4.2.1 Probleme pose et conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2.2 Calcul des champs de contraintes et de deplacements . . . . . . . . 117
4.2.3 Validation partielle de la solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3 Solution pour un anneau isotrope transverse elas-tique lineaire . . . . . . . 128
4.3.1 Probleme pose et conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.2 Calcul des champs de contraintes et de deplacements . . . . . . . . 129
4.3.3 Validation partielle de la solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.4 Mise en uvre de la methode des matrices de transfert . . . . . . . . . . . 145
4.4.1 Methode des matrices de transfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.4.2 Loi de degradation hyperbolique des proprietes mecaniques du materiau152
4.5 Etude parametrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.5.1 Con guration geometrique et discretisation . . . . . . . . . . . . . . 157
tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011Table des matieres iii
4.5.2 Plage des parametres etudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.5.3 Anisotropie de contrainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.5.4 Parametres de resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.5.5 Anisotropie des parametres mecaniques elastiques . . . . . . . . . . 162
4.6 Application a la descenderie de Saint-Martin-la-Porte . . . . . . . . . . . . 163
4.6.1 Determination des parametres geometriques . . . . . . . . . . . . . 164
4.6.2 Identi cation des parametres de l’analyse inverse . . . . . . . . . . 166
4.6.3 D des proprietes mecaniques du terrain . . . . . . . . . 168
4.6.4 Comparaison avec d’autres retro{analyses . . . . . . . . . . . . . . 170
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Conclusions et Perspectives 173
Bibliographie 177
A Notations 187
B Discontinuite 189
B.1 Convention de description des discontinuites . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B.2 Representation des plans de familles de discontinuite par zone { Calcul de
l’angle entre les plans de discontinuite et le plan de faiblesse mecanique
apparent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
C Determination des coe cients du deplacement 193
D Transformation mathematique de la solution du deplacement 199
D.1 Cas d’un milieu in ni elastique isotrope transverse . . . . . . . . . . . . . 199
D.2 Cas d’un anneau elastique isotrope transverse . . . . . . . . . . . . . . . . 201
E Mise en uvre de la solution semi{analytique d’un anneau elastique
isotrope transverse en serie tronquee a m = 3 termes 205
Liste des gures 209
Liste des tableaux 213
tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011Resume
Le creusement du tunnel en terrain tectonise est toujours di cile notamment quand
le tunnel n’est pas creuse perpendiculairement au plan de discontinuite. La stabilite
en paroi n’est pas assure a cause des deformations tres importante, di erees et aniso-
tropes. Dans cette these nous developpons une analyses des donnees de convergence de
la descenderie de Saint-Martin-la-Porte qui est a la base d’une etude theorique sur l’as-
pect anisotrope du comportement des schistes Houillers rencontres lors du creusement.
Apres un etat d’art sur les solutions analytiques existantes, on presente une methode
de traitement geometrique des mesures de convergence{nivellement et l’exploitation des
donnees lithologiques et structurales a n de caracteriser quantitativement l’anisotropie
de deformation. Le developpement d’une solution semi-analytique elastique, anisotrope
et l’application de cette solution dans le cadre de la methode des matrices de transfert
permet la generalisation au comportement non lineaire anisotrope. L’aspect di ere est
ensuite aborde implicitement par la degradation des parametres mecaniques du terrain.
Une application a la descenderie de Saint-Martin-la-Porte est nalement realise et permet
d’identi er des parametres mecaniques du terrain a court terme ainsi qu’ a long terme.
1
tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011tel-00601061, version 1 - 16 Jun 2011

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