Branque & Berthoz & Wong & Subrin 08 décembre 2010 Journée technique CFMS
Modélisation physique 1g du creusement de tunnels en
terrain meuble par tunnelier à pression de terre
Denis BRANQUE1, Nicolas Berthoz1, Henry WONG1, Didier SUBRIN2
1 Université de Lyon, Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat, Vaulx-en-Velin, France
2 Centre d’Etude des Tunnels, Bron, France
1
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Principe théorique :
Le terrain est abattu au moyen d’une roue de coupe en face avant du tunnelier,
La poussée des terres et les pressions hydrostatiques au niveau du front de taille
sont équilibrées par un confinement contrôlé du matériau abattu et contenu à
l’arrière du bouclier.
Le creusement au tunnelier à pression de terre
σ’h+u
Source : Herrenknecht AG
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Objectifs des recherches
3
Analyser et comprendre les mécanismes physiques mis en jeu.Régimes idéaux / régimes extrêmes
Comportement d’interaction sol – machine
Contribuer au développement et à la validation d'outils de dimensionnement
Calcul de stabilité du front de taille
Modélisation numérique du processus de creusement pressurisé des tunnels.
Apporter des réponses concrètes aux questions posées sur chantiers :Pertinence des paramètres de contrôle du pilotage
Aide au dimensionnement de la machine (rôle du bouclier, de la surcoupe, ….)
Deux approches complémentaires :
Expérimentale : Essais sur modèle réduit de laboratoire,
Retours de chantiers,
Théorique : Calcul à la rupture,
Méthodes Eléments Finis.
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Le modèle réduit de tunnelier à pression de terre
1.3m
2 m
Chambre d’abattage
Jupe de
soutènement
Vérins de
poussée Caisson
Roue de coupe
Roues de coupe à fort (80%) et faible (35%)
taux d’ouverture (D=0.55m)
4
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Instrumentation du modèle réduit
5
?
Instrumentation embarquée sur la machine :
Pressions dans chambre d’abattage
Couple sur roue de coupe
Couple sur vis d’extraction
Effort de poussée horizontale
Débit d’extraction
Vitesse d’avancement,…
capteurs de pression
Arbre de coupe Vis d’extraction
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Instrumentation du massif de sol
Déplacements verticaux de surface
Déplacements internes
Contraintes internes
6
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Un matériau devant respecter les lois de similitude
Une similitude partielle privilégiant les notions de rigidité (E*) et de résistance
mécanique (c*, φ*)
Le choix du sable Hostun S28 sec ou faiblement humide (w<3%)
Un matériau mis en place dans un état lâche
Essais en massifs homogènes ou massifs stratifiés
Matériau modèle et caractéristiques des essais
6
Nom γγγγ (kN/m3) eEt
(MPa)
C’
(kPa)
φφφφ’
(°)
ψψψψ
(°)
q
(kPa)
MF11 13.8 0,90 5 0 39 2 0
MF12 13.7 0,98 5 0 39 2 0
MF13 13.7 0,98 5 0 39 2 0
MC2 13.4 1,03 10 2 36 5 0
MC3 13.4 1,03 10 2 36 5 0
MC4 13.4 1,04 10 1.5 36 5 0
MC5 13.25 0,92 10 0.5 36 5 0
MC6 13.05 1,02 10 0.5 36 5 50
MC7 13.05 1,00 10 0.5 36 5 50
MC8 13.05 1,00 10 0.5 36 5 0
Massifs purement frottants
Massifs cohérents -frottants
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Classification des régimes de creusement
Observations expérimentales: le comportement en contraintes- déformations du
massif dépend de la nature du régime entretenu
Régimes de creusement idéaux : régimes qui minimisent les déplacements et
déformations au sein du massif.
Régimes de creusement extrêmes: régimes qui génèrent des déformations
importantes au sein du massif, voire conduisent à sa rupture s’ils sont maintenus
durablement.
Régime de sur extraction(rupture par effondrement)
Régime de sous extraction
(rupture par refoulement)
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Conditions d’obtention du régime idéal
Etat initial d’équilibre stable entre machine et terrain:
) , ., (Péquilibrefront. ibles,...nts admissde tassemecritèreterraintiques du caractérispbdugéométrief=
Trois conditions nécessaires à l’obtention des régimes idéaux:
1Qc
Qt
excavationd' massiquedébit
extractiond' massiquedébit R ===
Maintien d’une quantité constante de matériau dans la chambre d’abattage
ω roue > ω seuil avec ω seuil= f (vitesse d’ avancement, … )
(condition d'absence de mise en butée du massif par perte de l’homogénéité des
contraintes au front de taille).
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Identification en temps réel du régime entretenu
Deux grandeurs « machine » complémentaires:
Les pressions mesurées sur les parois de la chambre d’abattage renseignent sur
l’état de remplissage et de confinement de la chambre d’abattage (cond.1)
Les pressions dans la chambre d’abattage peuvent différées de la pression appliquée au front de
taille (rôle d’écran joué par la roue de coupe )
!!
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Eff
ort
de
po
uss
ée f
ron
tal
/ S
ecti
on
bo
ucl
ier
(kP
a)
Pression moyenne aux reins de la chambre d'abattage (kPa)
Essais en milieu cohérent-frottant avec roue de coupe à fort taux d'ouverture (80%)
Essais en milieu purement frottant avec roue de coupe à faible taux d'ouverture (35%)
Essais en massif stratifié avec roue de coupe à faible taux d'ouverture (35%)
Courbe de tendancemilieu CF avec roue à fort taux d'ouverture
Courbe de tendance milieu PF avec roue de coupe à faible taux d'ouverture
Essais réalisés avec pression de surface
Roue de coupe:
taux d’ouverture: 35%Roue de coupe:
taux d’ouverture: 80%
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Contrôle en temps réel du régime entretenu
Les variations relatives du couple sur la roue de coupe renseignent sur la condition
d’invariance de la quantité de matière dans la chambre d’abattage (cond. 2)
0 10 20 30 40 50 60 70
0
10
20
30
40
50
60
Co
up
le s
ur
la t
ête
d'a
batt
ag
e (
m.d
aN
)
Déplacement horizontal du tunnelier (cm)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
σ x1
arrêt 24 heures
(kP
a)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
ratio
RCouple sur la tête d'abattage
Contrainte frontale axiale dans le massif (sx1)
Ratio R
Qt < Qc Qt > Qc Qt = Qc
Ratio R = Qt/Qc
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Exemple de déplacements de surface observés
Une stationnarité des déplacements de surface dans la direction longitudinale.
Des tassements transversaux de formes gaussiennes conformes à la formulation empirique
de Peck (1969)4 utilisée dans la pratique.
Des amplitudes de tassements (de l’ordre du mm) en accord (au facteur d'échelle près)
avec les tassements observés in situ (de l’ordre du cm)
1Peck R.B. (1969), Deep excavations and tunneling in soft ground, Proceedings of the 7th International Conference on Soil
Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, State of the Art Volume, pp. 225-290.
Courbe
maîtresse
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Synthèse des profils de tassements longitudinaux
30 à 50 % des tassements mesurés à 1D à l'arrière du front de taille ont lieu à l'avant du
bouclier ( pertes de volume au front)
1Attewell P.B., Woodman J.P. (1982). Predicting the dynamics of ground settlement ant its derivatives caused by tunneling in soil, Ground Engrg, London, 15(8), 13-22
Profils de tassements longitudinaux en bon accord avec la formule d’Attewell et al. (1982)1
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Zone de sol
en traction
Les tassements à l'avant du front sont d'autant plus faibles que les conditions de stabilité
du massif sont bonnes
Synthèse des profils de tassements longitudinaux
!! Une pression frontale élevée limite les tassements à l’avant du front mais peut
favoriser leur accentuation à l'arrière du front (zones de sol en traction)
CqPf
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Comportement autour d’une section courante
Tendance générale observée pour les déplacements radiaux : refoulement à l’avant
et convergence à l’arrière du bouclier.
Une convergence accentuée en clé sous l’action de la gravité
Mise en évidence de l’influence de la pression frontale
Correspondance avec le comportement en contraintes.
Pf=0,6.σh0Pf=6,5.σh0
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Comportement autour d’une section courante
Tendance générale observée pour les déplacements radiaux : refoulement à
l’avant et convergence à l’arrière du bouclier.
Une convergence accentuée en clé sous l’action de la gravité
Mise en évidence de l’influence de la pression frontale
Correspondance avec le comportement en contraintes.
Pf=6,5.σh0
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Une stationnarité de l’évolution de la contrainte verticale au dessus de la clé du
tunnelier.
Effets de voûte longitudinaux et transversaux
Courbe
maîtresse
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Géométrie de la zone de sol déconfinée verticalement
Point issu de
l'absence d'allègement
mesuré par le capteur 40
Point directement
tiré des courbes
maîtresses dans la
direction longitudinale
+1D
+0,5D
+0,2D
0-0,5D
-0,7D
-1,5D
D=
0,5
5m 0
,2D
0,3
D0
,3D
C=
0,9
5D
q=50kPa
Distance au
bouclier (D)
σv<σv0
σv=σv0
Tenseur des
contraintesDirection d'avancement
du tunnelier
Y
Z
q=50kPa
0,2
D0
,3D
0,3
D
+0,7D
X
Z
+0,7D
Coupe longitudinale dans l'axe du tunnelier
Coupe transversale au passage du bouclier
+1D+1D
Point extrapolé à
partir des courbes
maîtresses dans la
direction transversale
Légende :
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5
σzz
/σzz
-in
itia
le
Distance à l'axe du tunnelier / Diamètre D du bouclier
MC6 (c=0,5kPa ;
Pf<0,5.sh0 ; q=50kPa)
MC7 (c=0,5kPa ;
Pf=0,5.sh0 ; q=50kPa)
(Essais MCF-01-08 et MCF-02-08)
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Rupture par effondrement du front de taille
Confrontation modèles théoriques 3D (Subrin et al)4 / Expériences
Rupture par refoulement du front de taille
4 Subrin D. (2002), Etudes théoriques sur la stabilité et le comportement des tunnels renforcés par boulonnage, thèse de doctorat de l’ENTPE/INSA Lyon.
8
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Mécanismes de rupture par effondrement du front de taille
Ma
ssif
Co
hé
ren
t F
rott
an
t
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Ux7
Ux8
Ux9
Ux61
qsurface
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Temps (en s)
Dé
pla
ce
me
nt
fro
nta
l (m
m)
(refoulement)
(extrusion)
Pre
ss
ion
ap
pli
qu
ée
en
su
rfa
ce
du
ma
ss
if (
kP
a)
Essai MC7
0,2D
60
cm
D =
55 c
m1
5 c
m
X
Z
Axe du tunnel
7 8
0,1
D
0,1D
961 0
,1D
9
Rupture par bloc en massif cohérent frottant (c=0.5kPa)
Bonne correspondance entre cinématiques de rupture expérimentale et
théorique
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Pressions frontales limites
Observations expérimentales Stabilité théorique
Essai c (kPa) qini
(kPa) Front stable à chambre vide ?
qmax (kPa)
Front stable pour qmax ?
σTcin
(kPa) Front théoriquement
stable à chambre vide ?
MC2 2,5 0 OUI 0 OUI -2,7 OUI
MC3 2,5 0 OUI 50 OUI -2,7 OUI
MC4 1,5 0 OUI 50 OUI -1,4 OUI
MC5 0,5 0 OUI 45 NON 0 Limite stabilité
MC7 0,5 50 OUI 85 NON 0 Limite stabilité
MC8 0,5 0 NON -- -- 0 Limite Stabilité
Pressions limites de rupture: bonne correspondance entre les approches
théoriques et expérimentales :
Massifs de cohésion c ≥ 1.5kPa : Front de taille stable à chambre d’abattage vide
et lors de l’application d’une pression de surface.
Massifs de cohésion c' = 0.5kPa : Front de taille en limite de stabilité.
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Mécanisme de rupture par refoulement du front de taille
5000 5500 6000 6500 7000 7500
0
1
2
3
σx/ σx initiale à l'axe du tunnelier
σz/ σ z initiale à l'axe du tunnelier
0.9
0.95
1
1.05
1.1
σx / σ
x i
nit
iale
Temps (s)
distance du capteur au bouclier : 1,4D
σz / σ
z in
itiale
blocage
14500 15000 15500 16000 16500 17000 17500
0
1
2
3
4
5
6
σx/ σx initiale à l'axe du tunnelier
σz/ σz initiale à l'axe du tunnelier0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
σx /
σ x
in
itia
le
Temps (s)
distance du capteur au bouclier : 0,65D
σz / σ
z in
itiale
Recul du tunnelierblocage
11
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Pressions limites (et volumes de sols mobilisés) inférieurs expérimentalement
que théoriquement
Critère retenu pour la pression frontale limite expérimentale : apparition du premier
mouvement de refoulement en surface.
Faible pertinence du modèle théorique: de grands déplacements sont nécessaires pour
mobiliser la totalité des conditions cinématiques (irréaliste du point de vue pratique)
Pressions frontales limites
Rupture considérée c (kPa) q (kPa) σTexp (kPa) σT
cin (kPa)
MC1-B1 2,5 0 34 612
MC1-B2 2,5 0 10 612
MC3-B2 2,5 0 21 612
MC5-B1 0,5 0 47 515
MC5-B3 0,5 0 21 515
MC6-B2 0,5 50 70 3854
MC7-B2 0,5 50 76 3854
MC7-B3 0,5 50 43 3854
12
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Conclusion
Aide à
la com
préhensio
n des
mécanism
es mis en je
u
Chantiers (EPBS) :
(?) Compréhension de la phénoménologie / Aide au
pilotage / Outils de dimensionnement(+ ) Données in situ
Modélisation physique 1g:Observation et analyses des
mécanismes mis en jeu sur
modèle réduit.
Lois de similitude
Aide à la compréhension des
mécanismes mis en jeu
Modélisation théorique
et numérique(Calcul à la rupture /
MEF, MDF)
Validation de la modélisation physique
(effets d’échelle ?)
Aide au dévelo
ppement e
t
au calage d
es modèle
s
Outil de dimensionnem
ent et
d’aide au pilotage
Validation de l’outil de
dimensionnem
ent réalisé
3
Pertinence des essais sur modèle réduit 1g
Bonne compréhension de la phénoménologie
Réponses concrètes à des problèmes de la pratique
Base de données consistante pour la modélisation théorique du problème