G

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Géologie Appliquée aux Ouvrages Souterrains

• Quelques mots sur les ouvrages souterrains
  historique, situation actuelle, organisation de
  la profession
• Etudes Opportunité, Définition, Conception,
  Exécution, Exploitation et Maintenance
• Place de la géologie (sens large) dans les
  travaux souterrains Excavation, Soutènement,
  Vie de lOuvrage
• Etude de la stabilité et des méthodes dexécution

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Historique - 1 -

• - 2700, premières mines organisées Au en Nubie,
  Cu Chypre, Sinaï
• - 530, Galerie dalimentation en eau dEupalinos
  (1035 m ) dans lîle de Samos
• 0 JC - 350 km daqueducs à Rome
• 745 ???????, premières mines métalliques en
  Europe
• 1190, première exploitation de charbon en Flandre
• 1556, De RE Metallica Agricola
• 1627, 1ère utilisation de la poudre noire en
  Hongrie
• 1680, tunnel de Malpas sur le canal du Midi
• 1828, 1er tunnel ferroviaire ( 2000 m ) sur la
  ligne Roanne Andrézieu

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Historique - 2 -

• 1838, 1er marteau à vapeur
• 1846, découverte de la Nitroglycérine par A.
  Sobrero
• 1849, marteau perforateur ( 1862 Sommeiller )
• 1866, Invention de la Dynamite par Nobel
• 1857-1870, Tunnel ferroviaire ( 13 km ) du Mont
  Cenis (du Fréjus ) Perforatrice Sommeiller
• 1865-1875, Tunnels du Canal du Verdon (20 km )
• 1872-1882 Tunnel ferroviaire du Saint Gothard (
  14,9 km )
• 1830-1900, Développement du réseau ferroviaire
  Apogée

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Historique - 3 -

• 1900 19.., Poursuite du réseau ferroviaire(1930
  ) Métros, Assainissement, Hydroélectricité,
  Aduction
• .-1980, Ouvrages routiers souterrains rares
  parce que très aléatoires et donc coûteux, mais
  galeries hydrauliques et assainissement
• 1952, Tunnel de la Croix Rousse
• 1965, Tunnel du Mont Blanc
• 1971, Tunnel de Fourvière
• 1975, Tunnel Maurice Lemaire (Sainte Marie aux
  Mines)
• 1980, Tunnel du Fréjus
• Depuis 1970/1980 Développement du réseau
  autoroutier A 8, A 43, A 40, A 75, A 89, A 20,
  etc. Et TGV Atlantique puis Méditerranée,
  Tunnel sous la Manche et métros de Marseille,
  Lyon, Toulouse, Rennes

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Aujourdhui

• Urbanisme souterrain infrastructures de
  transport individuelles et en commun, Parkings,
  etc .  Espace Souterrain  Patinoire de
  Lillehammer
• Très grandes infrastructures de transport
• Perpignan Figueras
• Lyon-Turin-Ferroviaire (LTF) une centaine de
  kilomètres de tunnels
• Suisse, Italie, Espagne

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Situation actuelle

• Reprise très forte de lactivité souterraine
  depuis une trentaine dannées en France et dans
  le monde autoroutes, TGV, métros,
  assainissement, hydraulique grâce aux progrès en
  foration, explosifs, machine foreuse ponctuelles
  et tunneliers
• Annuellement 1 Milliard dEuros 5 des TP
• Organisation de la profession Entreprises de
  BTP, BE, MOE, MO AFTES

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AFTES

• Association Française des Travaux En Souterrain
• Edite une revue technique T.O.S. bi-mensuelle
• Groupes de Travail rédigent des recommandations
  techniques pouvant être considérées des règles de
  lart de la profession
• Journées techniques internationales ( 3 ans )
• http/www.aftes.asso.fr

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Etudes douvrage souterrain

• Opportunité Pourquoi faire un ouvrage
  souterrain infrastructure linéaire ferroviaire
  ou routière voire fluviale
• Définition Quoi , caractéristiques géométriques
  et équipements adaptés aux fonctionnalités
  attendues
• Conception Comment , mise au point des
  méthodes constructives appropriées aux conditions
  de site (géologie au sens large)
• Exécution travaux de réalisation, suivi et
  surveillance, adaptation du projet aux conditions
  réellement rencontrées (géologie au sens large)
• Exploitation et Maintenance Contrôle du
  comportement de louvrage en fonction du temps et
  de lenvironnement (histoire de la construction,
  avoisinants et géologie au sens large)

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Quest-ce quun ouvrage souterrain

• Création dune cavité artificielle au sein dun
  massif rocheux Creusement ou excavation
• Assurer la stabilité à court et moyen terme de
  cette cavité Soutènement
• Assurer la pérennité de louvrage et la
  conservation des potentialités fonctionnelles
  Soutènement Revêtement
• Respecter les avoisinants bâti ( vibrations et
  tassements) , autres ouvrages Méthodes
  dexécution Soutènement Revêtement
• Respecter lenvironnement déblais, nuisances
  sonores et salissures, tassements Relationnel
  Méthodes dexécution

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Clé de voûte
rein
naissance
piedroit
radier
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Clé de voûte
rein
naissance
piedroit
radier
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Vocabulaire

• Termes géométriques clé de voûte, rein,
  piedroit, radier, pleine section, section
  divisée, demi section supérieure (demi-sup ) demi
  section inférieure ( stross ), intrados,
  extrados,
• Construction traçage, foration, chargement,
  tir, ventilation, purge, marin, marinage,
  soutènement, béton projeté, boulonnage, treillis
  soudé, cintres, étanchéité, coffrage,
  revêtement, bétonnage, banquettes

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Etudes de Fonctionnalités

• Insfrastructure ferroviaire, routière ou de
  transport urbain ( voire fluvial )
• Galeries hydrauliques hydroélectricité,
  approvisionnement, transfert
• Stockages hydrocarbures, déchets radioactifs,
  armement
• Architecture souterraine parkings, patinoire,
  remonte pente, installations industrielles

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Etude géométrique

• Ouvrages linéaires ( TGV, Routes, Métro )
• Tracé en plan, Profil en long, Profil en travers
  ( contraints par les fonctionnalités et
  lenvironnement ) Idem air libre
• Ouvrages volumiques ( Parkings, Salles, Usines,
  Stockages )
• Choix de limplantation en fonction du contexte

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Etude Technique du Tunnel

• Analyse des conditions dexécution de
  lexcavation à créer
• Choix du principe de réalisation explosif,
  abattage mécanisé, tunnelier
• Conditions de creusement
• Besoins en soutènement
• Respect des avoisinants
• dépendent essentiellement du contexte géologique,
  géotechnique et hydrogéologique

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Etude Géologique

• Techniques détudes
• Etude Bibliographique
• Etude par photo- interprétation
• Levé de terrain cartographie
• Géophysique
• Sondages
• Galerie de reconnaissance
• Essais in situ et de de laboratoire

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Géologie - 1

• Roches plutoniques ( éruptives ou volcaniques)
  granite, gabbro, syénite
• Résistance élevée, Déformabilité très faible,
  fortement compétente
• Roches métamorphiques gneiss,
  schistes,micaschistes, quartzites
• Résistance, Déformabilité et Compétence variables
  en fonction de lanisotropie liée à la foliation

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Géologie - 2

• Roches sédimentaires
• calcaires, dolomies, grès
• Résistance et Compétence moyennement élevées,
  Déformabilité faible teneur en CaCO3- karst,
  poches sableuses, porosité des grès
• Calcaires argileux, marnes, argiles, schistes
• Résistance moyenne à faible, Déformabilité forte,
  non compétentes délitage- gonflement
• Évaporites anhydrite, gypse solubilité
  importante

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Coupe Géologique Prévisionnelle

• A partir des résultats de létude géologique
• Identification des unités lithologiques
  traversées et arrangement géométrique de ces
  unités les unes par rapport aux autres
• Longueurs des tronçons à creuser dans telle ou
  telle unité
• Indétermination ou incertitudes
• Reconnaissances spécifiques à réaliser.

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Etude Géotechnique

• Caractérisation physique et mécanique des
  matériaux rocheux
• Principalement en laboratoire sur échantillons
• Caractérisation du massif rocheux
• Discontinuités, état de contrainte, eau

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Caractérisation de la matrice rocheuse ( roche
intacte ) - 1

• Identification
• Masse volumique
• Teneur en eau
• Minéralogie teneur en CaCo3, teneur en argiles,

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Caractérisation de la matrice rocheuse ( roche
intacte ) - 2

• Caractéristiques mécaniques
• Vitesse du son
• Résistance à la compression simple Rc
• Résistance à la traction Rt
• Essai triaxial ( c et f caractéristiques de
  rupture)
• E et n module de déformabilité et coefficient de
  Poisson
• Essais spécifiques Dureté et Abrasivité

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Caractérisation du massif rocheux - 1

• Discontinuités
• Orientation Projection stéréographique
• Espacement R.Q.D. I.D.
• Persistance
• Géométrie des surfaces
• Ouverture
• Remplissage

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Caractérisation du massif rocheux - 2

• Déformabilité
• Mesure par essai dilatométrique
• Mesure par essai à la plaque
• Interprétation des déformations du massif (
  galerie de reconnaissance )

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Caractérisation du massif rocheux - 3

• Hydrogéologie
• Présence dune nappe
• Charge hydraulique ( Pièzométrie )
• Perméabilité ( essais Lefranc, essais Lugeon,
  essai de pompage )

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Caractérisation du massif rocheux - 4

• Etat de contrainte
• Mesure en surcarottage
• Mesure au vérin plat ( en paroi de galerie de
  reconnaissance )
• Mesure en forage ( hydrofracturation )
• à défaut s g h

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Conditions de creusement

• Résistance de la roche Rc, Rt
• Dureté et abrasivité CERCHAR
• Discontinuités
• Creusement à lexplosif
• Creusement avec une machine à attaque ponctuelle
• Creusement au tunnelier
• Traitement du terrain ( injections, congélation )

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Etude de stabilité - 1-

• Approche théorique
• Méthode convergence / confinement - Géométrie
  circulaire, contrainte isotrope.
• Modélisation par calcul numérique calcul par
  éléments finis ( code de calcul CESAR ) Permet de
  représenter la géométrie et le phasage exact du
  creusement.
• Suppose un milieu continu et homogène

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Etude de stabilité - 2-

• Approche Empirique
• Par analogie avec un ouvrage de référence
  construit dans des conditions similaires
• En utilisant lexpérience acquise sur dautres
  ouvrages Classifications géo-mécaniques et
  recommandations AFTES.
• Nouvelle Méthode autrichienne (NATM) / Méthode
  observationnelle
• Partiellement empirique en ayant recours à des
  calculs de dimensionnement pour les charges
  actives et les éléments de soutènements

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Convergence / Confinement -1-

• Approche simplifiée moyennant les hypothèses
  suivantes
• Massif rocheux continu, isotrope et présentant un
  comportement élastique caractérisé par E et n
  module élastique et coefficient de Poisson
• Etat de contrainte isotrope so
• Excavation circulaire de centre O et rayon r
• Déformations planes dans le plan perpendiculaire
  à laxe du tunnel

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Convergence / Confinement -2-

• Dans ce plan perpendiculaire à laxe du tunnel,
  les contraintes exprimées en coordonnées polaires
  en un point M quelconque situé à une distance r
  de O sont de la forme avec a r / r
• AVANT creusement
• sr s0 , st s0 et trt 0
• APRES creusement
• sr s0 ( 1 - a2 ) , st s0 ( 1 a2 ) et
  trt 0

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Convergence / Confinement -3-

• A la paroi de lexcavation a 1 doù
• sr O , st 2 s0 et trt 0
• Lexpression du déplacement radial ur sur la
  paroi de lexcavation est de la forme
• ur ( Ds0 .r )/ 2 G où
• Ds0 est la variation de contrainte radiale sr
  responsable du déplacement Ds0 s0
• G est le module de cisaillement G E / 2.( 1 n
  )

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Convergence / Confinement -4-

• Ce résultat correspond à un creusement du tunnel
  instantané
• ur ( Ds0 .r )/ 2 G s0 .r / 2 G
• En réalité les choses se passent différemment
  parce que le déplacement radial se développe
  progressivement au fur et à mesure de
  lavancement du front de taille.
• Au droit dune section transversale ce
  déplacement radial commence même à se produire
  avant que le front de taille nait atteint cette
  section.

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Convergence / Confinement -5-

• Tout se passe donc comme si le front de taille
  exerçait à la paroi de lexcavation une pression
  fictive de soutènement Pi dont la valeur serait
  fonction de son éloignement x par rapport à la
  section transversale considérée.
• La valeur de cette pression fictive est de la
  forme
• Pi ( 1 l ) s0

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Convergence / Confinement -6-

• Lexpression du déplacement radial devient alors
  
• ur ( Ds0 .r )/ 2 G s0 - ( 1 l ) s0 .r
  / 2 G
• ur l .s0 .r / 2 G
• avec l taux de dé-confinement
• l f ( x ), variant de 0 à 1
• au droit du front est de lordre de 0,3

36
Convergence / Confinement -7-

• Classiquement les variations du déplacement
  radial ur en fonction de léloignement x du
  front de taille sont représentées dans un repère
  ur , Pi
• Très en avant du front Pi s0 ,(l 0) et ur
  0
• Très en arrière du front de taille Pi O ,(l
  1 ) et ur s0 .r / 2 G

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Convergence / Confinement -8-

• Noter que cette pression fictive modifie
  également la valeur de la contrainte tangentielle
  qui natteint son maximum st 2 s0 que lorsque
  l 1
• Noter que par hypothèse le matériau a conservé
  un comportement élastique

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Convergence / Confinement -9-

• Comportement élasto-plastique parfait
• Lorsque le matériau est sollicité au delà dun
  certain seuil il entre en rupture et son
  comportement passe du domaine élastique au
  domaine élasto-plastique ( où les déformations
  deviennent plus importantes )
• Le seuil est défini par un critère de rupture
• Il existe plusieurs expressions du critère de
  rupture proposées par différents auteurs.

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Convergence / Confinement -10-

• le critère de Mohr-Coulomb
• s1 s3 (1sin j)/(1-sin j) 2c (cos j)/(1- sin
  j)
• c cohésion et j angle de frottement
  interne du matériau
• Le critère de Hoek et Brown
• s1 s3 (m.s3/sc) ( s. sc2 )1/2
• m et s coefficients caractéristiques du matériau
  intact

40
Convergence / Confinement -11-

• La méthode convergence/confinement ainsi que le
  code de calcul numérique CESAR le plus utilisé en
  France pour les travaux souterrains utilisent le
  critère de Mohr-Coulomb.

41
Convergence / Confinement -12-

• Lors de lexcavation cest immédiatement à la
  paroi de lexcavation que les contraintes sont
  maximales et décroissent lorsque lon séloigne
  du centre
• Avant creusement sr s0 , st s0
• Après creusement
• sr s0 .(1 - a2 ), st s0 ( 1 a2 ), a r /
  r

42
Convergence / Confinement -13-

• La zone en rupture présentant un comportement
  plastique se développe donc à partir de la paroi
  de lexcavation en direction de lextérieur.
• La limite de la zone plastique est définie par le
  rayon plastique rd et lexpression du
  déplacement radial devient
• ur (rd / r )( le.s0.r ) / 2 G

43
Convergence / Confinement -14-

• ur (rd / r )( le.s0.r ) / 2 G
• le 1 / ( Kp 1 ). Kp 1 (sc / s0 )
• Kp (1sin j)/(1-sin j)
• rd / r 2 le / (Kp1) le - (Kp-1) l 1/Kp-1

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Convergence / Confinement -15-

• Mise en place du soutènement
• La mise en place du soutènement est prise en
  compte sous la forme dune structure circulaire
  élastique parfaitement adhérente au terrain et
  caractérisée par une raideur ks
• Ce soutènement est mis en place alors que le
  déplacement radial a atteint une valeur urs et
  son déplacement radial est us
• Lévolution du soutènement est représentée sur le
  repère ur , Pi par une droite de pente ks

45
Convergence / Confinement -16-

• Comportement différé
• Fluage E0 gt E?
• Gonflement Pg

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Paramètres nécessaires

• Milieu continu homogène et isotrope THEORIQUE
• Terrain
• Rc, E0, E? , n, s0, (ou s1, s2, s3), c et j
  (ou m et s)
• Ouvrage
• r, ks
• Milieu naturel discontinu, anisotrope, non
  homogène EMPIRIQUE
• Discontinuités
• Gravité

47
Etude de stabilité - 2

• Approche empirique
• Recommandations AFTES
• Classes AFTES de valeurs
• Pertinence de chaque type de soutènement
• Classifications géomécaniques

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Recommandations AFTES - 3 -

• Recommandations pour une  Description des
  massifs rocheux utiles à létude de la stabilité
  des ouvrages souterrains 
• Recommandations pour le choix des  Paramètres et
  essais géotechniques utiles à la conception, au
  dimensionnement et à lexécution des ouvrages
  creusés en souterrain 
• Recommandations relatives au  Choix du
  soutènement en galerie

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Respect des avoisinants

• Contrôle des ébranlements dus aux tirs
• Contrôle des tassements de surface
• Contrôle des perturbations aux nappes

50
Suivi et auscultation des travaux
51
(No Transcript)
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Tunnels à grande profondeur

• Tunnel profond loin de la surface
  reconnaissances dificiles méthodes
  dinvestigations innovantes (sondages très longs,
  sismique réflexion)
• Durée de creusement importante sauf si attaques
  intermédiaires en complément des attaques depuis
  chaque tête
• Pour ce faire rechercher tracé et profil en long
  permettant raisonnablement la création dune
  descenderie
• Tunnel profond tunnel soumis à de fortes
  contraintes écaillage et/ou convergence forte,
  ex Tunnel du Fréjus
• Risque lié aux circulations deau souterraines
  pouvant être sous une charge importante (liée à
  lépaisseur de couverture) et éventuellement
  deau chaude
• Risque lié à la température du massif rocheux (
  0,03 /m)
• Tunnel profond tunnel long mais linverse nest
  pas toujours vrai, ex tunnel sous la Manche
  50 km, 40 à 50 m deau, 50 m de terrain

53
(No Transcript)
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Ouvrages souterrains et Géologie

• Terrain encaissant est lacteur principal de
  lacte de construire (contrairement à ce qui se
  passe pour les autres ouvrages de génie civil où
  le terrain nintervient que dans les fondations)
• matériau, hétérogène, le plus souvent anisotrope,
  le plus souvent discontinu
• matériau naturel dont les caractéristiques sont
  mal connues parce que variables (à lintérieur de
  certaines limites)
• variable dans lespace (un tunnel nest
  quexceptionnellement construit dans un seul et
  même terrain)
• Pouvant être baigné par une nappe phréatique ou
  être le siège de circulations deau importantes
• Matériau imposé par les contraintes
  fonctionnelles usage de linfrastructure et
  géométrie

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Recommandations AFTES - 2-

• Recommandations pour une  Description des
  massifs rocheux utiles à létude de la stabilité
  des ouvrages souterrains 
• Recommandations sur l Emploi de la méthode
  Convergence/Confinement 
• Réflexions sur les méthodes usuelles de calcul
• Présentation de la méthode de construction des
  tunnels avec soutènement immédiat par béton
  projeté et boulonnage

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Recommandations AFTES - 1 -

• Recommandations pour une  Description des
  massifs rocheux utiles à létude de la stabilité
  des ouvrages souterrains 
• Recommandations AFTES relatives aux   Choix des
  techniques dexcavation mécanisée 
• Propriétés relatives aux   Mesures et essais
  réalisés dans le cadre dun chantier de
  creusement mécanisé. Caractéristiques des roches
  sur échantillons  
• Recommandations relatives au  Choix du
  soutènement en galerie