Renforcement des parois d'un tunnel par des boulons expansifs : Retour d'expérience et étude numérique

• Auteur / Autrice : Stéphane Charmetton
• Direction : Bernard Cambou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil (Ecully, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élastoplasticité

Contraintes (mécanique)

Boulons et écrous

Tunnels

Génie civil

Mots clés libres

Retour d'expérience

Résumé

L'étude porte sur l'évaluation de l'effet du boulonnage radial en terme de soutènement à partir d'un retour de chantier et sur la comparaison entre ces résultats et les résultats d'une modélisation numérique du creusement du tunnel. On présente les résultats des mesures de convergences des parois obtenues à l'occasion du creusement du tunnel de Tartaiguille lors de la traversée des marnes de l'Aptien. Cette analyse est intéressante dans la mesure où elle réunit sur près de 300 mètres de tunnel les conditions suivantes : une géologie très homogène, un soutènement composé uniquement de béton projeté et de boulons radiaux, des mesures de convergences réalisées sur seize sections de mesures. Après une description de l'ouvrage, on se propose d'évaluer quantitativement le rôle des boulons dans la réduction des convergences en tenant compte de l'ensemble des paramètres susceptibles d'influencer cette analyse. On montre ainsi l'importance de quelques boulons supplémentaires sur la stabilité de l'ouvrage. On peut ensuite confronter cette évaluation de l'effet des boulons à celle que l'on obtient lors d'une modélisation numérique du creusement du tunnel telle qu'elle est couramment pratiquée par les bureaux d'études. On présente et on utilise au cours de cette modélisation les différentes méthodes pour simuler le boulonnage. Les résultats de ces calculs permettent de conclure sur la pertinence de ces méthodes pour représenter le rôle qu'ont joué les boulons dans le tunnel de Tartaiguille. Suite à ces résultats, nous avons étudié plus particulièrement la mise en oeuvre spécifique des boulons expansifs. Des calculs d'expansion de cavité analytiques ou numériques montrent que l'influence de l'expansion des boulons sur le champ des contraintes dans la zone boulonnée est importante. Ce mécanisme est absent de la modélisation du creusement du tunnel où ce type de boulon est considéré de manière identique à des boulons à scellement réparti. A l'aide d'hypothèses simplificatrices, on peut établir pour un comportement élastique, les expressions des variations de contraintes et de déplacements générés par l'expansion des boulons dans le terrain. Ce résultat introduit dans des approches analytiques ou numériques modélisant le creusement d'un tunnel avec un comportement élastoplastique du terrain, permet de discuter de l'influence de l'expansion et de donner des recommandations sur l'utilisation de ces boulons.

The study describes the assessment of the radial bolting effect in terms of support systems beginning with feedback from the building site and the comparison between those results and the results of numerical modelling of driving the tunnel. The results are presented of measurements of walls convergences obtained during the driving of the Tartaiguille tunnel when crossing through the Aptian marls. This analysis is interesting since it brings together the following conditions over close to 300 meters of tunnel: a very homogeneous geology, a support system composed only of shotcrete and radial bolts, with measurements of convergences over sixteen measurement sections. After a description of the structure, we propose to quantitatively assess the function of the bolts in the reduction of convergences while reckoning with all the parameters which might influence that analysis. In this way, we demonstrate the importance of a few extra bolts to the structure's stability. It is then possible to compare this assessment of the effect of the bolts with the assessment that we obtain during a numerical modelling of the driving of the tunnel as it is habitually performed by consulting engineers. While performing this modelling, we present and use various methods for simulating the bolting. The results of these calculations make it possible to conclude if these methods are pertinent in the representation of the function played by the bolts in the Tartaiguille. Due to these results, we studied more particularly the specific setting of the expansive bolts. Some analytical or numerical calculations of cavity expansion show the high influence of the expansive bolts on the strains field of the bolted area. This mechanism is absent of the numerical modelisation of the driving of the tunnel. During this modelisation, this bolts' type is considered as grouted bolts. Thanks to hypothesis, we can write, for an elastic behaviour, the formulas of the strains and displacements variations generated by the bolt expansion in the ground. This result introduces in an analytical or numerical approach modelising the driving of a tunnel with an elastoplastic behaviour law of the ground permit to discuss of the expansion influence and to give some recommendations about the use of this bolts type.