Conception préliminaire des ouvrages souterrains profonds en massifs continus par couplage d'approche numériques et probabilistes

Preliminary design of deep tunnels in continuous rock mass by combining numerical and probabilistic approches

• Auteur / Autrice : Baptiste Fenneteau
• Direction : Olivier Deck
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique - Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le 10/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Géomatériaux, Ouvrages et Risques (Axe GéoSystèmes) - Eq. 3b

Mots clés

Mots clés libres

Ouvrages souterrains profonds

Modélisation numérique

Grandes déformations

Ruptures fragiles

Métamodèles

Propagation des incertitudes

Deep tunnels

Numerical modeling

Squeezing

Brittle failure

Surrogate model

Uncertainties propagation

Résumé

L'objectif de cette thèse est de développer des outils innovants à destination des ingénieurs pour la conception et le dimensionnement des ouvrages souterrains profonds afin d'évaluer les probabilités d'occurrence des différents modes de défaillance/rupture susceptibles de se produire. Le sujet s'intéressera à des configurations de tunnels spécifiques en termes de contexte géologique, géométrie, phasage et nature de soutènement. Il s'appuiera en particulier sur des données issues des travaux du TELT (Lot 1 en priorité , mais avec accès possible aux données des Lots 2 et 3) On se placera dans le cadre d'ouvrages souterrains profonds, en massifs continus, pour lesquels les états de contraintes sont tels que des phénomènes spécifiques se produisent : fluage ou écaillage parfois brutal (rockburst). On considèrera dans cette thèse deux modes principaux de défaillance dont l'occurrence dépend des propriétés géomécaniques et des spécificités constructives de l'ouvrage (méthode de creusement, renforcements, soutènement, phasage, etc.) : - Convergence associée à une plasticité des roches (comportement cisaillant en grandes déformations associé à du fluage), source de pressions (squeezing) sur le soutènement. - Écaillage/rupture locale potentiellement brutale des parements associée à des instabilités consécutives à la fracturation des roches en traction. La prévision de ces modes de défaillance/rupture peut se faire actuellement : 1) de manière assez rustique au moyen d'abaques, tels que celui de Hoek (2003) pour les comportements poussants élaboré à partir de modèles numériques s'appuyant sur des lois de comportement élastoplastique parfaites ne reproduisant donc pas de manière satisfaisante le comportement réels des massifs rocheux aux grandes profondeurs, ni la rupture fragile pour certains états de contraintes. 2) de manière très élaborée au moyen de modélisations numériques s'appuyant sur des lois de comportement permettant de reproduire la complexité du comportement des roches, y compris son fluage, pour différents états de contraintes et intensités de la déformation plastique. L'objectif de la thèse est de développer une voie intermédiaire, permettant d'une part une analyse simplifiée et opérationnelle des ouvrages (comme pour l'approche 1) en s'appuyant toutefois sur des lois de comportement plus adaptées au contexte des tunnels profonds, d'autre part d'introduire une notion de fiabilité au sens de l'évaluation d'une probabilité de défaillance. Concernant les lois de comportement, la recherche s'appuiera sur les travaux préliminaires réalisés par F. Laigle lors de sa thèse ou lors de travaux ultérieurs entre le laboratoire GéoRessources (Ex-Laego) et EDF (), ayant permis de développer des lois de comportement tenant compte de l'écrouissage des roches aux grandes déformations et de leur viscosité. On s'appuiera également sur les travaux menés par les canadiens et les norvégiens sur les mécanismes de rupture dans les roches à grande profondeur (). Une première étape consistera donc à sélectionner la loi de comportement en veillant à limiter le nombre de paramètres et à en expliciter le sens physique. Ce travail impliquera des comparaisons entre différentes alternatives de lois de comportement afin de bien identifier les phénomènes pris en compte et vérifier leur pertinence au moyen de rétroanalyses sur des cas réels (travaux préparatoires et Lot 1 du tunnel TELT par exemple). Une étude de sensibilité permettra de hiérarchiser l'influence des différents paramètres du modèle, des différents contextes géologiques envisageables et des différentes caractéristiques géométriques des tunnels modélisés. Le logiciel utilisé pourrait être FLAC 2D/3D. L'évaluation de la fiabilité, requiert dans un premier temps d'exprimer la fonction d'état limite qui caractérise la proximité à l'un des deux modes de défaillance (écaillage, squeezing) au moyen d'un coefficient de sécurité ou d'une marge de sécurité s'appuyant sur des grandeurs physiques issues des modèles numériques (déplacement, contrainte, déformation plastique, variation d'énergie, volume et géométrie des roches instables, gène à l'avancement, etc.). On s'appuiera sur les travaux de thèse récents réalisés par Thajeel (2017) et Tran (2020) pour construire un métamodèle de la fonction d'état limite à partir de résultats des modélisations numériques (krigeage par exemple). Ce métamodèle découlant d'une approche probabiliste pourra ensuite être utilisé pour les calculs fiabilistes. On s'appuiera sur une approche de type Monte Carlo impliquant la justification des variabilités et corrélations entre paramètres les plus influents. Les résultats devront prendre la forme, dans la mesure du possible, d'abaques permettant d'aider au dimensionnement des ouvrages.

The objective of this thesis is to develop innovative tools for engineers for the design and dimensioning of deep underground structures in order to assess the probabilities of occurrence of the different failure/rupture modes likely to occur. The subject will focus on specific tunnel configurations in terms of geological context, geometry, phasing and nature of support. It will be based in particular on data from TELT work (Lot 1 as a priority, but with possible access to data from Lots 2 and 3) We will place ourselves in the context of deep underground structures, in continuous masses, for which the stress states are such that specific phenomena occur: creep or sometimes brutal spalling (rockburst). In this thesis, we will consider two main failure modes whose occurrence depends on the geomechanical properties and the construction specificities of the structure (excavation method, reinforcements, support, phasing, etc.): - Convergence associated with rock plasticity (shearing behavior in large deformations associated with creep), source of pressure (squeezing) on the support. - Potentially sudden local spalling/failure of the facings associated with instabilities resulting from the fracturing of the rocks in tension. The prediction of these failure/rupture modes can currently be done: 1) in a rather rustic way by means of abacuses, such as that of Hoek (2003) for the pushing behaviors elaborated from numerical models based on perfect elastoplastic behavior laws thus not reproducing in a satisfactory way the real rock masses behavior at great depths, nor brittle fracture for certain stress states. 2) in a very elaborate way by means of numerical modeling based on constitutive laws making it possible to reproduce the complexity of rock behavior, including its creep, for different states of stress and intensities of plastic deformation. The objective of the thesis is to develop an intermediate way, allowing on the one hand a simplified and operational analysis of the works (as for approach 1) while relying however on behavior laws more adapted to the context of deep tunnels. , on the other hand to introduce a notion of reliability in the sense of the evaluation of a probability of failure. Concerning the laws of behavior, the research will be based on the preliminary work carried out by F. Laigle during his thesis or during subsequent work between the GeoRessources laboratory (formerly Laego) and EDF (), which made it possible to develop laws of behavior taking into account the hardening of rocks at large deformations and their viscosity. We will also rely on the work carried out by Canadians and Norwegians on fracture mechanisms in rocks at great depth (). A first step will therefore consist in selecting the constitutive law while taking care to limit the number of parameters and to explain their physical meaning. This work will involve comparisons between different alternatives of behavior laws in order to clearly identify the phenomena taken into account and verify their relevance by means of retro-analysis on real cases (preparatory work and Lot 1 of the TELT tunnel for example). A sensitivity study will make it possible to prioritize the influence of the different parameters of the model, the different possible geological contexts and the different geometric characteristics of the modeled tunnels. The software used could be FLAC 2D/3D. Reliability assessment first requires expressing the limit state function that characterizes the proximity to one of the two failure modes (spalling, squeezing) by means of a safety factor or a safety margin based on physical quantities from numerical models (displacement, stress, plastic deformation, energy variation, volume and geometry of unstable rocks, impediment to progress, etc.). We will rely on recent thesis work carried out by Thajeel (2017) and Tran (2020) to build a metamodel of the limit state function from the results of numerical modeling (kriging for example). This metamodel resulting from a probabilistic approach can then be used for reliability calculations. We will rely on a Monte Carlo type approach involving the justification of the variabilities and correlations between the most influential parameters. The results should take the form, as far as possible, of charts to help with the dimensioning of the structures.