PROJET DE FIN D’ETUDES - eprints2.insa-strasbourg.freprints2.insa-strasbourg.fr/798/1/PFE_-_Mémoire_-_Daudibertières.pdf · PFE – Rapport Final – Juin 2011 Pierre DAUDIBERTIERES

PFE – Rapport Final – Juin 2011

Pierre DAUDIBERTIERES

INSA Strasbourg

Département Génie Civil et Topographie

Spécialité Génie Civil

PROJET DE FIN D’ETUDES

-

Etude de l’impact d’un projet tunnelier sur les structures et infrastructures

existantes

-

Stage réalisé au sein de

HALCROW Group Ltd.

Tuteur pédagogique :

Hossein Nowamooz

Professeur de Mécanique des Roches

INSA Strasbourg

Superviseur :

Robert Whalley

Project Manager

HALCROW Group Ltd.

PFE – Rapport Final – Juin 2011 Page 2 sur 52

REMERCIEMENTS

Je tiens en premier lieu à remercier Martin Knight et Colin Rawling, responsables du département

Tunnels, de m’avoir offert la possibilité de réaliser cette partie de mon cursus au sein de l’entreprise

Halcrow.

Je souhaite également remercier Robert Whalley, responsable du projet National Grid, de m’avoir

fait confiance et intégré au sein de son équipe en tant que membre à part entière. Je remercie

également Phil Quelch, mon chef d’équipe, ainsi que tous les membres du projet pour leur

enthousiasme, leur disponibilité, et pour avoir su m’aider à contourner les difficultés qu’il peut y

avoir à travailler dans une langue étrangère.

Je remercie enfin Alastair Smith, responsable du groupe Tunnel en Europe, de m’offrir l’opportunité

de débuter ma carrière au sein de la branche Tunnel de Halcrow et d’ainsi prolonger mon implication

au sein du projet National Grid.


Sommaire

INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 6

1. L’ENTREPRISE HALCROW .............................................................................................................................. 7

1.1. HISTOIRE DU GROUPE ........................................................................................................................................ 7

1.2. CHIFFRES CLES .................................................................................................................................................. 7

1.3. ORGANISATION DU GROUPE ............................................................................................................................... 8

2. LE PROJET DE TUNNELS DE CABLES ............................................................................................................... 8

2.1. PRESENTATION DU PROJET .................................................................................................................................. 8

2.1.1. Enjeux ................................................................................................................................................... 8

2.1.2. Présentation ......................................................................................................................................... 9

2.2. ACTEURS ....................................................................................................................................................... 10

2.3. PLANNING ..................................................................................................................................................... 10

2.4. L’EQUIPE DU PROJET ........................................................................................................................................ 12

2.5. MANAGEMENT DE LA QUALITE ........................................................................................................................... 12

2.5.1. Qualité de la conception ..................................................................................................................... 12

2.5.2. Qualité des documents produits ......................................................................................................... 13

3. MODES CONSTRUCTIFS .............................................................................................................................. 14

3.1. CONSTRUCTION DES TUNNELS ............................................................................................................................ 14

3.1.1. Tunnelier ............................................................................................................................................. 14

3.1.2. Béton projeté ...................................................................................................................................... 16

3.2. CONSTRUCTION DES PUITS ................................................................................................................................ 16

4. EVALUATION DES MOUVEMENTS DU SOL .................................................................................................. 17

4.1. LES TASSEMENTS DUS A LA CONSTRUCTION DES TUNNELS ........................................................................................ 17

4.1.1. Allure des mouvements de sols .......................................................................................................... 17

4.1.1.1. O’Reilly & New (1982) ................................................................................................................................... 17

4.1.1.2. Mair & Al (1993) ............................................................................................................................................ 19

4.1.1.3. Méthode de New & Bowers (1994) .............................................................................................................. 20

4.1.2. Volume de perte ................................................................................................................................. 20

4.1.3. Largeur de la courbe – Coefficient K ................................................................................................... 20

4.1.3.1. O’Reilly et New ............................................................................................................................................. 21

4.1.3.2. Boscardin ...................................................................................................................................................... 21

4.1.3.3. Selby (1988) .................................................................................................................................................. 21

4.1.3.4. Valeurs particulières ..................................................................................................................................... 21

4.1.4. Récapitulatif ....................................................................................................................................... 22

4.1.5. Zones de Hogging et de Sagging ........................................................................................................ 22

4.2. LES TASSEMENTS DUS A LA CONSTRUCTION DES PUITS ............................................................................................. 23

4.2.1. Approche empirique - CIRIA C580 ....................................................................................................... 23

4.2.2. Approche analytique - New et Bowers ............................................................................................... 23

4.3. COMBINAISON DE TASSEMENTS DUS AUX PUITS ET TUNNELS .................................................................................... 24


4.4. DEFORMATION DES STRUCTURES – METHODE DE BURLAND ET WORTH (1974) .......................................................... 24

4.4.1. Notion de déformation limite ............................................................................................................. 25

4.4.2. Modes de déformation ....................................................................................................................... 26

4.4.2.1. Calcul de la déformation maximale en flexion pure ..................................................................................... 26

4.4.2.2. Calcul de la déformation maximale en cisaillement pur ............................................................................... 27

4.4.2.3. Influence des mouvements horizontaux ....................................................................................................... 28

5. SOLUTIONS TECHNIQUES RETENUES .......................................................................................................... 28

5.1. PRESENTATION DU CONTEXTE GEOLOGIQUE.......................................................................................................... 28

5.1.1. De Hackney à St John’s Wood ............................................................................................................ 29

5.1.2. De Acton Lane à St John’s Wood ........................................................................................................ 29

5.1.3. De Wimbledon à Kensal Green ........................................................................................................... 29

5.2. MODES CONSTRUCTIFS..................................................................................................................................... 30

5.2.1. Tunnelier ............................................................................................................................................. 30

5.2.2. Béton projeté ...................................................................................................................................... 30

5.2.3. Puits .................................................................................................................................................... 31

6. LES OUTILS DE MODELISATION ................................................................................................................... 32

6.1. LE LOGICIEL OASYS XDISP ................................................................................................................................. 32

6.1.1. Modélisation des tunnels .................................................................................................................... 32

6.1.2. Modélisation des puits........................................................................................................................ 32

6.1.3. Etude des bâtiments ........................................................................................................................... 33

6.1.4. Intérêts et limites du logiciel............................................................................................................... 33

6.2. FLAC 3D ...................................................................................................................................................... 33

7. IMPACT DU PROJET SUR LES STRUCTURES EXISTANTES .............................................................................. 34

7.1. ETUDE GLOBALE .............................................................................................................................................. 35

7.1.1. Phase 1 – Identification des équipements à risque ............................................................................ 35

7.1.2. Phase 2 – Première évaluation des dommages .................................................................................. 36

7.1.2.1. Les bâtiments ................................................................................................................................................ 36

7.1.2.2. Etude des conduites en fontes ...................................................................................................................... 36

7.1.3. Phase 3 - Analyse détaillée des dommages ....................................................................................... 37

7.1.4. Programme accéléré .......................................................................................................................... 37

7.1.5. Implication personnelle ...................................................................................................................... 37

7.1.5.1. Production de rapports pour les Phases 1 et 2 ............................................................................................. 37

7.1.5.2. Apports techniques ....................................................................................................................................... 39

7.1.5.2.1. Calcul des mouvements des conduites en fonte ................................................................................... 39

7.1.5.2.2. Exploitation du logiciel xdisp sur un projet à large échelle ................................................................... 39

7.2. PROCEDURES PARTICULIERES ............................................................................................................................. 43

7.2.1. Généralités ......................................................................................................................................... 43

7.2.2. London Underground.......................................................................................................................... 43

7.2.2.1. Endommagement des voies ferrées ............................................................................................................. 44

7.2.2.2. Endommagement de la structure des tunnels .............................................................................................. 45

7.3. ETUDE DE CAS ................................................................................................................................................ 45

7.3.1. Données de l’étude ............................................................................................................................. 46


7.3.2. Résultats de la Phase I ........................................................................................................................ 47

7.3.3. Résultats de la Phase II ....................................................................................................................... 49

CONCLUSION .................................................................................................................................................. 51

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................... 52


Introduction

Dans le cadre de ma formation d’ingénieur spécialisé en Génie Civil, j’ai réalisé du 24 janvier au 10

juin 2011 mon Projet de Fin d’Etudes (PFE) au sein du département Travaux Souterrains de

l’entreprise Halcrow Group Limited. Ce dernier stage d’une durée totale de 20 semaines a pour

objectif de placer l’élève face à des situations réelles d’ingénierie devant lesquelles il devra mettre à

profit les connaissances, savoir faire et savoir être acquis au cours de sa formation, lors des cours

théoriques et de ses précédentes expériences en entreprise. Après deux comptes-rendus

intermédiaires remis le 17 mars et le 5 mai 2011, ce rapport final présente mon rôle et les

compétences que j’ai acquis au sein du projet auquel j’ai eu la chance d’être associé tout au long de

cette expérience.

Ce projet concerne la conception d’un tunnel de câbles de 3 à 4 mètres de diamètre nominal et

d’environ 33km de long dans le sous-sol Londonien pour le compte de National Grid. Dans ce cadre,

Halcrow a pour mission de réaliser la conception détaillée des différents tunnels, puits et autres

éléments associés au projet.

Au sein de l’équipe, ma participation s’est concentrée sur l’évaluation des mouvements de sol liés à

la construction du projet et de leur possible impact sur les structures existantes. La prise en compte

de ces mouvements de sol représente un aspect majeur de la conception du projet tunnelier qui est

soumise à l’acceptation des tierces parties propriétaires des structures et infrastructures

potentiellement affectées. De plus, c’est une étude transversale qui nécessite la compréhension des

comportements des sols, et des structures susceptibles d’être endommagées, ainsi que la

compréhension des différents modes de construction des puits et tunnels mis en œuvre.

Afin de présenter au mieux les multiples facettes de mon Projet de Fin d’Etudes, je commencerai par

présenter l’entreprise Halcrow Group Limited et ses activités. Je présenterai ensuite le projet de

Tunnel de câbles de façon générale, puis la part du marché dont Halcrow à la charge. Je continuerai

par une étude bibliographique nécessaire présentant les modes constructifs mis en œuvre pour la

construction de ces ouvrages ainsi que les principales théories permettant de décrire les

mouvements de sol qui y sont associés. Je me concentrerai enfin sur l’étude des mouvements de sol

liés au projet et sur mon implication dans cette étude.


1. L’ENTREPRISE HALCROW

1.1. Histoire du groupe

L’entreprise Halcrow fut fondée en 1

consacrée à la conception de projets portuaires, maritimes et ferroviaires dans le nord de

l’Angleterre, avant d’étendre ses domaines de compétences au début du XXème siècle, sous la

direction de William Halcrow, principalement aux projets hydrauliques et tunneliers.

Récemment, Halcrow a notamment fait partie du consortium Rail Link Engineering chargé de la

conception de la High Speed 1, achevée en 2007, qui relie Londres au tunnel sous la Manche.

voie ferrée de 109km, dont 32km de tunnels, est la première ligne à grande vitesse du Royaume

1.2. Chiffres clés

Aujourd’hui, Halcrow emploie plus de 6000 personnes à travers le monde et est associée à des

projets dans les domaines des transports, des travau

ressources en eau et du consulting.

Figure 1.2.a – Chiffre d’affaire par secteur d’activité

Halcrow a réalisé en 2008 un chiffre d’affaire d’environ

468 millions de Livres dont plus de la moitié en d

du Royaume-Uni.

L’ENTREPRISE HALCROW

Histoire du groupe

L’entreprise Halcrow fut fondée en 1868 par l’ingénieur Thomas Meik. Elle s’est initialement



, principalement aux projets hydrauliques et tunneliers.

mment fait partie du consortium Rail Link Engineering chargé de la

conception de la High Speed 1, achevée en 2007, qui relie Londres au tunnel sous la Manche.

ie ferrée de 109km, dont 32km de tunnels, est la première ligne à grande vitesse du Royaume


projets dans les domaines des transports, des travaux maritimes, de l’immobilier, de la gestion des

ressources en eau et du consulting.

Chiffre d’affaire par secteur d’activité

Halcrow a réalisé en 2008 un chiffre d’affaire d’environ

468 millions de Livres dont plus de la moitié en dehors

Figure 1.2.b – Chiffre d’affaire par région

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. Elle s’est initialement



, principalement aux projets hydrauliques et tunneliers.

mment fait partie du consortium Rail Link Engineering chargé de la

conception de la High Speed 1, achevée en 2007, qui relie Londres au tunnel sous la Manche. Cette

ie ferrée de 109km, dont 32km de tunnels, est la première ligne à grande vitesse du Royaume-Uni.


x maritimes, de l’immobilier, de la gestion des

Chiffre d’affaire par région


1.3. Organisation du Groupe

L’entreprise Halcrow a adopté le 4 Avril 2011 une nouvelle structure organisationnelle dans le but

d’accroitre ses performances. Si les grandes lignes de cette nouvelle structure sont fixées, son

processus de mise en place doit s’étaler sur plusieurs mois.

Dans sa nouvelle structure, la partie commerciale est

séparée des ressources. Cette partie commerciale,

représentant une faible proportion de l’effectif total de

l’entreprise, est présente dans toutes les implantations

d’Halcrow à travers le monde. Elle représente

localement l’entreprise auprès des clients et a pour

objectif de remporter de nouveaux marchés.

Les ressources nécessaires sont ensuite mises à la

disposition de chaque projet. La partie dite

« ressources » représente le capital de l’entreprise, son

savoir-faire. Les ressources sont réparties au sein des

domaines d’activité, eux même sous-divisés en activités,

en groupes et en équipes.

Figure 1.3 – Organisation des ressources

Les ressources compétentes dans le domaine de la conception des tunnels sont regroupées au sein

de l’activité « Tunnel Engineering » dépendant du domaine d’activité « Development ». Les

documents proposés en Annexe A détaillent la place de ce domaine de compétence à l’intérieur de

cette nouvelle structure.

2. LE PROJET DE TUNNELS DE CABLES

2.1. Présentation du projet

2.1.1. Enjeux

La consommation de la ville de Londres en matière d’électricité représente environ 20% de la

consommation totale du Royaume Uni, et augmente chaque année de 3 à 5 % (quand la demande

nationale augmente en moyenne de 1 à 2%).

Afin de pouvoir répondre aux futurs besoins de Londres en énergie électrique, National Grid a lancé

un programme d’investissement dans le cadre duquel plusieurs tunnels sont conçus pour abriter de

nouveaux câbles à haute tension de 400kV. Ces tunnels connecteront les différentes stations

électriques déjà existantes de Hackney, St John’s Wood, Willesden et Wimbledon.


Figure 2.1.1.a – Connexion des stations

Figure 2.1.1.b – Section d’un tunnel de

câbles

La majeure partie de l’électricité de Londres est acheminée par des câbles souterrains. Ceux-ci sont généralement situés sous les chaussées, ce qui facilite l’accès lors des opérations de maintenance. Ces opérations sont donc réalisées depuis la chaussée et entraînent une perturbation du trafic qui peut être importante dans cette zone urbaine dense. Plusieurs avantages incitent donc à loger les nouveaux câbles dans un tunnel :

• Eviter les perturbations du réseau routier induites par les travaux de construction. • Eviter les perturbations du réseau routier induites par les opérations de maintenances. • Offrir la possibilité d’installer de nouveaux câbles sans travaux supplémentaires.

2.1.2. Présentation

Le projet de tunnels s’étend à travers Londres de Willesden à l’ouest à Hackney à l’est et à

Wimbledon au sud. Il comprend trois principaux tunnels :

• Hackney à St John’s Wood: Tunnel d’environ 12,4km de long et d’un diamètre

intérieur de 4m. Cette section comporte deux puits décalés de l’axe du tunnel à

St Pancras et à Islington ainsi que des tunnels auxiliaires assurant leur connexion

avec le tunnel principal.

• St Jonh’s Wood à Willesden: Tunnel d’environ 7,1km de long et d’un diamètre

intérieur de 3m.

• Wimbledon à Kensal Green : Tunnel d’environ 12,4km de long et d’un diamètre

intérieur de 3m.

Le projet inclus un total de 14 puits de différents diamètres, nécessaires au cours de la phase de

construction pour l’accès, le lancement et la réception des tunneliers, et pendant la vie de l’ouvrage

pour l’accès aux tunnels et la ventilation.


Figure 2.1.2 – Tracé du projet

2.2. Acteurs

Après une première phase d’étude préliminaire réalisée par Mott MacDonald pour le tronçon Nord-

Sud entre Wimbledon et Kensal Green et par Donalson Associate pour le tronçon Est-Ouest entre

Hackney et Willesden pour le compte de National Grid, le marché de conception-réalisation, d’un

montant total de 200 millions de Livres a été décroché par le Groupement Costain Skanska en

Octobre 2010.

Dans ce cadre, Halcrow a été missionné par Costain Tunnelling Partnership pour réaliser la

conception détaillée des tunnels, puits et bâtiments d’accès. Cette conception est réalisée en étroite

collaboration avec Costain qui doit fournir, vérifier et approuver les informations relatives entre

autres aux modes constructifs et au contexte topographique et géologique propre à chaque site, qui

sont nécessaires aux travaux de conception détaillée d’Halcrow.

La conception détaillée des équipements associés au projet (accès, ventilation, éclairage, etc.) est

réalisée par Capita Symonds sous la supervision d’Halcrow.

2.3. Planning

Les grandes lignes du planning prévisionnel des phases de conception détaillée dont Halcrow a la

charge sont résumées par la figure 2.3 ci-dessous. Bien qu’Halcrow y soit associée, les études

architecturales des bâtiments d’accès et la conception des ouvrages annexes ne sont pas

représentées pour des raisons de lisibilité.


La réalisation des différents tunnels et puits d’accès doit être achevée en 2014. L’installation des

équipements et des câbles à haute tension doit quant à elle continuer jusqu’en 2018, date à laquelle

l’ouvrage sera opérationnel.

2010 2011 Début programmé des travaux

S O N D J F M A M J J A S O N D

Hackney - St John's

Wood

Puits

Hackney Substation Octobre 2011

Hackney Auxiliary A&B Juillet 2011 (A) - Mars 2012 (B)

Eade Road Mars 2011

Disued Mild Depot Octobre 2011

St Pancra Juillet 2011

St John's Wood Juillet 2011

Tunnel

Alignements

Tassement

Structure Juin 2011

Equipements

St John's Wood –

Willesden

Puits

Channel Gate Road Mars 2011

Kensal Green 1 Juin 2011

Acton Lane Fevrier 2012

Tunnel

Alignements Novembre 2011

Tassement

Equipements Fin en Decembre 2018

Wimbledon - Kensal

Green

Puits

Kensal Green 2 Octobre 2011

Earl's Court Aout 2012

Wandsworth Gas Works Aout 2012

Wimbledon 1 Novembre 2012

Wimbledon 2 Mars 2013

Tunnel

Alignements Juillet 2011

Tassement

Equipements

Figure 2.3 – Planning prévisionnel des études de conception détaillée

Phase de contrôle

Phase de conception


2.4. L’équipe du projet

L’organisation de l’équipe en charge du projet est résumée sur l’organigramme proposé dans

l’annexe B. Celle-ci se compose de trois groupes techniques respectivement en charge du Génie Civil,

de l’architecture des bâtiments d’accès et des équipements, ainsi que d’un groupe administratif

chargé, entre autre, du contrôle des documents et du suivi budgétaire et commercial du projet. Le

tout est placé sous la direction d’un chef de projet et d’un directeur de projet en charge de la

coordination de l’équipe et de l’interface avec les parties extérieures.

La conception des tunnels et puits associés est placée sous la responsabilité d’un directeur

technique, qui dirige trois chefs d’équipe. Deux d’entre eux sont en charge de la conception des

structures à proprement parlé, alors que le troisième gère l’interface du projet avec les tierces

parties. C’est au sein de ce dernier groupe que j’ai réalisé l’évaluation des tassements liés à la

construction du projet et de leur impact sur les structures existantes.

2.5. Management de la qualité

2.5.1. Qualité de la conception

Afin d’assurer la qualité de la conception, une procédure de vérification des calculs a été mise en

place. Cette procédure n’a pas pour but d’améliorer la conception ni de proposer de nouvelles

solutions techniques, mais uniquement de valider la justesse des calculs et la cohérence des

hypothèses. Selon le degré de complexité de l’ouvrage et le niveau de risque qu’il représente pour

les structures existantes, différents niveaux de contrôle sont définis par les documents contractuels

du marché. Quatre catégories de vérification sont définies comme présentées dans le tableau 2.5.1.

Catégorie Domaine d’application Exemples Méthode de vérification

0 Etudes pour lesquelles aucun

calcul n’est nécessaire et dont

l’impact en termes de sécurité et

de coût est limité.

Soutènement ne

dépassant pas 500mm

de hauteur.

Informelle. Les plans doivent

être vérifiés et approuvés (cf.

cat. I).

I Etudes utilisant des méthodes

d’analyse simples et dont tous les

aspects sont définis par les

normes applicables.

Murs de soutènement

pesant d’une hauteur

inférieure à 5m ; Dalles

de couverture.

L’étude doit respectivement

être vérifiée et approuvée par

deux personnes autres que le

concepteur mais pouvant

appartenir au même groupe

de travail. Les contrôleurs

disposent des hypothèses et

du détail des calculs sur

lesquelles ils doivent porter un

regard critique.


II Etudes ne satisfaisant pas les

critères des catégories 0, I et III.

Structure et dalles des

puits.

Les contrôleurs peuvent

appartenir à la même

organisation que le

concepteur mais ne doivent

pas être impliqués dans le

projet.

III Etudes complexes et

inhabituelles n’étant pas

totalement définies par les

normes.

Structure des tunnels,

chambres de connexion

structures temporaires.

L’organisme en charge du

contrôle doit être séparé de

celui ayant réalisé la

conception. L’organisme de

contrôle ne dispose pas du

détail des calculs mais

seulement des hypothèses de

départ et des résultats.

Tableau 2.5.1 – Catégories de contrôle

Si quatre catégories sont définies, il est cependant à noter que tous les travaux produits par Halcrow

sont sujets aux catégories II et III. Les tierces parties propriétaires d’ouvrages sensibles peuvent

exiger une catégorie minimale de contrôle dans le cadre de leur procédure d’acceptation. Ces

procédures font l’objet de la section 7.2.

2.5.2. Qualité des documents produits

Si la véracité des calculs est primordiale dans le management de la qualité, la satisfaction des besoins

exprimés par le client l’est tout autant. Afin d’assurer la satisfaction du maître d’ouvrage, la

procédure d’acceptation illustrée en annexe C a été adoptée. Ce diagramme définit une suite de

soumissions de plus en plus formelles permettant d’entretenir un contact permanent entre le client

et le concepteur tout au long du processus de conception.


3. MODES CONSTRUCTIFS 3.1. Construction des tunnels

3.1.1. Tunnelier

Le tunnelier, souvent appelé TBM (Tunnel Boring Machine) est un ensemble complexe qui réalise à la

fois le creusement, l’évacuation des déblais et la mise en place des voussoirs formant la structure du

tunnel. Chaque tunnelier est spécialement conçu pour un projet. Il est généralement composé de

trois parties principales :

La tête de coupe ou d’abattage : C’est la partie du tunnelier qui permet l’excavation du sol. Elle est

équipée de dents et/ou de molettes selon le type de sol rencontré. Les molettes sont utilisées en

présence de sol dur ou rocheux. Elles ont pour rôle de l’écraser et de le fissurer. Les dents agissent

quant à elles comme des lames découpant le sol et sont préférées en présence de sols tendres.

Le bouclier : C’est un cylindre métallique situé derrière la tête de coupe qui assure une fonction de

soutènement du sol pendant la mise en œuvre des voussoirs.

Le train suiveur : C’est l’ensemble des équipements assurant l’alimentation, l’approvisionnement,

l’évacuation des déblais, la ventilation, etc.

Figure 3.1.1.a – Schéma d’un TBM EPB (Herrenknecht)

La structure du tunnel est réalisée à l’aide de voussoirs mis en œuvre à mesure de la progression du

tunnelier. Les voussoirs sont des éléments préfabriqués généralement en béton armé ou en métal.

Les voussoirs en béton armé forment des anneaux aux faces non parallèles dont l’agencement

permet de réaliser des courbes dans les trois directions de l’espace. Le tunnelier avance en prenant

appui sur le dernier anneau posé à l’aide de vérins. Après chaque avancée, d’une longueur au moins

égale à la largeur d’un anneau, les vérins sont rentrés et les voussoirs mis place de manière

mécanique.


Figure 3.1.1.b – Agencement des voussoirs

Lorsque le tunnelier traverse des sols stables et sans arrivée d’eau significative, comme c’est le cas

dans l’argile de Londres, le front peut être dit « ouvert », il n’est alors pas soutenu. Lorsqu’en

revanche l’excavation est réalisée en présence de sol fin ou pulvérulent et/ou en présence

d’importantes arrivées d’eau, le front doit être confiné et dit « fermé ». Ce confinement peut être

réalisé à pression d’air, de terre ou de boue.

Lorsque le tunnelier opère à front fermé à pression de terre, la chambre à l’arrière de la roue

d’abattage se remplit de terrain excavé. Le confinement est alors assuré par la compression

mécanique des déblais contre le front de taille. Ces déblais sont ensuite évacués par une vis sans fin

et un convoyeur à bande.

Les voussoirs sont mis en œuvre à l’intérieur du

bouclier. Lorsque le tunnelier avance, un vide

annulaire est alors laissé entre la face extérieure de la

structure et le sol. Ce vide doit être injecté afin de

limiter la décompression du sol en place et les

mouvements de terrains qui en résultent.

Figure 3.1.1 – Mise en place des voussoirs

Contrairement au travail en mode confiné, le travail en front ouvert permet de mettre les voussoirs

en œuvre directement en contact du sol excavé. L’injection du vide annulaire laissé par l’avancée du

tunnelier n’est donc plus nécessaire. Les voussoirs utilisés ici sont dits « expansifs ». Leur géométrie

est telle que la mise en place du dernier segment induit une poussée de l’anneau vers l’extérieur,

contre le sol en place. Cette technique n’est envisageable que si le sol est suffisamment cohérent

pour rester stable sans soutènement entre l’excavation et la mise en œuvre des éléments

préfabriqués.

En mode ouvert, les déblais sont directement évacués de la chambre par un convoyeur à bande.


3.1.2. Béton projeté

Dans le cas des sols tendres et cohérents, l’explosif est généralement efficacement remplacé par les

machines à attaque ponctuelle pour réaliser l’excavation. Les sections sont alors excavées en

plusieurs phases de manière à assurer la stabilité du sol.

Immédiatement après chaque pas d’excavation, une enveloppe de béton projeté est réalisée,

assurant le soutènement provisoire du tunnel. Le béton projeté est mis en œuvre à l’aide d’un robot

depuis l’intérieur de la partie déjà soutenue.

Une fois l’excavation terminée, une seconde enveloppe reprenant les efforts à long terme tels que le

fluage ou le gonflement est réalisée à l’aide de coffrages spéciaux équipés de vérins. Une membrane

imperméable est placée entre les enveloppes primaire et secondaire.

3.2. Construction des puits

Comme les tunnels, les puits sont construits, lorsque c’est possible, à l’aide de voussoirs

préfabriqués. Ces voussoirs peuvent soit être installés les uns au-dessous des autres à mesure de

l’excavation, ce qui suppose un sol stable et sec, soit les uns au-dessus des autres de manière à

former un cylindre enfoncé dans le sol par des vérins hydraulique à mesure de l’excavation. Ces deux

méthodes sont représentées par les Figures 3.2.a et 3.2.b.

La méthode du béton projeté est la même que celle présentée précédemment pour la construction

des tunnels. Elle est ici employée pour la construction d’un tunnel ovale, dont la géométrie ne

permet pas l’emploi de composants préfabriqués. Tout comme l’emploi des voussoirs classiques,

cette technique requiert un sol relativement stable et sec.

La technique de la paroi moulée est utilisée pour un puits dont les conditions géologiques ne

permettent pas l’emploi des voussoirs classiques ou du béton projeté, et dont le diamètre est trop

important pour que la méthode du caisson soit envisagée.

Figure 3.2.a – Méthode de mise en œuvre des voussoirs en caisson

Figure 3.2.b – Méthode classique de mise en œuvre des voussoirs


4. EVALUATION DES MOUVEMENTS DU SOL 4.1. Les tassements dus à la construction des tunnels

Le creusement des tunnels en sol meuble est inévitablement accompagné de mouvements de sol au

niveau du front de coupe du TBM. Ces mouvements de sol se manifestent sous la forme de

tassements à la surface du sol. L’amplitude et la distribution de ces tassements dépendent de la

nature du sol, du mode de réalisation du tunnel, ainsi que de sa profondeur et des caractéristiques

géométriques de sa section.

4.1.1. Allure des mouvements de sols

4.1.1.1. O’Reilly & New (1982)

Il est généralement accepté que la courbe de tassement à la verticale de l’axe du tunnel en

construction peut être approchée par une courbe de Gauss inversée. Le tassement induit en tout

point est donc directement lié à la distance qui le sépare du tunnel.

Cette approche est décrite plus précisément dans l’article de Peck « Deep Excavations and Tunnelling

in Soft Ground » (1969) qui est basé sur une étude de Schmidt « Settlement and Ground Movements

Associated with Tunnelling in Soil » PhD Thesis University of Illinois, Urbana. USA (1967). Ces travaux

ont enfin été complétés par O’Reilly et New (1982) pour donner les équations suivantes, qui sont

aujourd’hui largement utilisées.

L’allure du tassement peut donc être approximée par l’équation suivante, décrivant la distribution de

Gauss :

� = �� . ��²�.� (1)

Où :

S : Amplitude du tassement à une distance y de l’axe du tunnel

y : Distance horizontale de l’axe du tunnel

Smax : Valeur maximale du tassement à la verticale du tunnel, i.e. y=0.

i : Distance du point d’inflexion de la courbe de tassement à l’axe du

tunnel

L’équation (1) permet également de calculer le volume du tassement par unité de longueur de tunnel

par l’expression :

� = √2. �. �. �� = 2,5. �. �� (2)

Il est donc possible de connaitre l’allure du tassement en connaissant au moins deux des valeurs de

V, i ou Wmax.


Figure 4.1.1.1.a – Profil transversal de tassement (Peak, 1969)

Enfin, les mouvements horizontaux sont déduits de la formule :

ℎ = �. �� (3)

Avec :

z0 : Distance verticale entre l’axe du tunnel et le point considéré


Figure 4.1.1.1.b – Déplacement et déformation transversal (Peak, 1969)

L’inconvénient majeur de cette méthode est qu’elle n’a été calibrée qu’a partir de mesures des

mouvements du sol à sa surface. Elle n’est donc utilisable de manière fiable que pour l’évaluation des

mouvements de surface.

4.1.1.2. Mair & Al (1993)

Mair et Al (1993) proposent, quelques années plus tard, une formulation différente présentée ci-

dessous liant les mouvements verticaux et horizontaux. Celle-ci est généralement utilisée pour

calculer les tassements de pair avec une formulation proposée par Taylor (1995) qui décrit les

mouvements horizontaux. Contrairement à la précédente, cette méthode permet l’évaluation des

mouvements de sol sous le niveau de la surface.

� = �� 0,175 + 0,325. �1 − �� (4)

ℎ = −0,325. �. �� (5)

Avec :

y = Distance horizontale de l’axe du tunnel

z0 = Différence de niveau entre la surface et l’axe du tunnel

z = Profondeur sous la surface

i = Distance entre l’axe tunnel et le point d’inflexion à une profondeur z

S = Tassement à une profondeur z et à une distance transversale y de

l’axe du tunnel.

h = Déplacement horizontal à une profondeur z et à une distance y de

l’axe du tunnel.


4.1.1.3. Méthode de New & Bowers (1994)

Les informations collectées au cours de la construction du Heathrow Express Trial Tunnel à Londres

ont été analysées par New et Bowers (1994) pour fournir une méthode semi-empirique de

détermination des tassements liés à la construction des tunnels dans l’argile de Londres.

Il est toutefois important de noter que les résultats de cette étude ne sont utilisables que lorsque les

conditions géologiques sont proches de celles dans lesquelles ont été conduites ces observations.

4.1.2. Volume de perte

Le volume V du creux causé à la surface du sol par le tassement du terrain peut être exprimé comme

un pourcentage du volume excavé appelé pourcentage de perte. Pour un TBM, ce pourcentage

dépend de quatre paramètres :

Pertes du Front de taille : Ce premier paramètre dépend du type de sol et des moyens mis en œuvre

ou non pour pressuriser le front.

Pertes autour du bouclier : Le diamètre excavé étant inévitablement supérieur à celui du bouclier, un

vide se créé autour de celui-ci. Ce vide peut entrainer une décompaction locale du sol augmentant le

phénomène de tassement. Le volume de perte dépend donc de la stabilité du sol directement en

contact avec la surface du bouclier.

Pertes derrière le bouclier : Les voussoirs étant mis en place à l’intérieur du bouclier un vide

annulaire autour de la structure se crée lorsque le tunnelier avance. Afin de limiter les pertes de

volume associées à ce vide, celui-ci est injecté à l’aide de coulis de béton sous pression. La perte de

volume restante dépend donc de l’efficacité de l’injection, notamment de la pression d’injection et

du temps nécessaire au coulis pour atteindre une résistance suffisante.

Consolidation du sol : Les effets présentés ci-dessus sont des effets à court terme qui se manifestent

immédiatement. Les tassements dus à la consolidation du sol apparaissent quant à eux au bout d’une

période bien plus longue et peuvent, selon la nature du sol, avoir une amplitude supérieure aux

tassements à court terme. Ces tassements sont cependant très difficiles à quantifier et sont supposés

affecter des zones beaucoup plus étendues. Puisque générant peu de tassement différentiel, ils ont

donc été jugés peu susceptibles d’être dommageables aux structures existantes et ne sont pas pris

en compte dans la présente étude.

4.1.3. Largeur de la courbe – Coefficient K

Le paramètre de largeur i représente la distance horizontale qui sépare le point d’inflexion de la

courbe de tassement de l’axe du tunnel en construction. Comme il a été montré plus haut, la

connaissance de ce paramètre est nécessaire à la détermination de l’allure de la courbe du

tassement induit par le creusement du tunnel.


4.1.3.1. O’Reilly et New

Les équations suivantes, proposées par O’Reilly et New en 1983, sont couramment utilisées pour

déterminer i :

Où z est la profondeur de l’axe du tunnel.

4.1.3.2. Boscardin

De même, Boscardin propose les expressions suivantes

4.1.3.3. Selby (1988)

Lorsque le terrain rencontré présente des couches de natures différe

dans le sous-sol Londonien, Selby propose

New :

Où :

z

z

4.1.3.4. Valeurs particulières

Les équations précédentes montrent que la valeur de i varie linéairement avec la profondeur. Un

coefficient de creux K peut donc être défini comme suit

La valeur de K constitue ainsi une valeur caractéristique du sol qui peut être utilisée po

façon plus précise lorsque le sol rencontré est connu.

utilisées.


Où z est la profondeur de l’axe du tunnel.

même, Boscardin propose les expressions suivantes :

� = 0,5. �� 0,25 pour les sols cohérents

� � 0,25. �� 0,5 pour les sols pulvérulents

Lorsque le terrain rencontré présente des couches de natures différentes, comme ce peut être le cas

Selby propose les expressions suivantes, basées sur celles de

� � 0,43. �� 0,28. �# � 1,1 lorsque la couche cohérente est

au dessus de la couche pulvérulente

� � 0,28. �� 0,43. �# � 0,1 dans le cas contraire

z1 : Epaisseur de la couche supérieur

z2 : Epaisseur de la couche inférieure au-dessus de l’axe du tunnel.

ières


coefficient de creux K peut donc être défini comme suit :

La valeur de K constitue ainsi une valeur caractéristique du sol qui peut être utilisée po

façon plus précise lorsque le sol rencontré est connu. Les valeurs suivante

Page 21 sur 52


(6)

(7)

(8)

(9)

ntes, comme ce peut être le cas

basées sur celles de O’Reilly et

lorsque la couche cohérente est

(10)

e (11)

dessus de l’axe du tunnel.


(12)

La valeur de K constitue ainsi une valeur caractéristique du sol qui peut être utilisée pour calculer i de

Les valeurs suivantes sont couramment


Types de sol

Argile dure fissurée

Sediments

Argile tendre/limoneuse

Sols granulaires au-dessus du niveau d’eau

Tableau 4.1.3.4 – Valeurs de k couramment utilisées

4.1.4. Récapitulatif

Mode de calcul Calcul de k

O’Reilly &

New

O’Reilly & New

Boscardin

Selby

Valeur définie

Mair & Al -

New &

Bowers

O’Reilly & New

Boscardin

Valeur définie

Tableau 4.1.4 – Domaines d’application des méthodes d’évaluation des mouvement d

4.1.5. Zones de Hogging et de Sagging

Comme il a été vu en section 4.1.3, plusieurs méthodes existent pour la détermination du paramètre

i, qui définit la position du point d’inflexion de la courbe de tassement. Si tant de méthode tendent à

l’approcher le plus précisément possible, c’est que ce point

Tout d’abord parce que, comme il a été montré, c’est sur lui que repose l’évaluation des

mouvements verticaux et horizontaux du terrain, mais également car il sépare les zone

Hogging et de Sagging. Ces zones distinguent simplement les parties de la courbe ayant des

courbures inversées. Ces zones auront leur importance lors de l’étude des structures présentes à la

surface du sol.

Valeurs de k

0,4 à 0,5

0,5 à 0,6

0,6 à 0,7

dessus du niveau d’eau 0,2 à 0,3

Valeurs de k couramment utilisées

Applicabilité

Surface Sous la surface

Sol homogène(cohérent ou pulvérulent)

-

-

- -

-

-

-

-

Domaines d’application des méthodes d’évaluation des mouvement d

Zones de Hogging et de Sagging

.1.3, plusieurs méthodes existent pour la détermination du paramètre

la position du point d’inflexion de la courbe de tassement. Si tant de méthode tendent à

lus précisément possible, c’est que ce point possède une importance particulière.


mouvements verticaux et horizontaux du terrain, mais également car il sépare les zone

es zones distinguent simplement les parties de la courbe ayant des


Page 22 sur 52

Sol homogène (cohérent ou

Sol à deux couches

-

-

-

-

-

-

-

Domaines d’application des méthodes d’évaluation des mouvement du sol

.1.3, plusieurs méthodes existent pour la détermination du paramètre

la position du point d’inflexion de la courbe de tassement. Si tant de méthode tendent à

une importance particulière.


mouvements verticaux et horizontaux du terrain, mais également car il sépare les zones dites de

es zones distinguent simplement les parties de la courbe ayant des



Figure 4.1.5 – Zones de Hogging et de Sagging

4.2. Les tassements dus à la construction des puits

4.2.1. Approche empirique - CIRIA C580

Une première approche empirique est proposée dans le CIRIA C580. Cette analyse donne de bons

résultats pour les modes de construction classiques, tels que les parois moulées, mis en œuvre dans

l’argile Londonienne. En revanche, elle ne permet le calcul des mouvements de sol qu’au niveau

supérieur du puits étudié.

Lorsque ces conditions ne sont pas vérifiées, la méthode décrite par New et Bowers est

généralement adoptée. Si cette autre approche ne couvre que les mouvements verticaux, nous

verrons qu’elle permet une approximation des mouvements horizontaux.

4.2.2. Approche analytique - New et Bowers

De même que pour le calcul des tassements liés à la construction des tunnels, les informations

collectées au cours de la construction d’un puits d’accès du Heathrow Express Trial Tunnel à Londres

ont été exploitées par New et Bowers (1994) pour décrire les mouvements de sol liés à réalisation

des puits. Au cours de ce projet, ils ont pu mettre en évidence qu’un puits de 11m de diamètre

produisait un tassement maximal de 0,06He, sans tassement significatif au-delà de 1He, où He est la

profondeur de l’excavation.

Cette théorie à été adoptée et combinée à l’hypothèse que les tassements associés au puits se

produiront de la même manière que les tassements induits par la construction d’un tunnel. Le

tassement maximal augmente alors linéairement en fonction du diamètre du puits. Les travaux

entrepris par New et Bowers livrent les équations suivantes :

�$,��%& = 0,06% ∗ * (13)

Une borne supérieure est définie par:


�$,��%& = 0,15% ∗ * (* > 25.) (14)

Une influence de 1He a été rapportée par New et Bower pour un puits de 11m de diamètre. Une

fonction linéaire définissant un nouveau paramètre E en fonction de He est proposée :

E/He = 1.0 si D < 10m (15)

E/He = 1.0 + (D-10.0)/15 si 10<D<25m (16)

E/He = 2.0 si D > 25m (17)

On a alors pour D < 10m :

�$(0) = �$,�� ∗ �#� ∗ �1�2�3.456²�1�3.456²

(18)

Pour D > 25m :

�$(0) = �$,�� ∗ �#� ∗ �1�273.456²�173.456²

(19)

Pour 10m < D <25m :

�$(0) = �$,�� ∗ �#� ∗ �1�273.86²�173.86²

(20)

L’approche empirique de New et Bowers propose de considérer les mouvements horizontaux comme

ayant une amplitude égale à la moitié de celle des mouvements verticaux. Soit :

�9 = 50% ∗ �$ (21)

4.3. Combinaison de tassements dus aux puits et tunnels

Les puits étant généralement connectés à des tunnels, les tassements associés à la construction de

ces puits se combinent avec ceux induits par la construction de ce ou ces tunnels. Cette combinaison

se révélant très complexe, une approche conservative consiste à simplement additionner les deux

tassements considérés séparément à l’aide des méthodes présentées précédemment.

4.4. Déformation des structures – Méthode de Burland et Worth (1974)

Une méthode relativement simple a été proposée par Burland et Worth (1974) pour évaluer la

déformation des structures en maçonnerie, qui représentent la grande majorité des bâtiments

Londoniens, sans tenir compte de l’interaction sol-structure. Les façades des bâtiments sont alors

considérées comme des poutres rectangulaires posées sur la surface du sol et directement soumises

aux déplacements de celle-ci.


Figure 4.4 – Méthode de Burland et Worth (1974)

4.4.1. Notion de déformation limite

Puisque la méthode de Burland et Worth s’applique aux structures en maçonnerie, elle ne s’intéresse

qu’aux déformations de traction, qui sont généralement à l’origine de l’apparition des fissures. Des

catégories de dommages ont été décrites par Burland (1997) en fonction de leur sévérité. Ces

catégories sont définies sur la base de déformations de traction limites, résumée dans le tableau

4.4.1 ci-dessous.

Catégorie Description Ouverture des fissures (mm)

Déformation de traction (%)

0. Négligeable Difficilement visible. < 0.1 0.0 – 0.05

1. Très Léger Légères fissures. 1 0.05 – 0.075

2. Léger Fissures pouvant impliquer des

travaux esthétiques (Plâtre, etc.). 5 0.075 – 0.15

3. Modéré

Fissures importantes pouvant

nécessiter des réparations structurelles.

Risque d’endommagement des

canalisations.

5 à 15mm 0.15 – 0.3

4. Sévère

Important travaux de réparation

pouvant inclure la réfaction de

certaines parties de mur notamment

aux abords des ouvertures.

15 à 25mm (selon le nbr) >0.3

5. Très Sévère

Réparations majeures requises pouvant

aller jusqu’à la démolition du bâtiment.

Risques d’instabilité de la structure.

>25mm (selon le nbr) > 1:50

Tableau 4.4.1 – Catégories de dommage de Burland (1977)

Les valeurs données par ce tableau sont valables pour les structures en maçonnerie. Néanmoins, de

telles valeurs pourraient être fixées pour les poutres en béton armé. Ces limites seraient alors plus

faibles, de l’ordre de 0,03 à 0,05% contre 0,05 à 0,1% pour l’apparition des fissures visibles.

La méthode de Burland et Worth consiste à déterminer la valeur maximale de la déformation dans la

façade considérée, ramenée à une simple poutre rectangulaire, afin d’en définir la classe de

dommage.


4.4.2. Modes de déformation

Il apparait évident que la déformation maximale dans la poutre ne peut être déterminée sans

connaitre le mode de déformation de celle-ci. Deux modes extrêmes ont été mis en évidence, la

flexion pure et le cisaillement pur, qui sont représentés sur la figure 4.4.2.

Figure 4.4.2 – Modes de déformation extrêmes (Flexion pure à gauche et cisaillement pur à droite)

Dans le cas de la flexion pure, la déformation de traction maximale apparait sur la fibre inférieure.

C’est donc là que les premières fissures apparaitront. Dans le cas du cisaillement simple en revanche,

les fissures apparaitront inclinées à 45° du fait de l’apparition de bielles en traction.

Ces deux modes de déformation apparaissant généralement simultanément, la valeur de la

déformation maximale sera calculée pour chacun des modes et la plus importante sera retenue

comme étant la déformation maximale à mettre en relation avec les valeurs limites présentées dans

la section précédente.

4.4.2.1. Calcul de la déformation maximale en flexion pure

Burland établit en 1974 la relation suivante, qui relie la déformation maximale due la flexion εb,max au

ratio Δ/L.

:; � �

;12. < + 3. =. >2. �. ;. %. ?� . @A,.B0 (22)

Où :

Δ : Déplacement à mi-travée imposé à la poutre fictive

L : Longueur de la poutre

H : Hauteur de la poutre

E : Module d’Young de la maçonnerie

I : Moment quadratique de la poutre

G : Module de cisaillement

t : Position de l’axe neutre par rapport à la fibre extrême en tension

y : Position du point considéré par rapport à l’axe neutre

La figure 4.4.2.1 ci-dessous illustre la définition de y et t :


Figure 4.4.2.1a – Définition de y et t

Le choix de la position de l’axe neutre a donc une influence directe sur le calcul des déformations de

la poutre en flexion simple. Celui-ci sera généralement considéré à mi-hauteur de la poutre dans les

zones de Sagging et au niveau de la fibre inférieure dans les zones de Hogging. Ceci justifie

l’importance de la position du point d’inflexion i, évoquée en section 5.1.5.

Figure 5.4.2.1b – Bâtiment soumis aux déformations de Hogging et Sagging

De cette méthode résulte que le cas d’une déformation de type Hogging avec l’axe neutre pris au

niveau la fibre inférieure est bien plus dommageable qu’une déformation de Sagging avec l’axe

neutre pris à mi-hauteur. Les travaux Burland et Worth ont corroboré ces résultats par une série

d’observations.

4.4.2.2. Calcul de la déformation maximale en cisaillement pur

La valeur maximale des déformations diagonales εd,max dues aux efforts tranchants est quant à elle

donnée par l’expression suivante :


:; � C1 + %. ;². ?18. =. >D . @E,.B0 (23)

Où les termes sont ceux définis dans la section précédente.

4.4.2.3. Influence des mouvements horizontaux

Bien que les équations ci-dessus ne prennent en compte que les seuls mouvements verticaux (par

l’intermédiaire de Δ), il a été montré en section 4.1.1 que les mouvements de sol induits par

l’excavation d’un tunnel (ou d’un puits) n’apparaissent pas uniquement sous la forme de tassements

verticaux, mais qu’il en résulte également des mouvements horizontaux qui peuvent être importants.

Dans le cas de la flexion simple, Boscardin et Cording (1989) incluent cette déformation horizontale

εh par simple superposition. Ce qui ce traduit par une valeur de la déformation résultante εb,r donnée

par :

@F,G = @F,�� + @9 (24)

Dans le cas du mode de déformation qu’est celui du cisaillement pur, la déformation diagonale

résultante εd,r est exprimée à l’aide du cercle de Mohr.

@H,G = @9. �1 − I2 � + J@9�. �1 + I2 �� + @H,�� (25)

Où ν représente le coefficient de Poisson de la maçonnerie.

La valeur critique de la déformation εcrit, qui sera utilisée pour déterminer la classe de dommage est

définie comme la valeur maximale de εb,r et εd,r.

@KG�L = MB0N@F,G; @H,GP (26)

5. SOLUTIONS TECHNIQUES RETENUES

5.1. Présentation du contexte géologique

Il apparait évident que les choix techniques présentés dans cette section, ainsi que l’évaluation des

mouvements de sol liés à la construction de ce projet souterrain sont étroitement liés au contexte

géologique dans lequel celui-ci est réalisé.

Les résultats présentés ici sont essentiellement basés sur le Geotechnical Baseline Report, document

du marché rédigé par National Grid, basé sur des essais et sondages réalisés au cours de travaux

antérieurs ou spécialement pour ce projet.

Le sol Londonien est typiquement composé d’alluvions, de Lambeth Group, de Thanet Sands, de

Formation d’Harwich et d’argile de Londres.


Argile de Londres : Ce dépôt sédimentaire marin est le principal constituant du sol Londonien.

Cohérent et très peu perméable, il constitue un environnement propice a la construction des tunnels

et a favorisé le développement précoce du métro Londonien.

Groupe de Lambeth : Ce groupe désigne une formation géologique complexe et hétérogène formée

de graviers, de sables, de limons et d’argiles.

Sables de Thanet : Cette couche est composée de sables fins et limoneux. Ses grains, contenant

notamment du quartz, sont très abrasifs, ce qui est à considérer dans la conception des tunneliers

utilisés.

Formation de Harwich : Cette formation consiste en une matrice de sables limoneux comportant des

graviers et galets denses. Du fait de sa grande perméabilité, elle est à éviter autant que possible lors

du tracé du projet.

5.1.1. De Hackney à St John’s Wood

Depuis le puits d’Eade Road vers celui d’Hackney, l’excavation doit commencer dans l’argile de

Londres sur environ 2200m, pour continuer dans un mélange d’argile de Londres, de Groupe de

Lambeth et de sédiments sur environ 500m. Le tunnel doit ensuite traverser une portion sous le

niveau de la nappe phréatique, dans une couche de Groupe de Lambeth puis de Sables de Thanet sur

une longueur de 600m, jusqu’au puits de réception d’Hackney. La pression d’eau maximale attendue

est de 2 bars.

Depuis le puits de St John’s Wood vers celui d’Hackney, l’excavation doit également débuter dans

l’argile de Londres sur une distance de 900m. Elle doit ensuite continuer dans une couche de

Lambeth pour retrouver l’argile après 1400m. Le tracé rejoint Hackney dans l’argile, avec un passage

d’environ 450m dans la couche de Lambeth, dans laquelle des nappes perchées peuvent être

rencontrées, susceptibles d’engendrer une pression hydrostatique pouvant atteindre 2 bars.

5.1.2. De Acton Lane à St John’s Wood

La portion reliant les puits d’Acton Lane et de St Jonh’s Wood doit entièrement être creusée dans

l’argile de Londres. Aucune arrivée d’eau significative n’est attendue.

5.1.3. De Wimbledon à Kensal Green

Le tracer reliant le puits de Wimbledon à celui de Kensal Green est lui aussi principalement situé dans

l’argile de Londres, à l’exception d’une section entre les puits de Wimbledon WM1 et WM2, sur

laquelle le projet traverse une couche de Formation d’Harwich, juste au-dessus d’une couche de

Lambeth. La géologie de cette portion est susceptible de comporter des poches d’eau sous pression.


5.2. Modes constructifs

5.2.1. Tunnelier

Le recours au tunnelier s’avère économique et rapide pour des tunnels relativement longs tels que

les tunnels principaux de ce projet. Ces trois tunnels seront réalisés au moyen de deux tunneliers

spécialement conçus, capables de travailler soit à front ouvert, soit à front fermé à pression de terre

selon la nature du terrain rencontré et la sensibilité des structures avoisinantes. Les clauses

techniques du contrat spécifient les valeurs de perte de volume suivantes comme base de

conception :

• TBM front ouvert : VL= 2,0%

• TBM front fermé : VL= 1,5%

Il est cependant à noter que Costain, en charge de l’exécution du projet, a montré lors de projets

précédents qu’elle était en mesure d’atteindre un volume de perte moyen de l’ordre de 0,5%, avec

des valeurs ne dépassant que rarement 1%.

Les trois principales sections du projet seront réalisées comme suit :

Hackney à St John’s Wood: Pour la construction de cette section d’un diamètre extérieur de 4,65m,

le tunnelier utilisé sera capable de travailler soit en mode ouvert, soit en mode fermé, à pression de

terre. Le choix de ce tunnelier a principalement été basé sur les conditions de sol rencontrées.

Acton Lane à St John’s Wood: Pour la construction de cette section d’un diamètre extérieur de

3,555m, le tunnelier utilisé sera également capable de travailler en mode ouvert ou fermé.

Cependant, au regard de la description du contexte géologique présenté section 5.1, qui prévoit que

cette portion du tracé sera exclusivement réalisée dans de l’argile de Londres, il travaillera

uniquement en mode ouvert.

Wimbledon à Kensal Green: Pour la construction de cette section d’un diamètre extérieur de 3,55m,

le tunnelier employé pour la réalisation de la section précédente sera réutilisé. Le confinement à

pression de terre sera mis en œuvre pour réaliser le tronçon traversant la couche de formation

d’Harwich et de Lambeth Beds.

5.2.2. Béton projeté

En raison du faible espace disponible dans les puits de lancement et de réception à Channel Gate

Road, St Jonh’s Wood, Eade Road et WandsworthGas Works, il est nécessaire de construire des

chambres et des tunnels auxiliaires pour les opérations d’assemblage et de démontage des

tunneliers. Ces ouvrages annexes seront réalisés en béton projeté.

L’excavation s’effectuera dans l’argile à l’aide de machines à attaque ponctuelle, comme représentée

sur la Figure 5.2.2 ci-dessous.


Figure 5.2.2 – Excavation à la machine à attaque ponctuelle

La section des tunnels sera excavée sur deux niveaux, le niveau supérieur tout d’abord puis le niveau

inférieur. Trois niveaux pourront être nécessaires pour les sections importantes. Chaque avancée

aura une longueur maximale de 1m. La géométrie retenue pour la section de ces ouvrages est une

combinaison complexe de cercles de différents diamètres qui permet un compromis intéressant

entre le cercle, solution optimale du point de vue structurel, et une forme en « fer à cheval » dont la

base large et plate facilite les conditions de travail.

5.2.3. Puits

Les puits du projet sont réalisés à l’aide des techniques décrites en section 3.2. La majorité d’entre

eux sont construit en utilisant une combinaison de voussoir dans la partie haute, et de béton projeté

dans la partie inférieure. L’utilisation du béton projeté en partie basse est destinée à faciliter la

traversée du puits par le tunnelier. Cette méthode n’est cependant pas applicable à tous les cas de

figures, notamment lorsque le sol ne présente pas une stabilité suffisante ou que le puits n’est pas

circulaire.

Les techniques mises en œuvre pour la réalisation des différents puits du projet sont récapitulées ci-

dessous dans le tableau 5.2.3 :

Mode de réalisation Ouvrages

Combinaison Voussoirs

(Classique) et de béton

projeté

Eade Road, Finsbury Park, St Pancras, Kensal Green1, Kensal Green

2, Chanel Gate Road, Earl’s Court , Wandsworth, Wimbledon

(WM1), Wimbledon (WM2)

Paroi moulée Hackney

Voussoirs (Caisson) Hackney ( 2 puits auxiliaires)

Béton projeté St Johns’s wood

Tableau 5.2.3 – Modes constructifs des puits


6. LES OUTILS DE MODELISATION

6.1. Le logiciel Oasys Xdisp

Les mouvements de sol engendrés par la construction du projet sont modélisés à l’aide du logiciel

Xdisp qui intègre les théories et résultats empiriques présentés dans la section 4.

L’utilisateur est dans un premier temps amené à modéliser les différentes excavations, sources des

mouvements de sol. Ces excavations peuvent être des tunnels ou bien des excavations circulaires

(puits) ou polygonales. La seconde partie de la modélisation consiste quant à elle à définir les points

pour lesquels les déplacements seront calculés. Ces points peuvent être défini indépendamment ou

bien être regroupés sous forme de lignes ou de grilles. Toutes ces données sont définies dans un

repère tridimensionnel global défini par l’utilisateur.

6.1.1. Modélisation des tunnels

La géométrie des tunnels est modélisée par des cylindres rectilignes définis par leur diamètre et par

les coordonnées dans l’espace de leurs deux extrémités. Les tracés courbes doivent donc être

approchés par des séries de sections rectilignes. Seul le diamètre extérieur de l’excavation est

considéré pour rendre compte de la géométrie du tunnel.

L’utilisateur doit également spécifier la valeur de perte de volume qui sera utilisée par le logiciel pour

conduire les calculs. Comme il a été vu dans la section 4.1.2, cette valeur est liée au mode de

réalisation ainsi qu’à la stabilité de la couche de sol dans laquelle l’excavation est réalisée. Dans la

cadre de ce projet, les valeurs de VL ont été définies par Costain sur la base de son expérience dans

des projets similaires.

Enfin l’utilisateur doit choisir parmi les méthodes présentées en section 4.1.1 l’allure des

mouvements de sol qu’il souhaite considérer, ainsi que le mode de calcul de k (paramètre de creux).

Les valeurs d’entrée requises lui sont ensuite demandées en fonction de la méthode retenue. La

position de la frontière entre la couche cohérente et la couche pulvérulente lui sera ainsi demandée

s’il spécifie la méthode de Selby pour le calcul de k.

Figure 6.1.1 – Interface de définition des tunnels sous xdisp

6.1.2. Modélisation des puits

La géométrie des puits est définie par leur diamètre extérieur, le niveau du terrain naturel et le

niveau du fond de fouille.

Les mouvements de sol liés à la réalisation des puits sont évalués à l’aide des résultats empiriques

proposés par le CIRIA Report C580, évoqués en section 4.2.1. Cette méthode présente l’avantage de

permettre une évaluation plus fiable des mouvements horizontaux. Plusieurs « courbes références »


sont disponibles pour calculer les mouvements de sol en fonction de la technique de construction

mise en œuvre et de la nature du sol dans lequel l’excavation est réalisée. Il est donc nécessaire que

le cas étudié soit un cas « classique », proche d’un cas pour lequel des données sont disponibles. Il

est à noter que si les courbes disponibles sont en nombre limité (mais suffisant pour le contexte

géologique et les techniques employées pour ce projet), le logiciel offre la possibilité à l’utilisateur de

créer lui-même des courbes références. Ces courbes peuvent par exemple être créées à partir de

logiciel de calcul aux éléments finis permettant, entre autre, de prendre en compte la complexité du

contexte géologique.

6.1.3. Etude des bâtiments

Xdisp permet de réaliser l’étude des dommages subits par les bâtiments selon la méthode de Burland

et Worth, évoquée en section 4.4, en associant des façades planes aux lignes de déplacement. Par

défaut, l’axe neutre est considéré à mi-hauteur dans les zones de Sagging et au niveau de la fibre

inferieure dans les zones de Hagging, mais l’utilisateur garde la possibilité de rentrer ses propres

valeurs, afin par exemple de prendre en compte l’effet d’éventuelles fondations qui abaisseraient la

position de celui-ci.

6.1.4. Intérêts et limites du logiciel

L’utilisation du logiciel xdisp est limitée lorsqu’il s’agit d’étudier des cas trop complexes. En effet,

celui-ci n’est pas capable de prendre en compte l’interaction entre le sol et la structure du tunnel.

Lorsque de trop grandes simplifications sont nécessaires, les résultats obtenus sont largement

surestimés et dépassent souvent les limites acceptables. Il est donc nécessaire d’utiliser d’autres

logiciels tels que les logiciels de calcul aux éléments finis. Néanmoins, le recours à de tels logiciels

demande un temps, et donc un coût, considérable. Xdisp est alors utilisé pour cibler les parties du

projet qui nécessitent une modélisation plus fine.

Contrairement à ces derniers, xdisp permet d’étudier relativement rapidement la plupart des cas

rencontrés au cours de ce projet. Il intègre notamment une fonction permettant d’importer les

tracés des tunnels, des excavations et des lignes de déplacements directement depuis des fichiers

AutCad (.dxf). Cette méthode permet, entre autre, de créer facilement des tracés courbes

tridimensionnels que le logiciel divise automatiquement en section rectiligne. Enfin, les valeurs

d’entrée ainsi que les résultats sont donnés sous forme de tableaux et sont facilement exploitables à

l’aide d’un tableur.

6.2. FLAC 3D

Si le logiciel Xdisp présenté précédemment peut s’avérer suffisant dans beaucoup de situations, il a

été vu que celui-ci ne prend en compte ni le comportement de la structure des ouvrages souterrains,

ni l’interaction sol/structure. De plus, seules des formes relativement basiques sont modélisables.

Enfin, il ne permet pas l’évaluation de l’impact sur les structures situées au-dessous de l’ouvrage

perturbateur en construction. Lorsque les limites du logiciel sont atteintes, il est alors nécessaire de

recourir à des outils plus élaborés et plus puissants dont FLAC 3D fait partie.


FLAC 3D est un logiciel permettant

propriétés mécaniques des différents constituants du modèle.

dite des différences finies, largement utilisé

S’il constitue un outil particulièrement puissant, FLAC 3D est en contrepartie relativement

prendre en main. Le modèle est en

informatique. Le temps nécessaire à une modélisation FLAC et ses implications en termes de

planning et de budget imposent, pour les grands projets tels q

destinée à bien cibler les cas de figure à modéliser.

J’ai commencé à apprendre à utiliser FLAC 3D, dans la perspective d’étudier le croisement d’ouvrages

situés en-dessous du tunnel construit.

mouvements de sol à proprement parler mais de sa décompaction. Cette décompaction, provoquée

par le creusement du tunnel au-

appliqué par le sol sur la structure alors que les efforts horizontaux re

modification de l’équilibre des efforts résulte en une ovalisation de la structure de l’ouvrage

convient de limiter l’intensité de manière à ne pas affecter la pérennité de l’ouvrage.

Figure 6.2 – Equilibre des forces appli

Cette étude du comportement de la structure des ouvrages profonds

Elle ne fait donc pas l’objet de ce rapport.

7. IMPACT DU PROJET SUR

Dans le cadre de sa mission de conception détaillée, Halcrow étudie l’impact

structures qu’elle conçoit sur les structure

structures et équipements potentiellement affectées par les mouvements de sol lié

du projet, d’évaluer leur niveau de dommage et si besoin de proposer des mesures de prévention.

Conformément au contrat liant Costain et National Grid

responsabilités vis-à-vis des biens de tierc

ant de créer des modèles en trois dimensions prenant en compte les

propriétés mécaniques des différents constituants du modèle. Ce logiciel est b

, largement utilisée pour décrire les milieux infinis et semi

S’il constitue un outil particulièrement puissant, FLAC 3D est en contrepartie relativement

prendre en main. Le modèle est en effet généré au travers d’une console, à l’aide d’un code

Le temps nécessaire à une modélisation FLAC et ses implications en termes de

planning et de budget imposent, pour les grands projets tels que celui-ci, une première phase

en cibler les cas de figure à modéliser.


du tunnel construit. L’impact dans ce type de croisement ne provient alors plus des

e sol à proprement parler mais de sa décompaction. Cette décompaction, provoquée

-dessus de l’ouvrage potentiellement affecté, diminue l’effort vertical

appliqué par le sol sur la structure alors que les efforts horizontaux restent inchangés

modification de l’équilibre des efforts résulte en une ovalisation de la structure de l’ouvrage


des forces appliquées à la structure des tunnels circulaires

du comportement de la structure des ouvrages profonds est planifiée pour juillet 2011.

Elle ne fait donc pas l’objet de ce rapport.

IMPACT DU PROJET SUR LES STRUCTURES EXIST

mission de conception détaillée, Halcrow étudie l’impact

structures qu’elle conçoit sur les structures existantes. Cette étude à pour but de déterminer les

structures et équipements potentiellement affectées par les mouvements de sol lié


Conformément au contrat liant Costain et National Grid, cette étude est destinée à établir les

vis des biens de tierces propriétaires. Les ouvrages jugés être exposés à un

Page 34 sur 52

de créer des modèles en trois dimensions prenant en compte les

Ce logiciel est basé sur la méthode

pour décrire les milieux infinis et semi-infinis.

S’il constitue un outil particulièrement puissant, FLAC 3D est en contrepartie relativement difficile à

effet généré au travers d’une console, à l’aide d’un code

Le temps nécessaire à une modélisation FLAC et ses implications en termes de

ci, une première phase


L’impact dans ce type de croisement ne provient alors plus des

e sol à proprement parler mais de sa décompaction. Cette décompaction, provoquée

diminue l’effort vertical

stent inchangés. Cette

modification de l’équilibre des efforts résulte en une ovalisation de la structure de l’ouvrage dont il


est planifiée pour juillet 2011.

LES STRUCTURES EXISTANTES

mission de conception détaillée, Halcrow étudie l’impact de l’ensemble des

. Cette étude à pour but de déterminer les

structures et équipements potentiellement affectées par les mouvements de sol liés à la construction


cette étude est destinée à établir les

es propriétaires. Les ouvrages jugés être exposés à un


risque de dommage « léger »1 ou inférieur au regard de l’étude sont ainsi placés sous la

responsabilité de National Grid, le maître d’ouvrage. Les autres sont placés sous la responsabilité de

Costain qui peut soit adapter sa conception ou ses méthodes, soit décider d’actions préventives.

Cependant, un certain nombre de tierces parties, propriétaires d’équipements sensibles tels que les

voies ferrées ou les réseaux de distribution de gaz, disposent de procédures d’acceptation propre. Il

est donc nécessaire, lorsque le projet passe à proximité de ces équipements d’obtenir l’acception de

chaque propriétaire.

7.1. Etude globale

L’évaluation de l’impact du projet est conduite pour l’ensemble du tracé, prenant en compte les

mouvements liés à la fois aux tunnels et aux puits. Cette étude est réalisée en trois phases

successives permettant d’identifier de plus en plus finement les structures et équipements risquant

d’être affectés par la construction du projet. Ces trois phases sont présentées dans les sections

suivantes. Une étude de cas est également proposée en section 7.3 afin de présenter leur

enchainement à l’aide d’un cas pratique.

7.1.1. Phase 1 – Identification des équipements à risque

Au cours de cette première phase, la distribution des tassements est évaluée à l’aide du logiciel

xdisp, en prenant en considération, autant que le permet le logiciel, la géométrie, la position et le

mode de construction des structures étudiées, ainsi que le contexte géologique dans lequel elles sont

construites. Cette distribution est représentée sous forme de contours permettant une première

identification des équipements et structures susceptibles d’être endommagées par les mouvements

de sol liés à la réalisation du projet.

Cette première identification est basée sur les valeurs limites suivantes proposées dans le

‘Settlement Principal Design Statement’, précédemment accepté par Costain.

Type de structure Valeur Limite

Bâtiments

Général 10mm

Identifiés sensibles (Monuments classés, déjà endommagés, etc.) 1mm

Equipements

Fonte Très fragile 1mm

Béton, Briques Fragile 10mm

Acier, PVC Flexible N/A

Chambre de connexion de câble Sensible à l’arrachement 1mm

Tableau 7.1.1 – Valeurs limites de la Phase 1

Les structures et équipements vérifiant les conditions ci-dessus sont donc considérés comme

potentiellement à risque et seront étudiés en Phase 2. Les autres ne seront pas considérés.

1 : Cf. classification des dommages selon Burland – Section 7.1.2.1


7.1.2. Phase 2 – Première évaluation des dommages

7.1.2.1. Les bâtiments

La déformation des bâtiments identifiés au cours la Phase 1 est étudiée grâce à la méthode de

Burland et Worth présentée en section 3.3. Les résultats obtenus sont comparés aux valeurs limites

rappelées par le tableau 7.1.2.1 ci-dessous.

Catégorie Ouverture des fissures (mm) Déformation de traction (%)

0. Négligeable < 0.1 0.0 – 0.05

1. Très Léger 1 0.05 – 0.075

2. Léger 5 0.075 – 0.15

3. Modéré 5 à 15mm 0.15 – 0.3

4. Sévère 15 à 25mm (selon le nbr) >0.3

5. Très Sévère >25mm (selon le nbr) > 1:50

Tableau 7.2.1 – Catégories de dommage de Burland (1977)

Les structures ayant été classées en catégorie de dommage « Négligeable » et « Très léger » ne sont

pas étudiées plus précisément. Les autres structures seront quant à elles étudiées en Phase 3.

Cette Phase 2 est très utile en ce qu’elle permet une identification rapide, mais néanmoins basée sur

des considérations structurelles, des structures nécessitant une étude approfondie. Une telle étude

est en effet très coûteuse puisqu’elle nécessite un temps important ainsi que des informations

précises relatives à la structure et à la nature exacte du terrain, qui demande souvent des

investigations supplémentaires. C’est pourquoi le recours à la méthode proposée par Burland et

Worth apparait raisonnable lorsque les structures rencontrées sont très nombreuses.

7.1.2.2. Etude des conduites en fontes

Du fait de leur grande fragilité, les conduites en fonte, qui constituent une partie importante des

réseaux d’adduction d’eau et de gaz, nécessitent une étude attentive. Cette étude se concentre aussi

bien sur la déformation des conduites que sur le comportement des joints entre ces conduites.

National Grid Gas et Thames Water, les principaux maîtres d’ouvrage des réseaux de gaz et d’eau

définissent les limites suivantes pour leurs conduites en fontes.

Critères National Grid Thames Water

Conduites Déformation admissible 150 µε 100 µε

Joints Rotation admissible 0,01º 0, 10º

Ouverture admissible 0,5 mm 15 mm

Tableau 7.1.2.2 – Limites admissibles pour le conduites en fonte

Les hypothèses de calcul suivantes s’appliquent pour cette étude :

• Les conduites sont supposées continues et non rigides pour le calcul des déformations.


• Les conduites sont supposées rigides entre les joints, i.e. toutes les déformations se

produisent au niveau des joints, pour le calcul de la rotation et de l’ouverture des joints.

7.1.3. Phase 3 - Analyse détaillée des dommages

Les structures et équipements étant jugés à risque à l’issue de la Phase 2 sont étudiés à l’aide de

modèles numériques prenant en considération le type de fondations et les propriétés mécaniques

des structures et du sol. Le logiciel FLAC 3D, faisant l’objet de la section 4.1.2, peut être utilisé au

cours de cette dernière phase d’étude.

Il est à noter que certains croisements particulièrement complexes ou concernant des ouvrages très

sensibles ont été étudiés directement en Phase 3, sans qu’une Phase 2 ne soit conduite. Il a en effet

été montré que les méthodes de calcul utilisées en Phase 2 ne sont pas pertinentes pour des

modélisations complexes et risqueraient donc d’aboutir à des résultats qui ne seraient pas cohérents.

Au regard de ces différentes phases d’étude, il revient à Costain de décider des actions nécessaires

vis-à-vis des structures présentant un grand risque d’être endommagées (modification du tracé,

déviation de réseaux, soutènement, etc.).

7.1.4. Programme accéléré

En plus du marché de construction du tunnel de National Grid, Costain a également été choisi pour

réaliser un projet tunnelier ferroviaire majeur pour le compte de Crossrail. Dans ce nouveau

contexte, l’entreprise a mis au point un programme accéléré visant à avancer la date de

commencement des travaux dans un souci de gestion des effectifs des équipes de chantier

spécialisées. Ce changement de planning a également pour but de prévenir les effets d’une

éventuelle inflation des matières premières.

Dans ce cadre, l’étude en trois phases présentées précédemment a été tout d’abord réalisée pour

certaines parties isolées du projet. C’est par exemple le cas des puits de Hackney et d’Eade Road

dont l’impact a été tout d’abord évalué indépendamment dans un premier temps, sans que les

tunnels qui y sont connectés ne soient considérés.

7.1.5. Implication personnelle

7.1.5.1. Production de rapports pour les Phases 1 et 2

Ma première tâche au sein du projet a été la conduite des Phases 1 et 2 pour les puits considérés

séparément dans le cadre du programme accéléré.

Pour ces puits, j’ai tout d’abord déterminé les contours de tassement afin de pouvoir identifier les

structures et équipements devant être étudiés en Phase 2 au regard des critères évoqués en section

7.1.1. J’ai ensuite évalué la sévérité des dommages causés aux structures identifiées en utilisant la

classification de Burland présentée en section 4.4. J’ai également réalisé l’étude de l’impact des

mouvements de sol sur les réseaux en fonte. J’ai enfin rédigé les rapports rendant compte des

hypothèses et résultats de mes études. Un rapport est rédigé pour chaque puits, et réuni les

informations relatives aux Phases 1 et 2. Il ne contient que les résultats de ces deux études, ainsi que

les hypothèses de calcul propres à chaque cas telles que les dimensions géométriques et les données


géologiques. Les hypothèses générales de calcul ainsi que les valeurs limites, applicables à l’ensemble

des études d’impact des mouvements de sol, sont regroupées dans un document intitulé

« Settlement – Principal Design Statement » (Traduire : Tassement – Principales Hypothèses de

Calcul) auquel les différents rapports font référence. Ce document a été rédigé par Phil Quelch (mon

Team Leader) et a préalablement été validé par Costain.

Dans le cadre de la production de ces rapports, j’ai travaillé en relation avec les ingénieurs en charge

de la conception des puits pour en connaitre les dimensions définitives et comprendre leur mode de

construction afin de choisir le plus judicieusement possible parmi les modèles de calcul présentés en

section 4. J’ai enfin été amené à contrôler que les plans représentant les contours de tassement

mettaient en évidences les résultats clés de mon étude.

Figure 7.1.5.1 – Représentation des contours de tassement liés à la construction du puits d’Eade

Road

Toujours dans le cadre du programme accéléré, j’ai également réalisé l’étude de l’impact du tracé

entre les puits d’Hackney et de St John’s Wood. Cette étude considère les mouvements de sol induits

à la fois par les puits et le tunnel et est également basée sur l’approche en trois phases utilisée pour

l’étude des puits seuls. La principale différence avec l’étude des puits seuls décrite plus haut est liée à

l’étendue de l’étude. En effet, si les puits n’ont généralement qu’un rayon d’influence de l’ordre de

50 à 80m, il s’agit ici d’étudier une portion de plusieurs kilomètres de long. Pour cela, j’ai mis au

point une feuille de calcul dont l’intérêt et le principe de fonctionnement font l’objet de la section

7.1.5.2.2. L’étude de cette portion entre les puits d’Hackey et de St John’s Wood a donné lieu à trois

rapports distincts considérant respectivement les tronçons de Eade Road à Hackney, de Eade Road à

Finsbury Park et de Finsbury Park à St John’s Wood.


7.1.5.2. Apports techniques

7.1.5.2.1. Calcul des mouvements des conduites en fonte

En utilisant la feuille de calcul mise au point par un membre d’une autre équipe pour l’évaluation des

dommages subits par les conduites en fonte, j’ai pu constater que celle-ci ne respectait pas les

hypothèses évoquées en section 7.1.2.2. En effet celle-ci calculait la rotation et l’ouverture des joints

et extrapolant leur valeur ponctuelle maximale sur la longueur d’une conduite, restant ainsi dans la

première hypothèse d’une conduite continue et non-rigide.

Afin de respecter au mieux ces hypothèses, j’ai mis au point une nouvelle feuille excel basée sur la

première. Celle-ci suppose, pour le calcul du comportement des joints, des conduites rigides en ne

considérant les mouvements du sol qu’aux points espacés d’une longueur de conduite. Puisque la

position des joints n’est à priori pas connue, la feuille calcule toutes les configurations possibles pour

ne retenir que la plus défavorable. La configuration déterminante n’étant pas forcement la même

pour la rotation et l’ouverture des joints, le processus est conduit indépendamment de chacun de ces

mouvements.

La feuille de calcul évoquée ci-dessus est basée sur l’exploitation de valeurs de déplacements

calculées à l’aide du logiciel xdisp. Puisque ce logiciel permet de calculer les déplacements induits en

tout point de l’espace, cette feuille excel permet d’étudier des conduites à la géométrie relativement

complexe proche de sa géométrie réelle. En contrepartie, la méthode de calcul et les hypothèses

utilisées par le tableur sont obscures et les erreurs peuvent facilement passer inaperçues.

Afin de remédier à ce dernier problème, certains maîtres d’ouvrages comme Thames Water,

propriétaire de la majorité du réseau d’adduction d’eau, n’acceptent pas les résultats sous formes de

tableur et imposent l’utilisation de feuilles de calcul rédigées à l’aide de logiciels tels que MathCad.

Les résultats ainsi obtenus sont bien plus faciles à vérifier pour le maître d’ouvrage puisque toutes les

étapes du calcul sont visibles.

Dans ce cadre, j’ai été amené à créer la feuille de calcul présentée en annexe D. Cette procédure de

calcul considère les conduites comme des lignes infiniment longues croisant le tracé du projet avec

un angle α. Elle ne convient donc pas à l’étude des conduites à géométrie complexe.

7.1.5.2.2. Exploitation du logiciel xdisp sur un projet à large échelle

Comme il a été vu dans la section 4.2.1, l’approche empirique proposée par le CIRIA 580, qui est

utilisée par le logiciel xdisp pour l’étude des mouvements de sol liés à la construction des puits, ne

donne des résultats que des points situés au niveau supérieur de ceux-ci. Le sol est donc supposé plat

et de niveau constant dans la zone d’influence de ces puits, le problème devient alors axisymétrique.

L’étude des mouvements d’une seule ligne passant par le centre du puits étudié suffit donc à

déterminer le diamètre des contours de déplacement, qui prendront la forme de cercles

concentriques centrés sur l’axe du puits.


Figure 7.1.5.2.2a – Etude axisymétrique d’un puits avec xdisp

L’étude d’un tronçon de tunnel est autrement plus complexe à modéliser puisqu’elle doit considérer

un tracé tridimensionnel ainsi qu’un niveau de surface variant tout au long de ce tracé. Afin de

réaliser un tel modèle, il m’a paru essentiel de distinguer deux principales étapes. La première est la

création de lignes de déplacement régulièrement espacées tout au long du tracé qui suivent la

topographie de la surface. Ces lignes, définies perpendiculaires au tracé, permettent localement de

facilement déterminer la largeur des contours. Pour avoir une étude suffisamment fine, il faut donc

définir un pas relativement faible entre ces lignes, ce qui implique un grand nombre de lignes. Ceci

mène à la deuxième étape, qui est l’exploitation et la synthèse de centaines de lignes possédant

chacune des centaines de points.


Figure 7.1.5.2.2b – Lignes de déplacement générées tous les 10 m

Il a été vu que le logiciel xdisp permet, pour l’étude des tracés complexes, l’importation de données

depuis un fichier AutoCad .dxf et la création automatique de sections rectilignes approchant au

mieux les parties courbes. J’ai utilisé cette fonction afin de connaitre les coordonnées dans l’espace

des points décrivant le tracé du tunnel et la coupe topographique de la surface. La densité des points

ainsi créés augmentant avec la courbure du tracé, ces sections rectilignes ne sont pas de longueurs

égales.

Soit p le pas entre deux lignes de déplacement défini par l’utilisateur, la n-ème ligne est située à une

distance n*p de la première extrémité du tracé. La feuille de calcul que j’ai mis au point utilise un

programme VBA pour déterminer sur quelle section rectiligne se situe la n-ème ligne de

déplacement, et quelle est sa côte. La ligne de déplacement est ensuite créée en définissant les

coordonnées de ses deux extrémités de telle sorte qu’elle soit perpendiculaire à la section rectiligne

identifiée précédemment et que sa longueur soit égale à celle déterminée par l’utilisateur.

Une fois les mouvements de sols calculés pour l’ensemble de ces lignes à l’aide de xdisp, la largeur

des contours est déterminée pour chacune des lignes.


Figure 7.1.5.2.2c – Exemple d’exploitation des résultats fourni par xdisp

-100

102030405060

0 500 1000 1500 2000 2500

GL

[mA

OD

]

<- Eade Road Finsbury Park->

Côtes altimétriques

Ground Line Tunnel Axis

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500

Set

tlem

ent [

mm

]

<- Eade Road Finsbu ry Park ->

Max Settlement

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

0 500 1000 1500 2000 2500

Con

tour

offs

et [m

]

<-Eade Road Finsbury Park ->

Settlement Contours

1mm

5mm

10mm

15mm


7.2. Procédures particulières

7.2.1. Généralités

Si l’étude en trois phases présentée dans la section précédente est menée sur l’ensemble du tracé du

projet, certaines infrastructures importantes et/ou sensibles telles que les équipements ferroviaires

ou souterrains, font l’objet de procédures d’acceptation propres à chaque maître d’ouvrage. C’est

notamment le cas des équipements de London Underground Ltd (ci-après LUL) dont j’ai, entre

autres, réalisé l’étude du croisement de la Piccadilly Line et de La Victoria Line.

Ces procédures particulières se différencient principalement de l’étude globale sur la forme, définie

par chaque maître d’ouvrage, et sur l’interlocuteur. Elles sont du reste relativement similaires quant

à leur contenu. C’est pourquoi il a été choisi de ne présenter ici que la procédure définie par LUL qui

s’avère représentative des autres procédures particulières et dans laquelle j’ai été très impliqué.

7.2.2. London Underground

London Underground Ltd est le maître d’ouvrage qui possède le réseau métropolitain de Londres.

Bien que le tracé du projet ait été conçu de manière à éviter autant que possible les interfaces avec

les réseaux les plus importants et/ou sensibles, le croisement du réseau LUL reste inévitable du fait

de sa grande étendue (11 lignes pour un total cumulé de 408 km de lignes).

17 croisements ont été identifiés et font chacun l’objet d’une étude particulière. La figure 7.2.1

illustre l’interaction du projet (en blanc) et des différentes lignes du réseau LUL.


Figure 7.2.2 – Interaction avec le réseau LUL (Google Earth)

7.2.2.1. Endommagement des voies ferrées

Il apparait évident que les voies ferrées sont des équipements très sensibles aux mouvements du sol,

et particulièrement aux mouvements différentiels. Leur analyse est elle aussi réalisée en trois phases

définies comme ci-dessous par la norme LUL.

Phase I – Une première étude est réalisée, basée sur la méthode décrite par O’Reilly et New (1991).

A l’issue de cette première phase, les équipements de LUL sujets à des mouvements verticaux

excédant 5mm ou à une inclinaison excédant 1 :5000 sont étudiés en Phase II.

Phase II – Cette étude plus précise évalue les mouvements absolus et relatifs des deux rails de

chaque voie. A ce stade, les cas temporaires et définitifs sont considérés et il est supposé que les

mouvements du sol sont intégralement transmis aux rails. Le cas dit « temporaire » décrit la situation

temporaire où le front de taille du tunnel est situé sous le croisement considéré. Ce cas peut s’avérer

déterminant puisqu’il est le seul à induire des mouvements longitudinaux. Les résultats de cette

étude sont confrontés aux valeurs limites définis par les normes de LUL en fonction de la nature de la

voie considérée. Lorsque ces valeurs sont excédées, une phase III est requise.


Phase III – Cette dernière phase consiste en l’élaboration d’un modèle numérique tenant compte de

l’interaction sol-structure, principalement lorsque la voie est située dans un ouvrage souterrain.

7.2.2.2. Endommagement de la structure des tunnels

Tout comme les voies ferrées qu’elles contiennent, les structures des tunnels ferroviaires font l’objet

d’une étude d’impact. Cette étude est précédée d’une phase de reconnaissance permettant

d’évaluer la condition réelle de ces structures. Les informations provenant de cette reconnaissance

n’étant pas encore disponibles, l’étude de la structure des tunnels n’a pas encore été réalisée. Elle

représente cependant une étape clé de la procédure d’acceptation. Elle possède en effet des

implications structurelles puisque la pérennité de l’ouvrage est en jeu, mais également fonctionnelles

car une déformation trop importante de la structure peut conduire au non-respect des gabarits

définis par les normes LUL.

7.3. Etude de cas

Le processus de l’étude globale est ici présenté au travers d’une étude de cas. Le cas étudié concerne

les mouvements de sol engendrés par la combinaison de la construction du puits d’Eade Road et des

tunnels annexes de lancement construits de part et d’autre.

Le puits d’Eade Road est le puits de lancement de la portion de tunnel entre Hackney et St John’

Wood. Cette portion sera réalisée en deux étapes. La première sera lancée depuis le site d’Eade Road

vers le puits de réception de St John’s Wood à l’Est. Le tunnelier y sera démonté et réacheminé vers

Eade Road où il sera remonté et lancé vers le puits de réception de Hackney à l’Ouest. Afin de

procurer l’espace nécessaire à l’assemblage du tunnelier, deux tunnels auxiliaires sont réalisés en

béton projeté de part et d’autre du puits. Ces tunnels sont temporaires et même s’ils resteront en

place une fois le projet terminé, ils ne sont conçus que pour une durée de vie à court terme et seront

remblayés après la construction du tunnel principal. Un schéma détaillant les différentes étapes de

l’assemblage d’un tunnelier est proposé en Annexe E.

Trois phases sont donc à différencier dans la construction du projet à cet endroit, faisant chacune

l’objet d’une étude d’impact :

• Le puits seul (situation temporaire)

• Le puits et les tunnels auxiliaires (situation temporaire)

• Le puits, les tunnels auxiliaires et le tunnel de câble (situation permanente)

L’étude de cas suivante se concentre sur l’étude de l’impact du puits et des tunnels associés.


7.3.1. Données de l’étude

Figure 7.3.1.a – Vue en plan du site d’Eade Road

Les caractéristiques géométriques utilisées pour la création du modèle Xdisp sont résumées dans les

tableaux ci-dessous. Comme il a été vu en section 5.2.2, les tunnels en béton projeté possèdent une

forme complexe qui peut être approximée par un cercle. La section des tunnels auxiliaires de

lancement d’Eade Road est présentée par la figure 7.3.1.b.

Figure 7.3.1.b – Section du tunnel de lancement en béton projeté d’Eade Road

Tunnel principal Tunnel de lancement


Internal Diameter (m)

External Diameter (m)

Base Level (m AOD)

Existing Ground Level (m AOD)

12.5 m 14.25 m - 14.93 m + 24.20 m

Tableau 7.3.1.a – Dimensions du puits d’Eade Road

Adit Equivalent Internal Diameter (m)

Lining Thickness (m)

Invert Level along adit (mAOD)

Adit Length from the shaft edge (m)

To HKY 5.36 m 0.25 m varies 90.97 m

To SJW 5.36 m 0.25 m varies 74.04 m

Tableau 7.3.1.b – Dimensions des tunnels auxiliaires de lancements d’Eade Road

7.3.2. Résultats de la Phase I

Figure 7.3.2 – Modélisation des mouvements de sol à l’aide du logiciel Xdisp.

Les mouvements du sol sont calculés à l’aide du logiciel xdisp comme décrit dans les sections 6.1 et

7.1.5.2.2. Les Graphiques ci-dessous donnent l’allure des mouvements calculés.

Max Settlement

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0 50 100 150 200 250 300

<- Hackney Finsbury Park ->

Set

tlem

ent

[mm

]


Graphe 7.3.2.a – Tassement maximum le long du tracé du projet

Graphe 7.3.2.b – Contours de tassements

Les isovaleurs de tassement présentées par le graphe 7.3.2.b sont ensuite reportées sur un

plan représentant le site impacté. Ces isovaleurs sont appelées contours de tassements. Ces

contours, représentés en annexe F, servent à l’identification des structures et équipements

potentiellement affectés nécessitant une étude en Phase II.

Au regard des critères présentés en section 7.1.1, les bâtiments et réseaux suivants ont été

identifiés pour une étude en Phase II et sont repérés sur la plan en annexe F.

Utility Owner Utility Type Utility Material Dimension

Thames Water

Utilities

Combined

Sewer

Brick 1524x1016

Transco (Gas) Low Pressure

Gas

Cast Iron 12’’ CI

Tableau 7.3.2.a – Réseaux identifiés en Phase 1

Reference Number

Building Location Assumed Building Type

Assumed Building Height

Building 2 Eade Road Works Factory 18 m





Tableau 7.3.2.b –Bâtiments identifiés en Phase 1

Settlement Contours

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

0 50 100 150 200 250 300

<-Hackney Finsbury Park ->

Con

tou

r off

set

1mm 5mm 10mm 15mm 20mm 25mm


7.3.3. Résultats de la Phase II

Les tableaux suivant synthétisent les résultats des études de dommage réalisées pour les

équipements identifiés au cours de la phase I. Ces résultats ont été obtenus à l’aide des méthodes

discutées en section 7.1.2

Utility Owner

Utility Type Tensile Strain (%)

Tensile Strain Result

Maximum Expected Settlement (mm)

Thames

Water

Utilities

Combined

Sewer

0.210890% Fail 16.2 mm

Transco

(Gas)

Low Pressure

Gas

0.012887% Fail 11.36mm

Tableau 7.3.3.a – Déformation des conduites

Utility Owner Utility Type Joint Rotation (degrees)

Joint Rotation Result

Thames Water

Utilities

Combined Sewer N/A N/A

Transco (Gas) Low Pressure Gas 0.163

Fail

Tableau 7.3.3.b – Rotation des joints des conduites

Utility Owner Utility Type Joint Pull Out (mm)

Joint Pull Out Result

Thames Water

Utilities

Combined Sewer N/A N/A

Transco (Gas) Low Pressure Gas 1.28 mm Fail

Tableau 7.3.3.c – Ouverture des joints des conduites

Figure 7.3.3 – Modélisation des bâtiments par la méthode de Burland à l’aide du logiciel Xdisp


Building Maximum Expected Settlement (mm)

Tensile Strain (%)

Damage Category

Building 2 11.604 0.030453 Negligible





Retaining Wall 23.04 0.034552 Negligible

Tableau 7.3.3.d – Catégories de dommage des bâtiments

Au regard de cette étude, aucun bâtiment ne requiert d’analyse plus approfondie. Il est cependant

recommandé à Costain de s’assurer de leur bon état et de contrôler leurs mouvements tout au long

des opérations de construction.

L’égout et la conduite de gaz étudiés en phase II ne vérifient pas les critères imposés par leurs

propriétaires respectifs et seront analysés au cours d’une future phase III prenant en compte

d’éventuels facteurs modérateurs.


Conclusion

Après un premier stage ouvrier réalisé en 2009 dans le domaine des travaux publics et un

deuxième stage technique réalisé au sein d’une entreprise d’exécution spécialiste des

fondations profondes, cette dernière expérience professionnelle s’est inscrite dans une

volonté de plus en plus précise de découvrir les travaux géotechniques et souterrains. En

réalisant mon projet de fin d’études au sein d’un bureau d’études en charge de la

conception détaillée d’un projet tunnelier majeur au cœur de Londres, j’ai pu compléter ma

compréhension du processus de réalisation des ouvrages et en avoir une vision plus globale.

A travers l’étude de l’impact de ce projet sur les structures et équipements existants, j’ai été

amené à m’approprier les différentes méthodes permettant de décrire les mouvements du

sol et l’impact causé aux structures. De par la grande diversité des ouvrages potentiellement

affectés, cette étude transversale s’est révélée extrêmement enrichissante. Elle a en effet

nécessité la compréhension des mécanismes d’endommagement de ces structures, et la

compréhension des méthodes de réalisations des puits et des tunnels, sources des

mouvements du sol. De par l’autonomie et la confiance qui m’a été accordées, j’ai pu

mettre en valeur les enseignements reçus à l’INSA tout au long de ma formation afin de

proposer des solutions permettant d’exploiter efficacement les théories et les outils

présentés dans ce rapport, notamment à travers la création de différentes feuilles de calculs.

Ces solutions m’ont permis de réaliser l’évaluation de l’impact des éléments du projet déjà

dimensionnés.

Dans ce cadre, j’ai également été amené à rédiger des rapports présentant les conclusions

de ces études et à rencontrer à plusieurs reprises l’entreprise d’exécution supervisant la

conception détaillée d’Halcrow afin de présenter l’avancée de mes travaux et de discuter les

hypothèses d’étude retenues.

Enfin, le fait d’avoir réalisé cette expérience à Londres a été une réelle opportunité. D’un

point de vue humain et personnel tout d’abord, elle a été une chance de découvrir la

perception britannique des relations humaines et professionnelles. D’un point de vue

professionnel, elle a été l’occasion d’améliorer mon anglais courant et technique, langue

aujourd’hui incontournable, qui plus est dans le domaine des travaux souterrains qui offre

de nombreuses opportunités internationales.

Si ce projet de fin d’étude marque la fin de mon cursus à l’INSA de Strasbourg, il n’est que le

commencement d’un nouveau cycle de formation et d’acquisition que j’aurai le plaisir de

continuer dès le mois de juillet en intégrant Halcrow.


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In: Geddes JD(ed) Ground Movements and Structures. Pentech Press, Plymouth. pp 145–160.

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PROJET DE FIN D’ETUDES - eprints2.insa-strasbourg.freprints2.insa-strasbourg.fr/798/1/PFE_-_Mémoire_-_Daudibertières.pdf · PFE – Rapport Final – Juin 2011 Pierre DAUDIBERTIERES