Dans les années 80, de nouvelles techniques, basées sur la mise en place de système de présoutènements à l’avant du front de taille, se sont développées dans le domaine du creusement de tunnels dans des terrains difficiles. Ce travail de thèse représente une contribution à l’étude des effets de deux types de présoutènements mis en œuvre, le boulonnage au front et la voûte parapluie, sur les déformations du massif et sur la valeur du taux de déconfinement. L’objectif étant d’améliorer les méthodes de prévision des tassements en surface pour les tunnels réalisés avec des techniques de présoutènements. Pour atteindre ce but, l’étude s’est basée sur deux étapes principales : dans un premier temps, une participation active au suivi régulier des déformations enregistrées sur le chantier du tube sud de Toulon ; dans un deuxième temps, l’élaboration d’analyses en retour à l’aide de modélisations numériques calées sur les observations collectées sur le chantier. Le suivi des déformations du massif et la mise en place de deux sections ins-trumentées ont permis d’acquérir une importante base de données sur laquelle les simulations numériques ont été validées. Les mesures enregistrées in situ ont mis en évidence que le champ de déformation provoqué par le creusement du tunnel est tridimensionnel. L’analyse de l’évolution des mouvements en surface a également conduit à proposer une expression analytique de prévision des tassements de surface, qui a été ensuite utilisée pour le pilotage du creusement du tunnel. Des analyses en retour, basées sur les mesures enregistrées in situ, ont été réalisées avec des simulations numériques bidimensionnelles et tridimensionnelles. L’approche 2D a souligné la forte influence du choix de la valeur du taux de déconfinement sur les résultats numériques. Afin de lever cette incertitude, un modèle 3D a été mis au point et a permis d’étudier l’influence des différents systèmes de (pré)soutènements sur la réaction du massif encaissant. Le boulonnage au front de taille et la distance de retard du contreradier ont montré avoir un rôle prépondérant sur le développement des mouvements dans le massif. Des calculs bidimensionnels ont été effectués en parallèle et les résultats ont été calés sur ceux du calcul 3D afin de trouver le taux de déconfinement correspondant à chaque configuration de (pré)soutènement testée. Les deux approches numériques, 2D et 3D, ont enfin été calées sur une section du tunnel de Toulon et la correspondance très satisfaisante avec les mesures in situ a permis de valider nos simulations. Une réflexion finale sur les résultats obtenus semble montrer que le taux de décon-finement est beaucoup plus influencé par le phasage des travaux et le présoutènement, que par les caractéristiques géomécaniques intrinsèques du massif. / During the 80s, new technologies, based on face reinforcement systems, were developed in the field of tunnels excavation in complex soils. The following thesis is a further contribution to the analysis on the effects of two types of pre-reinforcements, tunnel face bolting and pipe umbrella, in the massif deformations and in the stress release value. The aim being to improve methodologies of surface settlements prevision for tunnels built through pre-reinforcement techniques, this study has been divided into two main steps. At first, deformations monitoring registered on site during the Toulon south tube excavation has been actively followed. Secondly, back analysis based on ob-servations collected on site has been elaborated using numerical modelling. The numerical simulations have been validated thanks to an important database obtained by deformations monitoring and by setting up two instrumental sections. Measures registered on site have shown that the deformation field caused by tunnel excavation is tridimensional. Furthermore, analysis on surface movement evolution has led to an analytical expression for surface settlements predictions, which has been used for tunnelling process adaptation. Afterwards, back analyses based on measures registered on site have been realised using bi-dimensional and tri-dimensional numerical simulations. The 2D approach stressed out the strong impact of the stress release value on numerical results. For this reason, a 3D model has been built and eventually used to study reinforcement systems influence on the ground mass reaction. Tunnel face bolting and tunnel invert position have shown to be of huge importance for the ground movements development. At the same time, bi-dimentional calculations have been made and results have been fitted on 3D calculation ones. This operation has permitted to find the stress release value corresponding to each pre-reinforcement configuration tested before. Finally, both 2D and 3D numerical approaches have been fitted on one area of Toulon tunnel and the satisfactory matching with measures taken on site has validated our simulations. In conclusion, one further analysis on results seems to show that stress release value is much more influenced by workflow steps and pre- reinforcement than by ground geomechanical characteristics.

L’état de contrainte des galeries et tunnels souterrains évolue dans le temps, tout d’abord en raison de l’avancement du front de taille lors de la construction, mais aussi en raison des changements graduels des propriétés du terrain ou des caractéristiques mécaniques des matériaux constitutifs de l’ouvrage (réduction de la cohésion, vieillissement). Ces changements sont causés par des actions combinées comme: les processus d’altération dus aux infiltrations des eaux météoriques et de réseaux concessionnaires, mais aussi par l’apparition des fissures qui induisent par ailleurs des redistributions de contraintes et de déformations, ainsi que par le fluage des matériaux. Dans cette étude, un travail préliminaire, nous permet de quantifier l’état de contrainte initial lors de la construction des ouvrages. Notre approche basée sur la modélisation éléments finis 2D permet de simuler l’état d’équilibre interne des excavations, nos résultats sont en adéquation avec ceux issus des méthodes analytiques de la littérature. Cet état initial est ensuite calibré via une modélisation 3D. Puis, une macro-modélisation à base d’éléments finis nous permet d’envisager différents scénarios de détérioration des soutènements, notamment à l’extrados des galeries de couloirs d’accès et tunnels de ligne de métro Parisien. Un des scénarios étudié prend en considération la réduction de la résistance mécanique du piédroit et de la zone interface entre le sol et la paroi, ainsi que le fluage de l’encaissant et du revêtement. En utilisant une loi qui permet de simuler la perte de cohésion, paramètre qui évolue en fonction de la déformation inélastique et en fonction du temps, le comportement mécanique des zones dégradées est ainsi reproduit par un modèle viscoplastique de type adoucissant ou à écrouissage négatif. Nous mettons bien en exergue les processus de dégradation observés sur ces galeries durant leur exploitation. Les différentes modélisations permettent de mieux évaluer l’état des différents composants de l’ouvrage selon le type de dégradation et selon le temps traduisant ainsi son vieillissement. Elles permettent également de jauger la sensibilité et la pertinence de différents paramètres. In fine, nous évaluons les pathologies de ces structures, ce qui permet de fournir des indicateurs quant à la gestion de ce patrimoine. / The stress state of underground tunnels and galleries evolves over time , firstly because of the advancement of the working face during construction , then due to gradual changes in soil properties and mechanical properties of materials component of the infrastructures (reduction of cohesion, aging). These changes are caused by combined actions such as: weathering processes due to infiltration of meteoric waters and concessionaires networks, but also by the cracks appearance that induce further redistribution of stress and strain, and the creep. A particular attention is paid to the determination of the initial state of stresses applied on the structure right after the construction. In order to approach this initial stress state which corresponds to the construction phase of underground structures, we propose a methodology based on comparing the numerical model with analytical methods taken from literature. Then we compare 2D and 3D numerical models. Thereafter, a macro- modeling based on the finite elements method allows considering different scenarios of the tunnel-linings deterioration, specifically at the extrados of the galleries and Paris metro line tunnels. One of the studied cases takes into account the mechanical strength loss of the abutment and the interface between the ground and the wall area including their creeps. Therefore, Elasto-viscoplastic with strain softening constitutive model is used in this study to reproduce the degraded zone behavior. The numerical models show that we can reproduce the underground structure behavior during degradation and assess the state of different structure components. The approach used here for the Parisian metro tunnels may be used by the other underground structures managers.

Cette thèse vise à étudier le comportement de revêtement articulé du tunnel en développant une nouvelle approche numérique à la Méthode de Réaction Hyperstatique (HRM) et la production des modèles numériques en deux dimensions et trois dimensions à l'aide de la méthode des différences finies (FDM). L'étude a été traitée d'abord sous charges statiques, puis effectuée sous charges dynamiques. Tout d'abord, une étude bibliographique a été effectuée. Une nouvelle approche numérique appliquée à la méthode HRM a ensuite été développée. En même temps, un modèle numérique en deux dimensions est programmé sur les conditions de charge statique dans le but d'évaluer l'influence des joints, en termes de la distribution et des caractéristiques des joints, sur le comportement du revêtement articulé de tunnel. Après cela, des modèles complets en trois dimensions d'un seul tunnel, de deux tunnels horizontaux et de deux tunnels empilés, dans lesquels le système des joints est simulé, ont été développés. Ces modèles en trois dimensions permettent d'étudier le comportement non seulement du revêtement du tunnel, mais encore le déplacement du sol entourant le tunnel lors de l’excavation. Un modèle numérique en trois dimensions simplifié a ensuite été réalisé afin de valider la nouvelle approche numérique appliquée à la méthode HRM.Dans la dernière partie de ce mémoire, la performance du revêtement articulé du tunnel sous chargements dynamiques est prise en compte par l’analyse quasi-statique et dynamique complète en utilisant le modèle numérique en deux dimensions (FDM). Un modèle HRM a également été développé prenant en compte des charges quasi-statiques. Les différences de comportement de tunnel sous chargements statiques et sismiques sont mises en évidence et expliquées. / This PhD thesis has the aim to study the behaviour of segmental tunnel lining by developing a new numerical approach to the Hyperstatic Reaction Method (HRM) and producing two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) numerical models using the finite difference method (FDM). The study first deals with under static loads, and then performs under dynamic loads. Firstly, a literature review has been conducted. A new numerical approach applied to the HRM has then been developed. At the same time, a 2D numerical model is programmed regarding static loading conditions in order to evaluate the influence of the segmental joints, in terms of both joint distribution and joint stiffness characteristics, on the tunnel lining behaviour. After that, full 3D models of a single tunnel, twin horizontal tunnels and twin tunnels stacked over each other, excavated in close proximity in which the joint pattern is simulated, have been developed. These 3D models allow one to investigate the behaviour of not only the tunnel lining but also the displacement of the ground surrounding the tunnel during the tunnel excavation. A simplified 3D numerical model has then been produced in order to validate the new numerical approach applied to the HRM. In the last part of the manuscript, the performance of the segmental tunnel lining exposed to dynamic loading is taken into consideration through quasi-static and full dynamic analyses using 2D numerical models (FDM). A new HRM model has also been developed considering quasi-static loads. The differences of the tunnel behaviour under static and seismic loadings are highlighted.

Les vibrations du sol induites par les activités humaines telles que, les activités industrielles, la circulation des camions et voitures, les explosions dues aux constructions ou l’exploitation de la déconstruction, atteignent souvent la limite de gêne pour les usagers et parfois la limite de nocivité. Dans les régions urbaines à forte densité et pour les bâtiments abritant des équipements sensibles, les vibrations du sol doivent être strictement contrôlées. Jusqu'à présent, de nombreuses méthodes de réduction de vibration ont été proposées, dont l'une est l'installation d'une barrière d'ondes entre les sources et les structures à protéger. Au cours des dernières décennies, l'efficacité de l'isolation des vibrations à l’aide de barrière d'ondes a été étudiée. Toutefois, il y a peu de travaux consacrés à l’influence mutuelle des paramètres du système sol-barrière sur l'efficacité de l'isolation de la barrière d'ondes, et l'optimisation de la barrière d'onde est également rare. D'autre part, l'influence des vibrations du sol, générées par les explosions durant la construction d’un nouveau tunnel, sur un tunnel avoisinant, interpelle en raison des dommages qui peuvent être produits. Jusqu'à présent, il existe peu de mesures d'atténuation globale proposées par les chercheurs et les ingénieurs concernant la réduction de vibrations dans les tunnels lors des explosions. Pour répondre à ces insuffisances, cette thèse porte sur l'étude de l'influence des différents paramètres du système sol-barrière et qualifie l'efficacité de l'isolation de la barrière d'ondes. Les paramètres clés sont identifiés, leur rôle respectif quantifié. Plus important encore, une méthode de conception d'optimisation est mise au point, dans le but de proposer la barrière qui est capable de réduire au minimum la vibration du sol en site protégé. Enfin, le comportement dynamique du tunnel existant sous les sollicitations des explosions proches est examiné. Les paramètres qui influent considérablement sur la réponse du tunnel sont mis en évidence. Deux mesures d'atténuation pratiques, concernant l'installation d'une couche de protection le long de la paroi du tunnel d’une part et des explosions à retardement (plutôt que des explosions instantanées) d’autre part, sont présentées en détails. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse sont en mesure de fournir des éléments pour la conception optimisée de la barrière d'ondes afin de réduire les vibrations du sol en site protégé et pour la conception de mesures d'atténuation concrètes afin de protéger un tunnel existant par des explosions à proximité. / Ground vibration induced by human activity such as industrial activities, car or truck traffic, or pilling and blasting in construction or deconstruction operation, generally reaches the troublesome limit for men and occasionally attains the harmful limit. In the densely populated urban regions and buildings housing sensitive equipments, ground vibration has to be strictly controlled. Up to now, many vibration reduction methods have been proposed, one of which is the installation of wave barrier between the dynamic sources and the protected structures. Over the past decades, the vibration isolation effectiveness of wave barrier has been extensively studied. However, to the best of the writer’s knowledge, there is little study about the mutual influence of the parameters of soil-barrier system on the barrier screening efficiency, and the optimization design for wave barrier is rare as well. On the other hand, the influence of ground vibration generated by explosions on the nearby existing tunnel has attracted more and more attention due to the recent damage or even failure of tunnels. Up to now, there are few mitigation measures comprehensively proposed by researchers and engineers for the tunnel vibration reduction during explosions. To overcome those drawbacks, this dissertation focuses on the investigation of the influence of various parameters of soil-barrier system on the barrier isolation efficiency. Key parameters are identified. More importantly, an optimization design method is developed, aiming to find out the desirable barrier that is able to minimize the ground vibration in protected site. Besides, the dynamic behavior of existing tunnel under nearby explosions is examined. Parameters that significantly affect the response of tunnel are pointed out. Furthermore, two practical mitigation measures: the installation of a protective layer along the tunnel lining and time-delayed explosions (rather than instantaneous explosions), are presented with details. The research in this dissertation is able to provide a good reference for the optimization design of wave barrier in reducing ground vibration in protected site and for the design of practical mitigation measures to protect existing tunnel from nearby explosions.