In this study, excavation of jet-grouted tunnels in ground with strong time-dependent behavior is analyzed. The constant growth of population has led to a constant increase in the price of lands and thus infrastructures. Underground alternatives are becoming more economical. Furthermore, advances in the construction technology have made it feasible to construct tunnels in difficult ground conditions. By providing a grouted arch ahead of the tunnel face, jet-grouting has proved effective for the stability and performance of tunnels in difficult conditions. Given the limited depth of jet-grouting into the face, the jet-grouted arch is loaded soon after installation, when the rigidity of the grouted material is growing significantly. The simultaneous loading and hardening of the jet-grouting makes the tunnel response depend on the excavation rate. Furthermore, in difficult tunneling conditions, the ground material is associated with highly viscous behavior. This behavior is synonymous with delayed deformation depending on the level and duration of the ground loading by the tunnel excavation. In order to show the importance of the time-dependent behaviors, the full-face and the sequential excavation method are compared using three-dimensional and two-dimensional finite element analyses. First, a three-dimensional model is constructed and its results are validated against available analytical solutions for time-independent behaviors. The hardening of the jet-grouting is then introduced into the model by embedding jet-grouting elements through the analysis. In order to account for the ground viscous behavior, an advanced viscoplastic constitutive model is adopted, numerically implemented in FORTRAN, and used in conjunction with finite element software ABAQUS. The excavation methods are compared for the well documented study case of Tartaiguille tunnel. The results indicate that the full-face method outperforms the sequential method in the studied case by installing the tunnel invert closer to the face. The two-dimensional analysis of the tunnel is conducted by using the convergence-confinement method. To this end, a new approach is introduced to use the method for tunnels in time-dependent conditions. The effect of the jet-grouting hardening and the ground viscous behavior is characterized within the new approach by deriving the ground convergence curves. The reverse dependency of these mechanisms on the tunnel advance rate leads to an optimum advance rate, at which minimum tunnel convergence develops. / text

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21359号 / 工博第4518号 / 新制||工||1703(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 岸田 潔, 教授 三村 衛, 教授 木村 亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

L’excavation d’un tunnel profond dans des terrains poussants pose des difficultés particulières de conception et d’exécution. Ce type de terrain est caractérisé par des fortes convergences en paroi du tunnel de nature différée et souvent anisotrope. Le comportement d’un tunnel excavé en terrain poussant est très influencé par la technique d’excavation utilisée. Le cas d’étude du tunnel routier du Fréjus et de sa galerie de sécurité permet d’illustrer ce phénomène. Il s’agit de deux tunnels parallèles qui montrent une configuration très intéressante étant donné qu’ils traversent des conditions géotechniques similaires et qu’ils sont creusés avec des techniques d’excavation différentes : le tunnel routier a été creusé par méthode conventionnelle à l’explosif tandis que la galerie de sécurité a été creusée avec un tunnelier à bouclier simple. Les mesures d’auscultation réalisées pendant l’excavation des deux tunnels ont été analysées et comparées. Des modélisations numériques pour simuler la réponse des deux tunnels ont été développées avec le logiciel Flac3D. Le comportement du terrain est simulé avec un modèle visco-elasto-plastique et anisotrope. L’anisotropie liée à la schistosité du terrain est introduite dans le modèle par la présence de plans de faiblesse d’orientation donnée (ubiquitous joint model) insérés dans une matrice rocheuse caractérisée par un comportement visco-elasto-plastique isotrope. Une rétro-analyse a été réalisée sur les mesures de convergence obtenues lors du creusement du tunnel routier du Fréjus. Le comportement du terrain identifié dans le tunnel routier est ensuite extrapolé pour prédire la réponse de la galerie de sécurité. L’objectif est de reproduire l’état des contraintes observé dans les voussoirs de la galerie de sécurité et d’extrapoler les sollicitations à long terme. L’influence que la technique d’excavation, en particulier sur le comportement différé du terrain a été prise en compte dans les simulations numériques. On a mis en évidence que les déformations différées du terrain sont réduites lorsque l’excavation est réalisée au tunnelier.Par ailleurs, une synthèse critique de la méthode convergence-confinement et de ses variantes a été réalisée. Une discussion a été menée sur l’applicabilité des méthodes convergence-confinent quand elles sont utilisées pour le dimensionnement des tunnels circulaires excavés en section pleine avec l’installation d’un soutènement raide près du front d’excavation comme c’est le cas lors d’une excavation au tunnelier. Dans ce contexte, un ensemble de formules empiriques sont proposées. Elles permettent d’obtenir avec une bonne précision l’état d’équilibre entre le terrain et le soutènement et peuvent être utilisées dans la phase de pré-dimensionnement des ouvrages / During the excavation of deep tunnels, squeezing ground conditions are often encountered. The squeezing behavior of the ground is characterized by large time-dependent and usually anisotropic convergences that take place at the tunnel wall. The technique of excavation has a strong influence on the tunnel response when it is excavated under squeezing conditions. This phenomenon is illustrated throughout the case study of the Fréjus road tunnel excavated with conventional drill and blast methods and of its safety gallery excavated with a single shield tunneling boring machine. They exhibit a very interesting configuration of two tunnels excavated in parallel under the same geotechnical conditions but with different excavation techniques. Monitored geotechnical data from both tunnels are analyzed and compared. Numerical simulations of both tunnels have been carried out with Flac3D. An anisotropic creep model which includes weakness planes of given orientation embedded in a visco-elasto-plastic matrix has been used for describing the behavior of the ground. A back-analysis of convergence measurements of the Fréjus road tunnel has been carried out. The behavior of the ground identified from the Fréjus road tunnel is extrapolated to predict the response of the Fréjus safety gallery in terms of the stress state in the lining. The influence of the technique of excavation on the time-dependent parameters of the ground is taken into account in the computations and its effects are discussed. It is shown that the long term ground deformation are significantly reduced with TBM excavation as compared to traditional blast and drill method.Furthermore, the convergence-confinement methods are reviewed and their applicability is discussed when they are applied to full face circular tunnels excavated in rock masses with a stiff support system near the face. In this context, a set of empirical formula are proposed which allows to accurately predict the equilibrium state between the ground and the lining in circular tunnels excavated in full section. These formula are useful in the preliminary phase of tunnel design