Des effondrements récents des tunnels au cours de creusement lors de séismes ont mis en évidence la vulnérabilité de ce type d'ouvrage, en particulier ceux implantés dans les sols meubles (Tunnel de Bolu, Turquie, 1999). L’étude de la réponse sismique d’un tunnel au cours de la construction est complexe, car elle exige de prendre en compte la non linéarité du sol, l’interaction sol-structure, mais aussi l’évolution de la géométrie et l’aspect tridimensionnel lié à la présence du front de taille. Ce travail a pour but d’évaluer l’influence de creusement sur la réponse sismique globale d’un tunnel en prenant compte la présence du front de taille. L’étude est effectuée à l’aide d’une modélisation numérique tridimensionnelle par différences finis de l’interaction tunnel-séisme-front de taille. Le modèle proposé intègre une procédure du creusement du tunnel développée par Mroueh (1998). En effet, le mode de creusement perturbe sensiblement l’état des contraintes géostatiques, ce qui peut affecter la réponse de l’ouvrage sous sollicitation sismique. Le modèle tridimensionnel permet également d’étudier la réponse sismique de l’ouvrage pour des sollicitations sismique transversales (à l’axe du tunnel) et longitudinales. Dans un second temps, on étudie l’influence du renforcement du front de taille par boulonnage sur la le comportement global de l’ouvrages. Une étude paramétrique portant sur plusieurs paramètres concernant le boulonnage, la profondeur du tunnel et l’état de confinement mécanique du front ont été examinés. / Recent collapses of tunnels under construction during earthquakes have highlighted the vulnerability of this type of structures, especially those located in soft soils (Tunnel Bolu, Turkey, 1999). The study of the seismic response of a tunnel under construction is complex because it requires taking into account the nonlinearity of soil, soil-structure interaction, as well as the evolution of the geometry and three-dimensional aspect due to the presence of the tunnel face.The present work aims to evaluate the influence of excavation on the overall seismic response of a tunnel taking in consideration the presence of the tunnel face. The study is conducted using a three-dimensional numerical modeling by finite differences of the earthquake-tunnel under construction interaction. The proposed model includes an excavation procedure developed by Mroueh (1998), since the method of excavation disturbs significantly the state of geostatistical constraints, and this can affect the response of the structure under seismic loading. The present three-dimensional model allows as well to study the seismic response of the structure subjected to seismic solicitations transverses (to the tunnel axis) and longitudinals. In a second step, we study the influence of the tunnel face reinforcement by bolting on the overall behavior of the structures. A parametric study concerning bolting, the depth of the tunnel and the state of mechanical confinement of the tunnel face were performed.

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.

De nos jours, l'utilisation de tunneliers à front pressurisé est souvent pleinement justifiée, en particulier en contexte urbain, où les terrains sont meubles, partiellement ou totalement saturés, et où la préservation du bâti impose une limitation drastique des pertes de volume au cours de l'excavation. Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension de la phénoménologie de ce mode de creusement et à développer de nouveaux outils d'aide à la justification des ouvrages, au dimensionnement des machines et au pilotage des chantiers. Dans un premier temps, des analyses sont menées à partir d'essais sur un modèle réduit de tunnelier à pression de terre original à l'échelle internationale. Celles-ci concernent le comportement en contraintes et déplacements du massif au cours du creusement en régime idéal, l'évaluation de la stabilité du front de taille, et l'analyse des grandeurs-machine du tunnelier. Les analyses réalisées sont menées en massifs de sol homogènes ainsi qu'en massifs stratifiés (bicouches/tricouches) configurations fréquemment rencontrées sur chantier. Dans un second temps, les analyses effectuées à l'échelle du modèle réduit sont confrontées à des données de chantier pour validation de la modélisation physique effectuée. Enfin, la modélisation théorique du creusement pressurisé des tunnels est étudiée. D'une part, les capacités et limites des outils analytiques (calcul à la rupture) et numériques d'évaluation de la stabilité du front de taille sont évaluées par confrontation avec nos résultats expérimentaux. D'autre part, une procédure de modélisation numérique du processus de creusement en régime idéal, calée sur la modélisation physique, est proposée.

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.