Comportement différé, anisotrope à la descenderie de Saint-Martin-la-Porte / Time-dependent, anisotropic behavior of Saint-Martin-la-Porte gallery

Le comportement poussant fait référence au phénomène de grande déformation différée et souvent anisotrope observée lors de l'excavation du tunnel en terrain tectonisé. Il est à l'origine de difficultés d'avancement ce qui exige une adaptation de la méthode de creusement et de la conception des soutènements. Le présent travail vise à étudier le comportement des tunnels en terrain poussant en portant une attention particulière à l'anisotropie du massif rocheux par des approches à la fois analytique et numérique. Après un état de l'art sur le creusement des tunnels en terrain poussant, on interprète les données d'auscultation récoltées pendant l'excavation de la descenderie de Saint-Martin-La-Porte dans la cadre du projet Lyon-Turin. Des solutions analytiques pour tunnel creusés en milieu anisotrope sont ensuite développées en prenant en compte la complexité géométrique de la section, l'interaction entre deux tunnels parallèles, l'interaction terrain-soutènement et aussi les grandes déformations. Enfin, un modèle différé anisotrope qui comprend des joints rocheux avec une orientation fixe, imbriqués dans une matrice viscoplastique est proposé et implémenté dans FLAC3D. Les résultats de la simulation numérique réalisée avec ce modèle sont comparés aux mesures de convergence réalisées pendant l'excavation du tunnel. De plus, l'approche numérique a été étendue pour analyser le comportement d'un soutènement déformable en prenant en compte l'effet de l'anisotropie de la masse rocheuse / Squeezing behavior is characterized by large time-dependent and often anisotropic deformation during and well after excavation of tunnel and may lead to tremendous operational difficulties. The present thesis aims to deal with tunneling in squeezing ground with a special emphasis on the anisotropic behavior combining analytical and numerical approach. Following an overview on the squeezing behavior, the attention moves on the interpretation of the data monitored during the excavation of Saint-Martin-La-Porte within the Lyon-Turin railway project. The closed-formed solutions for tunnel excavated in anisotropic ground are then developed considering the complexity of tunnel cross-section, the interaction between two tunnels, the interaction ground/support and also the large strain calculation. Finally, an anisotropic creep model which includes weak planes of specific orientation embedded in a viscoplastic medium is proposed and implemented in FLac3D in order to back analyze the convergence data of Saint-Martin-La-Porte access gallery. The numerical model is also applied to the analysis of the behavior of the yield-control support systems taking account the effect of anisotropy of rock mass

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