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.

Cette thèse porte sur l’utilisation de présoutènements pour réduire les tassements, c’est-à-dire la mise en place de boulons au front et d’une voute parapluie au-dessus du front. Elle cherche à fournir des outils pour évaluer l’impact des techniques de construction sur les tassements au moyen de calculs numériques par éléments finis. Une attention particulière est portée aux conséquences des choix de simulation sur les résultats obtenus.Le chapitre 1 présente une comparaison de différentes approches de simulation du creusement d’un tunnel peu profond en déformation plane. Les résultats ne justifient pas de privilégier les approches alternatives par rapport à l’approche classique qui utilise des forces de déconfinement. D’autre part, la disposition des présoutènements impose de réaliser des modélisations tridimensionnelles. Dans toute la suite du mémoire, on se place donc dans le cadre tridimensionnel. Dans un premier temps, le chapitre 2 présente une étude de l’influence de la géométrie du front de taille d’un tunnel sur sa stabilité : on compare le cas d’un front de taille vertical et d’un front de taille incliné ou courbe.Le chapitre 3 porte sur la prise en compte dans les simulations numériques du renforcement du front de taille par boulonnage. Nous avons comparé différentes approches, et montrer l’apport des modélisations qui prennent en compte de manière détaillée l’interaction sol-boulon, pour la simulation d’essais effectués en centrifugeuse.Dans le chapitre 4, on étudie l’influence des boulons au front sur les tassements. Nous avons cherché à discuter l’utilité de décrire en détail certains aspects du processus de construction, comme le cycle de renouvellement des boulons au front. Nous avons également discuté l’influence de la distance de pose du radier en arrière du front.Le chapitre 5 étudie l’influence de la voute parapluie sur les tassements. Nous avons établi une modélisation qui prend en compte la géométrie conique de la voute parapluie et du soutènement et le cycle de renouvellement des tubes de la voute. Enfin, on a proposé une modélisation originale du procédé de réduction des tassements au moyen d’injections réalisées à partir des tubes de la voute, appelé « présoutènement actif ».Les résultats fournissent des éléments pour le dimensionnement des procédés de présoutènements, en montrant, par exemple qu’il existe une valeur limite à partir de laquelle il n’est plus utile d’augmenter le nombre de boulons ou de tubes. Ils montrent également que certains choix de modélisation ont peu d’influence sur les tassements, ce qui justifie de prendre en compte des hypothèses qui simplifient la réalisation pratique des études numériques.La thèse a été financée par le projet FUI Newtun, piloté par Solétanche-Bachy / This thesis focuses on the use of pre-reinforcements to reduce the settlements, namely the reinforcement of the tunnel face by bolts, or the installation of a pipe-roof umbrella placed above the face. It seeks to provide tools to evaluate the influence of the construction techniques on the settlements by means of finite element simulations. A special attention is paid to the consequences of the choices of simulation on the numerical results obtained.Chapter 1 presents a comparison between different approaches of simulation for the excavation of a shallow tunnel in plane strain. The results show that the alternative approaches do not give better results, in terms of width of the predicted settlement trough, than the classical approach based on excavation forces. On the other hand, the implementation of the pre-reinforcements imposes to carry out three-dimensional simulations. In this context, ones discusses, in chapter 2, the influence of the geometry of the tunnel face of a tunnel on his stability: we compare the case of a vertical tunnel face and with an inclined or curved tunnel face.Chapter 3 focuses on the techniques that can be used to take into account in the numerical simulations the reinforcement of the tunnel face by bolting. We have compared different approaches, and showed that models that take into account in more detail the soil-bolt interaction give better results for the simulation of centrifuge tests.In Chapter 4, we discuss the influence of the bolts on the settlements. We have discussed the utility of taking into account in the simulation some aspect of the construction process, such as the renewal of the bolts. Also, we have discussed the influence of the distance between the tunnel face and the invert.Chapter 5 studies the influence of the pipe umbrella on the settlements. We have established a model that takes into account the conical geometry of the pipe umbrella and the lining, and the cycle of renewal of the pipes. In the last place, we have proposed an original modelling of the technique of aiming at reducing the settlements by means of injections carried out from the pipes, called “active pre-reinforcement”.The results provide some elements for the design of the pre-reinforcement elements, and show for example that there exists a threshold value above which it is not useful to increase the number of bolts or of pipes. On the other hand, they show that some choices of simulation have little influence on the computed settlements, which justifies some assumptions that can be useful to reduce the complexity of three dimensional numerical models.The thesis has been funded by the project FUI Newtun (under the coordination of Solétanche-Bachy)

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.