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MASTERE SPECIALISE

TUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINSDe la conception à l’exploitation

Module 4. « Conception et Justification »

ETUDE DE CAS : TUNNEL DE MEKNES (MAROC) :

conception et réalisation d’un tunnel en terrain

meuble sous faible couverture

H. LE BISSONNAIS

TERRASOL

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Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknès

1. LE PROJET

2. LES ETUDES

PLAN DE LA PRESENTATION

INSA Lyon - ENTPE MS TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS 2012-2013

3. LE CHANTIER

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Tunnel ferroviaire

Ligne Rabat -

Meknès

1. PROJET –

Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes


Linéaire : 400 ml

Section : 87 m²

Ouverture : 12 m excavés

Hauteur : 8,5 m

Couvert. max : 26 m

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Effondrement en 1999 au début des travaux en tête

nord (18 ml d’excavation en pleine section),

fontis remontant en surface

1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX


Reprise des études par Terrasol / Setec TPI en 2000- Expertise- Avant projet- Projet- DCE- suivi des travauxD

ocum

ents

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OS

1. PROJET –




Profil en long géologique

Marnes du Miocène compactes, avec de rares niveaux plus sableux et quelques traces de gypse, et seulement 1 à 2 m d'éboulis ou zones altérées en surface

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Plasticité : IP = 15 à 30Teneur en eau w = 18 à 22 % en moyennePressiomètre: pl = 1,3 à 3 MPaet EM = 15 à 40 MPa


Caractéristiques mécaniques des marnes


Pressiomètre: pl = 1,3 à 3 MPaet EM = 15 à 40 MPaRésistance au cisaillement : c' = 10 à 40 kPa

et ϕ’= 25 à 28°Cohésion non drainée : cu =100 à 200 kPa

Marnes beiges (tête sud) plus médiocres (cu = 120 kPa) que les marnes grises (cu = 200 kPa)

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Pleine sectionbéton projeté 25 cm d’épaisseur

boulons HA25


Deux types de soutènement envisageables


maille de 1,25 x 1,25

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Béton projeté 25 cm d’épaisseur

Cintres lourds HEB 180


Section divisée


espacés de 1,25 m

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LES ETUDES :

En étude préliminaire

1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUXCALCUL CONVERGENCE-CONFINEMENT TERRASOL - V 1.3 du 30/06/1999

Formules de Panet Notation AFTES G.T. n°7Elastoplasticité, critère de Mohr-Coulomb Unités kPa, m

Affaire n° 16985

Marnes MIOCENEE0 = 45000 C0 = 225 φ0 = 0

ν = 0.49 r = 5 σo = 630σc = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373λe = 0.36 σre = 405 Kp = 1.00

Calcul de la courbe du soutènementλso = 0.75

Uso = 0.1119

Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + CintresRaideur : ks = 740241Pression max : Ps = 638

Pression sur soutènement à l'équilibre : Pse = 154 FS = 4.1

Béton Cintres HEB 180fc28 = 15000 Type Acier = 240FS b = 0.6 FS a = 0.75

Eb = 1.0E+07 Ea = 2.1E+08

Epaisseur = 0.25 Espacement = 1.25

k béton = 520833 k cintres = 219408

Ps béton = 450 Ps cintres = 188

Calcul de la courbe du terrain

0TUNNEL MEKNES


En étude préliminaire Approche convergence

confinement(approches empiriques

type RMR ou Barton peu pertinentes pour terrain

type sol)


0

100

200

300

400

500

600

700

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250Déplacement Ur (m)

σσ σσr (

kPa)

Courbe du soutènement

Courbe du terrain Calcul Court Terme

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Méthode convergence confinementRappel des conditions d’utilisation :

chargement isotrope couverture > 5D


couverture > 5Dtunnel circulairephasage non pris en compte

Difficulté : détermination du taux de déconfinement à la pose du soutènementD

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OS



Contrainte initiale σσσσo = 30 * 21 = 630 kPa

Cohésion court terme cu = 200 à 250 kPa


Cohésion court terme cu = 200 à 250 kPa(en moyenne 225 kPa) avec φφφφu = 0°

Module d'Young E = 1,5 * EM = 45 MPa

Rayon du tunnel R = 5 mDoc

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CALCUL CONVERGENCE-CONFINEMENT TERRASOL - V 1.3 du 30/06/1999


Affaire n° 16985


ν = 0.49 r = 5 σo = 630

σc = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373

λe = 0.36 σre = 405 Kp = 1.00


Uso = 0.1119

Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + CintresRaideur : ks = 740241Pression max : Ps = 638


Béton Cintres HEB 180fc28 = 15000 Type Acier = 240FS b = 0.6 FS a = 0.75

Eb = 1.0E+07 Ea = 2.1E+08


0TUNNEL MEKNES

CALCUL CONVERGENCE-CONFINEMENT TERRASOL - V 1.3 du 30/06/1999


Affaire n° 16985


ν = 0.49 r = 5 σo = 630σc = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373

λe = 0.36 σre = 405 Kp = 1.00


Uso = 0.1119

Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + BoulonsRaideur : ks = 564146Pression max : Ps = 597


Béton boulons HA25fc28 = 15000 Type Acier = 500FS b = 0.6 FS a = 0.75

Eb = 1.0E+07 Ea = 1.0E+08Longueur = 4


0TUNNEL MEKNES


Epaisseur = 0.25 Espacement = 1.25

k béton = 520833 k cintres = 219408


0

100

200

300

400

500

600

700

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250Déplacement Ur (m)

σσ σσr (

kPa)



Longueur = 4Epaisseur = 0.25 Maille = 1 pour 1.25 m2

k béton = 520833 k boulons = 43312

Ps béton = 450 Ps boulons = 147

0

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200

300

400

500

600

700

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250Déplacement Ur (m)

σσ σσr (

kPa)



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STABILITE DU FRONT

Critère de stabilité du front N = σσσσo / cu < 5 vérifié (N = 3 au maximum).


Pas de renforcement par boulonnage du front systématique (boulons en fibre de verre)

A prévoir de façon localisé (aux têtes et dans les zones à faible couverture).

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Proposition de reconnaissances complémentaires - 3 sondages carottés : 13 + 30 + 15 = 58 ml, - 3 sondages pressiométriques : 20 + 40 + 20 = 80 m - 11 prélèvements d’échantillons intacts- Essais en laboratoire (identification, triaxiaux)


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APS /APD : première étape :

Synthèse des reconnaissances complémentaires


Synthèse des reconnaissances complémentaires

Profil en long

Définition des caractéristiques de calculs

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Calcul éléments finis (Plaxisau


Calcul éléments finis (Plaxisau stade APS puis CESAR LCPC

au stade APD-DCE)

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Caractéristiques de calculs

Poids volumiqueγ(kN/m3)

Module instant. Eo(MPa)

Coef. de poissonν

Cohésioncourt terme Cu (kPa)

Angle de frot.φu

K0


ν

Formations superficielles

20 10 0,3 5 30 0.5

Marnes beiges 21 20 0,3 120 0 1

Marnes grise 21 40 0,3 200 0 1

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Calculs avec excavation en pleine section (C1)phasage de calcul :C11 : Excavation du tunnel, avec un taux de déconfinement priségal àλλλλ = 0,7.

C12 : Mise en place du soutènement(béton projeté sur 25 cm),


C12 : Mise en place du soutènement(béton projeté sur 25 cm),prise en compte des boulons et fin du déconfinement (λλλλ =1).

C13 : Mise en place du revêtement (mini 60cm). Application de lapression hydrostatique sur le revêtement (module PHS). Passage àlong terme avec mise en charge du revêtement par consolidationdes terrains (module EFD, Effet différé).

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Calculs avec excavation en demi-section couverture maxi (C2)phasage de calcul :C21 : Excavation de la demi section sup du tunnel, avec un taux de déconfinementλλλλ= 0,7 (calcul non drainé).

C22 : Mise en place du soutènement en demi section supérieure (béton projeté sur 25cm, cintres HEB 180 espacés de 1,25 m) et fin du déconfinement (λλλλ =1).


C23 : Excavation de la demi section inférieure du tunnel, avec un taux dedéconfinement pris égal àλλλλ = 0,8

C24 : Mise en place du soutènement en demi section inférieure (béton projeté sur 25cm) et fin du déconfinement (λλλλ =1). (calcul non drainé).

C25 : Mise en place du revêtement (mini 60cm, voir dessin). Application de la pressionhydrostatique sur le revêtement (calcul drainé) et passage à long terme avec mise encharge du revêtement par consolidation des terrains (module EFD).

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Résultats : déformations en tunnel

POSITION Phase C11 Phase C12 Phase C13

A Clé de voûte -0.18 -0.17 -0.16

C Mi-Piédroit -0.18 -0.18 -0.17

G Clé de radier 0.2 0.29 0.31

déplacements verticaux en m (pleine section)


POSITION Phase C21 Phase C22 Phase C23 Phase C24 Phase C25

A Clé de voûte -0.18 -0.22 -0.3 -0.3 -0.3

C Mi-Piédroit -0.1 -0.13 -0.21 -0.21 -0.21

G Clé de radier 0.15 0.35 0.5 0.5 -0.51

déplacements verticaux en m

(sections divisées)

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Résultats : déformations en surface

Déplacements verticaux à l’axe du tunnel en pleine section : 8cm

Déplacements verticaux à l’axe du tunnel en section divisée : 12 cm


Déplacements verticaux à l’axe du tunnel en section divisée : 12 cm

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Résultats : efforts / contraintes dans le soutènement

Efforts béton projeté (pleine section)

Phase c12 EFFORTS CONTRAINTESSECTION N en kN M en kN.m T en kN σintrados en Mpa σextrados en Mpa

A Clé de voute 144 5 2 0.0 1.1B Rein 264 11 -9 0.0 2.1C Mi-Piédroit 685 -13 -19 4.0 1.5D Bas Piédroit 956 -177 -291 21.6 -13.6E naissance Radier 1062 -160 220 20.2 -11.4F mi-radier 1103 64 2 -1.7 10.5G Clé de radier 1101 63 -13 -1.6 10.5


(sections divisées : béton projeté et cintres)

G Clé de radier 1101 63 -13 -1.6 10.5

SECTION EFFORTS BETON ACIER

Nef (kN) Mef (kN.m) Nb (kN) Mb (kN.m) σintrados (MPa) σextrados(MPa) Na (kN) Mb (kN.m) σintrados (MPa) σextrados(MPa)

A 1848 -84 1276 -56 -0.2 10.6 572 -28 28.2 190.7

B 1652 -161 1141 -108 -5.7 15.0 511 -53 -58.8 254.6

C 275 -28 190 -18 -1.0 2.5 85 -9 -10.5 43.0

D 6 -2 4 -1 -0.1 0.1 2 -1 -1.3 2.0

E 5 -1 3 -1 -0.1 0.1 1 0 -0.9 1.5

F 7 0 5 0 0.0 0.0 2 0 0.0 0.8

G 9 0 6 0 0.0 0.1 3 0 0.1 0.9

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Résultats : revêtementPhase c13b EFFORTS CONTRAINTES

SECTION N en kN M en kN.m T en kN σintrados en Mpa σextrados en Mpa

A Clé de voute 1587 299 24 -2.5 7.5B Rein 1664 -39 -163 3.4 2.1C Mi-Piédroit 1887 -391 -2 9.9 -3.1D Bas Piédroit 2055 -542 134 11.5 1.6E naissance Radier 1963 -333 657 8.8 0.8F mi-radier 1705 920 845 -5.9 9.9

Efforts béton coulé (pleine section)


F mi-radier 1705 920 845 -5.9 9.9G Clé de radier 1835 1742 0 -6.0 8.8

Phase c25 EFFORTS CONTRAINTESSECTION N en kN M en kN.m T en kN σintrados en Mpa σextrados en Mpa

A Clé de voute 1595 278 24 -2.1 7.2B Rein 1670 -49 -158 3.6 2.0C Mi-Piédroit 1981 -371 -17 9.7 -2.7D Bas Piédroit 2106 -562 92 11.8 -1.4E naissance Radier 1979 -373 649 9.2 -1.0F mi-radier 1720 872 844 -5.4 9.5G Clé de radier 1850 1691 0 -5.7 8.6

Efforts béton coulé (section divisée)

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Résultats en terme de déformations :

Intérêt de la pleine section : réduction des

déformations en tunnel (20 cm au lieu de


Comparaison des deux méthodes :


déformations en tunnel (20 cm au lieu de

30 cm) et en surface (8 cm au lieu de 12

cm) du fait de la fermeture plus rapide

de l’ensemble de section

Réduction de la plastification du terrain

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Intérêt de la pleine section : réduction des sollicitation du

soutènement du fait de la rigidité plus faible, et de la

Résultats en terme d’efforts



soutènement du fait de la rigidité plus faible, et de la

forme plus circulaire (diminution de la flexion)

Dans le cas de l’excavation en section divisée, la reprise

de l’excavation en demi section inférieure vient

fortement solliciter le soutènement de la demi

section supérieure

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DCE : pas de solution imposée : choix de la méthode



DCE : pas de solution imposée : choix de la méthode laissé à l’initiative de l’entreprise

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Début de l’excavation à l’été 2003 par une entreprise Chinoise (TEC) sur la base de la solution en section divisée

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Début de l’excavation en souterrain en octobre 2003

demi section supérieure percée début mai 2003 et la demi section inférieure un mois plus tard, soit environ 7 mois pour 350 ml en souterrains, avec une excavation


mois pour 350 ml en souterrains, avec une excavation avec deux attaques à partir de février 2004.

L’avancement par tête a été de l’ordre de 6 à 7 ml par semaine, avec un espacement des cintres progressivement passé de 1 m à 1,25 m.

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Tassements en surface

0

10

20

60+.

361 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75

Tas

sem

ent e

n m

m

Mesures en surface


30

40

50

60

70

80

90

Tas

sem

ent e

n m

m

01/11/2003 15/11/2003 01/12/2003 15/12/2003 27/12/2003

14/01/2004 24/01/2004 13/02/1900 30/02/2004 14/05/2004

Tassements en surfaces :5 à 7 cm au niveau des têtesinférieurs à 4 cm dès que la couverture augmente.

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Cuvettes de tassements

0

10

20

30

-30 -20 -10 0 10 20 30

Distance à l'axe (m)

Tass

emen

ts e

n m

m

PT 61

PT 62

PT 63

PT 64

PT 65

PT 66

Cuvettes de tassements PT64i = 11,5 m ; so = 42 mm ; d = 2

0

5

10

15

20

-50 -30 -10 10 30 50

Distance à l'axe (m)

Tas

sem

ents

en

mm

PT 64

Cuvette de tassements


i = 10,5 m,tassement différentiel max de l’ordre de 2/1000rapport i/z de 0,42Vs/V de l’ordre de 1,1%.

40

50

60

70

Tass

emen

ts e

n m

m

PT 66

PT 67

PT 68

PT 69

PT 74

PT 75

20

25

30

35

40

45

Tas

sem

ents

en

mm

PT 64

Théorique

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PT63 tassement en voûte

10121416182022242628303234

tass

emen

t (m

m)

Excav. 1/2 inf PT61 convergence horizontale (haute )

-50.0

-45.0

-40.0

-35.0

-30.0

-25.0

-20.0

25/Nov

2/Dec9/Dec16/D

ec23

/Dec30/D

ec6/Ja

n13/J

an20

/Jan

27/Jan

3/Feb

10/Feb

17/Feb

24/Feb

2/Mar

9/Mar

16/M

ar23/M

ar30/M

ar

date

vale

ur d

e dé

form

atio

n (m

m)

Mesures en tunnel


Tassement de la clé de voûte pour le profil 63 : 32 mmconvergence (corde haute du PT61), avec une divergence fortependant un mois (35 mm), puis une convergence de 10 mm et ànouveau une reprise de divergence

-202468

10

18/D

ec22

/Dec

26/D

ec30

/Dec

3/Ja

n7/

Jan

11/J

an15

/Jan

19/J

an23

/Jan

27/J

an31

/Jan

4/Feb

8/Feb

12/F

eb16

/Feb

20/F

eb24

/Feb

28/F

eb3/M

ar7/M

ar11

/Mar

15/M

ar

date

tass

emen

t (m

m)

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

vale

ur d

e dé

form

atio

n (m

m)

Excav. 1/2 inf

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Etudes : elles mettent en évidences les avantages etinconvénients « théoriques » de deux méthodes utilisablesen terrain déformable sous faible couverture. Excavationen pleine section avec soutènement "souple" ( béton


en pleine section avec soutènement "souple" ( bétonprojeté et boulons) : réduction des déformations dumassif, par rapport à une excavation en demi sectionavec soutènement plus rigide (cintres lourds et béton

projeté).Doc

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La réalisation du chantier avec la deuxième méthode anéanmoins montré que cette méthode permettait de bienmaîtriser ces déformations et qu’elle était compatible à unavancement correct pour une petite longueur à excaver.


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Avertissement

Ce document est un support de cours du Mastère Spécialisé

“Tunnels et Ouvrages Souterrains :

de la conception à l’exploitation”.



de la conception à l’exploitation”.

Il est strictement réservé aux étudiants de ce mastère et ne peut être

diffusé et reproduit sans l’autorisation de son auteur.

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mastere AFTES Module 4.2.3c - Etude de cas Meknes 2013... · ETUDE DE CAS : TUNNEL DE MEKNES...

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