MASTERE SPECIALISE
TUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINSTUNNELS 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 conception et réalisation d’un tunnel en terrain
meuble sous faible couverture
H. LE BISSONNAISTERRASOL
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Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes
PLAN DE LA PRESENTATION
1. LE PROJET
2. LES ETUDES
3. LE CHANTIER
INSA Lyon ‐ ENTPE MS TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS 2011‐2012
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1. PROJET –Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes
Tunnel ferroviaire
Ligne Rabat -Meknès
Linéaire : 400 ml
Section : 87 m²
Ouverture : 12 m excavés
Hauteur : 8 5 m
INSA Lyon ‐ ENTPE MS TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS 2011‐2012
Hauteur : 8,5 m
Couvert. max : 26 m
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Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes
1 PROJET 2 LES ETUDES 3 LES TRAVAUX
ff d déb d ê
1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Effondrement en 1999 au début des travaux en tête nord (18 ml d’excavation en pleine section), fontis remontant en surface
Reprise des études par Terrasol / Setec TPI en 2000- Expertisep- Avant projet- Projet- DCE- suivi des travaux
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1. PROJET –Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes
1 PROJET 2 LES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
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 lté é f
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altérées en surface
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1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Caractéristiques mécaniques des marnes
Plasticité : IP = 15 à 30
q q
Plasticité : IP 15 à 30Teneur en eau w = 18 à 22 % en moyennePressiomètre : pl = 1,3 à 3 MPa et EM = 15 à 40 MPaPressiomètre : pl 1,3 à 3 MPa et EM 15 à 40 MPaRésistance au cisaillement : c' = 10 à 40 kPa
et ’= 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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1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Deux types de soutènement envisageables
Pleine sectionbé j é d’é ibéton projeté 25 cm d’épaisseur
boulons HA25
maille de 1,25 x 1,25
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Section divisée
Béton projeté 25 cm d’épaisseur
Section divisée
Béton projeté 25 cm d épaisseur
Cintres lourds HEB 180
espacés de 1,25 m
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUXCALCUL CONVERGENCE-CONFINEMENT TERRASOL V 1 3 du 30/06/19991. 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° 16985Marnes MIOCENE
E0 = 45000 C0 = 225 = 0= 0.49 r = 5 o = 630
450 U 0 1043 U 0 0373
Calcul de la courbe du terrain
0TUNNEL MEKNES
LES ETUDES :
c = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373e = 0.36 re = 405 Kp = 1.00
Calcul de la courbe du soutènementso = 0.75
Uso = 0.1119Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + Cintres
Raideur : ks = 740241Pression max : Ps = 638
En étude préliminaire
Pression sur soutènement à l'équilibre : Pse = 154 FS = 4.1Béton Cintres HEB 180
fc28 = 15000 Type Acier = 240FS b = 0.6 FS a = 0.75
Eb = 1.0E+07 Ea = 2.1E+08
Epaisseur = 0.25 Espacement = 1.25k béton = 520833 k cintres = 219408
P bét 450 P i t 188
pApproche convergence
confinement
Ps béton = 450 Ps cintres = 188
600
700 Courbe du soutènement
Courbe du terrain Calcul Court Terme
(approches empiriques type RMR ou Barton peu 300
400
500
r (
kPa)
yp ppertinentes pour terrain
type sol) 100
200
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yp00.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250
Déplacement Ur (m)
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Méthode convergence confinementRappel des conditions d’utilisation :pp
chargement isotrope couverture >5Dtunnel circulairephasage non pris en comptep g p p
Difficulté : détermination du taux de déconfinement à la pose du soutènement
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Contrainte initiale o = 30 * 21 = 630 kPao
Cohésion court terme cu = 200 à 250 kPau(en moyenne 225 kPa) avec u = 0°
Module d'Young E = 1,5 * EM = 45 Mpa
Rayon du tunnel R = 5 m
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
CALCUL 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
0TUNNEL MEKNES
CALCUL 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° 169850TUNNEL MEKNES
Affaire n° 16985Marnes MIOCENE
E0 = 45000 C0 = 225 = 0= 0.49 r = 5 o = 630c = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373e = 0.36 re = 405 Kp = 1.00
Calcul de la courbe du soutènementso = 0.75
Calcul de la courbe du terrain
Affaire n 16985Marnes MIOCENE
E0 = 45000 C0 = 225 = 0= 0.49 r = 5 o = 630c = 450 Uro = 0.1043 Ure = 0.0373e = 0.36 re = 405 Kp = 1.00
Calcul de la courbe du soutènementso = 0.75
Uso = 0.1119
Calcul de la courbe du terrain
Uso = 0.1119Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + Cintres
Raideur : ks = 740241Pression max : Ps = 638
Pression sur soutènement à l'équilibre : Pse = 154 FS = 4.1Béton Cintres HEB 180
fc28 = 15000 Type Acier = 240FS b = 0.6 FS a = 0.75
Eb = 1.0E+07 Ea = 2.1E+08
Uso 0 9Type de soutènement : Béton coffré ou projeté + Boulons
Raideur : ks = 564146Pression max : Ps = 597
Pression sur soutènement à l'équilibre : Pse = 157 FS = 3.8Béton boulons HA25
fc28 = 15000 Type Acier = 500FS b = 0.6 FS a = 0.75
Eb = 1.0E+07 Ea = 1.0E+08L 4
Epaisseur = 0.25 Espacement = 1.25k béton = 520833 k cintres = 219408
Ps béton = 450 Ps cintres = 188
600
700 Courbe du soutènement
Courbe du terrain Calcul Court Terme
Longueur = 4Epaisseur = 0.25 Maille = 1 pour 1.25 m2
k béton = 520833 k boulons = 43312Ps béton = 450 Ps boulons = 147
600
700 Courbe du soutènement
Courbe du terrain Calcul Court Terme
400
500
600
r (kP
a)
400
500
r (kP
a)
100
200
300
r
100
200
300
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00.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250
Déplacement Ur (m)
00.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250
Déplacement Ur (m)
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
STABILITE DU FRONTSTABILITE DU FRONT
Critère de stabilité du front N = / c < 5 vérifiéCritère de stabilité du front N = o / cu < 5 vérifié (N = 3 au maximum).
Pas de renforcement par boulonnage du front systématique (boulons en fibre de verre)systématique (boulons en fibre de verre)
A prévoir de façon localisé (aux têtes et dans lesA prévoir de façon localisé (aux têtes et dans les zones à faible couverture).
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Proposition de reconnaissances complémentaires 3 d tté 13 30 15 58 l- 3 sondages carottés : 13 + 30 + 15 = 58 ml,
- 3 sondages pressiométriques : 20 + 40 + 20 = 80 m 11 élè t d’é h till i t t- 11 prélèvements d’échantillons intacts
- Essais en laboratoire (identification, triaxiaux)
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
APS /APD : première étape :p p
Synthèse des reconnaissances complémentairesy p
Profil en longg
Définition des caractéristiques de calculsq
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Calcul éléments finis (Plaxis au (stade APS puis CESAR LCPC
au stade APD-DCE))
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Caractéristiques de calculsCaractéristiques de calculs
Poids volumique(kN/m3)
Module instant. Eo(MPa)
Coef. de poisson
Cohésioncourt terme Cu (kPa)
Angle de frot.u
K0
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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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Calculs avec excavation en pleine section (C1)Calculs avec excavation en pleine section (C1)phasage de calcul :C11 : Excavation du tunnel, avec un taux de déconfinement pris, pégal à = 0,7.
C12 i è ( é j é 2 )C12 : Mise en place du soutènement (béton projeté sur 25 cm),prise en compte des boulons et fin du déconfinement ( =1).
C13 : Mise en place du revêtement (mini 60cm). Application de lapression hydrostatique sur le revêtement (module PHS). Passage àp y q ( ) glong terme avec mise en charge du revêtement par consolidationdes terrains (module EFD, Effet différé).
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Calculs avec excavation en demi-section couverture maxi (C2)h d l lphasage de calcul :
C21 : Excavation de la demi section sup du tunnel, avec un taux de déconfinement = 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 ( =1).
C23 : Excavation de la demi section inférieure du tunnel, avec un taux dedéconfinement pris égal à = 0,8
C24 : Mise en place du soutènement en demi section inférieure (béton projeté sur 25cm) et fin du déconfinement ( =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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charge du revêtement par consolidation des terrains (module EFD).
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Résultats : déformations en tunnel
POSITION Phase C11 Phase C12 Phase C13 déplacements verticaux en m 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
p(pleine section)
POSITION Phase C21 Phase C22 Phase C23 Phase C24 Phase C25
A Clé d ût 0 18 0 22 0 3 0 3 0 3
déplacements verticaux en mA 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
verticaux en m (sections divisées)
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Résultats : déformations en surface
dé l t ti à l’ d t l l i ti 8déplacements verticaux à l’axe du tunnel en pleine section : 8cm
déplacements verticaux à l’axe du tunnel en section divisée : 12 cm
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Résultats : efforts / contraintes dans le soutènement
Efforts béton projeté (pleine Phase c12 EFFORTS CONTRAINTES
SECTION N en kN M en kN.m T en kN intrados en Mpa extrados en Mpa
A Clé de voute 144 5 2 0.0 1.1 p j (psection)
B 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 5G Clé de radier 1101 63 -13 -1.6 10.5
SECTION EFFORTS BETON ACIERNef (kN) Mef (kN.m) Nb (kN) Mb (kN.m) intrados (MPa) extrados(MPa) Na (kN) Mb (kN.m) intrados (MPa) extrados(MPa)
A 1848 -84 1276 -56 -0.2 10.6 572 -28 28.2 190.7B 1652 -161 1141 -108 -5.7 15.0 511 -53 -58.8 254.6C 275 -28 190 -18 -1.0 2.5 85 -9 -10.5 43.0D 6 2 4 1 0 1 0 1 2 1 1 3 2 0D 6 -2 4 -1 -0.1 0.1 2 -1 -1.3 2.0E 5 -1 3 -1 -0.1 0.1 1 0 -0.9 1.5F 7 0 5 0 0.0 0.0 2 0 0.0 0.8G 9 0 6 0 0.0 0.1 3 0 0.1 0.9
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(sections divisées : béton projeté et cintres)
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Résultats : revêtementPhase c13b EFFORTS CONTRAINTES
SECTION N en kN M en kN.m T en kN intrados en Mpa extrados en Mpa
A Clé de voute 1587 299 24 -2.5 7.5 Efforts béton coulé B 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
(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 intrados en Mpa extrados 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 4
Efforts béton coulé (section divisée)
D 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
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Comparaison des deux méthodes :
Résultats en terme de déformations :
Intérêt de la pleine section : réduction des déf ti t l (20 li ddéformations 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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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX
Ré l d’ ff
1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Résultats en terme d’efforts
Intérêt de la pleine section : réduction des sollicitation du soutènement du fait de la rigidité plus faible, et de la soutè e e t du a t de a g d té p us a b e, et de aforme plus circulaire (diminution de la flexion)
D l d l’ ti ti di i é l iDans le cas de l’excavation en section divisée, la reprise de l’excavation en demi section inférieure vient f t t lli it l tè t d l d ifortement solliciter le soutènement de la demi section supérieure
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1 PROJET 2 ES ETUDES 3 LES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
C i i é i éDCE : pas de solution imposée : choix de la méthode laissé à l’initiative de l’entreprise
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1 PROJET 2 LES ETUDES 3 ES TRAVAUX1. PROJET – 2. LES ETUDES – 3. LES TRAVAUX
Début de l’excavation à l’été 2003 par une entreprise Chinoise (TEC) sur la base de la solution en section divisée
INSA Lyon ‐ ENTPE MS TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS 2011‐2012
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Conception et justification – Etude de cas : tunnel de Meknes
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Début de l’excavation en souterrain en octobre 2003Début de l excavation en souterrain en octobre 2003
demi section supérieure percée début mai 2003 et lademi 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 excavationmois 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 cintressemaine, avec un espacement des cintres progressivement passé de 1 m à 1,25 m.
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Mesures en surface
Tassements en surface
3
01020
60+.3
61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75
mm
3040506070asse
men
t en
m
708090
Ta
01/11/2003 15/11/2003 01/12/2003 15/12/2003 27/12/200314/01/2004 24/01/2004 13/02/1900 30/02/2004 14/05/2004
Tassements en surfaces :5 à 7 cm au niveau des têtes
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5 à 7 cm au niveau des têtesinférieurs à 4 cm dès que la couverture augmente.
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Cuvette de tassementsCuvettes de tassements
0-30 -20 -10 0 10 20 30
Distance à l'axe (m)
Cuvettes de tassements PT64i = 11,5 m ; so = 42 mm ; d = 2
50 30 10 10 30 50
Distance à l'axe (m)
10
20
30
ts e
n m
m
PT 61PT 62
PT 63PT 64
PT 65PT 66
0
5
10
15
20
-50 -30 -10 10 30 50
s en
mm
PT 6440
50
60
Tass
emen
t PT 66
PT 67
PT 68PT 69
PT 74PT 75
20
25
30
35
40
45
Tass
emen
ts PT 64Théorique
i = 10,5 m,
7045
, ,tassement différentiel max de l’ordre de 2/1000rapport i/z de 0,42
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pp ,Vs/V de l’ordre de 1,1%.
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Mesures en tunnelPT63 tassement en voûte
2628303234
Excav. 1/2 inf PT61 convergence horizontale (haute )
-50.0
-45.0
25/Nov
2/Dec
9/Dec
16/Dec
23/Dec
30/Dec
6/Jan
13/Jan
20/Jan
27/Jan
3/Feb10/F
eb17/F
eb24/F
eb2/M
ar9/M
ar16/M
ar23/M
ar30/M
ar
date
mm
)
101214161820222426
asse
men
t (m
m)
-40.0
-35.0
-30.0
-25.0
-20.0de d
éfor
mat
ion
(m
-202468
10
18/D
ec22
/Dec
26/D
ec30
/Dec
3/Jan
7/Jan
11/Ja
n15
/Jan
19/Ja
n23
/Jan
27/Ja
n31
/Jan
4/Feb
8/Feb
12/Feb
16/Feb
20/Feb
24/Feb
28/Feb3/M
ar7/M
ar11
/Mar
15/M
ar
date
t
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
vale
ur
Excav. 1/2 inf
Tassement de la clé de voûte pour le profil 63 : 32 mmconvergence (corde haute du PT61) avec une divergence forte
18 22 26 30 1 1 1 2 2 3 4 8 12 16 20 24 28 3 7 1 15 date
10.0
convergence (corde haute du PT61), avec une divergence fortependant un mois (35 mm), puis une convergence de 10 mm et ànouveau une reprise de divergence
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nouveau une reprise de divergence
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Etudes : elles mettent en évidences les avantages eti é i hé i d d é h d ili blinconvénients « théoriques » de deux méthodes utilisablesen terrain déformable sous faible couverture. Excavation
l i i è " l " ( béen pleine section avec soutènement "souple" ( bétonprojeté et boulons) : réduction des déformations du
if à i d i imassif, par rapport à une excavation en demi sectionavec soutènement plus rigide (cintre lourd et béton
j té)projeté).
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La réalisation du chantier avec la deuxième méthode aLa réalisation du chantier avec la deuxième méthode anéanmoins montré que cette méthode permettait de bienmaîtriser ces déformations et qu’elle était compatible à unq pavancement 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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