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NFM TECHNOLOGIES a conçu et réalisé, en partenariat avec Bouygues TP, le plus gros tunnelier du monde destiné à creu;le tunnel du Groene Hart dans le cadre de la liaison TGV entre Rotterdam et Amsterdam. Cette machine véritable concentrétechnologies constitue un réel défi de par ses dimensions exceptionnelles,(3500 tonnes, 14,87 m de diamètre et 120 m de long), son niveau d'automatisme(2000 signaux entrées/sorties), et aussi par son utilisation dans un environnementextrêmement exigeant (dans la nappe, sous niveau de la mer). ^^

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ravauxMONT BLANC :

LA FDM DU CHANTIERA la mi-octobre, la pose des équi-pements du tunnel du Mont Blancétait quasiment achevée. Il restait àréaliser une petite partie de la ven-tilation du tunnel et des abris, lebranchement à la GTC de quelquesarmoires électriques des abris, lamoitié des équipements de liaisonen tête de tunnel (ampli, an-tennes...), un des quatre réservoirspour la lutte contre les incendiesainsi que des radars de contrôle devitesse et d'interdistance. En fait, cesont surtout sur les tests que tousles regards se portent actuelle-ment II s'agit d'assurer la fiabilité etla performance de chaque équipe-ment et de leur intégration à la

GTC (voir également l'article surles équipements de sécurité). Ainsi,plus de 4 000 tests sont en coursdepuis cet été. On ne sait toujourspas quand interviendra la réouver-ture. Elle est soumise en premierlieu à l'avis du comité de sécurité.En attendant, on sait que le gabaritdes poids lourds pouvant normale-ment accéder au tunnel sera limitéà 2,55 m de large, 26 m de long et4,05 m de haut. Les interdis-tances seront de 100 mètres à l'ar-rêt et 150 mètres en marche( I 200 mètres pour les cars). Desradars et des sanctions sont prévus.Le nombre de véhicules sera limitéà 240/heure dans les deux sens et220/heure dans un sens. Les poidslourds classés "Euro 0" serontquant à eux interdits.

rojetsRÉGION PARISIENNE :

UN TUNNEL DE 10 KMENTRE LA GARE DE L'EST ET

D'ici 2008, hypothèse semble-t-ilun peu optimiste, une liaison ferréeentre la gare de l'Est et l'aéroportde Roissy est attendue. Cette liai-son ne serait pas une nouvelle voieRER mais une liaison dédiée desti-née aux passagers des avions. Enfait, les formalités d'embarquementseraient passées à la gare puis lespersonnes concernées seraienttransportées à l'aéroport en 20 mnvia cette nouvelle voie. La longueur

totale serait d'environ 25 Km :9,2 km sur les infrastructures exis-tantes puis 10 600 mètres de tun-nel de Noisy à Tremblay et enfin4 500 mètres à l'air libre dontI 300 mètres dans l'enceinte del'aéroport II va donc falloir créerprès de 15 km de voies nouvelleset creuser un long tunnel. Le maté-riel de transport devra être aussiadapté avec notamment des com-partiments pour les bagages. Leprojet est piloté par un Groupe-ment d'Intérêt Economique créépar Aéroports de Paris, RPF et laSNCF, cette dernière n'intervenantici qu'en tant que bureau d'étude.

ASSAINISSEMENT :DES T R A V A U X SURLES COLLECTEURS DE

T" V /

Depuis 1989, la ville de Besançon aentrepris un vaste programme deréhabilitation de son réseau d'assai-nissement (253 km dont 60 kmvisitables et 25 accessibles). Cestravaux ont pour but d'améliorerl'écoulement des effluents, de limi-ter l'entretien futur du réseau, deconforter les ouvrages pour ceuxqui présentent un risque structurelet de supprimer les infiltrations etles exfiltrations. Quatre chantierssont en cours. On travaille sur5 200 mètres de collecteurs visi-tables et I 700 mètres non visi-tables pour installer des cunettespréfabriquées poiy H et des coquesen PRV. Sur une autre section deI 301 mètres visitables, on procèdeà des injections de collage au niveaude l'extrados du collecteur pouraméliorer la liaison terrain encaiss-sant / ouvrage. Un enduit en bétonprojeté fibre est appliqué sur les

piédroits et des cunettes préfabri-quées sont mises en œuvre au ni-veau du radier. Enfin, 230 mètresde collecteurs visitables font en-core l'objet de toutes les attentionspour la réhabilitation complète del'intérieur avec des coques préfa-briquées en PRV également

• RÉFECTION DU TUNNELDESARAVB(74)liliiOctobre et novembre marquentla première phase de réfectiondu tunnel des Aravis (sur la RD909 entre La Giettaz et La Clusaz,74) qui sera suivie d'une secondetranche de travaux au printempsprochain. D'importantes venuesd'eau en voûte créant un risqued'instabilité rocheuse et une cer-taine insécurité liée à la formationde glace sur la chaussée, ont incitéà procéder à une réfection de l'ou-vrage. Le tunnel des Aravis, creuséau début du XXe siècle, est en effetsitué à I 400 mètres d'altitude et legel est courant Le coût des travauxest évalué à 3MF.

* S TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 1 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

ravaux

! TUNNEL DE DULLIN:DEUXIÈME PHASE DE LA

Engagé à l'automne 2000, la rénova-tion du tunnel de Dullin, qui assuresur l'autoroute A43 la circulationentre Lyon et Chambéry (et au-delà vers la Suisse et l'Italie), entredans sa deuxième phase. En effet,depuis le dimanche 16 septembreet jusqu'au 19 novembre, le tubeSud, dans le sens Lyon-Chambéry,est à son tour fermé au trafic pourpermettre le déroulement des tra-vaux de génie civil et de renforce-ment des équipements de sécurité.Mis en service en 1974, le tunnelde Dullin, long de I 600 mètres,n'avait pas encore fait l'objet de tra-vaux d'envergure. Depuis l'an der-nier, AREA conduit une opérationgénérale de modernisation destunnels de l'autoroute A43, quiconcerne les ouvrages de Dullin etde l'Épine. Il s'agit de remédier rapi-dement au vieillissement de lachaussée, mais aussi de pouvoir or-ganiser des travaux importants surcet axe qui connaît un trafic del'ordre de 30 000 véhicules parjour en moyenne. Cette opérationpermet également d'intégrer lesnouvelles dispositions de sécuritérelatives aux ouvrages souterrainsde plus de I 000 mètres de lon-gueur. Le tube Nord du tunnel deDullin a été l'objet de la premièrephase de cette campagne d'octobreà décembre 2000. C'est maintenantau tour du tube Sud d'entrer enchantier.Quand le tunnel a été construit, leschaussées ont été réalisées avecune technique alors innovante dedalles de béton (de 25 m2 et 25 cm

d'épaisseur) posées sur une struc-ture compactée. Celle-ci a exigé unsuivi rigoureux au fil des ans et au-jourd'hui, l'incommodité pour lesautomobilistes (des sautillementstrès désagréables) nécessite une re-fonte complète. Les dalles vontdonc être démolies avant la miseen place d'une couche de forme engrave ciment puis d'une chausséeen béton bitumineux.Mais outre le confort, le côté sécu-rité est bien sûr le principal souci.Destiné à limiter les risques depropagation d'un incendie par desliquides répandus sur la chaussée,un caniveau spécifique sera installéen accotement (la conduite incen-die, usagée, est remplacée).L'ensemble des câblages serachangé et mis à l'abri dans un ré-seau multialvéolaire noyé sous lestrottoirs (il accueillera égalementde nouvelles liaisons pour la miseen place d'équipements supplémen-taires de ventilation, de bornesd'appel d'urgence, de caméras vi-déo...) Un cheminement lumineuxsera mis en place pour favoriser leguidage vers les issues de secours.Tout cela viendra s'ajouter aux dis-positifs déjà en place comme lesbarrières d'urgence à l'entrée dechaque tunnel télécommandées de-puis le PC de circulation, la détec-tion automatique d'incident paranalyse d'images vidéo, la banded'arrêt d'urgence élargie, les pla-quettes de signalisation des issuesde secours, la nouvelle mouture duplan d'intervention et de sécurité.Concernant l'organisation du chan-tier, le scénario expérimenté l'andernier est reconduit pour cettedeuxième étape: le tube Sud estfermé et la circulation basculée

dans le tube Nord. Pour pouvoirexécuter ces travaux de grandeampleur en neuf semaines seule-ment, les entreprises de travauxpublics interviendront 7 jours sur7 et parfois 24 heures sur 24.Ces entreprises sont les suivantes :groupement Campenon BernardRégions / Valerian / Sogea pour lestravaux de génie civil (3,8 millionsd'Euros TTC), Gerland Savoie Lé-man pour les travaux de chaussée(1,1 millions d'Euros TTC), groupe-ment Spie Trindel/ Howden pourla mise en place des ventilateurs(3,2 millions d'Euros TTC) et Cle-messy pour les câblages (0,45 mil-lion d'Euros TTC)Durant la période de circulation àdouble sens du tube Nord, unebande centrale de sécurité de2 mètres de largeur, délimitée pardes bandes jaunes et des balises,est maintenue pour les interven-

tions. La limitation de vitesse estquant à elle abaissée à 60 km/h et lasignalisation est renforcée. Malgréles efforts de rapidité et le choixd'une période creuse pour réaliserles travaux, des perturbations peu-vent avoir lieu chaque jour de 8 h à11 h et de 18 h à 20 h (22 h le di-manche).

• 10 KM DE PVC BI-ORIENTÉ

Le chantier du renforcement àl'aval du réservoir d'eau potabled'Herlies (59) est en cours. Près de10 km de canalisations pour l'ad-duction d'eau sous pression sontactuellement posées, il s'agit detubes en PVC bi-orienté, le modèleBrio 25 bar (diamètre 326) de lasociété Alphacan

écuritéLA SÉCURITÉ DU

TUNNEL DU MONT BLANC,TOUJOURS ET ENCORELe 22 octobre, la Fédération Ingé-nierie Intégration Imotique Rhône-Alpes (F3i Rhône-Alpes, fédérationregroupant maîtres d'ouvrage, fa-bricants, installateurs des métiersdes courants faibles) organisait uneconférence débat sur "les équipe-ments au service de la sécurité dutunnel du Mont Blanc", en présencede Jean-Yves Lapierre, directeurdes travaux chez ATMB et DanielDémode, directeur des activitésspécialisées chez Cégélec Centre-Est. Des discours des deuxhommes, on retiendra que le tun-nel du Mont Blanc est désormaisl'ouvrage le plus sécurisé qui puisseexister. La liste des équipementsmis en œuvre pour éviter unenouvelle catastrophe est impressio-nante. Des équipements de détec-tion d'incidents : nouveau câble dedétection thermographique, opaci-mètres, anémomètres et luminancemètres, des caméras (120) avecanalyse des images en temps réel,tout cela relié à la GTC (GestionTechnique Centralisée). Des équi-pements de gestion de trafic : signa-lisation dynamique (fil d'Ariane,panneaux d'information), feux

rouges et barrières pour stopperles véhicules en cas de besoin, dis-positif de contrôle des vitesses etinterdistances. Des équipementsd'urgence : cabines d'appel tous les100 mètres, 37 abris (un tous les300 mètres) de 40 m! avec portescoupe-feu, réserve d'eau, sanitaires,visiophone et accès aux galeriesd'évacuation. Des dispositifs d'éva-cuation : galeries d'évacuation sousla voie, véhicules électriques pourle transport des blessés. Enfin, desdispositifs pour limiter la propaga-tion des fumées : révisions des gale-ries d'air frais et des galeries d'éva-cuation de l'air vicié, accélérateurslongitudinaux, carneaux de désen-fumage tous les 100 mètres et, aufinal, une capacité de désenfumagede 150 m9 à la seconde sur600 mètres. Désormais, 162 per-sonnes travaillent pour le tunnel.A cela s'ajoute 62 pompiers dont10 sont présents 24W24 (au lieude trois auparavant) et qui ne fontpas plus de trois vacations parmois. Cette énumération ne repré-sente encore qu'une partie desnombreux éléments de sécurité ap-portés. Et le défi le plus importantde ce chantier était finalement d'in-tégrer toutes les données envoyéespar tous les équipements dans unoutil rendant compte de la situationde manière synthétique. En effet, le

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° \ 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

nternationalUN BUREAU FRAN-

ÇAIS POUR CONTINENTAL

La société anglaise ContinentalConveyor Ud, filiale de ContinentalGlobal Group (USA) et leadermondial dans la conception et laréalisation de systèmes de manu-tention de matériaux en vrac, aouvert, le 17 septembre 2001, unbureau en France. H est dirigé parMonsieur Philippe Azan qui exer-çait auparavant la fonction de Di-recteur Général de REI, sociétéinternationale spécialisée dans lamanutention continue depuis plusde 20 ans. Directeur Commercial,Monsieur Philippe Azan a pour mis-sion de poursuivre le développe-ment de Continental Conveyor Ltden Europe et dans le monde pourles marchés des transporteurs à

courroie de grande distance instal-lés en tunnel ou en surface.

LE POINTSUR LES LIAISONS fflSPANO-

s

Le 11 octobre avait lieu à Perpignanle 14e sommet franco-espagnol. Siles tunnels n'étaient évidemmentpas l'objet principal de la rencontre,il a tout de même été question desliaisons entre les deux pays et an-nonce a été faite de la création degroupes de travail sur "l'avenir destraversées pyrénéennes". Dansl'ordre chronologique, le tunnelroutier du Somport (entre le Béarnet l'Aragon) ouvrira aux véhiculeslégers en mars 2002 et fin 2002pour les véhicules lourds. Concer-nant le tunnel du Perthus pour laliaison TGV Perpignan-Figueras,l'appel d'offres sera lancé le

danger était de noyer les per-sonnes chargées de la sécurité sousun flot inextricable d'informations.A partir des expériences déjàconnues et au prix de bonsnombres d'innovation, Cégélec apu mettre au point un système glo-bal qui assiste l'opérateur. En casde problème, le dispositif préconisemême une action à engager. Et sil'opérateur ne réagit pas dans uncertain laps de temps, le systèmeagit seul. Ainsi, la haute technologieet l'automatisme ont une place dechoix dans les nouveaux dispositifsde sécurité du Mont Blanc. Uneplace telle qu'ils nécessitent uneformation très poussée des person-nels. Une formation en cours de-puis longtemps qui se termineraavec la marche à blanc et les essaisindispensables avant la réouverturedu tunnel.

BB TUNNEL AUTOROUTIERDE TOULON : LIVRAISON EN

Suite à l'avis du comité d'évaluationde la sécurité dans les tunnels rou-tiers, rendu le 30 mai 2001 (et se-lon les nouvelles prescriptions de lacirculaire d'août 2000), un certainnombre de travaux complémen-taires ont retardé la mise en

service du tunnel autoroutier deToulon (3 km de long). Initialementprévue pour novembre 2001, l'ou-verture devrait finalement avoirlieu en juin 2002. Cet été, les tra-vaux de génie civil ont été stoppésle temps de préparer les avenantsinhérents aux travaux complémen-taires. Il s'agit de découper des car-neaux dans l'épaisseur des piédroitspour la zone comprise entre lesdeux unités de ventilation (zone quiaccueille les gaines de passage dessecours). Toujours dans cettemême zone, il va falloir mettre enplace un produit isolant sous ladalle de ventilation afin que celle-cirésiste à un feu d'hydrocarbure ma-joré. Le comité demande parailleurs à ce que l'accès du tunnelsoit interdit aux poids lourds deplus de 19 tonnes (ce qui exclut40% des poids lourds) et à ce queles pompiers soient dotés d'un vé-hicule capable de rouler dans unebande de 2 mètres de large (il n'aen effet pas été possible de réaliserune véritable bande d'arrêt d'ur-gence). Le coût total du projet estmaintenant de 2,306 MdF (contre2,233 MdF précédemment). A no-ter enfin que la première consulta-tion pour les reconnaissances géo-logiques liées au deuxième tube ontété lancées. L'objectif est de bou-cler ces études en septembre 2003.

I" décembre prochain. Et puis d'ici2006-2007 rouvrira la liaison ferro-viaire Pau-Canfranc-Saragosse.

• LYON-TURIN : LE TUNNELDE BASE POUR 2012 ?Le 12 octobre, le Comité pour laLiaison Européenne TransalpineLyon-Turin, présidé par RaymondBarre (et composé de nombreuxgrands patrons d'entreprises pri-vées ou publiques) recevait à Lyonle président de la Commission In-tergouvernementale pour le Lyon-Turin, Sergio Pininfarina afin depréparer de leur côté le sommetfranco-italien du 25 novembre. IIs'agissait pour eux de définir en-semble des priorités à soumettreaux autorités compétentes et demontrer que les avis de tousconcordent vers une accélérationdu processus. Les co-présidents dela commission intergouvernemen-tale ont d'ailleurs reçu de leursgouvernements respectifs unelettre indiquant la volonté des pou-voirs publics de réduire la duréedes études de deux ans. La date de2006 avait été retenue lors du pré-cédent sommet et c'est plutôt2004 qui devrait constituer la nou-velle échéance.Sergio Pininfarina a précisé lesquatre orientations prises lors de laréunion des deux entités. D'unepart appuyer l'anticipation desétudes, d'autre part fixer rapide-ment un projet définitif parfaite-ment encadré pour donnerconfiance aux acteurs du secteur

privé susceptibles d'intervenir dansle financement, travailler pour fevo-riser au mieux l'intermodalité et leferroutage (Sergio Pininfarina indi-quant qu'un programme d'intermo-dalité et son financement serontprêt en 2005 côté italien, RaymondBarre indiquant qu'une expérimen-tation française aurait lieu en no-vembre) et enfin défendre l'idée dela construction de deux tunnels si-multanément, solution jugée moinsonéreuse, plus sûre et plus souple.L'accélération prévue des étudesentraîne évidemment un nouveauplan de financement et une entréeen service des tunnels plus rappro-chée. A la date initiale de 2015 estmaintenant substituée celle de2012 ou 2013.Côté financement, Raymond Barreexplique que le plus important estde retenir d'emblée le principed'une collaboration public/privé etde créer très rapidement l'entité degestion, condition sine qua non àl'obtention des fonds européensqui devraient s'élever à 20 % duprojet. Toujours selon l'ancienmaire de Lyon, le cadre bien établipermettrait d'obtenir facilementune participation privée de l'ordrede 45%. La dernière évaluation ducoût total du projet atteint 11 mil-liards d'euros : 3 milliards pour lapartie française (de Lyon à l'entréede la Maurienne) et de 8 milliardspour la partie internationale (entrele début de la Maurienne et le valde Susa en Italie) dont 5 milliardspour le tunnel sous les Alpes(50 km environ).

«TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 167 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

ublicationS» RÉTROSPECTIVE SURLES TUNNELS LYONNAIS «La ville de Lyon avait demandé il ya quelques mois au professeurNoël Mongereau (ancien hydro-géologue officiel, professeur émé-rite à l'INA de Lyon, membre del'Académie des sciences...) defaire le point sur la géologie deLyon afin de fournir une base detravail aux enseignants et étu-diants intéressés par le sujet."Géologie de Lyon" (aux éditionslyonnaises d'art et d'histoire) estl'ouvrage issu de cette démarche.Il évoque, schémas à l'appui, l'his-toire géologique de Lyon, la struc-ture des collines et de la plaine dela capitale des Gaules, l'eaudans les formations, l'alimentationde la ville en eau et établit une

rétrospective sur les tunnels etparkings souterrains lyonnais(hors tunnels des funiculaires). Lepremier de ces ouvrages donc, futle tunnel de Saint-lrénée (tunnelS.N.C.F. de Perrache à Gorge-de-Loup, 2 100 mètres) creusé de1853 à 1855. Il avait donné lieu àla réalisation, en 1846, de six puitsforés par l'entreprise Mulot, trèscertainement la seule compétenteen France à cette époque pour ef-fectuer des reconnaissances de cetype.Vient ensuite le tunnel deSaint-Paul à Gorge-de-Loup (dittunnel de Loyasse) construit de187 là 1875. Long de 1402 m, il aété entièrement creusé dans desgranités et des gneiss. Des travauxde confortement ont été réalisésà partir de 1962, donnant lieu àl'établissement d'une coupe géolo-

gique. Ensuite a été réalisé le tun-nel de Saint-Clair, terminé en1890. Il s'agit d'un tunnel S.N.C.F.de 2 403 mètres, creusé dans lesterrains tertiaires, sauf près del'extrémité Nord où a ététraversé un lambeau calcaire.De 1938 à 1952, a été creusé letunnel routier de la Croix-Rousse. Long de I 790 mètres, lecreusement s'est effectué surI 650 mètres dans le substratumgranitique et gneissique. La pré-sence de mylonites et les venuesd'eau qui leur ont été liées ontposé de nombreux problèmestechniques, alors qu'en 1937 lesexperts prévoyaient un travailsans sujétion.En 1967 - 1968, a été réalisé le fa-meux tunnel routier de Fourvière(I 993 mètres). Le double tunnel

qui fut creusé a une ouverturecôté Nord-Est altimétriquementplus élevée que celle côté Sud-EstEnfin, en 1986, a eu lieu le creuse-ment du tunnel du métro ligneD (Saint-Jean - Gorge-de-Loupsoit 1395 mètres). Effectués à l'ex-plosif dans le substratum, lestravaux se sont déroulés normale-ment, avec des difficultés dans l'at-taque Est. Le dernier né est letunnel principal du boulevardPériphérique Nord de Lyon.L'ouvrage explique également lestechniques employées pour laconstruction de parkings souter-rains, notamment en presqu'île(entre Rhône et Saône) où ilfaut composer avec la présenced'eau.Renseignements à l'Hôtel de Ville :0472103030.

gendaATEC 2002 :

"LE T R A N S P O R T DOIT

Le congrès international franco-phone ATEC 2002 se déroulera àParis les 23 et 24 janvier. Il aurapour thème : " nouveaux enjeux :le transport doit s'adapter ".Longtemps considéré comme unevariable d'ajustement dans le rai-sonnement sur les questionsd'aménagement et d'organisationde la production, le transport dis-pose maintenant d'une existenceindépendante, dont le rôle est àexaminer de façon spécifique dansla réflexion sur l'aménagement du-rable. Comme les entreprises mo-dernes, les transports doiventêtre coopératifs, économes etadaptables à une demande en évo-lution rapide. Il existe pour ré-pondre à ces exigences, des ré-ponses organisationnelles et tech-niques, utilisables à court oumoyen terme, et à toutes leséchelles territoriales. Leur miseen œuvre nécessite une réflexionsur les modes d'organisation poli-tique, économique, juridique et fi-nancière. L'ATEC propose cetteannée une information et des dé-bats sur les solutions émergentesà promouvoir, les travaux écono-miques et juridiques qui permet-tront leur développement, lesproblèmes de société qu'elles

sous-tendent. Renseignements au0145240909

J O U R N E ED'ETUDE DE L'ABTUSL'A.B.T.U.S. organise mercredi14 novembre sa journée d'étudetraditionnelle sur le thème "un en-vironnement de qualité grâce ausouterrain". Cette rencontre apour objectif de donner un aperçugénéral mais malgré tout détaillédes nombreux avantages de lasolution souterraine pour l'envi-ronnement en général, et l'envi-ronnement urbain en particulier.La Journée d'Etude est organiséeà l'intention de tous ceux qui por-tent à ce thème un intérêt scienti-fique, technique, économique ousimplement personnel. Ainsi sontinvités administrations publiqueset maîtres d'ouvrage, entrepre-neurs, bureaux d'étude et fournis-seurs, institutions scientifiques,etc... Les exposés seront abon-damment illustrés. Ils auront lieuen français, en néerlandais ou enanglais et une traduction simulta-née vers l'anglais sera assurée.La journée aura lieu dans une dessalles de Autoworld, Esplanadedes Palais du Cinquantenaire (Ar-cades) à Bruxelles, aisément ac-cessible depuis la gare de métro"Mérode" (sorties "Muséum").

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° } t>7 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

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TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 1 <57 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

AFTESRECOMMANDATIONS RELATIVES A LA

CONCEPTION ET PROTECTION PARASISMIQUESDES OUVRAGES SOUTERRAINS

L'A.F.T.E.S. et l'A.F.P.S. recueilleront avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.

Version 1 - Approuvée par le Comité Technique du 15 mai 2001

Texte présenté par un groupe de travail mis en place par l'AFTES et l'AFPS et composé de :Francis WOJTKOWIAK (INERIS), co-animateur désigné par l'AFTES

Jacques BETBEDER MATIBET (EDF), co-animateur désigné par l'AFPS

avec la collaborationdes membres du comité de rédaction du document :

Bruno DARDARD (SNCF - Ouvrages d'art), Jean-François HEITZ (ANTEA),Christophe LEJARS (EEG-SIMECSOL), Alain PECKER (Géodynamique et Structure),

André SCHWENZFEIER (CETU) et Thierry YOU (GEOSTOCK) ;

et des membres des sous-groupes de travail :Jean-François BALENSI (DUMEZ-GTM), Guy BONNET (ENPC/CERCSO),

Alain CAPRA (CAMPENON-BERNARD SGE), Bernard CASTELLAN (SETEC).Yvan CHARNAVEL (GDF),Jean Sébastien VAAST (EDF-TEGG), Ayumi KUROSE (LMS-Ecole Polytechnique), Michel PRE (SETEC/TPI).

Les membres du groupe de travail remercient MM. :Guy COLOMBET (COYNE et BELLIER), Pierre DUFFAUTJean LAUNAY (DUMEZ-GTM), Yann LEBLAIS (EEG-SIMECSOL) de l'AFTES, et MM. Pierre-Yves BARD (LCPC/LGIT) et Jean-François SIDANER (COGEMA) de l'AFPS,

pour les compléments qu'ils y ont apportés.

Ces recommandations ont été élaborées par un groupe de travail mis en place par l'Association Française du génie Parasismique (AFPS) etl'Association Française des Travaux en Souterrain (AFTES). Ces deux associations ont regroupé différents spécialistes dont l'apport étaitnécessaire pour une approche pluridisciplinaire.

. INTRODUCTIONGENERALE------------------------- 235.1-OBJET ET RETOURS D'EXPERIENCE - - - - - - - - - - - - - - - - - - 235

1.1.1 O b j e t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2351.1.2 Retours d'expérience et synthèse des données

disponibles - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 235.2-DOMAINED'APPLICATION-------------------------- 236.3 - STRUCTURE ET PRESENTATION DU DOCUMENT - - - - - - - - 236!. CARACTERISATION DU MIUEU HOTE-- - - - - - - - - - - - - - - - - 2361.1 -PREAMBULE- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2361.2 - PRINCIPE GENERAL DE LA CARACTERISATION DU - - - - - -

MILIEU H O T E - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 237Î.3 - CLASSIFICATION DU MILIEU HOTE- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 237Î.4 - RECOMMANDATION PARTICULIERE - - - - - - - - - - - - - - - - - - 237Ï.5 - CARACTERISTIQUES GEOTECHNIQUES COMPLE-

MENTAIRES A ACQUERIR EN CONTEXTE SISMIQUE - - - - - 238

2.5.1 Caractéristiques communes---------------------2.5.2 Caractéristiques comp/émenta/res relatives - - - - - - - -

aux discontinu/tés du massif rocheux - - - - - - - - - - - - - -2.5.3 Caractéristiques complémentaires pour un sol hôte - -

2.6 - MOYENS PARTICULIERS D'OBTENTION DESCARACTERISTIQUES DYNAMIQUES POUR LA CONCEPTIONPARASISMIQUE DES OUVRAGES SOUTERRAINS------------

2.6.1 A partir de la mesure des vitesses de propagationdes ondes Pet 5. -----------------------------

2.6.2 A partir de corrélations avec d'autres caractéristiquesmesurées. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

3. ACTION S ISMIQUE- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3.1 - MOUVEMENT VIBRATOIRE EN SURFACE OU AUVOISINAGE DE LA SURFACE---- - - - - - - - - - - - - - - - '

238

238238

238

238

238239

239

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 167 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains

Pages

3.2 - MOUVEMENT VIBRATOIRE EN PROFONDEUR - - - - - - - - - - 2393.2.1 Valeurs de pic du mouvement vibratoire pour les

ouvrages horizontaux profonds - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2393.2.2 Spectres de réponse et accélérogrammes pour

les ouvrages horizontaux profonds - - - - - - - - - - - - - - - - 2393.2.3 Mouvements vibratoires pour les ouvrages

étendus dans le sens vertical - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2393.3 - MOUVEMENTS DIFFERENTIELS IRREVERSIBLES--------- 2393.4 - MAJORATION DE L'ACTION SISMIQUE POUR

LESTUNNELS LONGS-- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 240

4. CALCUL DES EFFETS DE FACTION SISMIQUE SURLES OUVRAGES ENTERRES- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2404.1-COMBINAISONS D'ACTIONS-- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 240

4.1.1 Comb/naisonsdeca/cu/------------------------- 2404.1.2 Facteurs d'accompagnement - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 240

4.1.2.1 - Facteurs d'accompagnement applicables auxactions résultant de la fréquentation et de l'entreposage - - - 2404.1.2.2 - Facteurs d'accompagnement applicables auxcharges d'exploitation de caractère industriel ou à cellesdes ouvrages d ' a r t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2414.1.2.3 - Cas d'annulation du facteur d'accompagnement- - - 241

4.2 - REPONSE D'UN OUVRAGE ENTERRE A L'ACTION SISMIQUE 2414.2.1 Nature des actions sismiques à considérer----------- 24 î4.2.2 Déterminât/on des déformations ou déplacements

imposés à l'ouvrage---------------------------- 24t4.3 - ACTION SISMIQUE SELON L'AXE DU TUNNEL :COMPRESSION ET F L E X I O N - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 241

4.3.1 Déplacements et déformations en champ libre dela ligne matérialisant l'axe du tunnel - - - - - - - - - - - - - - - 24t

4.3.1.1 - Déplacement axial - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2414.3.1.2 - Déplacement transversal - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 241

4.3.2 Sollicitations induites sur le tunnel - - - - - - - - - - - - - - - - - 2424.3.2.1 - Cas de non prise en compte de l'interactionter ra in -s t ruc tu re- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2424.3.2.2 - Cas de prise en compte de l'interactionterrain-structure - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 242

4.3.2.2.1 - Caractérisât/on de l'interaction----------- 2424.3.2.2.2 - Tunnels de structure continue sur unelongueur supérieure à la longueur d'onde sismique- - - - 2424.3.2.2.3 Incidence de l'espacement entre joints------ 242

4.4 - ACTION SISMIQUE DANS LE PLAN DE LA SECTIONDROITE : DISTORSION ET OVALISATION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 242

4.4.1 Distorsion en champ libre - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2434.4.2 Efforts de distorsion et d'ovalisation induits

dans le tunnel - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2434.4.2.1 - Cas de non prise en compte de l'interactionterra in-st ructure-- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2434.4.2.2 - Cas de prise en compte de l'interactionterrain-structure----------------------------------- 243

4.4.2.2. 1 - Caractérisation de l'interaction - - - - - - - - - - - 2434.4.2.2.2 - Mode d'introduction de la sollicitationsismique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 243

4.5-ACTIONS L O C A L E S - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 243

4.5.1 Calculforfaitaire------------------------------- 2444.5.2 Calcul dynamique simplifié - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 244

4.6-VERIFICATIONS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2444.6.1 Vérifications vis-à-vis des actions selon l'axe du tunnel - 2444.6.2 Vérifications vis-à-vis de la distorsion et de

l'o validation de la section droite------------------- 2444.7-CAS DES OUVRAGES VERTICAUX------------------- 244

5. CONCEPTION GENERALE ET DISPOSITIONSCONSTRUCTIVES--- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2465.1- PRINCIPESGENERAUX----------------------------- 246

5.1.1 Conception---------------------------------- 2465.1.2 Adaptation au mouvement sismique : le joint sismique - 2465.1.3 Déformabilité et duct i l i té - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 246

5.2 - DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2475.2. î Dispositions généra les - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 247

5.2.1.1 - Ouvrages super f ic ie ls - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2475.2.1.2 - Têtes des tunnels- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2475.2.1.3 - Ouvrages profonds - Interfaces - - - - - - - - - - - - - - - - 247

5.2.2 Dispositions particulières - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2475.2.2.1 - Traversée de failles actives - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2475.2.2.2 - Changement brusque de la rigidité durevêtement ou de l ' enca issan t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2475.2.2.3 - Caissons immergés - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2475.2.2.4 - Tunnels en voussoirs béton armé ou métalliques - - - 2475.2.2.5 - Tranchées couvertes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2485 . 2 . 2 . 6 - P u i t s - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2485.2.2.7 - Liquéfaction des sois - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2485.2.2.8 - Eléments de second œuvre - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2485.2.2.9 - Equipements - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 248

6. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 248

7. LISTE DES ANNEXESANNEXE 1

Identification et caractérisation de zones suspectesde liquéfaction - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 250

ANNEXE 2Définition de l'action sismique en surface - - - - - - - - - - - - - - - - - 252

ANNEXESDétermination de l'amplitude des mouvements de faille - - - - - 253

ANNEXE 4Approximation des mouvements sismiques pardes ondes sinusoïdales - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 254

ANNEXESExpression des sollicitations sismiques dans le plan

de la section droite d'un tunnel circulaire------------ 258ANNEXE6

Comparaison entre les recommandations relatives auxcanalisations enterrées et celles proposées ici pourles ouvrages horizontaux, les forages et les puits - - - - - - - - - - - 260

ANNEXE7Dispositions constructives vis-a-vis du risque sismiquepour les ouvrages souterrains - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 261

7.1 - Synthèse des réponses au questionnaire d'enquête - - - - - - - 26f7.2 - Principes et illustrations de dispositions constructives ------ 262

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 1 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

t •

1 Recommandations pour la conception et la protection parasismicjues des ouvrages souterrains I

1 - INTRODUCTIONGENERALE

ï.ï - OBJET ET RETOURSD'EXPERIENCE

T.1.1 -Objet

Les recommandations parasîsmiques ontpour but de permettre ia réduction durisque sismique grâce à la réalisation d'ou-vrages capables de résister dans de bonnesconditions à des secousses telluriques d'uncertain niveau d'intensité. Leur principalobjectif est la sauvegarde du plus grandnombre possible de vies humaines en casde secousses sévères. Elles visent aussi àlimiter les pertes économiques, notammentdans le cas de secousses d'intensité plusmodérée. Elles définissent les prescriptionsauxquelles les ouvrages doivent satisfaireen sus des règles normales pour que cesrésultats puissent être atteints avec une fia-bilité jugée satisfaisante. En particulier, ellesdonnent le moyen de proportionner larésistance des ouvrages à l'intensité dessecousses susceptibles de les affecter.Dans le cas particulier des ouvrages souter-rains, il a souvent été dit que le fait deconstruire en souterrain était déjà une dis-position parasismique. Sans que cet argu-ment soit démenti par l'expérience, l'inté-rêt de la puissance publique et de nombrede communautés scientifiques pour lesouvrages situés en profondeur demandaitune approche plus rationnelle du risque sis-mique sur les ouvrages souterrains.

OC.1.Î.1.En France, comme dans la plupart des paysétrangers, force est de constater la quasi-inexistence de textes susceptibles d'orien-ter la conception des grands ouvrages sou-terrains vis-à-vis du risque sismique. Onpeut citer en exception à ce constat decarence :

• la Société Japonaise du Génie Civil quiédite un catalogue de dispositionsconstructives mises en œuvre sur différentschantiers (The Japan Society of CivilEngineers, 1992),• de nombreuses publications relatives à latechnologie parasismique des ouvragessouterrains de la côte ouest des Etats-Unis.Les niveaux de sismicité plus élevés pources pays comparés à ceux de la France etles techniques de base différentes incitent àconsidérer ces dispositions avec un certainrecul.

1.1.2 - Retours d'expérience etsynthèse des données disponibles

Différents auteurs (Dowding et Rosen, 1978 ;Dowding, 1979 ; Power et al., 1998 ;Kurose, 2000) ont analysé les retours d'ex-périence en termes de dommages subis parles ouvrages souterrains en zone sismique.En particulier, l'analyse menée par Power,Rosidi et Kaneshiro en 1998 sur 204 tunnels(tranchées couvertes exclues) situés auxEtats-Unis et au Japon montre des corréla-tions empiriques entre l'accélération mesu-rée en surface et les dommages observésen tunnel (figure 1.1.2.2).Les tendances suivantes se dégagent :• jusqu'à un pic d'accélération de 0,2 g, lesdommages sont très faibles ;• de 0,2 g à 0,6 g, des dommages lourds n'ap-paraissent que pour un tunnel non revêtu etun tunnel dont le revêtement n'est pas d'unetechnologie récente (bois ou maçonnerie) ;• de 0,6 g à 0,9 g, les dommages lourds sontsurvenus uniquement pour un tunnel enbéton non armé. Les revêtements en bétonarmé ou en acier semblent convenir enzone sismique.Encore faut-il préciser que parmi les troistunnels ayant subi des dommages lourds,dans un cas il s'agissait d'un glissement de

terrain et, dans les deux autres cas, lesdommages concernaient les parties peuprofondes des tunnels.

En complément à cette analyse bibliogra-phique, un questionnaire, adressé à diffé-rents maîtres d'œuvre et entreprises oubureaux d'étude français ou étrangers, a per-mis de mieux cerner les pratiques actuelles.Un tableau synthétisant les réponses reçuesà ce questionnaire est donné en annexe 7.

De cette enquête il ressort que :• des réponses ont été fournies essentielle-ment pour les ouvrages routiers et ferro-viaires, avec un exemple minier ;• certains ouvrages situés dans les zonessismiques ne font pas l'objet de vérifica-tions sismiques particulières. En revanche,ces vérifications ont été conduites pour desouvrages exceptionnels en zone de sismi-cité négligeable ;• les méthodes pseudo-statiques sont cou-ramment employées ;• les combinaisons sismiques, de natureaccidentelle, ne sont pas prépondérantesvis-à-vis des combinaisons classiques ;• les cas d'ouvrages parasismiques ayantsubi un séisme sont trop peu nombreuxpour conclure sur l'efficacité des disposi-tions adoptées.

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Non revêtu Béton non arméBlindage bois Béton armé

ou oumaçonnerie Conduite acier

LEGENDE

Etat des dommages :

O aucun. 'aucunn 'éger : fissures fines et légères, épaufrures

A modéré : idem léger, mais dommages plus prononcés

O fourd : effondrement partiel ou total du revêtement

FIGURE 1.1.2.2Corrélation entre accélération etdommages observés (Power, Rosidi,Koneshiro in North AmericanTunnelling 98)



1.2 - DOMAINED'APPLICATION

Les ouvrages visés par ce document sontessentiellement les ouvrages souterrainslinéaires (tunnels, galeries, descenderies,puits) superficiels ou profonds, quelle quesoit leur méthode de réalisation.

Pour les ouvrages souterrains à géométrieplus complexe (stations, usines, cavités),certaines parties du document peuvent ser-vir de guide au projeteur, notamment en cequi concerne la définition de l'action sis-mique, mais les méthodes de calcul à utili-ser sont à définir au cas par cas et sortentdu cadre volontairement simple qui a étéadopté.

Pour les tunnels de longueur exception-nelle, l'utilisation du document est a priorilimitée aux études d'avant-projet.

Ne sont visés que les ouvrages appartenantà la catégorie dite à risque normal suivant laterminologie du décret n° 91461 du 14 mai1991 relatif à la prévention du risque sis-mique (J.O. du 17 mai 1991).

1.3 - STRUCTURE ETPRESENTATION DUDOCUMENT

Après une introduction constituant le pre-mier chapitre, ces recommandations com-portent quatre autres chapitres à caractèretechnique auxquels sont associées septannexes.Le deuxième chapitre est consacré à lacaractérisation du milieu hôte, massifrocheux et/ou de sol au sein duquel l'ou-vrage est réalisé. Dans ce chapitre, ontrouve, en particulier, une proposition declassification du milieu hôte, l'inventaire desprincipales caractéristiques géotechniquescomplémentaires à acquérir sur le milieuhôte, lorsque l'ouvrage projeté se situedans un contexte sismique, et des moyensd'obtention de ces caractéristiques dyna-miques. L'annexe 1 est un extrait de lanorme NF P 06-013 qui rappelle commentidentifier et caractériser les matériaux sus-ceptibles de se liquéfier sous sollicitationsdynamiques (*).

Le troisième chapitre définit l'action sis-mique en surface et en profondeur à partirdu mouvement vibratoire. Une formulationy est aussi proposée pour tenir compte dela majoration de l'action sismique dans lecas de tunnels dont la longueur est supé-rieure à cinq kilomètres. Pour compléter ce

chapitre, on trouve, en annexe 2, la défini-tion de l'action sismique en surface suivantla norme NF P06-013 et, en annexe 3, unrappel des formules de calcul prévisionnelde l'amplitude des mouvements le long defailles réactivées.

Le quatrième chapitre traite du calcul deseffets de l'action sismique sur lesouvrages enterrés. Des méthodes sontainsi présentées pour déterminer les effetsde l'action sismique selon l'axe longitudinal(compression et flexion) et dans le plan dela section droite (distorsion et ovalisation)du tunnel considéré. Des recommandationssont également données pour le calcul deseffets locaux de l'action sismique, en parti-culier au niveau des structures secondaireset autres sous-systèmes supportés par lastructure principale, ainsi que pour les véri-fications de résistance à conduire sur lesparties d'ouvrage en béton armé. Ces véri-fications relèvent d'un processus itératifrésumé, pour plus de clarté, dans un logi-gramme. Trois annexes complètent ce cha-pitre. L'annexe 4 présente quelques formu-lations mathématiques qui permettentl'approximation des ondes sismiques pardes ondes sinusoïdales. L'annexe 5 donnel'expression des sollicitations sismiques etdes coefficients de raideur dans le plan dela section droite d'un tunnel circulaire.L'annexe 6 fait la comparaison entre lesrecommandations, déjà publiées parl'AFPS, relatives aux canalisations enterréeset celles proposées ici non seulement pourles ouvrages horizontaux (tunnels) maiségalement pour les ouvrages verticaux(forages et puits).

Le cinquième et dernier chapitre aborde laconception générale et les dispositionsconstructives parasismiques propres auxouvrages souterrains. Après l'énoncé desprincipes généraux de conception etd'adaptation de l'ouvrage au mouvementsismique, des recommandations relativesaux dispositions constructives à caractèregénéral puis particulières (traversée defaille, caissons immergés...) sont données.L'annexe 7 présente, sous forme d'untableau, les réponses reçues par le groupede travail dans le cadre d'une enquête surles dispositions constructives vis-à-vis desrisques sur les ouvrages souterrains etillustre les principes de certaines des dispo-sitions constructives actuellement appli-quées.

Pour plus de précision concernant tel ou telpoint abordé dans ces recommandations,le lecteur pourra utilement se reporter aux

ouvrages, documents techniques et articlesscientifiques cités dans ces différents cha-pitres et annexes, dont les référencesbibliographiques complètes sont jointes àla fin du présent document.

Sur le plan de la présentation générale, letexte principal de ces recommandations estassorti, en tant que de besoin, de commen-taires (repérés par la lettre C et écrits en ita-lique).

2 - CARACTERISATION DUMILIEU HOTE

2.1 - PREAMBULE

II existe des conditions géologiques pro-pices à des dommages d'origine sismiquesur les ouvrages souterrains superficiels ouprofonds :

• zone faillée mobilisable sous séisme tra-versant l'ouvrage ;• juxtaposition de milieux géologiques auxcontrastes importants de propriétés phy-siques et mécaniques ;• potentialité de liquéfaction des sols ;• présence de fluide interstitiel ;• anisotropie marquée du champ decontraintes local associée à un pendageélevé des familles de discontinuités.Les causes des dommages observés sur lesouvrages souterrains, résultant de cescontextes, sont principalement les déplace-ments irréversibles le long de failles, lesimportantes venues d'eau, les instabilitésmécaniques aux débouchés des ouvragessouterrains et les tassements et rupture dusol par liquéfaction. Il est communémentobservé que la localisation des autres dom-mages coïncident avec les zones fracturéesrencontrées pendant la construction del'ouvrage souterrain.O C.2.1

La présence d'une phase liquide sous pres-sion dans la formation hôte est plutôt unfacteur aggravant des dommages que peu-vent subir les ouvrages souterrains encontexte sismique :• pour les sols, le risque de liquéfaction lié àune saturation en fluide interstitiel en estune parfaite illustration ;

• en milieu rocheux, des variations significa-tives des conditions hydrauliques, consécu-tives à un événement sismique majeur, ontété observées mais le niveau de ces effets

(*) Cette norme est actuellement en vigueur en France pour les bâtiments. La définition du zonage sismique sur laquelle elle s'appuie est encours de révision et la norme elle-même sera, à terme, remplacée par l'Eurocode 8.

M TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° ï 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO 1

Recommandations pour la conception et la protection parasismicjues des ouvrages souterrains

ainsi que leurs conséquences sur lesouvrages sont difficilement prévisibles, parmanque de retours d'expériences suffisam-ment documentés et en regard de l'échelledes phénomènes à modéliser.

2.2 - PRINCIPE GENERAL DELA CARACTERISATION DUMILIEU HOTE

Les reconnaissances géotechniques à menerpour l'implantation d'ouvrages souterrainsen zone sismique comprennent celles quiseraient menées en contexte non sismique,assorties des recommandations et mesurescomplémentaires décrites ci-après.

2.3 - CLASSIFICATION DUMILIEU HOTE

II est recommandé d'utiliser la classificationdu milieu hôte donnée dans le tableau ci-dessous. Cette classification complète etamende celle figurant dans la norme NFP 06-013. Des paramètres supplémentairesrelatifs aux massifs rocheux et concernant,en particulier, leur fracturation y sont intro-duits. Ce sont le RQD (Rock QualityDésignation) et le paramètre ID, indice glo-bal de densité de discontinuités (Recom-mandations AFTES 1993).

O C.2.3a) Cette classification ne peut en aucun casse substituer à des reconnaissances géo-techn/ques adaptées à la taille et à la finalitéde l'ouvrage souterrain. Il est vivementrecommandé de n'utiliser cette classifica-tion que de manière indicative.

b)Outre l'ajout des colonnes de valeurs desparamètres de fracturation RQD et ID, lesécarts de la classification proposée par rap-port à celle de la norme sont :

• une classification plus discriminante sui-vant le degré de fracturation ou d'altérationdu rocher;

• une modification de la dénomination de lacatégorie des sols cohérents du groupe a,ou moyennement consistants du groupe b ;

• la suppression du terme roche du groupe c.

c) Pour le rocher sain, il est recommandé decaractériser sa déformabilité à partir d'es-sais au dilatomètre. Ce type d'essai peutégalement être utilisé pour des massifsrocheux de qualité moindre.

Pour de plus amples informations concer-nant le choix des paramètres et essais géo-techniques utiles à la conception, au dimen-sionnement et à l'exécution des ouvragescreusés en souterrain, on se reportera aux

recommandations de l'AFTES publiées en1994 dans Tunnels et Ouvrages Souterrainsn° 123.

2.4 - RECOMMANDATIONPARTICULIERE

En milieu rocheux, une attention particu-lière doit être portée à la description desinterfaces entre formations géologiquesdifférentes traversées par l'ouvrage, quipeuvent être des zones privilégiées decisaillement sous sollicitation sismique.O C.2.4.Pour de plus amples informations concer-nant la description des massifs rocheux utileà l'étude de la stabilité des ouvrages souter-rains, on se reportera aux recommandationsde I'AFTES (1993), sachant que celles-ci sonten cours de révision.

Dans le cas où il est demandé d'utiliser l'in-dice de classification Q du NorwegianGeotechnical Institute (NGI), celui-ci recom-mande de diviser par 2 la valeur de cetindice, déterminé suivant les règles d'usageen mécanique des roches. Cette modifica-tion de l'indice Q résulte de la multiplicationpar 2 du paramètre SRF (Stress RéductionFactor) pour tenir compte du contexte sis-mique (N. Barton, 1984).

lfIff ffpfflllilt|||li! ; j|||p

Rocher sain ou peu altéré et peu fracturé

Groupe a

Groupe b

Groupe c

Rocher altéré ou fracturé

Sol cohérent (argiles oumarnes raides)

Sol granulaire compact

Rocher décomposé outrès fracturé

Sol granulaire moyennementcompact

Sol cohérent moyennementconsistant et roche très tendre

Sol granulaire lâche

Sol cohérent mou (argilesmolles ou vases)

/

/

>5

>15

/

5à15

1,5 à 5

<5

<1,5

/

/

/

>30

/

10 à 30

/

<10

<2

(voirC2.3c)

50 à 100

>25

>20

50 à 100

6à20

5à25

<6

<5

2,5 à 5

>2

>2

2,5 à 5

1à2

0,5 à 2

<1

<0,5

>10

6à10

>0,4

/

1à6

/

0,1 à 0,4

/

<0,1

>800

500 à 800

>400

>400

300 à 500

150 à 400

150 à 400

<150

<150

/

/

/

>1800

/

1500à 1800

/

<1500

<1500

>2500

1000à 2500

>1800

>800

400à 1000

500à 800

1000à 1800

<500

<500

>75

50 à 75

/

/

<50

/

/

/

/

>60

20 à 60

/

/

<20

/

/

/

/


Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains I

2.5 - CARACTERISTIQUESGEOTECHNIQUESCOMPLEMENTAIRESA ACQUERIR ENCONTEXTE SISMIQUE

2.5.1 - Caractéristiques communes

On suppose acquises la masse volumiquereprésentative de chaque formation traver-sée par l'ouvrage souterrain ainsi que lesconditions hydrogéologiques du site sui-vant le principe général du paragraphe 2.2.Pour toutes les formations géologiqueshôtes (sol ou roche) et dans le cas d'uneprise en compte d'une interaction sol-struc-ture, le calcul de coefficients de raideurdynamiques longitudinal et transversal (cf.4.3.2.2. et annexe 5) suppose la connais-sance du module de rigidité au cisaillementG et celle du coefficient de Poisson v.

O C.2.5.ÎPour les sols, le module de cisaillement Gdéterminé suivant les dispositions du para-graphe 2.6 doit être corrigé pour tenircompte du niveau de distorsion atteint aucours du séisme. Dans ce cas, on se repor-tera au chapitre 9 des règles «PS92» (NF P06-013).

2.5.2 - Caractéristiques complé-mentaires relatives aux disconti-nuités du massif rocheux

Les discontinuités géologiques majeures dumilieu rocheux hôte, qui pourraient êtremobilisées sous sollicitation sismique, doi-vent être identifiées et caractérisées. Cesont les discontinuités suivantes :- zone faillée traversant l'ouvrage souterrain ;

- facturation du massif rocheux dont l'es-pacement moyen est de l'ordre de gran-deur des longueurs d'ondes sismiques.

O C.2.5.2a) Un ouvrage souterrain linéaire peut tra-verser une ou plusieurs zones faillées mobi-lisables sous séisme. Il convient, dans ce cas,de réaliser une étude sismotectonique spé-cifique en vue de les identifier, d'estimerl'orientation de ces failles, la direction etl'importance des déplacements relatifs desbords de ces failles.

b) On ne tient pas compte ici de la petitefacturation du massif à l'échelle métriquecar elle ne peut induire que des instabilitéslocales ne remettant pas en cause les fonc-

tions principales de l'ouvrage, si celui-ci estnon revêtu (voir chapitre 5).

c) Dowding (1979) suggère que les accélé-rations importantes aux fréquences élevées(30-60 Hz) sont probablement capables decauser des mouvements différentiels deblocs rocheux pouvant provoquer des dom-mages aux grandes excavations.

2.5.3 - Caractéristiques complé-mentaires pour un sol hôte

Les sols présentant les caractéristiquesdécrites au paragraphe 9.12 de la normeNF P06-013 doivent être a priori considéréscomme susceptibles de donner lieu à desphénomènes de liquéfaction (annexe 1).

L'évaluation du risque de liquéfaction doitêtre faite suivant les dispositions desarticles 9.12 à 9.15 de cette même norme.Les mesures à prendre lorsque la sécuritéapparaît insuffisante vis-à-vis de ce risquesont précisées au chapitre 5.

O C.2.5.3Le phénomène de liquéfaction se limite auxformations superficielles sous nappe et typi-quement jusqu'à une profondeur n'excé-dant pas 15 à 20 m.

2.6 - MOYENS PARTICULIERSD'OBTENTION DESCARACTERISTIQUESDYNAMIQUES POURLA CONCEPTIONPARASISMIQUE DESOUVRAGES SOUTERRAINS

Le module de rigidité au cisaillement G etle coefficient de Poisson v peuvent êtredéterminés :

2.6.1 - prioritairement, à partir de lamesure des vitesses de propagation desondes de compression Vp et de cisaille-ment Vs :

• soit en laboratoire (mesures sur éprou-vettes) pour les rochers sains (voir §2.3) ;• soit in situ dans les autres cas, à partir dediagraphies soniques, d'essais cross-holeou toute autre méthode permettant d'ob-tenir des vitesses de propagation d'ondes àl'échelle de l'ouvrage.

O C.2.6.1La vitesse Vs peut être obtenue depuis lasurface par la méthode SASW (SpectralAnalysis of Surface Waves) pour desouvrages souterrains à moins de 20 m de

profondeur et, par exemple, par essaiscross-hole pour les ouvrages souterrainssitués jusqu'à une profondeur de l'ordre de100m.La méthode SASW est basée sur l'utilisationde la dispersion des ondes de Rayleigh,générées depuis la surface sous forme har-monique ou impulsionnelle. Elle permetd'obtenir des profils de Vs en fonction de laprofondeur (Nazarian and Stokoe, 1994 ;Matthews and al, 1996).Les essais cross-hole (norme ASTM D44-28)sont des essais dynamiques in situ par sis-mique transmission, effectués dans desforages rapprochés et spécialement équipéspour permettre la mesure de la vitesse desondes P et S dans chacune des formationstraversées par ces forages. La source sis-mique et les récepteurs sont placés dans desforages différents, à la même profondeur.

Pour les ouvrages souterrains plus profonds,les investigations en galerie de reconnais-sance seront privilégiées. Les méthodes sis-miques de reconnaissance à l'avancementsont particulièrement adaptées à ces carac-térisations.

2.6.2 • à défaut, et avec la prudencequi s'impose, à partir de corrélationsavec d'autres caractéristiques mesuréesplus classiquement dans le cadre de lareconnaissance géotechnique pour unprojet d'ouvrage souterrain.

O C.2.6.2Quelques corrélations utilisables sont pré-sentées ci-après :• Le diagramme de classification des rochespour l'abattage en souterrain établi par C.Louis (1974), met en regard le rapport desvitesses de propagation des ondes de com-pression mesurée in situ (Vp) et en labora-toire sur éprouvette (Vpl) en fonction duparamètre RQD, tel que :

RQD(%)

Vp/Vpl

0

0

25

0,2

50

0,4

75

0,6

90

0,8

10

1

• N. Barton et al. (1992) ont proposé unerelation entre la vitesse de propagation desondes de compression Vp et l'indice Q declassification, telle que :

Q 0,001 0,01 0,1 1 10 100 100

Vp(m/s) 500 1500 2500 3500 4500 5500 650


Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains |

3 - ACTION SISMIQUEO C.3La définition de l'action sismique pour tesouvrages souterrains découle de celle utili-sée pour les ouvrages en surface. Celle-ciest définie dans des textes réglementaireset/ou contractuels. Pour le territoire fran-çais, la définition de l'action s/sm/que ensurface est donnée en annexe 2.

3.1 - MOUVEMENTVIBRATOIRE EN SURFACEOU AU VOISINAGEDE LA SURFACE

Le mouvement vibratoire est défini de lamême manière que pour les constructionsdont une partie est située au-dessus du soldans les deux cas suivants :

• ouvrages souterrains construits en tran-chée couverte ou ouvrages immergés ;

• ouvrages (ou parties d'ouvrages) souter-rains d'un autre type situés à moins de 20mètres de la surface du terrain naturel.

Le seuil proposé de 20 mètres a été fixépour distinguer les ouvrages superficiels,pour lesquels la définition du mouvementest la même que pour les ouvrages de sur-face, des ouvrages profonds pour lesquelson peut admettre une modification decette définition.

Dans le cas d'un ouvrage souterrain, dontl'emprise concerne plus d'une zone duzonage sismique applicable aux construc-tions de surface, il doit être considérécomme étant situé tout entier dans la zonede plus forte sismicité.

3.2 - MOUVEMENTVIBRATOIRE ENPROFONDEUR

3.2.1 - Valeurs de pic dumouvement vibratoire pour lesouvrages horizontaux profonds

Pour les ouvrages horizontaux dont les par-ties les moins profondes sont situées à plusde 20 mètres de la surface du terrain natu-rel, il est loisible de déterminer l'amplitudedes pics du mouvement vibratoire en multi-pliant les valeurs applicables à la surfacepar un coefficient réducteur R.

La valeur de ce coefficient R peut être obte-nue soit à partir de mesures in situ, soit parle calcul en utilisant toute méthode scienti-fiquement validée.

O C.3.2.7Dans te cas d'une lithostratigraphie des ter-rains peu contrastée, R peut être calculé dela façon suivante :

a) on schématise le terrain au-dessus del'ouvrage par un empilement de n coucheshomogènes en respectant les conditionssuivantes :

- pour tes profils de sol présentant une aug-mentation de la vitesse de propagation desondes avec la profondeur, n est inférieur ouégal à 3;

- pour tes profils de sol présentant des alter-nances de couches dures et de couchesmolles, n est inférieur ou égal à 5 ;- pour chaque couche, te temps mis par tesondes pour la traverser doit être supérieurou égal à 0, îs ;- entre deux couches adjacentes, le rapportd'impédance, défini ci-après, doit être infé-rieur à 2/3 ou supérieur à 3/2.b) on applique la formule suivante :

R

avec :5=0 sin =

sin>1

r, -

p; et c; étant respectivement la masse volu-mique et la vitesse de propagation desondes de la couche numérotée (les couchessont numérotées de 1 à n à partir de la sur-face].La valeur à considérer pour la vitesse depropagation des ondes est :- celle des ondes de cisaillement pour lescomposantes horizontales des mouvements ;- celle des ondes de traction-compressionpour la composante verticale des mouve-ments.On rappelle que le rapport d'impédanceentre deux, couches est le produit du quo-tient des masses volumiques par le quotientdes vitesses de propagation d'ondes (entretes couches d'indice i et i + î, c'est te para-mètre r-t introduit précédemment).

3.2.2 - Spectres de réponse etaccélérogrammes pour lesouvrages horizontaux profondsSi le calcul de certaines parties de l'ou-vrage, ou des équipements qu'il contient,

nécessite la définition de spectres deréponse ou d'accélérogrammes, ceux-cidoivent être obtenus à partir d'un modèled'ondes sismiques à propagation verticalequi produisent à la surface le mouvementspécifié en 3.1.

O C3.2.2L'utilisation de coefficients réducteurs pourdéduire le mouvement en profondeur decelui à la surface n'est justifiée, en tant quepremière approximation et en prenant lesmarges de sécurité nécessaires, que pourles valeurs de pic du mouvement (accéléra-tion, vitesse, déplacement). Pour une des-cription plus fine de celui-ci (spectre deréponse, accélérogrammes), il faut utiliserun modèle d'ondes prenant en compte lescaractéristiques du profil de sol (épaisseuret propriétés mécaniques des différentescouches). Les spectres de réponse à la sur-face, qui sont des données de base pour cemodèle, sont précisés dans l'annexe 2.

L'utilisation de tels modèles peut conduire àla quasi-annulation de certaines compo-santes du mouvement en profondeur pareffet d'interférences destructives entre lesondes réfléchies et réfractées. Cet effet, quidécoule des hypothèses adoptées (notam-ment en ce qui concerne le caractère unidi-rectionnel des propagations d'ondes), peutconstituer une représentation exagérée desphénomènes réels. Il convient donc de fixerun minimum à la réduction du contenu fré-quentiel des mouvements, dans le cas oùceux-ci sont obtenus par un modèle unidi-mensionnel ; ce minimum peut être priségal au tiers de la valeur correspondant aumouvement en surface.

3.2.3 - Mouvements vibratoirespour les ouvrages étendus dans lesens vertical

Ils doivent être obtenus à partir d'unmodèle d'ondes sismiques à propagationverticale qui produisent à la surface le mou-vement spécifié en 3.1.

3.3 - MOUVEMENTSDIFFERENTIELS IRREVERSIBLES

Les mouvements différentiels irréversiblesrésultant du jeu de failles sismogènes sontdéterminés conformément aux articles3.2.3 et 3.4.2 du document AFPS intitulé«Conduites enterrées en acier pour letransport : méthodes d'évaluation de leurrésistance sous sollicitations sismiques».

O C3.3Les failles sismogènes considérées ici sontcelles dont le mouvement est la cause du

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° M>7 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1


séisme et qui peuvent donc être caractéri-sées par une valeur de magnitude. Les mou-vements éventuellement dus au jeu defailles secondaires ne peuvent, dans l'étatactuel des connaissances, être prédits defaçon quantitative. Les formules de calculde ces mouvements sont rappelées enannexe 3.

3.4 - MAJORATION DEL'ACTION SISMIQUE POURLES TUNNELS LONGS

Pour tenir compte de la majoration de laprobabilité d'exposition au risque sismiqueavec la longueur de l'ouvrage, il y a lieu demajorer l'action sismique. Cette majorationest obtenue en multipliant les différentstermes caractérisant le mouvement sîs-mique (accélérations, vitesses, déplace-ments, spectres de réponse) par un coeffi-cient majorateur A.Ce coefficient peut être déterminé par uneétude spécifique de l'aléa sismique prenanten compte les différentes sources sis-miques et leur position par rapport au tun-nel considéré sur toute sa longueur et uneanalyse des risques propres à l'ouvrage.A défaut, et pour les tunnels dont la lon-gueur est comprise entre 5 et 30 kilo-mètres, le coefficient A peut être calculépar la formule suivante :

|

4 // h.mm max

où L est la longueur du tunnel, et hmjn etnmax 'es valeurs minimale et maximale de laprofondeur des foyers sismiques. En Francemétropolitaine, on peut utiliser les valeurssuivantes :

Avec ces valeurs, le coefficient A est donnéen fonction de L dans le tableau suivant :

Lflcm)5102030

A1,0701,1291,2251,302

O C.3.4La majoration de l'action sismique pour lestunnels très longs résulte de considérationsprobabilistes. Pour un niveau donné de l'ac-tion sismique, la probabilité de son dépas-sement est plus grande pour un ouvrageétendu que pour un ouvrage ponctuel. La

formule proposée pour la majoration cor-respond au cas d'une zone à sismicité dif-fuse, à l'intérieur de laquelle la distributionde l'aléa sismique est uniforme et pourlaquelle on vise la même période de retourpour caractériser l'aléa sismique (Betbeder-MatibetJ., 1996).

4 - CALCUL DES EFFETS DEL'ACTION SISMIQUE SURLES OUVRAGES ENTERRESDomaine de validitéLes présentes méthodes de calcul s'appli-quent aux ouvrages linéaires, pour lesquelsla longueur est nettement prépondérantedevant les dimensions de la section trans-versale, d'axe horizontal, subhorizontal ouvertical.Elles sont applicables aux ouvrages situés àfaible ou grande profondeur sous la surfacedu sol, supposés pris isolément.Sont exclus les systèmes composés de plu-sieurs ouvrages voisins pouvant développerune interaction dynamique entre eux.O C.4a) Sont plus particulièrement concernés,quel que soit leur mode de réalisation, lestunnels routiers, ferroviaires ou de métros,les galeries minières, les microtunnels, lesstations souterraines et ouvrages souter-rains de stockage qui peuvent être considé-rés comme linéaires.

b) La profondeur de l'ouvrage sous la sur-face du sol doit être jugée par rapport auxlongueurs des ondes sismiques (annexe 4).Un ouvrage est considéré comme peu pro-fond si son axe est situé à une profondeurau plus égale au quart de la longueur del'onde sismique à" fréquence prépondé-rante ; dans un sol, cette profondeur est dequelques dizaines de mètres ; dans unmatériau rocheux, elle peut atteindre plu-sieurs centaines de mètres. Dans tous lescas, on considérera qu'au-delà de 100 m deprofondeur on se trouve en présence d'unouvrage profond. La profondeur de l'ou-vrage conditionne les sollicitations qui luisont appliquées. Lorsqu'on dispose d'unedéfinition plus précise du mouvement, lafréquence prépondérante est définie par(Rajhjeetal.,1988):

pour 0,25 Hz-s f} s 20 Hz

où Cj représente le coefficient de Fourierde l'amplitude du signal et rj la fréquenceassociée.

c) L'attention est attirée sur le fait que l'in-teraction dynamique entre ouvrages peutse développer à des distances plus impor-tantes que l'interaction statique. A défautde justification plus précise, on peut consi-dérer que cette interaction peut se dévelop-per jusqu'à des distances de l'ordre de2à3fois celles correspondant au chargement enstatique.

4.1 - COMBINAISONSD'ACTIONS

4.1.1 - Combinaisons de calcul

Les combinaisons d'actions à considérerpour la détermination des déformations etsollicitations de calcul sont les combinaisonsaccidentelles représentées symboliquementcomme suit, conformément à la notationretenue dans les règles BAEL, fascicule 62,titre I du CCTG (Règles BAEL 91, révisées en1999):

£ + G + W u Q 1 + 2 W2,Q,i>i

avec les notations symboliques suivantes :E : l'action sismique calculée comme indi-qué au chapitre 3 ;G : poids mort et actions permanentes delongue durée le cas échéant (précontrainte,action latérale statique des terres) ;4*11 : la valeur fréquente d'une des actionsvariables ;4*2, : la valeur quasi permanente des autresactions variables.

O C.4.1.1a) II est rappelé que, pour les vérificationslocales, E inclut les poussées dynamiquesdes nappes phréatiques.b) Du point de vue des combinaisons d'ac-tions, les masses ou poids des terres, lespoussées des nappes phréatiques sont trai-tées comme des charges permanentes.

4.1.2 - Facteurs d'accompagnement4.1.2.1 - Facteurs d'accompagnementapplicables aux actions résultant de fafréquentation et de /'entreposageLes valeurs du coefficient "?£ applicablesaux actions autres que les charges d'exploi-tation de caractère industriel ou que lescharges mobiles, sont données ci-dessous :a - Charge constituée par des personnes engrand nombre...................... 0,6b - Charge constituée par des objets entre-posés pour une longue durée ........ 1,0


Recommandations pour la conception et la protection parasismicjues des ouvrages souterrains

.1.2.2 - Facteurs d'accompagnementpplicables aux charges d'exploitatione caractère industriel ou à celles desuvrages d'artes coefficients 4*g applicables aux charges'exploitation de caractère industriel ou àelles des ouvrages d'art sont fixés, enonsidération de la fréquence'attendue des§alisations des diverses valeurs et de leurlurée d'application, par le Cahier desCharges.

.1.2.3 - Cas d'annulation du facteur''accompagnemente coefficient *Fg applicable à une actionbit être pris égal à 0 lorsque cette éven-jalité est plus défavorable pour la résis-ance ou l'équilibre de l'élément étudié.

1.2 - REPONSE D'UNOUVRAGE ENTERRE A/ACTION SISMIQUE

1.2.1 - Nature des actions sis-niques à considérer

'action sismique à prendre en comptelans les calculs d'un ouvrage peut êtreonsidérée comme composée :\) des déformations ou déplacementsnposés à l'ouvrage par les mouvementslifférentiels du sol résultant de la propaga-ion des ondes ; ces déplacements et défor-nations sont considérés comme appliquésle façon statique ;0 des surpressions dynamiques exercéesur l'ouvrage par l'eau des terrainsmcaissants.

) C.4.2.1)'autres types d'action sismique, tels la tra-•ersée de failles actives, peuvent être à•onsidérer. Les so//ic/tat/ons à prendre en:ompte ne relèvent pas de calculs mais deiispositions constructives.

1.2.2 - Détermination desiéformations ou déplacementsmposés à l'ouvrage

.es déformations ou déplacements impo-és à l'ouvrage peuvent être calculés enwaluant le mouvement sismique en champibre à la profondeur de l'ouvrage et enenant compte de l'interaction développée;ntre le terrain encaissant et l'ouvrage sui-'ant les méthodes de l'article 4.

) C.4.2.2Contrairement au cas des ouvrages en élé-'ation, les ouvrages enterrés répondent

essentiellement à l'action sismique en subis-sant le mouvement du terrain ; la rigiditépropre de l'ouvrage peut modifier le mou-vement du terrain en champ libre du fait del'interaction dynamique qu'il développeavec celui-ci. En règle générale, les sollicita-tions résultant des forces d'inertie sontnégligeables devant celles imposées par ladéformation du milieu encaissant.

4.3 - ACTION SISMIQUESELON L'AXE DU TUNNEL :COMPRESSION ET FLEXION

L'action sismique selon l'axe du tunnel estdéterminée à partir des déplacements enchamp libre de la ligne matérialisant l'axedu tunnel. Ceux-ci induisent, selon lesmodalités d'interaction terrain- structure,des efforts de compression-traction et deflexion longitudinale, le tunnel étant consi-déré comme un élément linéique de typepoutre.Les déplacements en champ libre sontdéterminés comme indiqué au chapitre 3.

4.3.1 - Déplacements et déforma-tions en champ libre de la lignematérialisant l'axe du tunnel

4.3.1.1 - Déplacement axialLes déplacements du terrain en champ libreselon l'axe du tunnel générées par uneonde de cisaillement sinusoïdale caractéri-sée par sa longueur d'onde L, son ampli-tude en déplacement Dg et son angle d'in-cidence 0 par rapport au tunnel sontdonnés par les formules suivantes :

4.3. l.l - Déplacement axial

ux (x)= D0 sin 0 sinf ——cosé» ]l ^ /

d'où la déformation axiale de la ligne maté-rialisant le tunnel :

dux 2it (2xx \e(x) - —— » — DQ sin 0 cosO cos —— cos a

dx L \ L )

F0 (lia \= — sin 0 cos 6 cos —— cos a

C ( L }

V0 étant la vitesse particulaire au niveau del'axe du tunnel, et la longueur d'onde Létant donnée par :

ou:f = période fondamentale du mouvement,C = vitesse apparente de propagationd'onde.

O C.4.3.1.1La vitesse particulaire V0 est la vitesse dumouvement du terrain.

La vitesse apparente de propagation d'ondeC n'est pas nécessairement la vitesse de pro-pagation dans les terrains traversés. A défautde justification plus précise, on peut prendreC = inf (1000 m/g,, V^ où Vs représente lavitesse de propagation des ondes de cisaille-ment dans les terrains traversés.

4.3.1.2 - Déplacement transversal

ux (jr)= £>„ sin 6 sin! ——cos0 I

d'où la courbure de la ligne matérialisant letunnel :

_(x)= ——Z. _ ——/^cos'Usini——cosfl |

Acos'flsinf——cos0)<"' L

Ag étant l'accélération particulaire auniveau de l'axe du tunnel.Dans le cas où l'on connaît les mouvementsen surface, il conviendra de tenir comptede la profondeur de l'axe du tunnel.

O C.4.3.1.2L'amplitude Dg ainsi que la vitesse Vg(Vg = 2n f Dg) et /'accélération Ag(Ag = 4n2 f2 Dg ) au niveau de l'axe du tun-nel, peuvent être déterminées à partir d'uncalcul de réponse en champ libre en fonc-tion de la sollicitation sismique et des carac-téristiques géodynamiques des formationsgéologiques hôtes: masses volumiques,vitesses de propagation des ondes oumodules de rigidité au cisaillement, coeffi-cients de Poisson, niveaux de nappe. Adéfaut, on pourra utiliser les valeurs calcu-lées en 3.2.1.La figure 4.3.1.2 (Kuesel, 1969) représenteles déplacements du terrain en champ libreet en milieu infini, selon l'axe du tunnel,générés par une onde de cisaillement sinu-soïdale caractérisée par sa longueur d'ondeL, son amplitude en déplacement Dg et sonangle d'incidence 0 par rapport au tunnel.Des indications sont données dans l'annexe4 sur la détermination pratique de la fré-quence f à utiliser pour le calcul de la lon-gueur d'onde L.

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N" 1 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains!

Uy - Do cotS. *h((2jo<)ft-a»fl)

Figure 4.3.1.2

4.3.2 - Sollicitations induites sur letunnel

4.3.2. / - Cas de non prise en compte de/'interaction terrain-structureOn admet dans ce cas que la déformationde l'ouvrage est identique à celle du terrainencaissant et, par conséquent, peut êtreestimée directement à partir des formulesdéveloppées ci-dessus donnant la défor-mation en champ libre.

Les sollicitations s'en déduisent par les for-mules classiques de la théorie des poutres,en fonction de l'état mécanique attendudans la section de l'ouvrage et des exi-gences de comportement requises.

Pour une section courante (éventuellementfissurée), caractérisée par son aire S, soninertie I et un module E caractérisant lematériau constitutif de l'ouvrage :• effort axial (compression- traction) :

N = — ESD0sinOcos8

Cet effort est maximum pour 6 = 45°:

flexion longitudinale :

Ce moment est maximal pour 9 = 0:

1 effort tranchant :

O C.4.3.2.7a) La non-prise en comptede l'interaction terrain-struc-ture correspond au cas d'untunnel dont la structure peutêtre considérée comme trèssouple par rapport au terrainencaissant. Cette méthodefournira par ailleurs un majo-rant des efforts pouvantapparaître quand la raideurdu tunnel n'est plus négli-geable par rapport à celledu terrain encaissant.

b) Pour le béton, le moduleà prendre en compte est lemodule instantané du béton(soit environ 30 000 MPa) enparticulier dans la direction

longitudinale, sauf justification du caractèreadmissible de la fissuration de l'ouvrage.Pour l'acier, c'est le module de 200 000 MPa.

cJPour9 = 0: N = 0

d) Pour 9= 45°:

e) M étant une fonction périodique depériode —*=- , la valeur de l'effort tranchant

cosQse déduit directement de celle du moment.

4.3.2.2 - Cas de prise en compte de /'in-teraction terrain- structure4.3.2.2. 1 - Caractérisât/on de l'interaction

L'interaction terrain-structure est caractéri-sée par un coefficient de raideur longitudi-nale du terrain K| et un coefficient de rai-deur transversale K( exprimés en force parunité de déplacement longitudinal outransversal du terrain et par mètre linéairede l'ouvrage (figure 4.3.2.2.1).

6* '

Jt \ Jt. \ Jb \

Figure 4.3.2.2.1

(̂

Kt Kl

M

En première approximation, on pourraadmettre : K| = K^ = G (annexe 5).

4.3.2.2.2 - Tunnels de structure continue surune longueur supérieure à la longueurd'onde sismique

La détermination des sollicitations le longde l'axe du tunnel en fonction des caracté-ristiques de l'onde sismique revient àl'étude d'une poutre continue sur appuisélastiques dont la raideur est fournie par lescoefficients K| et Kj., ces appuis étant sou-mis aux déplacements imposés déterminésdans l'analyse en champ libre.

Les valeurs maximales des sollicitations on1pour expression :

• effort axial i^-.--™" *'L^

• flexion longitudinale :K,

rr(2ji\En — + K\ '' )

• effort tranchant : i7' - —-M,

O C.4.3.2.2.2

Pour cette approche, on pourra remplaçailes déplacements imposés par l'applicationdirecte, sur la poutre é/ast/quemenïappuyée, de forces par unité de longueur :• longitudinale PJ (x) = Kj ux (x)

• transversale pt (x) = Kt uy (x)

4.3.2.2.3 - Incidence de l'espacement entrejoints

La modélisation en poutre sur appuis élas-tiques permet de prendre en compte l'effetdes déformations d'ondes sismiques surune poutre de longueur finie. Il en résulteune atténuation des sollicitations maxi-males en fonction du rapport de la lon-gueur entre joints à la longueur d'onde. Ilconvient de déterminer le souffle minimaldes joints dans les deux directions longitu-dinale et transversale permettant sa priseen compte.

O C.4.3.2.2.3Un espacement typique de distance entrejoints correspond à un quart de la longueuid'ondes. L'atténuation obtenue peulatteindre des valeurs très significatives.

4.4 - ACTION SISMIQUEDANS LE PLAN DE LASECTION DROITE :DISTORSION ETOVALISATION

La distorsion (terme utilisé essentiellemenlpour les sections de forme rectangulaire]ou Povalisation (terme utilisé essentielle-ment pour les sections de forme circulaire]sont produites par la distorsion du terrainencaissant sur la hauteur du tunnel sousl'effet de la propagation verticale desondes de cisaillement.

O C.4.4On développe ci-après une méthode sta-tique pouvant se substituer à un calcul dyna-mique complet en interaction terrain-struc-ture.

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 1 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO 1


1.4.1 - Distorsion en champ libre

a détermination de la distorsion en champbre peut se faire à l'aide d'un modèle oulien en utilisant une formulation simplifiée :

soit, dans le cas d'un tunnel profond dansn sol ou une roche relativement homo-|ène, par utilisation de la formule :

soit, dans le cas d'un tunnel inscrit dansne couche de sol compressible homogènel'épaisseur H placée au-dessus du substra-um, par utilisation de l'équation donnant leléplacement relatif à la profondeur z:

«(z)=Z)0cos(——ïV ' ' \W)

) C.4.4.Î

Tontrairement au cas du chapitre 4.3, la•itesse qui intervient dans la formule ci-•ontre est la vitesse de propagation desindes de cisaillement dans les terrains tra-•ersés.

1.4.2 - Efforts de distorsion etl'ovalisation induits dans le tunnel

1.4.2. / - Cas de non prise en compte de'interaction terrain-structure)ans ce cas, la distorsion du terrain s'im-)ose entièrement à la section droite duunnel.

4.4.2.2 - Cas de prise en compte de /'in-teraction terrain-structure4.4.2.2.1 - Caractérisât/on de /'interactionL'interaction terrain-structure sera caracté-risée par des appuis élastiques interposésentre la structure du tunnel et le terrainencaissant.O C.4.4.2.2.ÎPour la détermination de leurs caractéris-tiques, on retrouve les méthodes évoquéesplus haut (annexe 5). En première approxi-mation, on pourra utiliser la valeur 0,5 G /h,h étant la hauteur du tunnel.

4.4.2.2.2 - Mode d'introduction de la sollici-tation sismiqueLes sollicitations d'origine sismique sontprises en compte en appliquant à la struc-ture, appuyée élastiquement par l'intermé-diaire des appuis dont les raideurs sont cal-culées comme indiqué ci-dessus, les actionssuivantes (figure 4.4.2.2.2) :• les déplacements u(z) en champ libre auxextrémités des appuis, ou alternativement,les pressions p = k u(z) à la structure, lesextrémités des appuis étant fixes ;• des contraintes tangentes sur lescontacts entre terrain et structure égalesaux cisaillements exercés sur la masse deterrain excavée dans la situation en champlibre ;• des efforts inertiels appliqués à la struc-ture par application à sa masse de l'accélé-ration Ag.

O C.4.4.2.2.2

a) L'application des contraintes de cisaille-ment du champ libre à la structure résultedu fait que les contraintes en champ libreont été évaluées sans tenir compte de l'ex-cavation.

b) En règle générale, les efforts inertiels nesont pas prépondérants.

c) On trouvera en annexe 5 des formulesqui ont été développées pour te cas particu-lier des tunnels circulaires.

4.5 - ACTIONS LOCALESLes structures secondaires et autres soussystèmes supportés par la structure princi-pale peuvent être calculés par la méthodefaisant l'objet de l'article 4.5.2. Dans cetteévaluation, les charges d'exploitation sontprises avec leur valeur caractéristique ounominale. A ces forces s'ajoutent, lorsqu'il ya lieu, les poussées prescrites par les règle-ments de charge en vigueur.

Pour les éléments de structure en contactdirect avec le sol, les sollicitations appli-quées peuvent être calculées par applica-tion des formules de poussée dynamiquedes terres en considérant l'ouvrage commenon-déplaçable.Pour les éléments internes à l'ouvrage, àdéfaut de l'application des prescriptions del'article 4.5.2, la méthode simplifiée de l'ar-ticle 4.5.1 est applicable.

champ llbra

P(Z)

Tb

k(u(Z)-ub)

Figure 4.4.2.2.2.


1 I

Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains I

Aux efforts inertiels ainsi calculés doiventêtre ajoutés les efforts résultant de la défor-mation de la structure principale aux pointsde liaison de celle-ci avec l'élément secon-daire.

O €.4.5Indépendamment des actions d'ensembledont l'évaluation fait l'objet des chapitres4.0 et 5.0, certaines parties des construc-tions ou des installations peuvent être sou-mises, du fait de leur localisation, de leurscaractéristiques vibratoires, à des actionsexcédant celles prises en compte dans lavérification de la résistance et de la stabilitéd'ensemble de la structure. C'est le cas,entre autres, de voiles de petites dimen-sions appartenant à des locaux techniques,des planchers intérieurs à l'ouvrage qui, dufait de leurs dimensions, de leur masseréduite ou de leur raideur ne modifient pasla réponse d'ensemble.Pour l'évaluation des poussées dynamiquesdes terres, on se reportera au chapitre 16des recommandations AFPS90.L'application des déformations de la struc-ture principale à l'élément secondaire estparticulièrement importante pour les struc-tures internes, tels les poteaux, qui ne parti-cipent pas à la reprise des sollicitations hori-zontales mais doivent assurer la reprise desefforts verticaux.

4.5.1 - Calcul forfaitaireLorsque ce calcul n'est pas exigé par lesprésentes recommandations ou par leCahier des Charges, ces structures secon-daires ou autres sous-systèmes peuventêtre calculés compte tenu de l'applicationaux masses qui les composent, et dans lesdirections appropriées, d'accélérations sis-miques.Pour les éléments plans (voile, plancher,mur...), cette accélération sismique estobtenue en multipliant l'accélération sis-mique applicable, dans la direction étudiée,au solide élémentaire, dont le sous-systèmeest solidaire, tel qu'il ressort du calcul d'en-semble, par un coefficient :• égal à 1 dans la direction parallèle au plande l'élément ;• égal à 2,5 dans la direction perpendicu-laire au plan de cet élément.

O C.4.5.ÎLe coefficient 2,5 représente le coefficientdynamique maximal d'un oscillateur à undegré de liberté, d'amortissement 5 %, sou-mis aux sollicitations sismiques définies parles spectres réglementaires.

4.5.2 - Calcul dynamique simplifiéLes éléments de structure internes à l'ou-vrage principal qui sont susceptibles, depar leurs masses ou raideurs, d'interagiravec celui-ci seront considérés comme deséquipements liés. Les sollicitations appli-quées à ces éléments sont déterminées sui-vant les prescriptions du chapitre 23 desrecommandations AFPS90.O C.4.5.2Les dispositions de cet article visent plusspécifiquement les planchers et voiles inté-rieurs à la structure principale.

4.6 - VERIFICATIONSLes vérifications décrites ci-dessous portentsur les parties d'ouvrages en béton armé.D'une manière générale, les vérificationseffectuées reviennent à s'assurer que l'ou-vrage a bien les capacités de déformationprises en compte dans le calcul des sollicita-tions développé dans les chapitres 4.3 et 4.4.

O C.4.6Ces vér/ficat/ons relèvent d'un processuséventuellement itératif qui peut être résumédans le logigramme ci-après, assorti descommentaires suivants.

4.6.1 - Vérifications vis-à-vis desactions selon l'axe du tunnelLes vérifications de résistance des sectionsde béton et d'armatures seront faitesconformément aux règles BAEL pour lescas de situations accidentelles, tout enconservant le coefficient réducteur de 0,85sur la résistance caractéristique du béton aulieu d'utiliser le coefficient unité applicableaux sollicitations dynamiques (norme NFP 06-013).

O C.4.6.1L'estimation des inerties et de l'aire de lasection droite de l'ouvrage pourra tenircompte de la fissuration, ce qui est possibledès lors que l'on a déterminé les sectionsd'armatures. Il conviendra cependant de nepas sous-est/mer exagérément les rigidités.C'est ainsi qu'on en restera à une estimationde ces grandeurs en restant dans ledomaine élastique, sans prendre en comptele comportement post-élastique.

4.6.2 - Vérifications vis-à-vis de ladistorsion et de l'ovalisation de lasection droiteLe comportement post-élastique peut êtrepris en compte par l'introduction de rotulesplastiques. La ductilité de celles-ci sera éva-luée (figure 4.6.2) :

• en prenant en compte le comportementdu béton fretté (figure 4.6.2 a) ;• en portant la limite d'allongement desarmatures tendues à 5 % ;• en estimant une longueur de rotule plas-tique de l'ordre de 0,8 fois l'épaisseur del'élément plastifié (figure 4.6.2b).Il convient de respecter les disposition*constructives issues du chapitre 5 :• les rotules plastiques seront inscrites àl'intérieur des zones critiques définies par lanorme dans les éléments fléchis et/ou com-primés ;• les vérifications vis-à-vis de l'effort tran-chant intégreront un coefficient de sécuritésupplémentaire de 1,25.

O C.4.6.2La norme française NF P 00-013 précise que«les armatures pour béton armé doiven\être à haute adhérence avec une limited'élasticité spécifiée inférieure à 500 MPa.L'allongement total relatif sous chargemaximale spécifiée doit être supérieur 01égalà5%».

4.7 - CAS DiS OUVRAGESVERTICAUX

Les ouvrages verticaux (puits, forages revê-tus ou non) peuvent être considéréscomme des ouvrages particuliers par lesaspects suivants :• de par leur nature, ils sont généralementamenés à traverser un nombre plus impor-tant de couches de terrain dont les proprié-tés géotechniques sont variées ;• ils auront donc à subir les efforts particu-liers liés non seulement aux réponses sis-miques variées de ces horizons mais égale-ment ceux spécifiques de ces interfaces ;• dans de nombreux cas, les ouvrages verti-caux auront aussi la particularité d'avoir uneextrémité en surface ce qui pose le pro-blème du passage d'un système de recom-mandation à un autre ;• dans la grande majorité, ces ouvragesseront de géométrie simple liée à leurmode de réalisation (circulaire pour lesforages et pour de nombreux fonçages depuits).Ces formes simples sont généralementbien adaptées pour répondre aux sollicita-tions du terrain. Les revêtements de stabili-sation sont donc souvent plus légers queceux correspondant aux mêmes typesd'ouvrages sub-horizontaux.Les efforts inertiels à prendre en compteseront faibles et les analyses en champ libreseront le plus souvent la règle.


I 1

| Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains!

Distorsion etovaSsafondelasection droite

Estimation des module,inertie et aire de section

droite da l'ouvrage enfonction des sections de

béton et d'armatures

Estimation descaractéristiques de

déformabilitô dss sections

Calcul des soSidtatlora N, M, Vde la section droite du tunnel,

avec éventuelle prise en comptede l'interaction terrain- structure

Calcul des sollicitations enfonction de Faction

sismlqua avec éventuelleprise en compte de

l'interaction terrain-structure

Vérifications de résistance typeELU des sections de béton et

d'armatures

Les sections debéton et

d'armatures sont àmodifier

Vérification de résistance àla flexion type ELU surl'ensemble des sections

Les modificationsont une incidencesur les inerties etaires de section

droite

non

Les moments daplastification sontdépassés dans

certaines sections

Vérification de résistance àf effort tranchant sur

rensemble des sections

/ Fin de la vérificationl selon l'axa du tunnel

La résistance àreffort tranchant peutêtre obtenue par unrenfort d'armatures

seules

/Fin de la vérification vls-àAl vis de la distorsion I


I Hecommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains

-Jib'/sd'après Kent et Park cité par A. Puériles"Bâtiments en zone stsmlque" 1998

Figure 4.6.2.O

0=(0.8h).(p

<py (puLoi moment-courbure dans la rotule

<pFigure 4.6.2.5

On trouve en annexe 6 un tableau de com-paraison entre les canalisations enterrées(pour lesquelles des recommandations ontété publiées par l'AFPS/CESS en 1998 -cahier technique n° 15), les ouvrages hori-zontaux et les ouvrages verticaux (forageset puits).

5 - CONCEPTION GENERALEET DISPOSITIONSCONSTRUCTIVES

Préambule

Les dispositions constructives parasis-miques propres aux ouvrages souterrainsvont se traduire par :

• des adaptations des quantités de maté-riaux (aciers, béton... ) par rapport à unesituation non sismique, ces adaptationsprovenant de règles forfaitaires définiesdans la suite du texte ;• des spécifications sur la qualité ou la miseen œuvre de ces matériaux ;• des choix constructifs spécifiques, cer-tains sont décrits en annexe ;• une adaptation de la géométrie.

5.ï - PRINCIPES GENERAUX

5.1.1 - Conception

En premier lieu, le concepteur adaptera aumieux l'ouvrage aux zones sismiques et enparticulier il veillera à ce que le tracé évite lessingularités telles que les failles actives

reconnues, les traversées de terrains forte-ment contrastés, ainsi que les zones suscep-tibles d'instabilité (liquéfaction, glissementde terrain...). La présence de singularités, auregard d'un contexte sismique, donne lieu àdes dispositions constructives spécifiques.Il en est de même de la transition d'une caté-gorie d'ouvrage à l'autre ou bien dans le casde variations brusques de la géométrie durevêtement.La conception obéit en général aux prin-cipes qui suivent ; certains principes anta-gonistes, le cas échéant, sont à concilier aumieux.

5.1.2 • Adaptation au mouvementsismique : le (oint sismique

Sur le revêtement d'un ouvrage linéaire telque défini au chapitre 4 s'exercent lesdéplacements du terrain engendrés par leséisme, ces déplacements provoquent desefforts de compression-traction et deflexion longitudinaux, ainsi qu'une distor-sion ou une ovalisatîon de la section trans-versale.Si les efforts longitudinaux sont importantsen regard des capacités résistantes du revê-tement, la création de joints circonférentielsva permettre la diminution de ces efforts.L'espacement entre joints et le souffle mini-mal de chaque joint peuvent être déterminésen fonction des méthodes décrites en 4.3.2.La technologie du joint sera fonction notam-ment de la valeur du souffle, des sollicitationss'y exerçant, du niveau d'étanchéité à assurerle cas échéant.O C.5.1.2A la transition d'un ouvrage long et de sestêtes, une disposition constructive spécifiques'impose vu la différence de comportementde chacune de ces parties d'ouvrages. Laprésence d'un joint de conception sismiqueconstitue en général une solution adéquate.

5.1.3 - Déformabilité et ductilité

L'augmentation de la raideur d'une structuredonnée est réputée se traduire par une aug-mentation parallèle des efforts sollicitant lastructure que le contexte soit sismique ounon. Le revêtement est donc conçu aussisouple que possible, en vérifiant toutefoisqu'il n'y a pas de risque d'instabilité.O C.5.7.3Actue/fement la tendance est d'assouplir lerevêtement.La ductilité se caractérise par le rapport dela déformation plastique maximale à ladéformation élastique limite.La ductilité n'est indispensable que si laconception prévoit un comportement post-

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 1 A7 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1


îfastique sous l'action des déplacementsmposés par le séisme. Elle n'est donc pas àobtenir systématiquement

.'augmentation de la ductilité accroît larapacité de la structure à emmagasiner de'énergie potentielle ou bien à supporter dejrandes déformations. Dans le cas des tun-lels, c'est cette seconde caractéristique qui;st recherchée.

La ductilité nécessaire est à rechercher dansa qualité et les dispositions des matériauxconstitutifs des ouvrages souterrains qui;ont habituellement du béton non armé oudu béton armé ou leur combinaison dansjne même section transversale.

Les dispositions qui améliorent la ductilitésont explicitées ci-après.La ductilité d'une pièce en béton arménécessite de disposer des armatures trans-versales (cadres, étriers fermés par des cro-chets d'angle au centre d'au moins 135" etde retour 10 diamètres nominaux).

Les longueurs de recouvrement des arma-tures longitudinales sont majorées de 30 %par rapport aux règles BAEL, des armaturesespacées de 8 à 12 fois le diamètre de laplus petite barre longitudinale assurant lacouture.

Pour le béton non armé, la ductilité est assu-rée par la fissuration.

Quant à la qualité des matériaux mis enœuvre, il pourrait être préconisé d'utiliser :

• un béton de catégorie minimum 825;• des aciers à limite d'allongement garantiede 5% minimum.

Il faudra s'assurer également de la bonneductilité des matériaux autres, tels que ceuxentrant dans la composition des joints, desboulons ou bien dans les assemblages, pardes essais de laboratoire le cas échéant.

Rotules plastiquesL'apparition et la localisation de rotules plas-tiques au cours du séisme améliorent laductilité de la construction. L'importance decette ductilité variera suivant les conditionsde frettage de ces rotules plastiques.Pour un ouvrage voûté, la position desrotules plastiques n'est pas prévisible apriori. On peut suggérer par exemple deprévoir des saignées longitudinales pourlocaliser ces rotules pour un ouvrage couléen place.

5.2 - DISPOSITIONSCONSTRUCTIVES

La configuration de l'ouvrage par rapport àson encaissant détermine un type de dispo-

sitions constructives à adopter. La nature del'ouvrage souterrain et les caractéristiquesde l'encaissant permettent de préciser lesdispositions constructives adéquates.

O C.5.2Le tableau de l'annexe 7 rassemble lesréponses reçues au questionnaire men-tionné en 1.1.2

5.2.1 - Dispositions générales5.2.1.1 - Ouvrages superficiels

Les ouvrages définis comme non profonds(cf. paragraphe 3.1) ou bien situés dans lesterrains du groupe b avec Rc < 6 MPa (cf.tableau du chapitre 2) sont en béton arméou entièrement en acier, sauf justificationparticulière. Les pourcentages minimauxd'acier et les dispositions constructivesassociées définis dans la norme NF P06-013s'appliquent sans restriction.

5.2.1.2 -Têtes des tunnels

Les revêtements des têtes des tunnels sontgénéralement armés, même en dehorsd'un contexte sismique. En cas de sismicité,ils sont à traiter comme des ouvragessuperficiels.

5.2. /.3 - Ouvrages profonds - Interfaces

Les dommages durant un séisme affectentpeu les parties profondes d'un tunnel enraison de l'atténuation des sollicitations enprofondeur. Le revêtement de la partie pro-fonde doit suivre les déplacements imposéspar le terrain sans recourir nécessairementà la ductilité. S'il est nécessaire d'armer lerevêtement, au minimum sera disposé unpourcentage correspondant à la conditionde non-fragilité en flexion composée pourle cas et la direction de sollicitation consi-dérée (BAEL). Aux jonctions avec les zonesprésentant un comportement différent, il yaura un joint total tant au niveau de la voûtequ'au niveau du radier, la valeur du souffleétant fonction des calculs.

5.2.2 - Dispositions particulières

La situation de l'ouvrage par rapport aumassif encaissant, le mode de constructionde l'ouvrage appellent des dispositionsconstructives spécifiques.

5.2.2. / -Traversée de failles actives

Si le tracé de l'ouvrage n'a pu éviter de telsaccidents, une solution consiste à élargir ledébouché de l'ouvrage au droit de la faillesuivant les schémas de la figure 1 de l'an-nexe 7.

O C.5.2.2.1

De tels dispositifs, sont suggérés dans denombreuses publications et ont été réaliséspour les métros de San Francisco et LosAngeles. Naturellement la faille doit êtrebien identifiée et d'une étendue raison-nable au droit de l'ouvrage. Le surgabarittient compte du déplacement attendu. Lechoix d'une telle solution doit être étayé parune analyse de risques.

Pour estimer le glissement moyen entre lesdeux bords d'une faille, on se reportera àl'annexe 3.

5.2.2.2 - Changement brusque de la rigi-dité du revêtement ou de l'encaissantLes contraintes ont tendance à se concen-trer au droit de telles zones. Pour faire chu-ter ces contraintes, le recours à des jointsflexibles peut être une solution.

O C.5.2.2.2Le cas du tunnel du port de Kawasaki auJapon, à la jonction transversale du tunnelde circulation et de la cheminée de ventila-tion, présenté figure 2 de l'annexe 7 illustrecette technique.

5.2.2.3 - Caissons immergésUn soin particulier doit être porté à l'étan-chéité, tant au niveau de l'étude que del'exécution pour les structures sous nappe.

O C.5.2.2.3Au Japon, l'expressway Bay-shore-route tra-verse la baie de Tokyo dans un tunnelimmergé. Le niveau des sollicitations aconduit aux dispositions de joints dits«flexibles» représentés sur la figure 3 del'annexe 7.

5.2.2.4 - Tunnels en voussoirs bétonarmé ou métalliquesSi la nature du terrain à traverser s'y prêteainsi que l'économie du projet, une tellestructure paraît bien adaptée au séismepuisque, par construction, des joints trans-versaux et circonférentiels séparent lesvoussoirs, assurant ainsi une bonne adapta-tion au mouvement sismique de la struc-ture. Pour les voussoirs en béton armé lapossibilité de recourir à des bétons de caté-gories supérieures à celles utilisées enméthode traditionnelle, à actions égalesaméliore la souplesse de la structure. Uneautre possibilité consiste en l'utilisation devoussoirs métalliques qui présentent lemême type d'avantage.Dans un contexte sismique les assemblagesentre voussoirs et anneaux de voussoirsseront justifiés par le calcul, notamment vis-à-vis de la stabilité locale d'un voussoir.


II Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains

5.2.2.5 -Tranchées couvertes

L'intégralité des dispositions constructivescontenues dans les recommandations AFPSs'applique.

O C.5.2.2.5

Selon Owen et Scholl (1981), les barres deflexion de la face interne des piédroits doi-vent être ancrées dans le radier et la dallesupérieure par un retour à 90° parallèle àl'extrados.

A signaler que l'une des causes supposéesde l'effondrement de la tranchée couvertede Kobe résiderait dans le mauvais blocagedes piédroits entre le soutènement et lerevêtement, ainsi la butée passive favorablen'aurait pu être mobilisée. La méthode deréalisation des tranchées couvertes doitdonc garantir un blocage efficace des pié-droits.

5.2.2.6 - PuitsLes règles qui suivent sont applicables auxpuits ayant des fonctions de sécurité. Il fautdistinguer la partie basse de la partie hauteéventuellement coiffée d'un ouvrageaérien.

Partie haute du puits :Elle relève des dispositions constructîvesminimales définies dans la normeNFP06-013.

Partie basse du puits :

Si un critère d'étanchéité est demandé,alors les pourcentages minimaux suivantssont imposés :

• armatures longitudinales : OJ > 0,3 %• armatures transversales : ffl > 0,2 %

Dans la situation où le puits traverse unezone de terrains fortement contrastés enprofondeur, les mêmes dispositions sont àappliquer quel que soit le sens de la posedu revêtement, ceci sur une hauteur aumoins égale à un diamètre du puits de partet d'autre du contraste.

O C.5.2.2.6Dans la mesure où il est nécessaire de satis-faire à un critère d'étanchéité, la techniqueassurant la pose du revêtement de bas enhaut paraît mieux adaptée, une pose dansl'autre sens complique la mise en œuvre desaciers longitudinaux s'ils sont requis.

5.2.2.7 - Liquéfaction des solsLa liquéfaction des sols peut avoir lesconséquences suivantes :- suppression de la butée des piédroits ;- instabilité des pentes entraînant des sur-charges ;- tassements ;- flottabilité des tunnels immergés.Les dispositions constructives possiblesremédiant à ces conséquences consistentsoit à traiter le sol ou bien à adapter laconstruction à cette situation.

Quant à l'ouvrage, il se comporte mieuxvis-à-vis des tassements si son revêtementest muni de jointe du type flexible décritsprécédemment.Enfin un ancrage au terrain sain par l'inter-médiaire de fondations profondes ou bienpar des tirants empêche la flottabilité del'ouvrage.O C.5.2.2.7Les traitements de sol envisageables sont :- le rabattement permanent du niveau de lanappe ;- la réalisation de colonnes drainantes limi-tant l'élévation des pressions interstitielles ;- l'amélioration des caractéristiques du milieuliquéfiable (densification, injection, jet- grou-ting, substitution, renforcements...).

5.2.2.8 - Eléments de second œuvreLes liaisons seront monolithiques avec leséléments de génie civil secondaire tels queles escaliers. Les appuis de planchers serontconçus de façon à en empêcher la chute.

5.2.2.9 - Equipements

Les équipements, dont la défaillance nepeut être acceptée, tels les différents cir-cuits, les ventilateurs seront reliés à la struc-ture par des systèmes fiables : tiges scel-lées, tiges traversantes précontraintes.On se reportera au chapitre 23 des recom-mandations AFPS 1990 (volume 2).

AFPS 90 - Recommandations pour la rédaction de règles relatives aux ouvrages et installations à réaliser dans les régions sujettes auxséismes, volume 1 (chapitres 1 à 9), volume 2 (chapitres 10,11,16,17 et 23), volume 3 (chapitres 12,15,18,22 et 25), Presses de l'ENPC.

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WELLS D.L et COPPERSMITH K.J. (1994) - «New Empirical Corrélations among Magniture, Rupture Length, Rupture Width, RuptureArea and Surface Displacement», Bulletin of thé Se/smo/og/ca/Soc/ety of America, Vol. 84, n"4, August 1994,974-1002.

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N" 1 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

'

IRecommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains!

ANNIXi 1IDENTIFICATION ET CARACTERISATION

DE ZONES SUSPECTES DE LIQUEFACTION(EXTRAIT DE LA NORME NF P 06-013)

9 - FONDATIONS

9.1 - Liquéfaction des sols

9.1.1 - Définition

On appelle liquéfaction d'un sol un proces-sus conduisant à la perte totale de résis-tance au cisaillement du sol par augmenta-tion de la pression interstitielle. Elle estaccompagnée de déformations dont l'am-plitude peut être limitée ou quasi illimitée.

9.1.2 - Identification des sols liqué-fiables

9.1.2.1 - Sont à considérer comme a priorisuspects de liquéfaction, les sols ci-après :a) Sables, sables vasards et silts présentantles caractéristiques suivantes• degré de saturation Sr voisin de 100 %,.

• granulométrie assez uniforme correspon-dant à un coefficient d'uniformité Cu, infé-rieure 15:

r — _60 ^ -ic\*,, — ^- i *j

• diamètre à 50 %, D50 compris entre0,05 mm et 1,5 mm,

• et soumis en l'état final du projet à unecontrainte verticale effective o'v inférieureaux valeurs suivantes :1) 0,20 MPa en zones la, et lb2) 0,25 MPa en zone II3) 0,30 MPa en zone IIIb) Sols argileux présentant les caractéris-tiques suivantes• diamètre à 15 %, D-]5 supérieur à 0,005mm,• limite de liquidité WL inférieure à 35 %,• teneur en eau w supérieure à 0,9 WL,• point représentatif sur le diagramme deplasticité se situant au-dessus de la droite«A» dudit diagramme.

9.1.2.2 - Peuvent a contrario être considé-rés comme exempts de risquea) les sols dont la granulométrie présenteun diamètre à 10 %, D10 supérieur à 2 mm

b) ceux dans lesquels on a simultanément:

D70<74u

9.7.2.3 - Lorsque les indications de 9.1.2.1et de 9.1.2.2 ci-dessus laissent apparaîtreune possibilité de liquéfaction, il y a lieu deprocéder à des investigations complémen-taires suivant les méthodes décrites en9.1 .4 ci-après.

9.1.3 • Données sismiquesLes données sismiques à utiliser dans laconduite des essais et les études subsé-quentes sont les suivantes :• accélération maximale de surface:

aN sur site de type S-)

- 0,9 aN sur site de type S2

- 0,8 BN sur site de type $3où :a^ est l'accélération nominale (voir 3.3) ;

• nombre de cycles équivalents n :Tableau 8: Nombre de cycles équivalentsselon les zones de sismicité

llfsilliÉIIiliîlill̂ lill lilltliZones la et lb

Zone IIZone III

51020

9.1.4-Méthodes d'essai9.1.4.1 - Essais de laboratoire1) Les essais suivants peuvent être utilisés :

• essai cyclique à l'appareil triaxial;

• essai cyclique à la boîte de cisaillement àparois latérales mobiles

• essai cyclique de cisaillement par torsion.

Ils doivent porter sur des échantillons nonremaniés.2) II peuvent être conduits selon lesméthodes usuellement suivies sous réserveque soient respectées les conditions ci-après :• les essais doivent être poursuivis jusqu'àliquéfaction des éprouvettes et ceci sousdiverses valeurs de la contrainte maximalede cisaillement ;• la pression de confinement doit rester voi-sine de celle régnant au niveau du prélève-ment à l'état final du projet ;• le degré de saturation de l'éprouvettedoit être égal à celui du sol en place dansles conditions du projet.Les résultats doivent en outre faire claire-ment apparaître :• les variations de la pression interstitiellemesurée au sein de i'éprouvette et desdéformations de cette dernière en fonctiondu nombre de cycles appliqués ;• le volume final de l'éprouvette après dissi-pation de la pression interstitielle.

9.1.4.2 - Essais in situLes essais de pénétration in situ du typedynamique, essais SPT (Standard PénétrationTest) ou statique (pénétration d'un cône oud'un piézocône) peuvent être utilisés pourle diagnostic des sols liquéfiables lorsqu'ilexiste pour le type d'appareil utilisé descorrélations bien établies entre les indica-tions de l'essai et la liquéfaction ou la non-liquéfaction des sols.

9.1.5 - Critère de liquéfaction

Doivent être considérés comme liqué-fiables en champ libre sous le séisme decalcul, les sols au sein desquels la valeur descontraintes de cisaillement engendrées parle séisme dépasse 75 % de la valeur de lacontrainte de cisaillement provoquant la



liquéfaction, pour le nombre de cycleséquivalents n défini en 9.1.3.

La contrainte effective verticale o'v à prendreen compte est celle régnant dans le sol aprèsréalisation du projet.

9.1.6 - Traitement des sols ou dela construction

Lorsque les essais font apparaître une sécu-rité insuffisante vis-à-vis de la liquéfaction ausens du paragraphe 9.1.5, la construction nepeut être entreprise que dans l'une deshypothèses ci-dessous

9.1.6.1 -Traitement du solOn fait subir au sol un traitement propre àéliminer les risques de liquéfaction ou à réta-blir la marge de sécurité prévue au 9.1.5. Il ya alors lieu de justifier les mesures proposéeset d'en contrôler l'efficacité par des essais etmesures appropriés.

9.1.6.2 - Renforcement des fondations

L'ouvrage étant fondé sur des pieux appuyésen pointe au-dessous des couches liqué-fiables, les pieux sont calculés, notammenten ce qui concerne leur flambement au seindes milieux liquéfiés, compte tenu descharges additionnelles apportées par lescouches supérieures.

Note sur te paragraphe 9.1.3 _______Les cycles équivalents sont par conventiondes cycles harmoniques produisant descontraintes maximales de cisaillement égalesà 0,65 fois la contrainte maximale dévelop-pée dans le sol par le séisme. On considèreque, du point de vue de la liquéfaction, l'ac-tion de n cycles équivalents produit lesmêmes effets que ceux d'un séisme réel. Lenombre de cycles équivalents dépend de lamagnitude Ms (qui s'entend comme lamagnitude déterminée sur les ondes de sur-face), ou de la durée du séisme.A titre indicatif, cette magnitude Ms peutêtre prise égale à :

• 6 en zone I• 7 en zone II• 8 en zone III

Note sur te paragraphe 9.1.4.1.1 _____

La préservation de toutes les caractéris-tiques physiques et mécaniques des sols(principalement leur structure et leur den-sité en place) au cours du prélèvement etdes manipulations ultérieures est essen-tielle pour la crédibilité des résultats. Elleexige des précautions très particulières tantau niveau du mode de prélèvement (carot-tage en gros diamètre, choix du carottier etdu fluide de forage, etc.) qu'à celui dutransport, de la conservation et de la pré-paration des échantillons.

Les modes opératoires concernant ces essaisne sont pas encore normalisés. En attendantque cette normalisation intervienne, on peutse baser sur une étude de la littérature spé-cialisée.

Note sur le paragraphe 9.1.4.1.2 _____

Pour atteindre cet état, on prend soin àreproduire en laboratoire le chemin decontrainte suivi in situ entre l'état initial etl'état final du projet.

Note sur te paragraphe 9.1.4.2 ——————

Ces corrélations sont établies pour diversesvaleurs de la magnitude. Il convient deveiller à la nature de la magnitude utilisée(Ms ou ML) et de faire le cas échéant la cor-rection nécessaire.Les corrélations actuellement disponiblesont été établies à l'origine avec l'essai SPT.Les critères de liquéfaction correspondantsont fait l'objet de transpositions à d'autresessais en place comme l'essai au pénétro-mètre statique dont l'usage est plus répanduen France.

La mesure en continu de l'évolution de lapression interstitielle provoquée par le dis-positif d'essai à la profondeur considéréepeut faciliter ou valider le diagnostic. Cette

mesure peut être réalisée à l'aide d'essaisen place tels que le piézocône.Note sur te paragraphe 9.1.5 _______Outre la réduction de la résistance au cisaille-ment et de la capacité portante des solsconsidérés, le processus de liquéfactionconduit à des déformations temporaires oupermanentes des sols pouvant entraîner l'at-teinte d'un état limite dans l'ouvrage étudié.L'attention est particulièrement attirée sur ledernier alinéa du paragraphe 9.1.5 : l'étatfinal considéré est celui qui peut résulterd'un abaissement définitif du niveau du ter-rain naturel, d'une remontée de la nappeimputable aux travaux réalisés, etc.

Note sur te paragraphe 9.1.6.1 ______Pour certains sols pulvérulents denses dontle comportement doit être justifié vis-à-vis deséismes de forte intensité, il peut s'avérer dif-ficile de rétablir la marge de sécurité prévueau paragraphe 9.1.5, alors même que leurcomportement dilatant limite leurs déforma-tions en cas de liquéfaction. Dans ce cas, lesrisques attachés à la liquéfaction de ces ter-rains sont appréciés par référence aux défor-mations cycliques que l'on peut attendre ettenant compte bien sûr de la nature de l'ou-vrage projeté.

Les procédés généralement utilisés pour éli-miner ou réduire les risques de liquéfactionsont, suivant les cas :• rabattement permanent du niveau de lanappe ;• densification du milieu liquéfiable (pré-chargement, compactage, vibroflottation,etc.) ;• modification des propriétés du milieu parinjection, etc. ;• constitution de colonnes drainantes limi-tant l'élévation des pressions interstitielles ;• substitution aux sols liquéfiables de maté-riaux de caractéristiques physiques appro-priées convenablement compactés.Le mode de fondation doit être adapté auxnouvelles conditions ainsi créées.



ANNEXEDEFINITION DE L'ACTION SISMIQUE EN SURFACE

Le contenu de cette annexe découle direc-tement de la norme NF P 06-013 «Règlesparasismiques applicables aux bâtiments,dites règles PS 92».

1 - SPECTRES ELASTIQUESNORMALISES (ANNEXE i DESRÈGLES PS 92)

Les spectres élastiques normalisés sontdéfinis pour la valeur 5 % de l'amortisse-ment réduit. Ils sont rapportés à la valeurunité de l'accélération nominale.Leur forme générale est représentée sur lafigure 1 dans le diagramme accélération-période avec des échelles linéaires sur lesdeux axes.Les ordonnées RE (T) sont données par lesexpressions suivantes :

• Branche AB; 0<T<TB

• Branche BC ; TB < T < Tc

RE(T)= RM• Branche CD ; Tc < T < TD

RE 01= RM ILT

• BrancheDE; TD<T

REfl")= RM IL le.T T

Pour les composantes horizontales du mou-vement, les valeurs des périodes TB, Tc etTD exprimées en secondes, et celles desordonnées RA et RM sont données dans letableau 1 pour les quatre types de site, S0,S1( S2 et S3 définis dans les règles PS 92(cf. articles 5.21 et 5.22 de ces règles).

sur un site Sg ou S-j. Sur des sites $2 ou $3,les branches descendantes CD et DE sontremplacées par celles correspondant au

Typede site

SoSiS2

S3

TB(s)

0,150,200,300,45

Tc(s)

0,300,400,600,90

TD(s)

2,673,203,854,44

RA1,01,00,90,8

RM

2,52,5

2,252,0

Tableau I - Valeurs des périodes Tg, Tç, TD et desordonnées R^ et RM pour les spectres élastiques

normalisés associés aux composanteshorizontales du mouvement

Pour la composante verticale, le spectre estconsidéré comme identique à celui descomposantes horizontales si l'on se trouve

Pour des amortissements réduits différentsde 5 %, l'ordonnée RM doit être multipliéepar le facteur (article 5.234 des règles PS 92) :

J; étant l'amortissement exprimé en pourcent.Hormis l'utilisation de dispositifs méca-niques, l'utilisation de ce facteur correctifest limitée à la gamme de variation :

2 - VITESSES ETDEPLACEMENTSLes valeurs de vitesse et de déplacement,pour une accélération conventionnellementfixée à 1 m/s2, sont données dans le tableau1 de l'annexe 4 du présent document. Pourune autre valeur de l'accélération, ellesvarient proportionnellement.

RE

RM

RA

0 TB Tc TD Période (s)

figure I - forme générale des spectres élastiques normaKsés


Recommandations pour la conception et la protection parasismiques es ouvrages souterrains]

ANNEX

DETERMINATION DE L'AMPLITUDE DES MOUVEMENTS DE FAILLE

I - LES MOUVEMENTS DEFAILLEII y a trois types élémentaires de faille(figure 1).• le décrochement, qui est un coulissagehorizontal d'un bloc par rapport à l'autre ; ilpeut être dextre (un observateur placé surun des blocs et regardant l'autre voit celui-ci se déplacer vers sa droite), ou sénestredans le cas contraire (qui est celui repré-senté sur la figure 1);• la faille normale, qui correspond à la des-cente d'un bloc par rapport à l'autre ;• la faille inverse, qui correspond à la mon-tée (chevauchement) d'un bloc sur l'autre.Pour la plupart des failles, il y a combinai-son entre une composante de décroche-ment et une composante normale ouinverse. Pour des failles de grande exten-sion, le type de mouvement peut parfoisvarier le long de la faille ; par exemple, si lacomposante principale est un décroche-ment, la composante secondaire peutvarier du normal à l'inverse d'une extrémitéà l'autre. L'amplitude des mouvements estgénéralement variable le long de la faille.

2 - L'AMPLITUDE DESMOUVEMENTS DE FAILLEL'amplitude des mouvements de faille(résultante des deux composantes dans le

Figure I - Les trois types élémentaires de faille :faille inverse (à gauche), décrochement (au centre) et faille normale (à droite)

cas d'un mécanisme mixte) dépend essen-tiellement de la taille du séisme, caractéri-sée par sa magnitude. L'influence du typede mouvement a aussi été étudiée, maissans résultats véritablement concluants.Les formules les plus utilisées pour le calculde l'amplitude des mouvements sont cellesde Wells et Coppersmith (1994).En désignant par Am l'amplitude moyennele long du plan de faille et par Ag l'ampli-tude extrême, toutes deux exprimées enmètres, on a les relations :Iog10 Am = - 4,80 + 0,69 Mw (Eq. 1)Iog10 A,, = - 5,46 + 0,82 Mw (Eq. 2)Mw étant la magnitude de moment.

Ces formules ne doivent pas être appli-quées pour des valeurs de Mw inférieures à5,6 ; cette valeur correspond sensiblementà la limite inférieure de la taille des séismesdont les mouvements de faille peuventavoir des effets dommageables sur lesouvrages souterrains.Comme toutes les formules empiriques dela sismologie, les équations 1 et 2 sontaffectées d'une dispersion importante ;l'écart-type y est respectivement de 0,36 etde 0,42, c'est-à-dire que le rapport del'écart-type à la moyenne est de 2,29 pourle déplacement moyen et de 2,63 pour ledéplacement extrême.



ANNEXE 4APPROXIMATION DES MOUVEMENTS SISMIQUES

PAR DES ONDES SINUSOÏDALES

I - INTRODUCTIONII est assez fréquent d'avoir à représenter lemouvement sismique par une onde sinusoï-dale, où le déplacement u des points du solest donné par une expression de la forme :

( Y \

/-- (Eq. 1)

x étant la coordonnée parallèle à la direc-tion de propagation, t le temps, co la pulsa-tion, c la vitesse de propagation et 5 l'am-plitude de l'onde.De telles expressions permettent notam-ment d'estimer par des formules simplesles déformations imposées aux tunnels etaux canalisations enterrées.Le choix des paramètres co, c et ô, qui carac-térisent l'onde sinusoïdale, est souventassez délicat en raison de la complexité desmouvements sismiques réels. Le but decette annexe 4 est de fournir quelques indi-cations sur les possibilités qui s'offrent auprojeteur pour aboutir à un choix motivé.

2 - FREQUENCESPREDOMINANTES DESMOUVEMENTS SISMIQUESLe terme de fréquence prédominante d'unsignal sismique est souvent employé maisrarement défini. Lorsqu'on dispose d'unedescription précise du signal, une définitioncouramment adoptée a été donnée dans lechapitre 4 en C4. Une manière plus élémen-taire d'associer une fréquence à un accélé-rogramme consiste à compter le nombred'alternances positives et négatives dans lapartie forte. Mais les fréquences ainsidéterminées, qui sont généralement del'ordre de quelques Hertz, ne caractérisentque les accélérations c'est-à-dire la partie«hautes et moyennes fréquences» dusignal. Les déplacements, qui sont plusimportants que les accélérations pour l'esti-mation des déformations imposées auxouvrages souterrains, correspondent à desfréquences beaucoup plus basses. Pour lesmettre en évidence, il faut tracer les varia-tions de la vitesse et du déplacement enfonction du temps au moyen d'intégrations

numériques des accélérogrammes (cesintégrations présentent un certain nombrede difficultés pratiques, qui ne seront pasévoquées ici). La figure 1 montre un teltracé, obtenu pour la composante Nord-Sud de l'enregistrement de Tolmezzo lorsdu séisme du Frîoul (Italie du Nord) du06/05/1976.

On constate visuellement que la partieforte de l'accélération est concentrée dansl'intervalle de temps 4s-8s et comporte unedouzaine d'alternances, ce qui correspondà une fréquence apparente de 3Hz environ.Pour la vitesse, on retrouve cette fréquencedans le même intervalle, mais on peutobserver une modulation à fréquencebeaucoup plus basse qui est surtout visibleaprès 8s, mais affecte aussi le début dusignal (entre 0 et 4s). Pour le déplacement,c'est cette oscillation lente, correspondantvisuellement à une période de l'ordre de10s (fréquence de 0,1 Hz) qui domine large-ment, l'effet des hautes fréquences se limi-tant à de petites fluctuations pendant lapartie forte de l'accélérogramme, de 4s à8s. Des tendances analogues sont généra-lement observées quand on dispose d'ac-célérogrammes bien corrigés, c'est-à-diredont l'intégration ne présente pas de phé-nomènes de dérive numérique, particuliè-rement pour le déplacement.On peut essayer de relier ces fréquencesprédominantes pour les accélérations et les

déplacements à des paramètres facilementaccessibles du mouvement sismîque, àsavoir l'accélération maximale A, la vitessemaximale V et le déplacement maximal D.Ces quantités peuvent, en principe, se liresur le spectre de réponse, si celui-ci esttracé dans le diagramme quadrilogarith-mique de la manière suivante (figure 2).L'accélération A correspond à la conver-gence des courbes d'amortissements diffé-rents au delà de la fréquence de coupure(en général de l'ordre de 30Hz), le déplace-ment D à la convergence de ces courbesaux basses fréquences (en général en des-sous de 0,1 Hz). Pour la vitesse, on ne peutque donner une règle approximative empi-rique, selon laquelle V est sensiblementégale à l'ordonnée du plateau en pseudo-vitesse PSV pour l'amortissement de 20 %.En pratique, il arrive souvent que lesspectres ne soient pas tracés aux fré-quences très basses, ou que la courbed'amortissement 20 % manque, ce quiempêche de déterminer D ou V par cetteméthode.On peut pallier les insuffisances du spectreen utilisant des corrélations empiriques (loisd'atténuation de la vitesse ou du déplace-ment, qui nécessitent de connaître lamagnitude et la distance de la source sis-mique) ou des tableaux à caractère régle-mentaire (s'ils font partie des documents dumarché) comme les Recommandations

•«1•H.<s m

ïo

Composants N-S

figure I : Variations en fonction du temps de l'accélération, de la vitesse et du déplacement (de haut en bas) pourla composante Nord-Sud enregistrée à Tolmezzo pendant le séisme du Frioul du 06/05II 976 (Despeyroux, 1985).



10 100 f(Hz)

figure 2 - Spectre de réponse en diagramme quadrilogarithmique montrant la détermination deA (accélération asymptotique à haute fréquence), D (déplacement asymptotique à basse fréquence)

et V (plateau en pseudo-vitesse pour un amortissement de 20 %)

a\ = — V ;

(Eq,7)

Maxjzïa| = p A ; Max ](Eq.8)

— F

! = (! -p)A

p étant en pratique voisin de 1 (0,91 pourr = 3 ; 0,97 pour r = 9). On voit que ledéplacement est contrôlé par la compo-sante uj, l'accélération par la composanteua et que les deux composantes ont lemême poids pour la vitesse.Les fréquences fa et f^ des accélérations etdes déplacements sont donc, d'après Eq 2et Eq 3 :

r(r~/ , = — — vr w r -J d ->„ n v

AFPS 90 paragraphes 5.5 et 5.6, qui don-nent les correspondances suivantes enfonction de la nature du site (tableau 1)Une manière simple de rendre compte ducomportement observé sur la figure 1consiste à représenter le mouvement sousla forme d'une somme de deux sinus, l'un àhaute fréquence (accélérations) et l'autre àbasse fréquence (déplacements). Pour quecette somme reproduise des valeurs don-nées A, V, D des maximums de l'accéléra-tion, de la vitesse et du déplacement, il fautprendre les expressions suivantes des deuxtermes ua et u .̂

D \ sin

(Eq.2)

ud =—=2V/'

[ — -Tr (fr[/-'

(Eq.3)

où r désigne le rapport adimensionnel :

r =AD (Eq.4)

dont on suppose qu'il est supérieur à un, cequi est le cas en pratique, comme on leverra plus loin pour les enregistrementsréels. Le tableau 1 donne des valeurs de rentre 6 et 8.En posant :

-Jr-1 »/

(Eq.5)

on montre facilement que les valeurs maxi-males des modules de ua, ud et de leursdérivées par rapport au temps, vérifient lesrelations :

Max\ua\ = (l - p)D . Max\ud\ = pD(Eq.6)

jjjjji^jjijgjji liif i iiSffj^jj, jjijMÊtijÈ iilliiiiiii liiiiiBiiiSoSi

S2

S3

100100100100

681012

3579

8,337,817,006,25

Tableau I : Valeurs de la vitesse et du déplacement, pour une accélération A de 100 cm/s2, en fonction du type desite dons les Recommandations AFPS 90. Pour d'autres valeurs de A, V et D varient proportionnellement

La dernière colonne donne le rapport adimensionnel ADIV2

ou, de façon approchée, en prenant p =1 :

f «Id (Eq.11)J a V

\ Vf m-L— (Eq.12)J d 4n D

Par une approche tout à fait différente, fon-dée sur la théorie des vibrations aléatoires,M. Kamiyama (1996) a proposé les formulessuivantes pour fa et fj :

(Eq.13)

f __L_LZ__Lîd

(Eq.14)

qui coïncident avec les équations 11 et 12pour r = 4.

L'application des équations 9,10,13 et 14 àdes enregistrements réels est présentéedans le tableau 2, qui rassemble 22 enregis-trements effectués dans la zone épicentralede 18 séismes représentant la gamme desmagnitudes utiles en génie parasismique(de 4,5 à 8). Les accélérogrammes sontreprésentés à la même échelle sur la figure2 ce qui permet d'apprécier visuellement lavariabilité des mouvements sismiques(Hudson, 1988):

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° ï 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

| Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains

12

34a4b56a6b6c6d789101112131415161718

Stone Canyon 1 972, Melendy RanchPort Hueneme 1957Ancona 1972, RoccaSan Fransisco 1 957, Golden Gâte ParkSan Fransisco1957, State BuildingLytleCreek1970Parkfield1966,TemblorParkfield 1966, station 2Parkfield 1966, station 5Parkfield 1966, station 8San Salvador 1986, GICHelena 1935Managua 1972Coalinga 1983, Pleasant ValleyKoyna 1967, Koyna DamImpérial Valley 1979, Bonds CornerImpérial Valley 1940, El CentraMonténégro 1 979, PetrovacOlympia 1949Tabas1978Valparaiso1985, LlolleoMexique 1985, Zacatula

4,64,74,95,35,35,45,65,65,65,65,66,06,26,26,56,56,77,07,17,48,08,1

69716759811898,1196402500461275677157373589618765353441304853608245

19,517,99,44,65,19,622,577,925,411,880,013,337,759,830,044,233,439,417,012142,829,3

0,64,00,70,8

1,11,05,526,37,13,911,93,714,928,210,116,910,913,710,494,617,28,2

1,102,084,744,454,152,134,372,175,077,691,263,283,914,646,946,623,453,9010,945,515,712,34

7,402,5619,127,685,735,625,341,775,487,171,963,452,932,966,315,293,103,325,562,144,312,34

5,972,1422,048,616,244,745,941,506,5010,291,513,403,113,388,647,093,123,529,412,635,402,04

3,970,411,130,490,390,880,350,270,300,250,740,310,220,180,250,220,210,250,130,110,210,32

4,930,490,980,430,361,050,310,320,250,170,950,320,200,16,0180,160,260,230,0790,0870,170,37

Tableau 2 - 22 enregistrements d'accélérogrammes horizontaux en zone epicentrale correspondant à 18 sé/smes de magnitude variant de 4,6 à 8,1 ;A : accélération maximale ; V : vitesse maximale ; D : déplacement maximal ;fai et fa2 : fréquences prédominantes de l'accélération calculée par Eq. 9 (faf) et Eq.

fdl et fd2 •' fréquences prédominantes du déplacement calculée par Eq. 10 (fjj) et £q. 14 (fd .̂ Ces occé/érogrommes sont tracés sur la figure 3 suivante.

Le tableau 2 montre que le rapport r = AD/V2

est presque toujours compris entre 2 et 8(avec seulement trois exceptions correspon-dant aux numéros 1 (r = 1,10), 7 (r = 1,26) et15 (r = 10,94). Les cas où r est proche de 1 (n° 1et 7) correspondent à des cas où le signal estdominé par une oscillation de très forteamplitude : on est alors dans des conditionssimilaires à une sinusoïde (pour laquelle onaurait r= 1).

Compte tenu de ces valeurs de r, le calculdes fréquences prédominantes fa et fj donneen général des résultats voisins, que l'on uti-lise les formulations Eq. 9 - Eq. 10 (fa-j et fd1

dans le tableau) ou Eq. 13 - Eq. 14 (colonnesfa2 et fjg)- A une exception près (accéléro-gramme n° 3), les fréquences fa varient typi-quement de 2 à 10 Hz et, à deux exceptionsprès (accélérogrammes n° 1 et 3), les fré-quences fd sont dans la gamme 0,1 ~ 1 Hz..Ces résultats paraissent assez cohérentsmais il faut être conscient de la variabilité

de l'aléa sismique, ainsi que de l'incertitudequi affecte la détermination de certainsparamètres du mouvement, notamment lesdéplacements.

3 - VITESSE APPARENTE DEPROPAGATION DES ONDESSINUSOÏDALESLes formules présentées précédemmentpermettent de choisir les paramètres 6 et codans l'expression Eq. 1 de l'approximationsinusoïdale du mouvement sismique. Ilreste à choisir la vitesse de propagation c,qui n'est pas nécessairement égale à lavitesse locale des ondes sismiques P ou Sclassiquement considérées en sismologie.

En effet, l'étude de signaux sismiques enre-gistrés en plusieurs points disposés suivantune ligne, à des distances de l'ordre de

quelques centaines de mètres, ou du kilo-mètre, a mis en évidence que la vitesseapparente de propagation dans la directionhorizontale était de l'ordre du km/s, mêmelà où les terrains superficiels avaient desvitesses d'onde (onde S en particulier) net-tement plus faibles. On peut attribuer ceteffet à l'influence prépondérante descouches dures en profondeur sur la ciné-tique des mouvements sismiques, et au faitque les ondes dîtes de surface concernentles terrains situés à des profondeurs del'ordre de leur longueur d'onde, soit plu-sieurs centaines de mètres pour des fré-quences d'environ 1Hz. Si les couchessuperficielles peuvent influer fortement surl'amplitude des mouvements (effet de site),elles ne sont pas les seules à contrôler lavitesse de propagation.

Dans la direction verticale, par contre, cesont bien les conditions locales qui déter-minent la propagation des ondes.


1 Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains!

4a 12

4b•*•

13

6a14

6b 15

6c 16

W1*' '10

18

a ta n ti -ta

Figure 3 - Accé/érogrammes horizontoux tracés à la même échelle



A défaut d'études précises, on peut estimerla vitesse apparente de propagation en fai-sant la moyenne des vitesses d'ondes desterrains sur une longueur égale à la lon-gueur d'onde L dans la direction perpendi-culaire à la direction de propagation. Pourune propagation horizontale dans un siteoù la vitesse d'ondes des terrains varie sui-vant une loi c(z) donnée, z étant la profon-deur mesurée à partir de la surface, celarevient au schéma suivant (figure 4).Pour une propagation verticale dans un site àstratigraphie horizontale, ce schéma donnebien pour c la valeur locale de la vitessed'ondes.

Figure 4 - Détermination de la vitesse apparente de propagation c par ('intersectionde la courbe c~(A) (valeur moyenne de la vitesse des ondes entre la surface et une profondeur que/conque A)

et de la droite ? = /1/T, T étant /a période de l'onde sinusoïdale considérée.

ANNEXE 5EXPRESSION DES SOLLICITATIONS SISMIQUES DANS LE PLAN

DE LA SECTION DROITE D'UN TUNNEL CIRCULAIRE ETDETERMINATION DES COEFFICIENTS DE RAIDEUR

5.1 - EXPRESSION DESSOLLICITATIONS SISMIQUESDANS LE PLAN DE LASECTION DROITE D'UNTUNNEL CIRCULAIREPour un tunnel à revêtement circulaire etélastique, creusé dans un milieu infini, homo-gène, élastique et isotrope, et dans l'hypo-thèse d'un glissement total à l'interface sol-structure, Burns & Richard (1964), Hoeg(1968), Peck - Hendron - Mohraz (1972) pro-posent les formules suivantes pour détermi-ner les sollicitations sismiques :

1y = +-max ~6

rv

—— = +-K F— J\. a / Y

avec 12(1 -y)

max

Md

Ka

-6v

où Vmax effort tranchant maximalMmav moment de flexion maximal

déformation diamétrale

coefficient adimensionnel deréponse du revêtement encondition de glissement total

F coefficient adimensionnel deflexibilité

ymax distorsion maximale en champlibre

E module d'élasticité du terrainv coefficient de Poisson du terrainr rayon du tunnelEb module d'élasticité du revête-

ment du tunnelVb coefficient de Poisson du revête-

ment du tunnelI moment d'inertie du revêtement

du tunnel

D'après certaines observations, le glissementà l'interface sol-structure lors d'un séismen'est possible que pour les tunnels creusésen terrain mou, ou lorsque l'intensité sis-mique est très importante. Pour la plupartdes tunnels, la condition à l'interface se situeentre le glissement total et l'adhérence. Il estdonc nécessaire d'examiner les deux cas etde retenir le plus critique pour le dimension-nement.La condition de glissement total fournit lesvaleurs de Mmax et de Dd les plus conserva-trices. En revanche, la condition d'adhérencedoit être considérée pour le calcul de Vmax.Schwartz & Einstein (1980) proposent dansce cas la formule suivante :

avec

- 2v)+ (1 -

et C--

— 8v + 6v2 j + 6 -

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 1 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OCH

i Recommandations pour la conception et la protection parasismiques des ouvrages souterrains

iù Kg coefficient adimensionnel deréponse du revêtement en condi-tion d'adhérence

C coefficient adimensionnel de com-pressibilité

e épaisseur du revêtement du tunnele coefficient de flexibilité F est souventonsidéré comme le plus important car il tra-luit l'aptitude du revêtement à résister à lalistorsion imposée par le terrain.'our la plupart des tunnels circulaires obser-és, le coefficient de flexibilité est suffisam-lent grand (F > 20) pour que l'effet d'inter-ction sol-structure puisse être ignoré (Peck,972). Dans ce cas, les distorsions subies par5 revêtement peuvent être raisonnablementonsidérées égales à celles du terrain non'xcavé.

».2 - DETERMINATION DESlOEFFICIENTS DE RAIDEURexiste diverses méthodes de détermination

le ces coefficients de raideur qui sont homo-(ènes à des pressions.'our les actions dans le plan de la sectionIroite, des formules ont été développées

par divers auteurs pour les ressorts normauxà l'enveloppe des ouvrages :

a) Scott (1973) : la formule s'écrit :

8G (l-v)~10#(l-2v)

H est la hauteur de l'ouvrage, v le coefficientde Poisson du sol et G son module decisaillementCette formule est censée applicable auxouvrages rigides par rapport au terrainencaissant. Une valeur moitié est recomman-dée pour des ouvrages souples.

b) VeletSQS (1994) : la formule s'écrit :

K.H = 1,086n G

Cette formule est également censée s'appli-quer à un ouvrage parfaitement rigide.

c) Règles japonaisesLes règles japonaises, plutôt que de propo-ser une formule, préfèrent recommander uncalcul préalable aux éléments finis consistantà déterminer les réactions du terrain encais-sant sur l'ouvrage pour un déplacement

unité fictif dans le sens horizontal d'une part,et dans le sens vertical d'autre partCette méthode a l'avantage de fournir lesvaleurs de raideur tant pour les ressorts nor-maux que pour les ressorts tangents.

La variabilité des résultats selon la méthodeemployée comme selon la configurationgéométrique conduit à préconiser pour cesrecommandation une valeur forfaitaire trèssimple :

#=05—H

Cette valeur pouvant être admise pour l'en-semble des ressorts d'interaction.La valeur proposée pour les ressorts d'inter-action pour l'analyse selon l'axe de l'ouvragetient compte de l'intégration sur la hauteurde l'ouvrage, ainsi que de l'addition de l'in-teraction sur les deux côtés amont et aval.D'où la valeur proposée :

K=G

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° ^ 67 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

Recommandations pour la conception et la protection parasismicjues des ouvrages souterrains |

6

COMPARAISONS ENTRE LES RECOMMANDATIONS RELATIVESAUX CANALISATIONS ENTERREES ET CELLES PROPOSEES ICI POUR

LES OUVRAGES HORIZONTAUX, LES FORAGES ET LES PUITS

Domaine d'applicationClairement faible profondeurRemblayéeGrande longueur

Toutes profondeursRenforcés ou non après creusement

Données géologiques/ géotechniquesHorizons géologiques Variés/cartographîésPas de géotechniqueLiquéfaction à analyser

Mouvement de surface à considérer(glissements de terrain)Failles actives a priori identifiéesdispositions constructives possibles

Diamètre de l'étude «cana»114.3 -1016 mmSol dominant

Reconnaissance géologiqueReconnaissance géotechniqueGénéralement pas de problèmede liquéfactionSurveillance de la subsidence

Failles actives a priori identifiéeset à éviter

Pas de limitation de diamètre

Généralement rocher dominantDef. Action sismiqueChapitre sollicitation sismique dans cahiertechnique recommandations n° 15Pas de détermination de C {= 1000 m/s)

Chapitre action sismique

Log sismique recommandé + chapitreCaractérisation du milieu hôte

Vérif. Tenue mécaniqueVérification tenue mécanique!§ 4 du cahier technique n° 1 5)

Parties non droites étudiées

Vérification tenue mécanique (chapitreCalcul des effets de l'action sismiquesur les ouvrages enterrés)Parties non droites non modélisablesactuellement

DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES /TRAVERSEES DE FAILLESDisposition constructive simplepar élargissementOrientation/faille possible

Points particuliers ancrage/coudes déconseillésAccroissement d'épaisseur possible

Remblai contrôlableSoudures vérifiables

Conditions d'application rédigéesPréconisations et caractéristiquesd'aciers définiesInspections/réparations facilesIlotage possible des réseaux

Dispositions constructives adaptables

Orientation/faille quelquefois possible

Renforcement adapté par zone

Choix à finir entre ductilitéet rigidification

Attention particulière aux changementsde types de renforcementConditions d'application rédigéesPas de préconisations spécifiquesdes aciersInspections/réparations difficilesSectionnements généralement

ProfondCimentation des terrains «peu perturbés»Longueurs plus faibles

Reconnaissance succincte et locale (logs)Géophysique et qualitatif essentiellementPas de problème de liquéfaction

Mouvement de surface mais influence nonfondamentale sauf positionnement de la têteActivité éventuelle inconnue- identification et dispositionconstructives «délicates»Gamme analogue

Rocher dominant

Concepts réutilisables

C > 1000 m/s - log sismique recommandé

Concept réutilisable

Parties non droites exceptionnelles

Elargissement envisageable mais coûteuxet délicat, possibilité tube de productionPas de choix mais les failles horizontalessont exceptionnellesCîmentation généralement linéaire

Possibilité de ductilité accrue(tube de production)Eviter les bétons pour la cimentation

Possibilité d'éviter les vissages (soudureimpérative pour les casings cimentés)A revoir, non forcement typique du verticalCaractéristiques d'aciers différentesdes « canalisations»Inspections/réparations difficilesVannes de sécurité fond possiblesnon envisagés

ProfondRenforcement du terrain et revêtementLongueur variable (1 0-1 m)

Reconnaissance géologiqueReconnaissance géotechnique

Pas de problème de liquéfaction sauf têtede puitsAnalyse spécifique des têtes de puits

Etude possible en cours de travaux -dispositions constructives possibles

Gamme 2 m et plus

Rocher dominant

Concepts réutilisables

C > 1000 m/s - log sismique recommandé+ étude géotechnique

Concept réutilisable si puits circulaire

Les sorties de puits (jonction/recettes)sont des ouvrages particuliers

Dispo constructive adaptable

Pas de choix mais les failles horizontalessont exceptionnellesRenforcement adapté par zones est la règle

Ductilité possible, zone et amplitude dedéformation anticipableAcier dans béton systématiséAttention particulière aux changementsde type de renforcementA revoir, non forcement typique du verticalCaractéristiques d'aciers différentesdes «canalisations»Inspections/réparations difficilesSectionnements généralementnon envisagés


7DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES VIS-A-VIS DU RISQUE SISMIQUE

POUR LES OUVRAGES SOUTERRAINSANNEXE 7.1 : SYNTHESE DES REPONSES AU QUESTIONNAIRE D'ENQUETE

lilillillB̂

NOM

Tranchée couverte de CAP d'AIL -MONACO

Tunnel de LAMBESC -TGV MéditerranéeTunnels d ' ANNECYLigne AIX -ANNEMASSE

TUNNEL SOUS LA MANCHE2 tubes 0 7,60 m

Stations du METRO D'ATHENES

Tunnel du SOMPORT

Galeries minières de KAMESHI(Japon)

TYPE

Ferroviaire

Ferroviaire

Ferroviaire

Ferroviaire

la Manche

Ferroviaire

Routier

plein cintre 75 m2

Ouvrage minierFer à cheval

LONGUEUR

30m

555m

TC 398m

T379mT260m

50 km dont37 km sous

16 m x 12 m(station ovoïde)

16/30mx20m(station tranchée

couverte)8597m

(2747+5850)

~ 1000msur 3 niveaux

(140, 300 et 600 m)

ANNEECONSTRUCTION

1996

1996/1998

1961

1878/18801878/18801986-1993

1995 -1998

1995-1998

1994 -1997

Début XIXe""

ZONAGESISMIQUEFrance (*)

II

II

Ib

IbIb0

II (**)

II (**)

Ib

MILIEU HOTE

Tufs et Eboulis

Calcairesargiles marneusesTout-venant

MolasseMolasse

Craie

Schistes altérés

Petites, grès

Schistes et calcaire

granodiorite

Tunnel cadre en B.A.25

Tunnel plein cintreBA 32 non armé

Tranchée couverte béton

Tunnel MaçonnerieTunnel MaçonnerieCirculaire avec voussoirsB.A et localement fontesurface

Ovoïde béton armé

tranchée couverte B.A.(voiles, poteau, plancher)

Voûte béton coffréB 25 non arméDalle de ventilationB 35 arméeSection fer à chevalSans revêtement

Légère augmentation du % armatures etjoint sismique à la tête de l'ouvrage (pasde continuité mécanique du B.A.)

Pas de dégâts constatés après séisme du15/07/1996 d'Annecy (magnitude de ~5)

Dispositions constructives pour leséquipements 1 galerie 0 4,80 m

Aucune influence

Armatures dimensionnées par la chargedissymétrique de la station semi enterrée

Aléa sismique pris en compte pour lesusines de ventilation aux deux têtes

Pas de dispositions constructives

Renseignements fournis par : CAMPENON-BERNARD, CETU, SETEC, SNCF(*) décret 91-461 applicable aux ouvrages de surface ; - (**) règlement grec.

(Recommandations pour la conception et la protection parasismicjues des ouvrages souterrains)

ANNEXE 7.2 : PRINCIPES ET ILLUSTRATIONS DE DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES

Coupe transversale d'un tunnel élargi Chemisage primaire

Remplissage en matériauà faibles caractéristiques

figure la -Elargissement d'un tunnelou droit d'une faille

Tunnel courant Tunnel élargi \

\

Tunnel courant

Avant séisme

Tunnel courant

Figure Ib -

\ Déplacement da la faste

Tunnel élargi \ \

\

Tunnel courant

Coupe longitudinale d'un tunnel élargi \ Après sé|sme

OUVRAGE DE VENTILATION

Joint type W

Figure 2b - Détail du joint flexible

Figure 2a -Coupe transversale audroit d'un ouvrage de

ventilation- Figure 2a - Position et schéma de détail d'un joint flexible du tunnel du port de Kawasaki (japon).


f a


Figure 3 -Joints flexibles du tunnel routier de la baie de Tokyo (caissons immergés)

Clé horizontale d'effort tranchant

Joint d'étanchéité caoutchoux Câble longitudinal de précontrainte*

C°Tr | Joint secondaire caoutchouc / Câble précontraint pour Joint*

Figure 3aCoupe transversale

du tunnel

JOINT D'ETANCHEITE CAOUTCHOUC

190

00

70 220 70

360

*La précontrainte est de l'ordre de 1 MPa.Son rôle est d'accroître la durabilité et l'étanchéité de la structure.

Figure 3bDétail au droitdu joint flexible


— LES PRODUITS ET PROCEDES SPECIAUX DE FOSROC POUR LES TUNNELSepuis plusieurs décennies, Fosroc fournîtaux entreprises des produits adaptés à

la construction de tunnels.

Lors de la construction du tunnel sous laManche, des joints hydro-expansifs deFosroc ont été utilisés pour la première foisdans ce type d'ouvrage.Il s'agissait de l'Aquaprène DX pour lesreprises de bétonnage des "rameaux".

L'expérience acquise lors de la constructionde cet ouvrage majeur a permis ensuite dedévelopper l'utilisation des joints hydro-expansifs Aquaprène C pour l'étanchéitédes revêtements de tunnels en voussoirs pré-fabriqués.

Depuis, de nombreux tunnels ont été équipés avec succès avec lesjoints Aquaprène C :- Tunnel du tramway de STRASBOURG.- Tunnel de la ligne D du Métro de LYON.- Collecteur d'égout VL3C. SAINT MAUR.- Tunnel de la ligne 2 du Métro du CAIRE.- Tunnel du métro de SYDNEY.- Tunnels routiers EL AZHAR du CAIRE.- Tunnels du métro express régional KCRC DB 320 à HONG KONG.- L'utilisation des joints hydro-expansifs Aquaprène C s'estgénéralisée depuis quelques années au vu de leur aptitude àgarantir une bonne étanchéité des revêtements de tunnels en casde désafleurements importants entre voussoirs ou les joints tradi-tionnels ne fonctionnent pas.- Leurs propriétés d'expansion immédiate et pérenne en pré-sence d'eau assurent une garantie supplémentaire d'étanchéité,notamment aux angles des voussoirs, et en cas de tassements ulté-rieurs des tunnels.

• Leurs qualités de durabilité ont été reconnuepar l'AFTES et par de nombreux autres inter-venants de la construction de tunnels enEurope et au japon.

I) Lorsque des conditions particu-lières l'imposent, Fosroc peut aussifournir des solutions adaptées auxcontraintes propres à chaque chan-tier.Pour le Tunnel de l'A 86 ouest "SOCATOP",un joint appliqué in-situ sous la forme d'unmastic hydroexpansif Supercast SWX estappliqué à la pompe comme complémentd'éfanchéifé avant mise en place des voussoirs.

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LA FENETRE DE FERDEN

UNNEL DU LOTSCHBERGLA FENÊTRE DE FERDEN

Gérard SeingreÎGWS/BG Ingénieurs-conseils SA

Markus Aeschbach!GWS/Schnelier Rite & Partner AG

André Pralong!GWS/Dr J Pralong+Ass SA

I - PRESENTATIONSUCCINCTE DUTUNNEL DE BASE DULOTSCHBERG

7.1 - Fonctions etconception du tunnel

Deux nouvelles lignes ferroviairesalpines a grande capacité sontactuellement construites en Suissesur les axes du Gothard et du Lot-schberg-Simplon Ensemble, ellesdevraient permettre d'atteindredeux des objectifs prioritaires dela politique suisse des transports• le transfert du trafic de transitdes marchandises a travers lesAlpes de la route sur le rail (ferrou-tage),• le raccordement au reseau ferroviaireeuropéen a grande vitesseL'axe Simplon-Lotschberg relie Berne aMilan par le Valais depuis le début duvingtième siècle Des travaux importantsont déjà été entrepris sur cet axe pour enaugmenter le gabarit Cependant l'alti-tude élevée du tunnel de faîte du Lotsch-berg (1 200 m) et la forte déclivité destronçons d'accès pénalisent cette ligneferroviaireLe tunnel de base bi-tube (0 9,40 m) longde 34,6 km reliera Frutigen dans la valléede la Kander (canton de Berne) à Rarognedans la vallée du Rhône (canton du Valais)II permettra de remédier a cet inconvé-nient car son point le plus haut n'est situéqu'à 828 mMis à part le trafic Nord-Sud, le tunnel duLotschberg devait également désencla-ver le Valais central (haute vallée duRhône) par la création d'une liaison ferro-viaire directe Sion-Berne Pour cette rai-son, son trace forme un Y avec deux por-tails côté Sud

Figure 1 Situation générale du tunnel de basedu Lotschberg

Le 24 avril 1996, pour des raisons écono-miques, le Conseil fédéral suisse a décidéde ne construire en première phase quel'axe de transit Nord-Sud sous une formeréduite et de renoncer aux fonctionssecondaires La figure 2 présente sché-matiquement la première phase d'exploi-tationSur les 7,6 km les plus au Nord, entre Fru-tigen et Mitholz, il n'y aura en premièrephase qu'un seul tube ferroviaire La gale-rie de reconnaissance (0 5 m) déjà foréeen 1995 et 1996 servira de galerie desécurité Dans la partie centrale, entreMitholz et Ferden (14 km), les deux tun-nels seront excavés, mais seul le tunnelEst sera aménagé Le tunnel Ouest seralaissé non revêtu avec un radier plat per-mettant la circulation de véhicules auto-mobiles (entretien et secours)Ainsi dans tout le tunnel, un tube pourraservir de galerie de sécurité pour l'autretube Trois galeries transversales par

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS N° 1 67 SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

enêtre de Ferden

tHeustrfch

Mitholz

Tunnel ferroviaire à simple voie

Tunnel excavê mais non aménagé

Galerie de reconnaissance, Fenêtre d'accès

Ligne ferroviaire BLS existante

US* Chargement des automibiles existantfKandersteg - Goppenstein)

Figure 2 - Schéma réalisation première phase

Figure 3 - Concept de construction

Frutigen

Point d'attaqueintermédiairede Miiholz

Galerie de reconnaissance/Galerie de service du Kandertal

Fenêtre d'accèsde Mitholz

Point d'attaqueintermédiairede Ferden

Fenêtre d'accèsde Ferden

Fenêtre d'accèsde Steg

Avancement avec tunnelierAvancement à l'explosif

kilomètre assurent la liaison entre lestubes. La branche Ouest du Y (fenêtre deSteg) ne sera également pas équipée.Une double halte d'arrêt de secours (lon-gueur 470 m), conçue pour permettrel'arrêt d'un train en cas d'urgence et lamise en sécurité des passagers, est pré-vue au pied de l'attaque intermédiaire deFerden.

1.2 - Concept de construc-tion du tunnel de base duLôtschberg (voir figure 3)

Vu la longueur importante du tunnel debase, il a été envisagé dès le début du

projet de le diviser en plusieurs lots deréalisation. Mis à part les trois portailssitués en fond de vallée (Frutigen 786 m,Steg 634 m et Rarogne 654 m), il fallaittrouver deux points d'attaque intermé-diaires pour limiter la longueur des lots àenviron 10 km (pour des raisons de logis-tique et de sécurité) et réduire ainsi ladurée des travaux et les risques de retard.

Deux places d'installation en zone monta-gneuse ont pu être implantées à Mitholzcôté Nord (altitude 978 m) et à Goppen-stein/Ferden côté Sud (altitude 1 216 m).Les points d'attaque intermédiairessont situés au pied des deux descende-

NAPPE DU WILDHORN NAPPE OU DOLDENHORN MASSIF DE L'AAR AUTOCHTONE

Portail nordTollenfold

Fenêtre d'accès! Gampcl-da Steg I Baltschléder

Portail SuddeRarogno

km 14.500

["3"] Remplissage quartarnalref—| Série de Tavoyanne Grés et •Dachschiefér"I I Flysch d'origine Incertaine

JmJ Nappe du Wlldhorn

km 49.110

Partie supérieure pllsséePartie inférieure écaillée

EU] Nappa du DoldenhomI I etAutochtone

Trias autochtoneI I Ecaille de la jungfrau

Dolomles, schistes, gypse/anbydrile, grès

CU Mélange

I I Nappe du Gelllhom (GO)r ' I Flysch de la nappe du Doldenhom

Granité de GastemMassif de l'Aar Granité centra! de PAar

Granodîorife de BaltschiederI—I Massif de TAar Sodé cristallin: gneiss, schistes

Ecailles de sédimentGneiss à amphibole, amphiboliteZones de phyllites 1 Dombacn/2 Faldumbach

ries à forte pente 12 % qui partent de cesportails.Mis à part deux attaques (8,5 et 10,2 km)depuis le Sud, forées au moyen de tunne-lîers de type " roches dures ", tout le tun-nel sera excavê à l'explosif. Au total, ce nesont pas moins de 92 km de galeries quiseront creusés pour la construction dutunnel de base du Lôtschberg (36,4 km).La durée de vie exigée pour les partiesgénie civil est de 100 ans.

1.3 - Géologie (voir figure 4)

1.3.1 - Nord des Alpes bernoises

Le tronçon Nord du tunnel traversesur 14 km les nappes helvétiques etultrahelvétiques de la couverturesédimentaire de la crête principaledes Alpes. La reconnaissance de cetronçon a nécessité la réalisationd'une galerie de 9,6 km excavée auTBM, en raison de la disposition sub-horizontale des diverses nappes. Enpartant du Nord le tunnel croisera lesroches suivantes :• Flysch (unité tectonique incertaine),• Grès et schistes de la série deTaveyannaz,

Figure 4Profil en long géologique prévisionnel


enêtre de Ferden

• Schistes et calcaires de la nappe duWildhorn,• Flysch, schistes et calcaires de la nappedu Doldenhorn,• Trias de l'Autochtone Nord.• Granit du Gastern.

1.3.2 - Sud des Alpes bernoisesEn partant du Sud, le tunnel traverse sur2,5 km les roches sédimentaires de l'Au-tochtone de Gampel-Baltschîeder :• Trias,• Calcaires et schistes du Lias,• Schistes de l'Aalénien,• Calcaires et schistes du Dogger,• Calcaires du Malm.Tout le reste de la partie Sud du tunnel duLôtschberg sera excavé dans les rochescristallines du massif de l'Aar:• granodiorite de Baltschieder,• granit central de l'Aar,• schistes et gneiss du cristallin ancien,•granitdu Gastern.Sur la partie Nord du tunnel la couverturevarie de 400 à 1 000 m, dans la partie Sudelle oscille entre 500 et 2 000 m.

1.4 - Programme et coûtsdes travaux du tunnel debase du Lôtschberg(voir figure 5)

Les travaux de reconnaissance ont débutéen été 1994 par la réalisation de la galeriede reconnaissance et de la fenêtre d'ac-cès de Mitholz (fin des travaux : février1997).Le démarrage des excavations du tunnelprincipal s'échelonne entre l'automne1999 et le printemps 2001. Les excava-tions devraient être terminées à fin 2004.

Les travaux de revêtement (anneau enbéton) vont être entrepris, sur chaque lot,dès la fin de l'excavation et devraient êtreterminés en 2005. La mise en service dutunnel est prévue en 2007.Le montant total des travaux du tunnel debase du Lôtschberg est estimé à 3,2 Mrdde francs suisses (CHF), soit 12,2 Mrd FRF(2,OMrd€).Les travaux de génie civil avec 2,1 MrdCHF (8,0 Mrd FRF ; 1,3 Mrd €) constituentla part principale du budget.

2 - LA FENETRE D'ACCES DEFERDEN, UN OUVRAGEANNEXE IMPORTANT

2.1 - Fonctions de lafenêtre de Ferden(FST Ferden)

La fenêtre de Ferden (4 km) assure desfonctions très importantes pour laconstruction et l'exploitation du tunnel debase:• accès de chantier permettant l'exécu-tion de deux avancements vers le Nord de6,5 km et deux avancements vers le Sudde 1,5 km, ainsi que l'accès à plusieursgaleries et cavernes d'exploitation ;• atteindre le plus rapidement possible lazone géologique appelée Jungfraukeil auniveau du tunnel de base. Dans cetteinclusion de roches sédimentaires à l'inté-rieur du massif cristallin, un forage dereconnaissance a rencontré de l'eau àune pression de 120 bars. Le traitementet la traversée de cette zone par le tun-nel de base doivent être réalisés le plusrapidement possible étant donné lerisque de retard du programme généraldes travaux ;

• reconnaître les conditions d'excavationavant la réalisation du tunnel de base;

• accès définitif pour l'entretien et en casd'urgence à la gare d'arrêt de secours deFerden;

• accès définitif aux cavernes d'équipe-ments électriques situées au centre duchangement de voie de Ferden et auxdeux centrales de ventilation;• accès de chantier, en deuxième phase,pour les travaux d'achèvement du tunnel(revêtement, pose de la voie et des équi-pements électromécaniques) entreMîtholz et Ferden.La vue 3D, figure 6, montre de façon syn-thétique les ouvrages du pied de la FSTFerden qui s'étendent sur 2,2 km.La centrale de ventilation puisante, situéeau pied de la fenêtre de Ferden, assurerale renouvellement de l'airfrais dans la gared'arrêt de secours et dans le tronçon dutunnel Ouest non équipé Mitholz-Ferden.

La centrale de ventilation aspirante ser-vira à l'évacuation de l'air vicié (entretienet incendie).

2.2 - La place d'installationde chantier de Schlegmatte

La partie inférieure du val du Lôtschen,orientée Nord-Sud, croise l'axe du tunnelde base avec un angle faible. Il s'agitd'une vallée en V étroite dont les flancssont très pentus. De nombreux couloirsd'avalanches s'y succèdent à courte dis-tance les uns des autres.Pratiquement, la seule possibilité d'im-planter une place d'installation de chan-tier dans la vallée accessible par cheminde fer, se trouve à Goppenstein (altitude1 216 m), petit hameau au portail Sud dutunnel de faîte existant. La place de chan-tier a été réalisée en agrandissant un rem-blai constitué par les déblais de laconstruction du tunnel de faîte.

Figure S - Programme des travaux simplifié Figure 6 - Vue 3D ouvrages du pied de Ferden

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 107- SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO 1

lenêtredeFerden

La surface de la place de chantier estde 11 000 m2. La surface à disposition estextrêmement restreinte et les conditionsd'utilisation sont proches de celles d'unchantier urbain. La particularité de cetteplace de chantier est que la planie, lesaccès routiers etferroviaires, les raccorde-ments (eau potable, eau industrielle, élec-tricité), les ouvrages de protection contreles dangers naturels, l'amorce du tunnelen terrain meuble et une partie des instal-lations de chantier (bassin de décanta-tion, halle de chargement et de décharge-ment des trains) ont été construits avantl'adjudication des travaux de la fenêtre deFerden. Le Maître de l'Ouvrage a étécontraint de procéder ainsi en fonction dela libération des crédits par la Confédéra-tion suisse et à cause des importants dan-gers naturels. Le secteur de la place dechantier était avant les travaux sous lamenace de trois couloirs d'avalanches,d'une lave torrentielle et d'une falaise,d'où se détachent des blocs pouvantatteindre plusieurs m3. (Voir figure 7).Avant de commencer les travaux d'infra-structure il a fallu réaliser des digues deprotection anti-avalanches et poser desfilets de protection contre les chutes depierres.Les environs de la place de chantier sontsurveillés par un guide de montagne qui ala compétence d'arrêter les travaux et defaire évacuer la place de chantier en casde risque d'avalanches important.Du fait de la faible surface à disposition etpour des raisons de sécurité, les ouvriersne sont pas logés sur la place de chantier.Une zone protégée a été prévue à proxi-mité de la gare de Goppenstein. Lesconsortiums successifs ont décidé de ne

pas l'utiliser. Le personnel est transportéquotidiennement par bus depuis lesdépôts des entreprises situés dans la plainedu Rhône, notamment à Sion (45 km).

2.3 - La fenêtre de Ferden

II s'agit d'une descenderie inclinée à 12 %et de 3 921 m de longueur. Son profil nor-mal est représenté à la figure 8. La sectiond'excavation de 67 m2 est conçue pourpermettre le croisement de 2 poids lourdset la pose d'une bande transporteuse.Son tracé a été planifié pour atteindre lazone géologique du Jungfraukeil auniveau du tunnel de base (altitude 744 m)avec une distance de sécurité d'environ100 m, et pour passer à proximité du puitsvertical de Fystertella. Sur environ 2 500 m,elle est parallèle à l'axe du tunnel de basepour permettre la reconnaissance desconditions d'excavation.Pour des raisons de sécurité et de ventila-tion, le marinage par bande transpor-

teuse a été imposé à l'entreprise dès l'ap-pel d'offres. Pour cette raison des rayonsde courbure > 150 m ont été prévus. Lespremiers 100 m ont été excavés en sec-tion divisée calotte-strass dans des ébou-lis de pente sous la protection de voûtes-parapluie.Le reste a été excavé à l'explosif en pleinesection dans les gneiss et schistes du cris-tallin ancien. Les caractéristiques moyennesadmises pour ces roches sont données surle tableau ci-dessous.Trois zones géologiques plus délicatesavaient été identifiées par des reconnais-sances par sondages avant les travaux :- les phyllites de la faille du Faldumbach(30m)- les schistes du carbonifère de Ferden(30m)- les phyllîtes de la faille du Dornbach(115met95m)Comme il s'agit d'une descenderie, l'éva-cuation de l'eau joue un rôle primordial.

[kN/m3] [MPa]Gneiss du cristallin ancien 27,1 79 30 5,0 9,2 30 0,25 36Schistes du cristallin ancien 27,0 25 28 2,5 7,4 13 0,28 27Phyllites 27,0 3,0 20 1,0 0,0 0,35 38

Légende :y poids spécifique o~c résistance à la compression simple

Vns.m angle de frottement résiduel du massif

cres cohésion résiduelle de la roche o~t résistance à la traction (essais brésiliens)

Em module d'élasticité du massif vm module de Poisson du massif

q>œ angle de frottement résiduel des plans de discontinuité (essai de cisaillement)

x

Figure 7 - Place de chantier de Schlegmatte isolée parles avalanches en février 1999

Figure 8 - Profil normal


lenêfre de Ferden

LOftungsschacM"Fystertella"

800 HFusspunkt

400

Quartàr Grundgebirge (Aar-Massiv)

Schiefer schiefnge massige Amphibolf Karbon-Gneise Gneise Grieise Sedimente

+Amphibolrte

Phyllrtzone

Une série de six paliers de pompage (dif-férence de niveau 78 m par palier) per-mettant l'évacuation de 80 l/s au pied dela fenêtre de Ferden a été installée Lespompes sont alimentées par deuxréseaux électriques indépendants desautres installations En cas de défaillancedu réseau électrique, deux groupes élec-trogènes 900 kW garantissent la fourni-ture d'énergie au système de pompageL'eau est captée latéralement du côté droitpar une rigole remplie de gravier roulé.Cette rigole sert également de systèmede freinage d'urgence, au cas où un véhi-cule serait victime d'une avarie de freinsLe revêtement en béton coffré n'est prévuque sur les premiers 500 m de la fenêtreen raison du risque de gel. Dans le restede la galerie le soutènement constituéd'ancrages et de béton projeté sera, aubesoin, renforcé après les travaux du tun-nel de base.

2.4 - Le systèmed'évacuation de l'airvicié d'exploitation

Pour la phase d'exploitation du tunnel, unsystème d'évacuation de l'air vicié(exploitation et incendie) indépendant dela fenêtre de Ferden a été retenu

Au niveau de la gare d'arrêt de secours,de l'air frais sera puisé transversalementL'air vicié sera aspiré en voûte par qua-torze puits verticaux II gagnera une gale-

figure 9 - Profil en long géologique de la FST Ferden

ne collectrice centrale (longueur 510 m,section 22m2) située 4 m au-dessus de lavoûte des tunnels mais décalée latérale-ment L'air vicié transitera via la galerie deventilation de Fystertella en direction dela centrale de ventilation aspirante Lagalerie de ventilation de Fystertella che-mine parallèlement à la fenêtre de Fer-den L'entr'axe entre les deux galeries estde 25 m De là, l'air sera puisé par le pro-longement de cette galerie jusqu'au puitsde ventilation de Fystertella (h = 346 m,05m) qui aboutit dans la vallée de Lot-schen à 1 307 m d'altitude, à l'aval du bar-rage-voûte de Ferden

La longueur totale des galeries de ventila-tion (sans le puits) est de 1 450 mLa caverne de la centrale de ventilationd'air vicié a des dimensions imposantes-longueurmaximale 50m- section excavée 240 m2

- volume excavé 9200 m3

2.5 - Les cavernes dechantier du lot tunnel

En prolongation du lot de la fenêtre deFerden trois grandes cavernes de chantieront été excavées

Figure 10Cavernes LTF 1

etLTF2

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS N° 167 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO1

enêtre de Ferden

• LTF1 : dans la prolongation de la fenêtre,longueur 91 m, section 125m2

• LTF2 : perpendiculaire à LJF1, longueur56 m, section maximale 175m2

• LTF3 : perpendiculaire à LTF1, longueur82 m, section 132 m2

Ces trois cavernes serviront de base logis-tique pour l'excavation du tunnel de base ;la centrale à béton, le traitement des eauxde chantier et le concasseur y serontimplantés. Elles ont été exécutées pen-dant la fin du percement des galeriesd'évacuation de l'air vicié. Elles ne fontpas l'objet du présent article.

3 - L'EXECUTION

3.1 - IntervenantsMaître de l'ouvrage :BLS AlpTransit AG, ThunDirection générale des travaux (assis-tance à maîtrise d'ouvrage) - Directionlocale des travaux (Maîtrise d'œuvre) -Projet :Groupement d'ingénieurs IGWS Brig :- BG Bonnard & Gardel SA, Lausanne/Sion- SRP Schneller Ritz und Partner AG, Brig- KBM SA et R. Andenmatten AG, Sion/Visp-GEOS.Carouge- Simecsol, Sèvres (France)- Dr J. Pralong + Ass. SA, Sion- Stucky SA, Renens- Schneider-Bregy und Partner AG, RaronEntreprises :- Travaux extérieurs lot principal (7.1996-10.1998):Consortium LEDI-Losinger Sion SA, Sion (Membre dugroupe BouyguesTP)

- Evequoz SA, Conthey- Dénériaz Sion SA, Sion- U. Imboden AG, Visp- Fenêtre de Ferden (11.1998-4.2001) :Consortium ATFcomposé des mêmes entreprises que leconsortium LEDI, plus- Prader AG, Zurich- Théier AG, Raron

3.2 - Travaux préparatoires

Les travaux de protection contre les dan-gers naturels ont commencé dès l'été1995 par la construction de digues para-

valanches et contre les chutes de pierres.Au total ce ne sont pas moins de 800 m dedigues paravalanches qui ont été cons-truites entre 1995 et 2000. Certainesdigues ont été réalisées dans des pentesde plus de 35°.L'autorisation de construire la fenêtre d'ac-cès de Ferden a été accordée en juin 1996et les travaux ont débuté en juillet 1996.Au total huit lots de travaux ont été attri-bués:01 Digues paravalanches (linéaire 800 m)02 Filets de protection contre les chutes

de pierres(linéaire 320 m de filets, h = 5 m)

03 Pont sur la rivière Lonza04 Aménagement de la place de chantier

de Schlegmatte et excavation de100 m de la fenêtre de Ferden en ter-rain meuble (lot principal)

05 Route d'accès "Rotloiwi" (galerie para-valanche de chantier)

06 Carrefour d'accès au chantier et signa-lisation routière

07 Première halle de chargement pourl'évacuation des matériaux par train(longueur 115m, train composé deneuf wagons Fans-U de 32 m3)

08 Raccordement ferroviaire (longueur435m)

Les travaux préparatoires se sont dérouléssans problèmes majeurs et à fin novembre1998 la place de chantier était prête pourêtre remise au consortium ATF adjudica-taire du lot de la fenêtre de Ferden. Lemontant total des travaux préparatoiresest de 17 Mio CHF. Le lot principal ycontribuée hauteur de 9 Mio CHF.

3.3 - Fenêtre de Ferden :tronçon en terrain meuble

Les travaux d'excavation du tronçon enterrain meuble (éboulis de pentes) ontcommencé le 23 mars 1998 par le foragede la première étape de la voûte-para-pluie pendant l'excavation du portail.La voûte-parapluie est constituée de 31tubes, 0 150 mm, longueur 12m. L'exca-vation de la calotte fut effectuée par pasde 1 m au moyen d'une pelle hydraulique.Après chaque mètre un cintre HEB 200 estposé et bétonné directement (bétoncoulé et treillis de coffrage). Après 9 md'avancement une nouvelle voûte-para-pluie de 12 m est forée.

La première étape d'excavation a com-mencé le 20 avril 1998 après l'achève-

ment du portail. Le rythme contractuelprévu de deux semaines par étape de 9 m(7 jours forage de la voûte-parapluie, 7jours d'excavation) a pu être tenu par l'en-treprise avec deux équipes (au total qua-torze semaines).

Après l'excavation de la première étape, ila fallu remettre en tension les ancragesprécontraints de la longrine située justeau-dessus du portail du tunnel. La tensionde deux ancrages était tombée de 600 kNà respectivement 110 kN et 150 kN.Lors de la transition de la deuxième à latroisième étape le passage d'un bancsableux a provoqué une chapelle de 6 m3.L'extension de celle-ci a pu être stoppéetrès rapidement au moyen de béton pro-jeté fibre.

L'excavation du strass par étape de 2 m acommencé le 9 juillet 1998, alors que lacalotte était à l'étape 3. A partir de l'étape 7,les éboulis de pente ont été remplacéspar de la moraine compacte. L'excavationa été beaucoup plus rapide puisque cinqétapes de 9 m ont pu être excavées en 3,5semaines.

Le 15 septembre, la roche était atteinteaprès 95 m d'avancement en terrainmeuble. La calotte a rejoint ce point le 10octobre 1998.L'avancement est poursuivi encore 6 mètresen rocher jusqu'au TM 123. (Pour des rai-sons historiques le portail de chantier estsitué au TM 21).

Figure 11 - Excavation du strass en terrain meuble


lenêtre Je Ferèn

3.4 - Fenêtre de Ferden -Excavation à l'explosif

i.4.1 - Un démarrage hivernal

.e Consortium ATF commence à s'instal-er sur la place de Schlegmatte dès le 2lovembre 1998. A cause du retard sur lesiménagements extérieurs, dont la finîtait prévue en août 1998, il est demandéi ATF de démarrer au plus vite les travauxl'excavation. Ceux-ci débutent le 30iovembre1998..es trois premiers mois, les vitessesl'avancement sont faibles, en moyenne1,6 m/j, alors que la cadence pondérée>révue par le contrat est de 6,6 m/j. De)lus, le 13 janvier 1999 une grosse venuej'eau au TM 190 bloque l'avancementîourquatre jours. La conduited'alimenta-ion en eau industrielle est détruite parme avalanche le 9 février 2001. Le travailioit être interrompu à trois reprises entree 29 janvier et le 12 février 1999 à causeiu danger d'avalanches. Le 19 févrierÏ001, la place doit être évacuée pendantieuf jours en raison de très importantes:hutes de neige. Les installations de chan-ier résistent bien aux souffles des ava-anches successives qui descendent danse couloir qui fait face au chantier. Seul leoit de protection des bureaux estemporté.

1.4.2 - Accélération des travauxVoir figure 12)

.'excavation est réalisée en pleine sectionivec des moyens de foration modernes

(Jumbo Robofore complètement robotisé).Malgré de bonnes conditions de rocher(gneiss et schistes de bonne qualité), lescadences restent insuffisantes en mars etavril 1999. Après concertation de toutes lesparties (entreprises. Maître de l'ouvrage,direction des travaux), il est décidé d'arrê-ter les travaux pour deux semaines dès le15 mai 1999 pour procéder à la remise àniveau du chantier. Les améliorations déci-dées sont les suivantes :9 effectuer les tâches laissées en arrière :préradier en béton (piste de chan-tier), captage des eaux, mise enplace du système d'exhaure, ren-forcement du soutènement ;9 renforcement de l'encadre-ment (trois cadres supplé-mentaires);• renforcement des équipesde5à9personnes;9 renforcement des moyensmécaniques (nouvelle char-geuse, marinage au frontpar trois dumpers 22 m3,évacuation par bande trans-porteuse dès le TM 1 300) etrenforcement de la ventila-tion et de l'éclairage ;8 révision des procédures de chantier, enparticulier usage systématique des pré-charges d'explosif.Le retard d'avancement est stabilisé etdès juillet 1999 la tendance est inversée.L'avancement est encore amélioré parl'utilisation d'explosif liquide (émulsionbi-composant de Dyno-Nobel), l'exécu-

tion du radier en béton compacté au rou-leau et la quasi-absence de venue d'eaudès le TM 500. En octobre la cadencemoyenne mensuelle atteint 9,7 m/j. Lestravaux sont malheureusement endeuillésle 6 décembre 1999 par la mort d'unouvrier, la plate-forme sur laquelle il tra-vaillait ayant basculé.

Figure 13 - Chargement de la volée à /'émulsion

A partir du 28 janvier 2000, l'excavationdes ouvrages annexes commence sanstoutefois perturber l'avancement dans laFST Ferden, ATF disposant de suffisam-ment de jumbos de forage et de moyenslogistiques.

3.4.3 - Les difficultés géologiques

La première zone de phyllites identifiéepar les reconnaissances est traversée enpleine section sans problèmes. A l'ap-proche de la deuxième difficulté géolo-gique reconnue, les schistes carbonifèresde Ferden, la longueur des volées estréduite.Un forage long exécuté parallèlement àl'avancement montre que ces schistes sontde bonne qualité. Le 4 mars 2000 auTM 2 775, à l'approche du carbonifère,alors que le front constitué de gneiss mas-sif vient d'être purgé, un éboulement de300 m3 de charbon pulvérulent se produitsoudainement. Par chance aucun blessén'est à déplorer; un dumper de marinage estenseveli jusqu'à la cabine. (Voirfigure 14)II faudra plus d'un mois pourfranchir cettezone. Les travaux ont été dirigés par un

Figure 12 - Jumbo de forage 3 bras


enêtre de Ferden

Figure Î4 - Ebou/ement dans le Carbonifère

groupe de travail ad hoc qui a choisi deprocéder de la manière suivante :1. Sécurisation de l'éboulis et mise enplace de trois cintres pleine section.2. Traitement de terrain en quatre phases,soit injection de remplissage au coulis deciment, injection de serrage au ciment,puis deux injections de collage sousforme de voûte parapluie légère consti-tuée par des ancrages autoforeurs injec-tés à la résine.3. Avance dans le front de l'éboulis endemi-section.4. Avance dans la faille en sections divi-sées et sous protection d'enfilages.5. Amorce en demi-section dans l'éponteaval.6. Exécution du stross.7. Exécution de la contre-voûte audroit de la faille.

Au total environ57 m3 de coulis deciment, 1 700 kg derésine polyuréthane,400 ml de boulonsautoforeurs, 18 cin-tres et 450 m3 debéton projeté en con-fortement définitifou temporaire aufront ont été néces-saires pour franchirl'accident. Le dum-per enseveli s'esttrouvé en fait"emballé" par le

charbon broyé et n'asubi aucun dom-mage. II a pu être

dégagé et sortir par lui-même le 30mars 2000.L'éboulement a été expliqué, aposteriori, par le Prof. F. Des-coeudres de l'Ecole Polytech-nique Fédérale de Lausanne,par la fragilisation de lacouche de gneiss très tecto- -nisée au contact du carbone.Ces gneiss contenaient desgrandes lentilles de quartzcomplètement préfissu-rées par la tectonique etqui se sont arénisées sousl'effet des tirs de mine. (Voirfigure 15).Par la suite trois zones dephyllites sont reconnueset traversées sans grandesdifficultés en microbenchmg. Le strosspouvait être excavé à la pelle hydraulique

et il n'y avait aucun problème de stabilitélatérale. Un effet de serrage tectoniquepourrait expliquer le bon comportementde ces phyllites lors de l'excavation. Cetteméthode fonctionne bien puisque lescadences sont de 3,5 m/j.

En raison de l'orientation des fissures lefront doit être systématiquement couvertde béton projeté même dans les gneissmassifs car le risque de chute de plaquessur les ouvriers est important.

Avec l'augmentation de la couverture, latempérature s'élève proportionnellement.Au TM 3 600 la roche est déjà à 32 °C. Lerefroidissement n'est assuré que par laventilation de chantier.

Figure Î6 - Mtcrobenching

Le 17 septembre 2000 le TM 3 921, leniveau du tunnel de base, est atteint. Fina-lement, ATF a excavé la FST Ferden à latrès bonne cadence de 7,68 m/j. Le man-dat d'ATF a été prolongé pour la réalisa-tion des 3 grandes cavernes d'installationdu lot tunnel de base de Ferden et d'unepartie de la gare d'arrêt de secours.

3.5 - Le puits de Fystertella

Pour forer le puits de Fystertella, unegalerie de ventilation de 22 m2 de section,perpendiculaire au tracé de la FST Ferdendut tout d'abord être réalisée. Afin deréduire la hauteur du puits, la pente decette galerie (longueur 240 m) a été aug-mentée de 1,5 à 15 %.

Figure 15 - Profil en long de la zone de carbone


lenêtre de Ferden

-ette galerie, ainsi que la chambrele montage delà tête de forage sontichevées en mars 2000.:n tête de puits, les quatorze pre-niers mètres ont été excavés en des-:endant dans de la moraine com->acte durant l'automne 1999. A:ause du risque d'avalanches ce:hantier est fermé durant l'hiver..ors de l'appel d'offres il était prévule réaliser un premier forage auaise-drill de diamètre 2 m, puisl'aléser à l'explosif au diamètre>,0 m. Un anneau de béton projetéxmstitue le revêtement définitif,.'entreprise a proposé de réaliser'excavation en une fois au diamètrel-,38 m au moyen d'une tête de raise-Irill élargie..es travaux du puits reprirent fin avrilÏOOO. Le forage piloté (h = 335 m) aibouti après huit jours au pied dusuits. Malgré une orientation défa-'orable de la schistosité des gneiss,a déviation par rapport à l'axe théo-ique ne fut que de 30 cm. Il fallut auous-traitant cinq jours pour monter laêteetsesélargisseurs. (Voir figure 17)..e raise-drill put alors commencer le 27nai 2000. La remontée de la tête s'estiffectuée à une cadence élevée avec des>ointes à plus de 50 m/j. Après vingt-septours de forage la tête a débouché à l'airibre. C'est alors qu'il a été constaté queeule la partie centrale de la tête (0 2,40n) était parvenue à la surface. La cou-onne était resté bloquée dans le puitsiprès 70 m de forage seulement. Les bou-ons d'accouplement avaient cédé..e sous-traitant spécialisé disposait d'unéquipement de treuillage. La couronne aju être dégagée et est tombée au fond du>uits. Après passage en atelier, laété a été remontée et accouplée àm dispositif de centrage dans le)uits déjà foré. La nouvelle tête alinsi creusé 89 m supplémentairesivant de casser une nouvelle fois..a tête est retombée et a été remon-ée. Elle a encore parcouru 25 m. H ailors été décidé que la partie supé-ieure du puits, soit 145 m, seraitîlargie au diamètre 5 m à l'explosif,.a tête avait foré en tout 190 m.Voir figure 18).'élargissement à l'explosif a com-nencé le 11 octobre 2000 et s'esterminé le 19 décembre 2001. Les45 m ont été excavés à la cadence

Figure 17 - Montage de la tête de forage

moyenne de 2,1 m/j. Pendant cette phaseun soutènement constitué d'ancragesscellés à la résine et de béton projeté ren-forcé par des treillis d'armature a été sys-tématiquement mis en place. La pose dusoutènement a été ensuite poursuiviedans le tronçon excavé en raise-drill.

3.6 - La galerie deventilation de Fystertella

Pour l'exécution de cette galerie, il a étédécidé de diviser le tronçon parallèle à lafenêtre de Ferden en cinq tronçons de

230 à 330 m de long. L'exécution deplusieurs tronçons pouvait êtreentreprise simultanément à la mon-tée ou à la descente à partir des sixrameaux de liaison prévus.L'excavation en pleine section (22 m2,soutènement ancrage et béton pro-jeté) a débuté en mars 2000 depuisla galerie de liaison 2 par uneattaque montante et une attaquedescendante. Le premier tronçonest provisoirement laissé en attenteà cause des travaux du puits. Par lasuite, la demi-attaque descendantedu premier tronçon sera stoppéeplusieurs mois pour constituer unréservoir de sécurité en cas de fortevenue d'eau dans le puits de venti-lation. Les schistes carbonifèressont traversés à l'abri d'un présou-tènement constitué de trois voûtesparapluie injectées à la résinepolyuréthane et d'un ancrage dufront. Le soutènement est consti-tué de dix cintres HEB 160 poséstous les 1,2 m.

L'avancement de cette galerie s'est pour-suivi chaque mois assez régulièrement àplus de 100 m/mois avec une pointe à224 m en novembre 2000. En septembre, ila été décidé de déplacer le dernier rameaude liaison de 80 m vers le Nord en raison dela présence d'un banc schisteux. Avec unecouverture de plus de 1 000 m, l'exécutionde l'amorce depuis la fenêtre de Ferdendevenait problématique (forte conver-gence avec rupture du béton projeté). Letracé et la pente du tronçon 6 qui conduità la galerie d'aspiration de la gare d'arrêtde secours ont été alors adaptés. Ce tron-çon de 106 m fut terminé en octobre 2000et l'avancement a continué directementdans la galerie d'aspiration de la gare

d'arrêt de secours.Ce n'est qu'en mars 2001 que ledernier bouchon dans le tronçon4 fut percé.

3.7 - La caverne de lacentrale de ventilationde FystertellaLa caverne de 240 m2 de section aété excavée en 2 étapes (volumetotal 9 200 m3) entre septembre2000 et avril 2001. La position dela caverne avait été choisie, dansla phase de projet, pour resterdans une zone de gneiss debonne qualité.

Figure 18 - Plate-forme de travail suspendue dans le puits

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 167 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2OO 1

enêtre de Ferden

A l'exécution, il a fallu s'adaptera la géo-logie et déplacer le point d'implantation.Cela a permis de l'exécuter dans de trèsbonnes conditions. Le soutènement estsimplement composé de 15 cm de bétonprojeté armé par un treillis soudé, et d'an-crages de 5 m scellés au mortier selon unemaille 2 m x 2m. L'aménagement intérieurde la centrale sera réalisé dans le cadredes travaux du tunnel de base.

4 - BILAN DES TRAVAUX

A la satisfaction générale, le délaicontractuel et le montant des travaux dela FST Ferden (90 Mio CHF) ont été res-pectés. Cela est de bon augure pour la

suite des travaux du tunnel de base duLôtschberg.

Globalement la géologie fut meilleureque supposé initialement par les auteursdu projet. En particulier, la traversée deszones de phyllites sous 1000m de couver-ture en microbenching avec des cadencesde 3,5 m/j fut un succès. Après un départlaborieux, le consortium ATF a mis lesmoyens nécessaires en hommes et enmatériel pour industrialiser les travaux.Les cadences d'avancement moyennesmensuelles de 8 à 9 m/j obtenues réguliè-rement après juillet 1999 en sont lameilleure preuve.L'accident du carbonifère n'a finalementeu que des conséquences mineures. Il apermis de montrer les capacités de mobi-

lisation de toutes les parties (Maître del'Ouvrage, entreprise, direction des tra-vaux et géologues} dans le but communde traverser rapidement et en sécuritéune zone difficile.

Au passif, il faut mentionner les difficultésde l'excavation du puits. Le forage auraîse-drill en diamètre 4,38 m d'un puitsde 335 m dans les gneiss massifs en uneseule passe est probablement à la limitedu réalisable avec les techniquesactuelles.

La réussite de ce chantier s'explique aussipar l'esprit de partenariat qui a régné toulau long des travaux entre le consortiumATF, le Maître de l'ouvrage BLS AlpTranshet la direction des travaux IGWS.

P. KELLERHALS, A. ISLER, 1998, " Lôtschberg-Basitunnel : Geologische Voruntersuchungen und Prognose ", Service hydrogéolo-gique et géologique national suisse, rapports géologiques, Nr. 22,F. VUILLEUMIER, P. HUFSCHMIED, G. SEINGRE, 2001, " Travaux du tunnel de base du Lôtschberg ", AITES-ITA 2001World TunnelCongress, Progress in tunnelling after 2000, Patron editore BolognaSweden), pp. 33-44. •

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• Coût du m3 excavé— • Courbe moyenne

3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2Diamètre extérieur de l'ouvrage en mètres

13 14

Etat statistique des coûts du métré cube excavé en fonction du diamètre extérieur de l'ouvrage

ie document présenté a été établi à la demande d'un adminis-trateur du S.I.A.A.P { Syndicat Interdépartemental pour l'As-sainissement de l'Agglomération Parisienne). Créée en 1970 à

la suite de l'éclatement du Département de la Seine, cette entité aen charge le transport et le traitement des effluents urbains de 8,5millions d'habitants soit environ 3 millions de m3 d'eaux usées entemps sec. Le volume des eaux ainsi transportées et épurées repré-sente chaque jour la contenance d'une cuve englobant la Tour Eiffel.Depuis sa création, c'est environ 200 kilomètres de galeries, de dia-mètre variant entre 2 mètres et 6 mètres qui ont été construits ensouterrain sous maîtrise d'ouvrage S.I.A.A.P, dans le bassin parisien.La courbe représentée a été établie en fonction du coût du grosœuvre du chantier ramené au mètre cube excavé, en valeur '̂jan-vier 2000, à partir d'une vingtaine d'ouvrages d'assainissement exé-cutés au bouclier.La dispersion observée, normale en matière de statistiques, estencore aggravée par le fait que la longueur de l'ouvrage, sa profon-deur ainsi que les conditions géologiques et hydrogéologiques,n'ont fait l'objet d'aucun terme correctif.

II n'en demeure pas moins que trois enseignements au moins peu-vent être tirés :- Pour les petits diamètres une augmentation du diamètre dequelques dizaines de centimètres est marginale, par rapport à desconditions d'exécution plus confortables et surtout plus sécuritairespour le personnel d'exécution.- A partir de 5 mètres de diamètre, le coût du stockage en tunneldevient très compétitif par rapport à un stockage en bassin enterré.Cet avantage s'ajoute à celui d'un ouvrage plus facile à implanter enzone urbanisée très dense, pouvant même s'affranchir de toutesacquisitions foncières.- L'optimum consiste à réaliser des ouvrages de grande dimension,combinant à la fois le transport des effluents de temps sec et le stoc-kage des eaux pluviales polluées C'est en particulier le cas du col-lecteur Cachan Charenton qui s'achève. Cet ouvrage de 6,30 m dediamètre intérieur possède une capacité de stockage des eaux detemps de pluie de 110.000 m3, alors qu'il assure en tout temps letransport d'un eff luent de temps sec de 3 m3/ seconde par l'intermé-diaire de 2 canalisations fonte de 1,20 m de diamètre noyées dans leradier.

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BALE, CHE, DU4AU6décembre2001 •••••••••••International Conférence on TUNNEL MANAGEMENT SYS-TEMSOrg. : Independent Technical Conférences Lfd - ITCPO Box 452, Kempston, Bedford, MK43 9PL, UKRens. : Stéphanie Whitham- ITCTel. : 44(0) 1234 854756-Fax: 44(0) 1234 841375Website at hftp//www.itc. conferences.com

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AMSTERDAM, NLD, DU 12 AU 17 avril 2003 •••••••29th ITA General Assembly and World Tunnelling Congress(RE)CLAIMING UNDERGROUND SPACEOrg. : ITA/Vereniging Ondergronds RuimtegebrnikRens. : WTC2003 c/o Congress Secreteriat VORPO Box 411 - 2800 AK GoudaTel. : 31 (0) 182 539 233 - Fax : 31 (0) 182 537 510E-mail : [email protected] -Website : www.wtc2002.nl

NEW ORLEANS, USA, DU 15 AU 18 juin 2003 ••••••RETC - RAPID EXCAVATION and TUNNELING Conférence andExhibîtOrg. : Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc.American Sociefy of Civil Engineers.Rens. : RETC c/o SME - Attention Tara DavîsPO Box 625002 Littleton, CO 80162-5002, USATel. : 303 948 4215 - E-mail : [email protected] -http://www.smenet.org

DURBAN, ZAF, DU 19AU25octobre2003 ••«••••••12ème Congrès Mondial de la ROUTEOrg. : AIPCR - Association Mondiale de la RouteFax : 33(1 ) 49 00 02 02 -Website : www.piarc.icpc.frRens. : The South African National Roads Agency Lfd.Tel. : 27 12 426 6000 - Fax : 27 12 342 1320/22Website : www.WRC2002.com

SINGAPORE, mai 2004 ••••••••••••••••••••••30th ITA General Assembly and World Tunnelling Congress

TOULOUSE, (France) du 21 au 23 octobre 2002Les souterrains : des ouvrages qui vivent

Organisation : Association Française des Travaux en SouterrainAPTES c/o SNCF - Direction de l'Infrastructure - 17, rue d'Amsterdam - 75008 Paris

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