Brevet FR2560634A1 — publié le 19850906

INSTALLATION TUBULAIRE SOUTERRAINE TELLE QUE TUNNEL DE CIRCULATION, CANALISATION TUBULAIRE OU ANALOGUE, PROCEDE DE FABRICATION ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE. La présente invention est relative à une installa- tion souterraine tubulaire, telle que tunnel de circu- lation, canalisation tubulaire ou analogue, utilisée en particulier dans les zones d'affaissement de terrain et comportant une enveloppe absorbant la poussée des terres. Les ouvrages de ce type sont soumis, d'une part, à des forces résultant de l'action de charges extérieures et, d'autre part, à des forces de contrainte résultant de mouvements. Alors que les charges extérieures consti- tuent une donnée immuable, les efforts de contrainte ré- sultant de mouvements dépendent du type de construction. L'origine des forces de contrainte doit être cher- chée soit dans la construction elle-même, soit dans le terrain environnant. Les forces de contrainte ayant leur origine dans la construction sont dues par exemple au re- trait du béton ou à des différences de température. Les efforts de contrainte exercés sur l'ouvrage résultent, par exemple, d'affaissements de terrain. Dans les zones d'ex- ploitation minière, les efforts de contrainte que les ou- vrages ont à subir par suite des mouvements du sol sont particulièrement importants. L'exploitation des veines de charbon s'effectue en général sans remblayage des cavités creusées, de sorte que, dans la zone d'exploitation, tout le paysage et les bâtiments au-dessous desquels l'exploitation s'effectue, s'affaissent par morceaux. L'action exercée sur les cou- ches proches de la surface se fait sentir par vagues sui- vant la progression en profondeur des différents fronts d'exploitation. Il en résulte la formation progressive de dépressions séparées, comportant des affaissements plus ou moins accentués d'un point à l'autre et des compressions ou des écartements horizontaux consécutifs à la formation de ces dépressions. Dans ces conditions, les très nombreu- ses ondes d'affaissements et d'efforts horizontaux consi- dérables de signe variable affectent à la longue tous les points du terrain. En général, pour un ouvrage, les efforts horizontaux sont plus importants que les efforts dus aux affaissements. A ces influences globales s'ajoutent, pour un ouvrage situé dans une zone d'exploitation minière, des difficultés locales, comme par exemple la formation d'es- caliers ou de gradins. Dans le cas des ouvrages connus du type initialement défini, l'ouvrage s'ancre dans le sol en raison de sa for- me. De ce fait, les déplacements ou les forces de contrain- te, en plus des charges, doivent être complètement absor- bés par l'ouvrage. Peu importe, dans ce cas, que ces forces de contrainte soient dues au mode de construction de l'ou- vrage ou à l'action du terrain. Pour la construction des ouvrages de ce type, on peut adopter deux principes différents. Suivant le principe dit "de résistance", on réalise un ouvrage suffisamment résis- tant pour qu'il puisse résister sans avarie et sans défor- mation notable à tous les efforts qu'il peut subir. Cepen- dant, pour des raisons d'ordre technique, ce principe, en lui-même très clair, n'est pas toujours applicable. Aussi applique-t-on souvent, dans le cas d'efforts déterminés, le principe dit "de souplesse" suivant lequel on réalise un ouvrage suffisamment souple pour qu'il puisse suivre large- ment sans contrainte les mouvements qui lui sont imposés. Sur les terrains normaux, c'est-à-dire en dehors des zones d'exploitation minière, on applique le principe de souplesse, par exemple, dans le cas de constructions en béton, en ménageant, à des intervalles réguliers dans le sens longitudinal, des joints de dilatation pour maintenir la fissuration due au retrait et à l'action de la tempéra- ture dans des limites inoffensives pour l'ouvrage. Cependant, la fabrication et l'entretien de ces joints demandant un soin particulier, ils sont compliqués et chers. Dans les zones d'exploitation minière, l'applica- tion du principe de souplesse se caractérise par l'aban- don du béton armé, qui est pourtant, en lui-même, un ma- tériau de construction très avantageux pour les enveloppes de tunnel. C'est ainsi, par exemple, qu'une enveloppe de tunnel connu est constituée par une pluralité d'anneaux tubulaires en acier soudés les uns aux autres qui présen- tent, dans le sens de la longueur des anneaux tubulaires, une section ondulée, chacun de ces anneaux comportant encore un anneau tubulaire de dilatation (DE PS 3.046.833). La fabrication de cette enveloppe de tunnel en anneaux tu- bulaires en acier demande un gros travail. De plus, leur fabrication n'est possible,dans le cas d'une avance avec bouclier dans les couches aquifères, que si l'on prend des précautions spéciales pour maintenir l'efficacité de l'é- tanchéité de la queue du bouclier également dans la zone des sommets et des fonds des ondulations de l'enveloppe. Le but de l'invention est de permettre, dans des con- ditions économiques, la réalisation d'enveloppes de tunnel convenant aussi bien à des terrains "normaux" qu'à des zones d'affaissement minières. Ce but est atteint, suivant l'invention, par l'in- terposition, entre la surface extérieure de l'enveloppe et le terrain, d'une couche ayant une épaisseur au moins appro- ximativement constante et constituée par un matériau qui, en cas de déplacements relatifs du terrain et de l'envelop- pe,.imite, par suite de la déformation plastique du maté- riau, la transmission mutuelle des efforts. L'interposition, suivant l'invention, d'une couche intermédiaire entre la surface extérieure de l'enveloppe et le terrain a trois effets principaux: 1. La couche n'a qu'un faible coefficient de frot- tement, qui est largement indépendant de la grandeur de la charge appliquée. Il en résulte un effet de glissement. 2. La couche a des propriétés plastiques; elle peut donc, avec de faibles forces d'appoint, compenser des dé- placements locaux du terrain. Il en résulte un effet de tampon. 3. La couche, surtout si elle est constituée par un minéral contenant de l'argile, est imperméable à l'eau. Il en résulte un effet de fermeture étanche. Dans les terrains normaux, c'est-à-dire à l'abri des répercussions d'une exploitation minière, les déformations longitudinales résultent de la construction (par exemple, retrait ou variations de température). Elles sont relati- vement faibles. L'état des forces dans la construction ne se distingue pas alors essentiellement de ce qu'il est dans les constructions traditionnelles. On utilise, surtout dans ce cas, la compacité de la couche, de sorte que les exi- gences relatives à la limitation de la largeur des fissu- res sont beaucoup moins sévères. Il en résulte que l'on peut augmenter les distances entre les joints et/ou sup- primer partiellement ou complètement l'armature. La couche peut alors être relativement mince, par exemple de 3 à 5 cm environ. Dans une zone d'exploitation minière, les mouvements dans le sens longitudinal surpassent de plus d'un ordre de grandeur ceux qui se produisent dans les conditions nor- males. Ils ont leur origine dans le terrain qui entoure l'ouvrage. En plus de la compacité, l'effet de glissement de la couche intermédiaire intervient alors au bénéfice de l'ouvrage. Le coefficient de frottement pratiquement cons- tant, déterminé à l'avance, limite les efforts longitudi- naux et les déformations longitudinales. La longueur d'un segment et les dimensions de sa section peuvent être adap- tées les unes aux autres. La force longitudinale maximale, qui n'intervient qu'au milieu de segment, ne dépend que de la longueur du segment. L'allongement est déterminé égale- ment par la section de l'armature incorporée. Du fait de l'influence de la compacité de la couche intermédiaire, il est possible d'utiliser la ductilité supérieure des aciers à haute résistance mécanique. Le rapport entre l'effort de traction maximal et l'effort de compression maximal peut être réduit par une précontrainte partielle des aciers incorporés. En plus de l'étirement ou du tassement global du terrain, il peut se produire localement une formation de gradins ou d'escaliers.Dans ce cas, l'effet de tampon de la couche plastique contribue d'une manière très efficace à éviter les pointes d'effort. Il faut cependant pour cela que la couche intermédiaire ait une épaisseur suffisante. Elle doit être dans ce cas de 15 cm environ. L'invention peut donc être appliquée avantageusement aussi bien dans un terrain normal que dans une zone d'af- faissement de terrain. L'enveloppedes tubes peut être réa- lisée aussi bien en anneaux tubulaires qu'avec du béton lo- cal. Le béton peut être sans armature, faiblement armé ou précontraint. Dans le cas du béton non armé, il peut être avanta- geux de maîtriser la localisation des fissures qui peuvent se produire. On y parvient en ménageant à l'avance des em- placements de rupture annulaire ou en réalisant artifi- ciellement des fissures. ce que l'on peut faire au moyen de coussins de compression étroits soumis à l'action d'un moyen de pression, comme l'indique par exemple le brevet DE-AS 1.658.451. L'invention est décrite d'une manière plus détaillée au moyen d'un exemple de réalisation en référence au dessin schématique annexé dans lequel: La figure 1 est une vue perspective oblique d'une en- veloppe de tunnel suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe à plus grande échelle d'un joint annulaire. La figure 3 est une vue en coupe d'un dispositif permettant la mise en place de la couche de glissement. La figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 1 est une vue perspective oblique de l'en- veloppe (l1) d'un tunnel tubulaire, par exemple d'un tunnel de circulation, dans une zone d'affaissement de terrain. L'enveloppe de tunnel (1) est constituée par plusieurs an- neaux tubulaires (2) placés les uns à la suite des autres dans le sens longitudinal, de façon à pouvoir résister à la traction et/ou la compression. Chaque anneau tubulaire (2) est composé d'un certain nombre d'anneaux tubulaires (3) en béton armé. Pour permettre le montage des différents anneaux tubulaires dans l'ordre, une clé de voûte (4) est disposée dans la zone faîtière. L'enveloppe (IL comporte donc des joints longitudi- naux (5) et des joints annulaires (6). Le mode de réalisa- tion des joints annulaires est représenté à plus grande échelle sur la figure 2. Les différents anneaux tubulaires (3) comportent des conduits qui sont constitués par des tubes (7) orientés dans le sens de la longueur du tunnel et dans lesquels passent les éléments d'armature de l'armature longitudinale (8), de telle sorte que l'armature longitudinale (8) n'est re- liée à l'anneau tubulaire correspondant que sur une partie de la largeur de celui-ci. Ces éléments d'armature sont constitués par des tirants usuels en acier à haute résis- tance mécanique, de préférence par des filins ou des fils métalliques du type utilisé comme éléments de traction dans le béton précontraint, et qui sont précontraints par rapport à l'enveloppe (1). Entre la paroi extérieure de l'enveloppe (1) et le terrain (9) est disposée une couche (10) constituée par un mélange pâteux lors de son application, d'un minéral argileux, par exemple de bentonite et d'eau. Pour être sûr que la couche (10) a, autant que pos- sible,. sur tout le pourtour de l'enveloppe (1), une épaisseur régulière et que cette épaisseur régulière ne se modifie pas non plus en cas de mouvement relatif ultérieur du terrain et du tube formant tunnel, on place des pièces de maintien à distance, à une certaine distance les unes des autres. Dans le dispositif représenté à la figure 1, les pièces de maintien à distance sont des bandes (11) orientées longitudinalement, qui sont réparties régulière- ment sur tout le pourtour de l'enveloppe (1), et des ban- des (12) orientées dans le sens annulaire, qui croisent les bandes longitudinales (11) et constituent, de cette manière, un réseau qui recouvre l'enveloppe (1) et subdi- vise la couche (10) en caissons Dans ces conditions, le matériau constituant la couche (10) et emprisonné dans les caissons ne peut pas se déplacer latéralement. Il est avantageux que les bandes de maintien à dis- tance (11) et (12) soient constituées par le même matériau que la couche (10), donc par un mélange de bentonite et d'eau auquel une addition de ciment a conféré la dureté nécessaire. Cependant, pour éviter toute instabilité et assurer en même temps, dans la zone de ces bandes de main- tien à distance, une certaine mobilité de l'enveloppe, il faut ménager, entre l'enveloppe (1) et les bandes de main- tien à distance (11) et (12). un emplacement de rupture préférentielle ou un joint de séparation. Pour cela, on peut placer. sur la surface de l'enveloppe (1) tournée vers le terrain, des moyens qui empêchent, jusqu'à une certaine profondeur, le durcissement du matériau constituant les pièces de maintien à distance.- Ces moyens peuvent être constitués, lorsque le liant ajouté au matériau constituant les pièces de maintien à distance est du ciment, une solu- tion de sucre qui empêche la prise du ciment. La figure 2 représente, à plus grande échelle, une coupe d'un joint annulaire (6) de l'enveloppe (1). Dans le joint annulaire, les anneaux tubulaires (3 et 3') des an- neaux tubulaires voisins (2 et 2'9se rencontrent au niveau de leurs surfaces frontales (13) et (14). Les surfaces frontales s'encastrent par des rainures et languettes, de manière à pouvoir absorber les efforts transversaux. Les éléments d'armature de l'armature longitudinale (8) traversent le joint dans les tubes (7). Dans la zone du joint. ces tubes (7) sont complétés, d'une part, par un morceau de tube (15) et, d'autre part, par un tube (16) de recouvrement, qui ont des diamètres différents et s'en- gagent l'un dans l'autre avec interposition d'une bague d'étanchéité (17). En injectant du mortier de ciment (18) dans l'espace creux compris entre l'armature longitudina- le (8) et les tubes (7) ou le morceau de tube (15) et le tube de recouvrement (16), on réalise une liaison entre les éléments d'armature et les anneaux tubulaires. Le joint annulaire (6) s'élargit du côté extérieur comme du côté intérieur de l'enveloppe (1) et est rempli au moyen d'un produit d'étanchéité (19) ayant une élasti- cité durable. Alors que cette enveloppe se comporte, lorsqu'elle est soumise à des charges extérieures, comme une envelop- pe de tunnel habituelle, il y a lieu. lorsqu'intervien- nent des forces de contrainte dues à des mouvements de terrain, de distinguer entre efforts de traction et ef- forts de compression. Dans le cas des efforts de traction, l'enveloppe, comparable à une bande de caoutchouc, peut se déformer, de sorte que, par suite de la fixation des dif- férents anneaux tubulaires (2) aux éléments d'armature de l'armature longitudinale (8)-par la liaison réalisée, les joints s'ouvrent et se ferment de façon régulière. Lors de l'ouverture des joints, le produit d'étanchéité (19) em- pêche toute pénétration de saleté. Les efforts de compres- sion peuvent être transmis par les surfaces frontales (13) et (14) des anneaux tubulaires qui sont appliquées l'une contre l'autre. Dans ces conditions, on est assuré, en raison des propriétés du matériau constituant la couche intermédiaire (10), intercalée entre le terrain et l'en- veloppe, que les efforts de frottement ne sont transmis que jusqu'à un certain point puisque, lorsque la force exercée dépasse une certaine valeur, on a affaire à un joint de glissement. Lorsque les forces agissent transver- salement par rapport à la direction longitudinale du tun- nel, la couche (10) peut se déformer plastiquement. Comme les enveloppes de tunnel sont généralement fa- briquées d'une manière continue, il est avantageux de réa- liser également d'une manière continue la couche intermé- diaire entre l'enveloppe du tunnel et le terrain, au cours de la fabrication de l'enveloppe du tunnel. Les figures 3 et 4 représentent un dispositif permettant d'effectuer cette opération. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale par- tielle d'un dispositif permettant l'introduction de cette couche intermédiaire et la figure 4 est une vue en coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la figure 3. Le dispositif représenté est adapté à l'exemple d'un bouclier de progression comme ceux que l'on utilise pour le creuse- ment avec bouclier d'un tunnel dans une zone de nappe phré- atique. Le bouclier de progression (20), qui ne constitue pas l'objet de l'invention, se prolonge de façon connue par une queue de bouclier (21). qui est constituée par une tôle et monté de manière que l'étanchéité de l'espace vide compris entre la queue de bouclier et l'enveloppe (l)soit assurée par ce qu'on appelle la pièce d'étanchéité (22) de la queue de bouclier. Cette pièce d'étanchéité (22) est constituée par une pièce au profil de forme convenableréalisée en un matériau élastique comme le caoutchouc, une matière plasti- que ou une substance analogue. Dans le dispositif représenté aux figures 3 et 4, la queue de bouclier (21) ne comporte pas seulement une paroi extérieure (23), mais également une paroi intérieure (24) maintenue à distance de la paroi extérieure (23) par des par des entretoises (25) ( figure 4) Ces entretoises (25) délimitent entre la paroi extérieure (23) et la paroi intérieure (24), des chambres (26). Dans la zone qui est située à l'avant dans le sens de la progression indiquée par la flèche (27), le disposi- tif comporte des ouvertures d'introduction sous pression (28) correspondant aux chambres (26); à l'extrémité op- posée, le dispositif comporte des ouvertures de sortie correspondantes (29) formées par un élargissement, en forme d'entonnoir, des chambres (26). Le sens d'introduc- tion du matériau (30), qui doit constituer la couche in- termédiaire (10) ou les bandes de maintien à distance et qui est introduit en même temps que la couche (10), cette introduction pouvant s'effectuer d'ailleurs d'une manière quelconque, est indiqué par la flèche (31) dans la zone des ouvertures d'introduction sous pression (28) et sa sortie, dans la zone des ouvertures de sortie (29) est indiquée par les flèches (32). La pièce d'étanchéité (22) de la queue de bouclier se trouve dans ce cas contre la paroi intérieure (24) de la queue de bouclier, o elle est serrée entre des brides annulaires (33) et (34). Ce dispositif permet d'introduire en continu d'une manière très simple entre l'enveloppe et le terrain, le matériau pâteux nécessaire à la réalisation de la couche intermédiaire (10). La subdivision, au moyen des entretoi- ses (25) de l'espace annulaire compris entre la paroi in- térieure (24) et la paroi extérieure (23) permet de réali- ser également sans retard les bandes (11) longidudinales servant de pièces de maintien à distance. Les pièces de maintien à distance annulaires (12) sont obtenues en intro- duisant sous pression, à des intervalles convenables, du minéral argileux mélangé de mortier de ciment. - REVENDICATIONS - 1. - Installation creuse tubulaire souterraine, telle que tunnel de circulation, canalisation tubulaire ou ana- logue, utilisée en particulier dans les zones d'affaisse- ment de terrain et comportant une enveloppe absorbant la poussée des terres, caractérisée en ce qu'elle comprend, entre la surface extérieure de l'enveloppe (1) et le ter- rain (9). une couche (10) ayant une épaisseur au moins approximativement constante et constituée par un matériau qui, en cas de déplacements relatifs du terrain et de l'en- veloppe. limite, par suite de la déformation plastique du matériau, la transmission réciproque des efforts. 2. - Installation tubulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche (10) est constituée par un mélange d'un minéral argileux, tel qu'un mélange de bentonite et d'eau. 3. - Installation tubulaire selon l'une des revendi- cations 1 et 2, caractérisée en ce que- l'enveloppe (1) est constituée de manière à résister à la traction et/ou à la compression. 4. - Installation tubulaire selon l'une des revendi- cations 1 à 3, caractérisée en ce que la couche (10) com- prend, entre l'enveloppe (1) et le terrain (9), des pièces de maintien à distance. 5. - Installation tubulaire selon la revendication 4, caractérisée en ce que des pièces de maintien à distance (11) sont disposées sous forme de bandes longitudinales et régulièrement réparties sur la périphérie de l'enveloppe. 6. - Installation tubulaire selon l'une des revendi- cations 4 et 5, caractérisée en ce que des pièces de main- tien à distance (12) se présentant sous la forme de bandes annulaires sont disposées à une certaine distance les unes des autres. 7. - Installation tubulaire selon l'une des revendi- cations 4 à 6. caractérisée en ce que des emplacements de rupture préférentiels sont ménagés entre l'enveloppe (1) et les pièces de maintien à distance (11, 12). 8.'- Installation tubulaire selon l'une des revendi- cations 4 à 7/- caractérisée en ce que les pièces de main- tien-à distance (11, 12) sont constituées par un matériau durcissant par prise. 9. - Installation tubulaire selon l'une des reven- dications 7 et 8, caractérisée en-ce que la surface de l'enveloppe tournée vers le terrain porte des moyens qui empêchent, jusqu'à une certaine profondeur, le durcisse- ment du matériau constituant les pièces de maintien à distance. 10. - Installation tubulaire selon l'une des reven- dications 8 et 9, caractérisée en ce' que les pièces de maintien à distance sont constituées par un mélange d'un minéral argileux, tel que de la bentonite, avec de l'eau et du ciment. 11. - Installation tubulaire selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens destinés à empêcher le durcissement sont à base de solution sucree. 12. - Installation tubulaire selon l'une des reven- dications 1 à 11, caractérisée en ce que l'enveloppe (1) est constituée par une pluralité d'anneaux tubulaires (2) (3) en béton armé préfabriqués dont l'armature longitudi- nale (8), qui traverse les joints annulaires (6) entre anneaux, s'étend sur une grande longueur et est reliée solidement à chaque anneau (2). 13. - Installation tubulaire selon la revendication 12. caractérisée en ce que l'armature longitudinale (8) n'est reliée à l'anneau tubulaire (2) correspondant que sur une partie de la largeur de celui-ci. 14. - Installation tubulaire selon l'une des reven- dications 12 et 13, caractérisée en ce que l'armature- longitudinale (8) est logée dans des cavités formées par des tubes (7) et est liée avec les anneaux tubulaires (3) par injection d'un matériau durcissant par prise. 15. - Installation tubulaire selon l'une des reven- dications 12 à 14, caractérisée en ce que l'armature lon- gitudinale (8) est constituée par des tirants en acier à haute résistance mécanique, de préférence par des filins ou des fils métalliques. 16. - Installation tubulaire selon la revendication , caractérisée en ce que l'armature longitudinale (8) est précontrainte par rapport à l'enveloppe (1). 17. - Installation tubulaire selon l'une des reven- dications 1 à 16. caractérisée en ce que l'enveloppe est constituée par du béton armé ou non, introduit sur place. 18. - Installation tubulaire selon la revendication 16, caractérisée en ce que l'enveloppe comprend des empla- cements de rupture dans le sens annulaire pour la formation de joints de fissuration. 19. - Procédé d'introduction de la couche de revête- ment (10) pour la réalisation de l'installation selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche (10) est introduite, au fur et à mesure de la fabrication de l'enveloppe (1), à l'état pâteux dans l'espace intermé- diaire compris entre l'enveloppe (1) et le terrain (9). 20. - Procédé selon la revendication 19, caractéri- sé en ce que la couche (10) est introduite sans interrup- tion par un procédé de coulée continue. 21. - Dispositif pour l'application du procédé selon l'une des revendications 19 ou 20, caractérisé en ce qu'il comporte un bouclier annulaire à paroi double, qui peut être déplacé du côté frontal de l'enveloppe à fabriquer et - comportant des chambres (26) formées par des entretoises (25), permettant le passage du matériau pâteux. 22. - Dispositif selon la revendication 21, carac- térisé en ce que, lors de la fabrication de l'enveloppe lors de la poussée du bouclier en avant, la paroi exté- rieure (23) du bouclier annulaire est formée par la queue (21) du bouclier et en ce que la pièce d'étanchéité (22) du bouclier est placée contre la paroi intérieure (24 du bouclier.