Brevet FR2575219A1 — publié le 19860627

2575219, La présente invention concerne un procédé permettant de réduire le risque que les boucliers de creusement de tunnels se trouvent immobilisés dans des roches fragiles en raison des déformations de ces roches (sol comprimant ou gonflant), et permettant également de réduire simultanément les pressions s'appliquant sur la maçonnerie des tunnels. Le creusement d'un tunnel provoque en effet des modifications dans l'état de contraintes et de déformations régnant dans la roche entourant ce tunnel. Ces déformations de la roche vers le tunnel sont habituellement de quelques millimètres dans la roche dure, mais dans une roche fragile, ces défor- mations peuvent être de plusieurs dizaines de centimètres. Ces mêmes déformations dépendent du temps et, si elles ne font pas l'objet d'un traitement d'une manière correcte, les roches fragiles peuvent entrai- ner des déformations de grandeur inacceptable ou des charges également de grandeur inacceptable s'appli- quant sur la maçonnerie du tunnel. La pratique moderne de creusement des tunnels en tient compte dans la conception de la maçonnerie prévue pour ces tunnels et les autres cavités souterraines, les principes de cette pratique faisant l'objet d'une normalisation poussée dans la Nouvelle Méthode Autrichienne de Creusement de Tunnels (NMACT). On sait habituellement que, d'après les principes de la géotechnique et de la mécanique des roches, les charges s'appliquant sur les maçonneries des tunnels diminuent si on laisse la masse de roche soutenue se déformer de façon que la résistance au cisaillement de cette masse de roche se trouve contrôlée. L'invention a pour objet un procédé de 2575219. creusement de tunnels dans des roches peu cohérentes, caractérisé en ce qu'il consiste à remplir le vide, formé au cours de l'excavation, existant entre la surface de la roche creusée et un bouclier, et entre cette surface de la roche et la maçonnerie du tunnel, à l'aide d'un matériau expansif et déformable après durcissement, et qui, après application, entraîne une réduction des pressions appliquées par la roche contre le bouclier et contre la maçonnerie de tunnel, et par suite diminue le risque d'une immobilisation du bouclier en raison d'un frottement excessif, en entraînant également une diminution de la résistance mécanique exigée de la maçonnerie de tunnel. Ainsi, dans ce procédé de creusement de tunnels dans des roches fragiles, le vide existant entre le bouclier et la roche se trouve rempli par injection de matériaux fluides spécialement adaptés, qui s'expansent et durcissent rapidement et qui sont compressibles. Un tel matériau s'étant expansé et durci réduira les contraintes existant dans la roche à proximité immédiate de la paroi du tunnel et ne transmettra à la maçonnerie de ce tunnel que ces efforts réduits. Simultanément, ce matériau s'étant expansé contribue à assurer l'étanchéité du tunnel contre les infiltrations d'eau et de gaz. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une représentation gra- phique de la charge de la roche transférée à la maçonnerie rigide en place, à des instants différents après l'excavation; - la figure 2 est une représentation gra- phique de la relation existant entre la charge de 2575219t réaction sur une maçonnerie de tunnel et le temps; - la figure 3 représente graphiquement la relation existant entre la charge sur une maçonnerie de tunnel et le temps et fait apparaître des critères servant pour la conception d'une telle maçonnerie de tunnel; - la figure 4 représente schématiquement une coupe prise à travers une tête classique de creusement utilisée sur une machine de creusement de tunnel (MCT); - la figure 5 représente schématiquement une coupe prise à travers une machine de creusement de tunnel en cours de fonctionnement avec une injection simultanée de matériau à l'extérieur du bouclier, conformément à la présente invention; - la figure 6 représente graphiquement la relation existant entre la courbe de charge de la roche (provenant de la figure 1) et la charge résultante existant dans le matériau injecté, mis en place conformément à l'invention, ainsi que la courbe de charge résultante pour la maçonnerie de tunnel. L'invention se trouve basée sur l'interac- tion existant entre la réponse de la roche à un allégement de la charge, et la réponse de la maçonnerie à la mise en charge, comme représenté sur les figures annexées. La figure 1 représente la manière dont la pression provenant de la roche se trouve réduite avec le temps jusqu'à une valeur mini- male Pmin (période d'état stable), avant que la roche ne se fracture avec, à la suite, un accroissement dans la pression (période d'état instable ou effondrement). La figure 2 montre, à titre d'exemple, qu'une certaine déformation de la roche peut être permise avant que la pression ne s'accroisse rapidement dans la maçonnerie 2575219. du tunnel (période permettant à la roche de se déformer et de remplir le vide existant entre la surface creusée de la maçonnerie de tunnel) ainsi que la façon dont la charge de réaction apparaissant dans la maçonnerie de tunnel se développe jusqu'à une va- leur Pmax avant que la maçonnerie ne s'effondre. Une superposition de ces courbes sert de base à la con- ception optimale d'une maçonnerie mise en place au moment convenable et présentant une résistance méca- nique suffisante, de la manière représentée sur la figure 3 (charge sur la maçonnerie de tunnel en fonction du temps). La ligne "a" montre que le contact entre la roche en cours d'expansion et la maçonnerie survient trop tôt et que, pour empêcher un effondre- ment, cette maçonnerie devrait être conçue pour résister à des charges importantes. La ligne marquée "b" montre que le contact se trouve établi trop tard, après rupture de la surface libre de la roche. La ligne "c" constitue la ligne optimale et elle prouve que, si le contact entre la roche et la maçonnerie a été établi au moment convenable, cette maçonnerie peut être conçue pour une charge minimale et pourrait présenter une marge de sécurité très importante. Dans les roches fragiles, le temps de maintien (période entre le creusement du tunnel et l'effondrement de la roche non soutenue) peut être très court: les déformations surviennent rapidement et le bouclier peut se trouver immobilisé par le frottement créé par la pression de la roche (voir figure 4). Si l'on se reporte à cette figure 4, on voit que la maçonnerie du tunnel située en arrière du bouclier 1 de la machine de creusement de tunnel est habituellement constituée de segments préfabriqués 2 qui forment un anneau circulaire complet une fois mis en place. Dans la pratique habituelle de creusement de tunnels, on place du mortier au ciment, du petit gravier ou un autre matériau de rigidité analogue, entre la maçonnerie 2 et la roche 3, afin d'obtenir le comportement combiné nécessaire et un transfert uniforme de la charge de la roche vers la maçonnerie. On peut également couler in situ un anneau de maçonnerie complet. Toutes ces maçonneries sont si rigides que la pression appliquée par la roche sur la maçonnerie peut être très élevée (courbe "a" de la figure 3). L'invention consiste à utiliser un type particulier de matériau placé entre la roche et la maçonnerie. Ce matériau, qui sera spécialement adapté aux conditions particulières du creusement du tunnel, devra durcir rapidement, transmettre à la maçonnerie une partie de la charge appliquée par la roche et être déformable (voir figure 5). Ce matériau 6 devra remplir le vide qui apparaît entre la roche 3 et le bouclier 1 qui protège l'appareillage de creusement. Ce même matériau 6 devra remplir le vide existant à l'arrière du bouclier 11 et correspondant à l'épaisseur de ce bouclier à l'extérieur de la maçonnerie 2. Le matériau et l'appareillage d'injection de celui-ci doivent présenter les caractéristiques suivantes: 1 - Des propriétés de déformation et une résistance mécanique qui peuvent être adaptées à diverses conditions de creusement de tunnel et qui permettent une conception optimale de la maçonnerie de tunnel en permettant une déformation du matériau lorsque la roche se déplace, et avec un transfert de charge vers la maçonnerie de tunnel relativement rigide s'accroissant de manière progressive. 2 - Le matériau injecté doit être capable de s'expanser ou se dilater dans les vides existant autour du bouclier et de la maçonnerie et de les remplir. 3 - Ce matériau injecté ne doit pas diminuer l'avancement du bouclier de creusement en créant un frottement accru. Cela s'obtient par une conception appropriée de ce bouclier et des appareillages et machines associés. 4 - Ce matériau injecté doit être stable et durable et doit conserver sa résistance mécanique en vieillissant, afin d'empêcher les déformations de la roche de s'accroître, et également l'accroissement correspondant de la charge dans la maçonnerie du tunnel. - Ce matériau injecté de doit pas être soluble dans l'eau une fois achevée l'injection, et ne doit pas non plus être sensible à une attaque chimique comme celle provoquée par les gaz ou les sels présents dans la roche. Les propriétés du matériau à injecter ne peuvent être précisées de manière plus détaillée que celle indiquée ci-dessus sans une détermination ou description préalable des conditions et propriétés de la roche. Il existe divers types de matériaux conve- nables, comme par exemple le polyuréthane dont la formule peut être prévue pour offrir des compressi- bilités différentes. La figure 6 représente la courbe de réponse combinée de charge en fonction du temps, pour le matériau injecté 6 et la maçonnerie de tunnel 2. Les notations utilisées sur cette figure 6 sont les suivantes: 2575219. Ps = charge de stabilisation: charge exigée de la masse à injecter pour stabiliser la maçonnerie Popt = charge optimale de la roche sur la maçonnerie Pkap = aptitude maximale de la maçonnerie de tunnel à supporter la charge P = charge maximale de la roche o topt = moment auquel la charge de la roche se o pt trouve à un minimum, immédiatement avant effondrement tinj = moment auquel l'injection commence tforst = moment auquel la maçonnerie commence à être mise en charge. Ainsi, pour mettre en oeuvre l'invention, il est exigé les conditions suivantes: - la roche 3 dans laquelle pénètre le tunnel se trouve sous contrainte et cette contrainte amène la roche à se déformer vers la cavité du tunnel - la surface du tunnel est renforcée à l'encontre de cette déformation par une maçonnerie 2 qui est mise en place ou coulée dans un bouclier 11, ou bien sur le bord arrière d'un tel bouclier. - Le matériau qui remplit le vide existant à l'extérieur du bouclier 11 et de la maçonnerie de tunnel présente des propriétés qui sont adaptées à celles de la roche avec laquelle il se trouvera en contact. Des propriétés judicieuses de ce matériau sont les taux d'accroissement de résistance mécanique dans le temps, les propriétés de fluage et la perméa- bilité. - L'organe de creusement du tunnel (la tête de taille dans le cas d'une machine de creusement de tunnels) 5, le bouclier 11 et les segments de 2575219. maçonnerie 2 sont entièrement conçus de manière à permettre une mise en oeuvre du processus présenté plus haut. Entre autres, le diamètre du bouclier devra être conçu pour laisser subsister entre ce bouclier et la roche un espace suffisant donnant l'épaisseur voulue de matériau injecté. En résumé, l'invention met ainsi au point un procédé nouveau permettant de réduire notablement les pressions appliquées par les roches fragiles 1 sur les boucliers 11 utilisés dans le creusement des tunnels, ainsi que de réduire également les pressions appli- quées sur les maçonneries de ces tunnels. L'invention consiste à remplir le vide existant entre le bouclier et la roche environnante à l'aide d'un matériau - expansif, durcissant et déformable. Le vide créé entre le bouclier 11 et la roche 3, et entre la maçonnerie du tunnel et cette roche, se trouve rempli par injection à l'aide d'un matériau expansif spécialement adapté. Les propriétés de-déformation et de résistance mécanique de ce matériau devront permettre une défor- mation contrôlée de la roche en direction du bouclier 11il et de la maçonnerie 2 du tunnel de manière que les pressions appliquées par la roche se trouvent rédui- tes. L'invention permet ainsi de réduire le risque d'immobilisation du bouclier en raison d'un écrasement de celui-ci de la part de la roche se déformant, et elle permet de concevoir les maçonneries des tunnels réalisées de façon à résister à des pressions de la roche notablement réduites. 2575219P R E V E N D I C A T I ON Procédé de creusement de tunnels dans des roches fragiles, caractérisé en ce qu'il consiste à remplir le vide, formé au cours de l'excavation, exis- tant entre la surface de la roche creusée et un bouclier -(11), et entre cette surface de la roche et la maçonnerie (2) du tunnel, à l'aide d'un matériau (6) expansif et, déformable après durcissement, et qui, après application, entraîne une réduction des pressions appliquées par la roche contre le bouclier (11) et contre la maçonnerie de tunnel (2), et par suite diminue le risque d'une immobilisation du bouclier (11) en raison d'un frottement excessif, en entraînant également une diminution de la résistance mécanique exigée de la maçonnerie de tunnel. (2).