Dans un environnement géologique et géotechnique parfois médiocre tel que l'environnement urbain, à proximité immédiate d'un bâti souvent ancien et sensible, le concepteur doit non seulement s'assurer de la stabilité propre du tunnel qu'il construit, mais également évaluer l'incidence des choix de tracé et des techniques de réalisation sur l'existant. La réalisation d'ouvrages souterrains est en effet la source de tassements pouvant causer des désordres et des dysfonctionnements inacceptables. Dans ce contexte, il apparaît nécessaire de disposer de méthodes efficaces de prévision des tassements et déformations du massif environnant.

# Une approche empirique insuffisante

Les déformations liées au déconfinement du sol lors de la construction d'un tunnel sont le résultat d'une interaction complexe entre le sol, le processus de creusement et de soutènement, et les ouvrages préexistants. En raison de cette complexité, l'approche habituelle consistait à proposer des règles empiriques basées sur l'observation : l'amplitude et l'étendue de la cuvette de tassement sont évaluées en fonction de la géométrie de l'ouvrage et de la nature du sol.

L'évolution rapide des techniques de construction des galeries souterraines, visant notamment à réduire les risques d'instabilité ainsi que l'amplitude des déformations, rend cette approche empirique insuffisante. Parallèlement, l'augmentation de la puissance des moyens de calcul ainsi que les avancées récentes concernant la modélisation du comportement du sol permettent d'envisager la mise en oeuvre de moyens d'évaluation non empirique des tassements.

Dans ce contexte, l'objectif est de mettre au point des procédures de modélisation des mouvements du sol provoqués par la réalisation de tunnels peu profonds en sol meuble.

Deux approches sont développées dans cette optique :

- la première, expérimentale, vise à acquérir un ensemble d'observations et de mesures de qualité, susceptibles de constituer une base d'évaluation critique des différentes approches de calcul;

- la seconde vise à mettre au point et évaluer les performances de procédures de modélisation des effets du creusement, à différents niveaux de complexité.

L'approche expérimentale repose pour l'essentiel sur l'expérimentation in situ, seule susceptible de fournir des données de référence. Ces expérimentations sont cependant utilement complétées, pour l'étude de points particuliers, par des essais sur modèle réduit, centrifugé ou non.

L'ouvrage de référence retenu est un tunnel du métro de Lyon qui a fait l'objet d'une expérimentation spécifique. Le tunnel s'inscrivant sous un bâti ancien avec une couverture très faible, a été réalisé à l'aide d'un tunnelier à pression de boue. Il pénètre dans des horizons limoneux de caractéristiques médiocres. La figure 1 présente à titre d'exemple l'une des trois sections de mesure ayant fait l'objet d'un équipement très complet (mouvements verticaux et horizontaux, pression interstitielle, tassement de surface...). L'ensemble des mesures a été enregistré en continu, en liaison avec les paramètres de pilotage du tunnelier.

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Ce suivi des mesures in situ a permis de décrire finement les phénomènes engendrés par les étapes successives du creusement. La figure 2 montre l'évolution des mouvements à la verticale du tunnelier. Le front apparaît bien maintenu par la pression de boue, les tassements n'apparaissant que lors du passage du tunnelier. On note finalement les sollicitations complexes liées aux phases d'injection du vide annulaire à l'arrière de la machine, avec des cycles de soulèvement et tassement précédant la consolidation finale.

# Modélisation numérique du creusement

L'objectif est de mettre au point et qualifier des procédures de simulation à divers niveaux de complexité, en vue de dégager les approches appropriées aux divers aspects et niveaux de conception envisagés lors des étapes successive d'un projet de tunnel. De telles procédures reposent sur les éléments clés suivants :

- un logiciel de calcul : le groupe de travail utilise divers logiciels (commerciaux ou universitaires) de type éléments finis, ou différences finies, qui ont été confrontés et qualifiés dans une première étape sur un exemple type;

- un modèle de sol : les chemins de contrainte rencontrés dans le massif lors du creusement sont très variés et nécessitent un modèle de sol adapté. Partant du modèle simple élasto-plastique de type Mohr Coulomb a priori limité, l'apport et les limites de modèles plus complets (Camclay, Vermeer, CJS, Modsol, etc.) sont examinés;

- une méthodologie d'identification des paramètres du modèle de sol : pour l'ouvrage de référence, un ensemble complet d'essais de sol, en laboratoire et in situ, a été effectué et analysé. Chaque équipe peut ainsi tester les apports de chacun de ces essais à la procédure de calage des modèles de sol qu'elle utilise;

- une procédure de modélisation du déconfinement : le déconfinement du sol provoqué par la construction d'un tunnel résulte d'une suite de sollicitations complexes, de caractère tridimensionnel. Toutefois, l'état final des déformations est sensiblement plan, justifiant l'utilisation de modèles bidimensionnels. Diverses approches visant à simuler en 2D cette succession d'événements 3D sont en cours d'élaboration et seront confrontés aux résultats expérimentaux ainsi qu'à des simulations 3D.

A titre d'exemple, on présente les résultats de simulations effectuées à l'aide du logiciel CESAR-LCPC avec les modèles de Mohr Coulomb et CJS. Le creusement y est simulé suivant l'approche dite convergence-confinement.

Le calcul bidimensionnel nécessite l'estimation a priori du taux de déconfinement correspondant au processus global de construction; il est ici déterminé par calage sur quelques mesures effectuées au départ du chantier. L'examen des cuvettes de tassement mesurées et calculées montre l'apport d'un modèle de sol susceptible de décrire les divers chemins de contrainte rencontrées (CJS) par rapport au modèle Mohr Coulomb. On montre également, dans certaines configurations, la nécessité de simuler par reconfinement les étapes d'injection sous pression de coulis de remplissage à l'arrière du tunnelier.