Construction de tunnel

L'introduction à la construction de tunnels implique de comprendre le but, l'histoire et les bases de la construction de tunnels.

Un tunnel est un passage souterrain creusé dans le sol, la roche ou les deux. Les tunnels sont utilisés pour le transport, l'adduction d'eau, les égouts et les conduites de services publics. Ils ont une longue histoire d'utilisation, remontant aux civilisations anciennes, et sont devenus de plus en plus importants dans la société moderne pour le développement des transports et des infrastructures.

Les bases de la construction d'un tunnel impliquent une série d'étapes qui comprennent l'arpentage et l'étude du site, la conception du tunnel, l'excavation et la construction, et les travaux de finition finaux. Ces étapes doivent être soigneusement planifiées et exécutées pour assurer la sécurité et la durabilité du tunnel, ainsi que pour minimiser l'impact sur le milieu environnant.

La construction de tunnels implique également l'utilisation d'équipements et de techniques spécialisés, tels que des tunneliers, des explosifs et des systèmes de support, qui nécessitent des travailleurs et des ingénieurs qualifiés. Le processus de construction doit également tenir compte des dangers potentiels tels que les eaux souterraines, l'instabilité du sol et le risque d'effondrement.

Dans l'ensemble, la construction d'un tunnel est un processus complexe et exigeant qui nécessite une planification, une exécution et une surveillance minutieuses pour assurer la réussite du projet.

But et types de tunnels

Les tunnels sont des passages souterrains construits à travers une variété de matériaux de roche ou de sol. Le but des tunnels varie et ils peuvent être utilisés pour le transport, l'approvisionnement en eau, les égouts, l'énergie hydroélectrique, l'exploitation minière et à d'autres fins.

Les tunnels peuvent être classés dans les catégories suivantes en fonction de leur objectif :

1. Tunnels de transport : ces tunnels sont construits pour la circulation automobile, le transport ferroviaire et les piétons. Les exemples incluent les tunnels routiers, les tunnels ferroviaires et les passerelles piétonnes.
2. Tunnels utilitaires : ces tunnels sont utilisés pour transporter des tuyaux, des câbles et d'autres services utilitaires, tels que l'eau, le gaz, l'électricité et les télécommunications.
3. Tunnels miniers : Ces tunnels sont construits dans les exploitations minières pour l'extraction de minéraux et minerais.
4. Tunnels hydroélectriques : Ces tunnels sont utilisés pour acheminer l'eau vers les centrales hydroélectriques, où la force de l'eau est utilisée pour produire de l'électricité.
5. Tunnels d'égouts : ces tunnels sont utilisés pour transporter les eaux usées d'un endroit à un autre, généralement d'une station d'épuration à un point de rejet.

Le type de tunnel choisi pour un projet spécifique dépendra de sa destination, ainsi que des conditions géologiques et environnementales du site.

Contexte historique de la construction de tunnels

L'histoire de la construction de tunnels remonte à des milliers d'années, avec les premiers exemples de tunnels utilisés à des fins d'irrigation, d'exploitation minière et de transport. Les anciens Grecs et Romains étaient connus pour leur ingénierie des tunnels, avec des tunnels utilisés pour les aqueducs, les systèmes d'égouts et les transports. Au Moyen Âge, des tunnels ont été construits à des fins défensives, telles que des voies d'évacuation secrètes ou pour mener des attaques surprises contre des forteresses ennemies.

À l'ère moderne, la construction de tunnels a considérablement progressé avec l'introduction des techniques de forage et de dynamitage dans les années 1800. Le développement du tunnelier (TBM) au milieu des années 1900 a encore révolutionné la construction de tunnels en permettant une excavation plus rapide et plus efficace. Aujourd'hui, les tunnels sont construits pour un large éventail d'usages, y compris le transport (comme les routes, les chemins de fer et les métros), le transport de l'eau, l'exploitation minière et le stockage.

Enquête sur le site et considérations géologiques

L'étude du site et les considérations géologiques sont des aspects critiques des projets de construction de tunnels. Une étude approfondie du site est nécessaire pour déterminer les conditions géologiques et géotechniques à l'emplacement du tunnel proposé, ainsi que pour identifier tout risque géologique potentiel susceptible d'affecter la construction et l'exploitation du tunnel. Les conditions géologiques du site peuvent avoir un impact significatif sur la conception du tunnel, les méthodes de construction et le coût global du projet.

L'étude du site implique généralement une combinaison de cartographie géologique, de levés géophysiques et de forage pour obtenir des échantillons de sol et de roche pour les tests en laboratoire. La cartographie géologique implique l'étude des formations rocheuses de surface et de leurs caractéristiques, notamment leur orientation, leur résistance et leur perméabilité. Les levés géophysiques utilisent des techniques non invasives pour étudier les formations rocheuses souterraines et détecter toute anomalie pouvant indiquer la présence de risques géologiques tels que défauts, les fractures et les eaux souterraines. Le forage fournit une compréhension plus détaillée des conditions du sous-sol en obtenant des échantillons de sol et de roche pour des tests en laboratoire.

Les considérations géologiques lors de la construction du tunnel comprennent le type et la résistance de la roche ou du sol à travers lequel le tunnel est creusé, la présence d'eau souterraine et ses caractéristiques d'écoulement, la possibilité d'activité sismique et le potentiel de risques géologiques tels que glissements de terrain et chutes de pierres. Les conditions géologiques peuvent également influer sur le choix de la méthode de creusement, comme l'utilisation d'un tunnelier par rapport aux méthodes de forage et de dynamitage.

Dans l'ensemble, une étude approfondie du site et une compréhension des conditions géologiques à l'emplacement du tunnel sont essentielles pour la construction sûre et réussie d'un tunnel.

Importance de l'étude du site

L'étude du site est un aspect important de la construction d'un tunnel car elle aide à identifier les risques géologiques potentiels et d'autres facteurs susceptibles d'affecter le processus de construction. Une étude approfondie du site peut aider à déterminer les caractéristiques du sol et de la roche, la présence d'eau souterraine et le potentiel d'activité sismique. Ces informations peuvent être utilisées pour développer une conception appropriée pour le tunnel, ainsi que pour identifier les risques ou défis potentiels qui pourraient devoir être traités pendant le processus de construction. De plus, une enquête sur le site peut aider à identifier les impacts environnementaux ou sociaux potentiels du projet, qui peuvent être traités par des mesures d'atténuation appropriées. Dans l'ensemble, une étude de site est une étape critique dans le processus de construction d'un tunnel, car elle fournit des informations importantes pour la conception et la construction d'un tunnel sûr et efficace.

Méthodes d'investigation de site

Il existe plusieurs méthodes qui peuvent être utilisées pour l'étude de site pour la construction de tunnels. Certaines des méthodes courantes sont :

1. Bureau d'étude: Une étude documentaire implique une revue de la littérature existante, cartes géologiques, et rapports, et toute autre information pertinente sur le site.
2. Levé géophysique: Cela implique l'utilisation de diverses techniques géophysiques pour obtenir des informations sur le sous-sol, telles que les levés sismiques, le géoradar, les levés de résistivité et les levés électromagnétiques.
3. Forages: Des trous de forage sont forés dans le sol pour obtenir des échantillons de sol et de roche pour des tests en laboratoire. Ils peuvent également être utilisés pour obtenir des mesures in situ de la pression et de la perméabilité des eaux souterraines.
4. Fosses d'essai: Les fosses d'essai sont des excavations faites pour fournir une inspection visuelle du sous-sol et peuvent être utilisées pour obtenir des échantillons de sol pour des tests en laboratoire.
5. Cartographie de terrain: La cartographie sur le terrain implique la cartographie de la géologie de surface, des structures géologiques et de toutes les caractéristiques de surface qui pourraient affecter la construction du tunnel.
6. Instrumentation: Différents instruments peuvent être installés pour mesurer les performances du sol lors de la construction du tunnel. Ces instruments peuvent comprendre des inclinomètres, des piézomètres et des jauges de contrainte.

Les méthodes utilisées pour l'étude du site dépendront des conditions spécifiques du site et des exigences du projet.

Facteurs géologiques affectant la construction de tunnels

Les facteurs géologiques jouent un rôle important dans la faisabilité et la conception d'un projet de construction de tunnel. Certains des facteurs géologiques importants qui affectent la construction de tunnels comprennent :

1. Type de roche ou de sol: Le type de roche ou de sol à travers lequel un tunnel est construit aura un impact significatif sur sa conception, sa stabilité et sa méthode de construction.
2. Qualité de la masse rocheuse: La qualité de la masse rocheuse, y compris sa résistance, sa stabilité et ses caractéristiques de déformation, peut affecter la conception du tunnel, la méthode d'excavation et les exigences de soutènement.
3. Ouvrages géologiques: Structures géologiques telles que failles, joints, plans de stratification et plis peut affecter de manière significative la conception du tunnel, la méthode d'excavation et les exigences de support.
4. Les eaux souterraines: La présence et l'écoulement des eaux souterraines peuvent affecter la construction du tunnel en augmentant le risque d'infiltration d'eau et en provoquant une instabilité de la roche ou du sol environnant.
5. Sismicité: Les tunnels construits dans des régions sismiquement actives doivent être conçus pour résister aux contraintes et aux déformations causées par tremblements de terre.
6. Stabilité des pentes: La stabilité des pentes et des coteaux environnants peut avoir un impact sur la construction et la sécurité des tunnels.
7. Les considérations environnementales: Les tunnels construits dans des zones écologiquement sensibles doivent être conçus pour minimiser leur impact sur l'écosystème environnant.

Dans l'ensemble, une étude détaillée du site est cruciale pour comprendre les facteurs géologiques qui peuvent avoir un impact sur la construction du tunnel et développer une conception de tunnel et un plan de construction appropriés.

Systèmes de classification des masses rocheuses

Les systèmes de classification des masses rocheuses sont utilisés pour évaluer la qualité des masses rocheuses et évaluer leur aptitude à la construction de tunnels. Ces systèmes prennent en compte une variété de facteurs, y compris la résistance de la roche, les discontinuités, l'espacement des joints, érosion, et les conditions des eaux souterraines.

Un système de classification des masses rocheuses couramment utilisé est le système Rock Mass Rating (RMR), qui a été développé par Bieniawski en 1973. RMR attribue des valeurs numériques à différents paramètres tels que la résistance à la compression uniaxiale, l'espacement des discontinuités et les conditions des eaux souterraines. Les valeurs sont ensuite combinées pour donner une note globale pour la masse rocheuse, qui peut être utilisée pour prédire la difficulté de creuser un tunnel à travers la roche.

Un autre système de classification des masses rocheuses couramment utilisé est le système Q, qui a été développé par Barton et al. en 1974. Le système Q utilise des paramètres similaires au système RMR, mais met davantage l'accent sur l'orientation et la persistance des discontinuités.

D'autres systèmes de classification des masses rocheuses comprennent le système Geological Strength Index (GSI), qui a été développé par Hoek en 1994, et le système Tunneling Quality Index (TQI), qui a été développé par Grimstad et Barton en 1993.

Conception de tunnels

La conception d'un tunnel est le processus de détermination des moyens les plus efficaces et les plus efficients d'excavation d'un tunnel en fonction des conditions géologiques et de l'utilisation prévue du tunnel. Le processus de conception comprend généralement les étapes suivantes :

1. Établir le but du tunnel: L'objectif du tunnel doit être clairement défini afin de déterminer la taille, la forme et l'alignement appropriés du tunnel.
2. Recherche géologique et géotechnique: Cette étape consiste à collecter des données sur les caractéristiques géologiques et géotechniques du site, telles que le type de roche, sa résistance et sa stabilité, l'état des eaux souterraines et la présence de failles ou d'autres caractéristiques géologiques susceptibles d'avoir un impact sur la conception et la construction du tunnel.
3. Alignement des tunnels: Le tracé du tunnel est basé sur des facteurs tels que l'utilisation prévue du tunnel, les conditions géologiques et topographiques du site et toute considération environnementale. Les facteurs qui influencent l'alignement d'un tunnel comprennent la présence de failles ou d'autres caractéristiques géologiques, l'emplacement des structures de surface et la nécessité de minimiser les impacts environnementaux.
4. Section du tunnel: La section transversale du tunnel est déterminée par l'objectif du tunnel, le trafic prévu ou d'autres charges, et les conditions géologiques. La section transversale peut être circulaire, elliptique, en forme de fer à cheval ou d'autres formes selon les conditions du site.
5. Système de support: Le système de soutènement est conçu pour stabiliser le tunnel pendant et après l'excavation. Le système de support peut comprendre des boulons d'ancrage, du béton projeté, des nervures en acier et/ou un revêtement en béton.
6. Ventilation et drainage: Les systèmes de ventilation et de drainage sont conçus pour assurer un fonctionnement sûr et efficace du tunnel. Les systèmes de ventilation sont utilisés pour éliminer les gaz d'échappement et fournir de l'air frais aux travailleurs et aux passagers, tandis que les systèmes de drainage sont utilisés pour évacuer l'eau du tunnel et prévenir les inondations.
7. Méthodes constructives: Diverses méthodes de construction peuvent être utilisées pour l'excavation de tunnels, y compris le forage et le dynamitage, les tunneliers (TBM) et les méthodes d'excavation séquentielle (SEM). Le choix de la méthode de construction appropriée dépend des conditions géologiques, de l'utilisation prévue du tunnel et de l'équipement et des ressources disponibles.
8. Estimation du coût: La dernière étape du processus de conception du tunnel consiste à estimer le coût de la construction en fonction des spécifications de conception, de la méthode de construction choisie et des conditions prévues du site.

Dans l'ensemble, la conception de tunnels est un processus complexe qui nécessite l'expertise de géologues, d'ingénieurs et d'autres spécialistes pour assurer une construction sûre et efficace de tunnels répondant à l'objectif visé.

Paramètres de conception et considérations

La conception d'un tunnel dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment :

1. But du tunnel: La conception du tunnel dépendra de son utilisation prévue. Par exemple, un tunnel routier aura des exigences de conception différentes de celles d'un tunnel utilisé pour le transport par eau.
2. Conditions du site: La géologie et la topographie du site influenceront la conception du tunnel. Des facteurs tels que la résistance de la roche, l'apport d'eau et les exigences de soutènement du sol devront tous être pris en compte.
3. Dimensions des tunnels: Le diamètre du tunnel, sa longueur et son alignement devront tous être déterminés en fonction des conditions du site et de l'objectif du tunnel.
4. Méthode d'excavation: La méthode utilisée pour creuser le tunnel influencera également la conception. Les méthodes telles que le forage et le dynamitage, les tunneliers (TBM) et la tranchée couverte auront des exigences différentes.
5. Arivée d'air : La conception du tunnel devra inclure des dispositions pour la ventilation afin d'assurer la sécurité des travailleurs et des usagers du tunnel.
6. Drainage: La conception du tunnel devra également inclure des dispositions pour le drainage afin de gérer l'afflux d'eau souterraine et de prévenir les inondations.
7. Protection contre l'incendie: Des mesures de protection incendie devront être intégrées à la conception du tunnel pour assurer la sécurité des usagers.
8. Systèmes de circulation et de sécurité: Les systèmes de circulation et de sécurité tels que l'éclairage, la signalisation et les téléphones d'urgence devront également être inclus dans la conception.
9. Les considérations environnementales: La conception du tunnel devra tenir compte de l'impact potentiel de la construction et de l'exploitation sur l'environnement et prendre des mesures pour minimiser ces impacts.

Types de revêtements de tunnel et systèmes de soutènement

Il existe plusieurs types de revêtements de tunnel et de systèmes de support utilisés dans la construction de tunnels, et le choix de celui à utiliser dépend de divers facteurs, notamment les conditions géologiques, l'objectif du tunnel, la méthode de construction et le budget. Certains des types les plus courants de revêtements de tunnel et de systèmes de support comprennent :

1. Revêtement en béton projeté : il s'agit d'une couche de béton pulvérisée sur la roche ou le sol pour fournir un support et empêcher l'effondrement. Il est souvent utilisé dans les tunnels de sol meuble et peut être appliqué rapidement.
2. Support de nervure en acier : des nervures en acier sont utilisées pour soutenir les parois et le toit du tunnel. Les nervures en acier peuvent être préfabriquées et installées rapidement, ce qui en fait un choix populaire dans les tunnels en roche dure.
3. Revêtement en béton coulé sur place : il s'agit de couler du béton dans la cavité du tunnel pour former un revêtement permanent. Il est souvent utilisé dans les grands tunnels avec des volumes de trafic élevés.
4. Tunneliers (TBM) : les tunneliers peuvent être utilisés pour creuser des tunnels et fournir un support en même temps. Au fur et à mesure que le tunnelier avance, des voussoirs en béton sont installés derrière lui pour former un revêtement.
5. Gel du sol : Cette méthode consiste à geler le sol environnant pour former un système de support temporaire. Il est souvent utilisé dans les tunnels qui traversent un sol ou une roche aquifère.
6. Boulons d'ancrage et treillis : Cette méthode consiste à percer des trous dans la roche et à installer des boulons en acier pour fournir un support. Le treillis métallique est également utilisé pour aider à stabiliser la roche et empêcher les débris de tomber dans le tunnel.
7. Béton projeté renforcé de fibres : similaire au revêtement en béton projeté, mais avec l'ajout d'un renforcement en fibres pour augmenter la résistance et la durabilité.

Le choix du revêtement et du système de soutènement est souvent un compromis entre le coût, la rapidité de construction et les conditions géologiques spécifiques rencontrées lors de l'excavation.

Systèmes de drainage des tunnels

Les systèmes de drainage des tunnels sont essentiels pour éliminer l'eau qui peut pénétrer dans le tunnel pendant la construction et l'exploitation. Il existe différents types de systèmes de drainage de tunnel, notamment :

1. Puits d'assèchement: Ceux-ci sont installés à proximité du tunnel pour intercepter et collecter les eaux souterraines avant qu'elles n'entrent dans le tunnel. Les puits d'assèchement peuvent être permanents ou temporaires.
2. Galeries de drainage: Ce sont des systèmes de drainage intégrés au revêtement du tunnel qui collectent l'eau et la canalisent vers un puisard ou une station de pompage.
3. Puisards: Ce sont des chambres construites aux points bas du tunnel où l'eau peut s'accumuler et être pompée.
4. Pompes: Des pompes permettent d'évacuer l'eau des puisards du tunnel et des galeries de drainage et de la rejeter en surface ou vers une station d'épuration.

Le type de système de drainage utilisé dépend de la géologie et de l'hydrologie de la zone, ainsi que de la méthode de construction et de l'alignement du tunnel. Une conception et une installation appropriées des systèmes de drainage du tunnel sont importantes pour assurer la sécurité et la durabilité à long terme du tunnel.

Aération et éclairage

La ventilation et l'éclairage sont des aspects importants de la construction d'un tunnel pour assurer la sécurité, maintenir une bonne qualité de l'air et offrir une visibilité aux travailleurs et aux utilisateurs. Les systèmes de ventilation sont conçus pour fournir un flux constant d'air frais dans le tunnel tout en éliminant l'air vicié, la poussière et les gaz nocifs. Le système de ventilation est généralement composé d'un réseau de conduits de ventilation, de ventilateurs et de systèmes de surveillance de la qualité de l'air.

L'éclairage est également un aspect essentiel de la construction des tunnels, notamment pour la sécurité et la visibilité. Les systèmes d'éclairage sont généralement conçus pour fournir un éclairage adéquat aux conducteurs, aux piétons et aux travailleurs dans le tunnel. Le système d'éclairage peut être composé de différents types de lampes, telles que des lampes fluorescentes, à LED et à incandescence, en fonction des exigences et des conditions spécifiques du tunnel. La conception du système d'éclairage doit également tenir compte de l'efficacité énergétique et de l'impact environnemental.

Méthodes d'excavation et de construction des tunnels

Les méthodes d'excavation et de construction des tunnels varient en fonction des conditions géologiques, de la longueur et du diamètre du tunnel et d'autres facteurs. Voici quelques-unes des méthodes d'excavation et de construction de tunnels les plus courantes :

1. Méthode de forage et de dynamitage: Cette méthode consiste à forer des trous de forage dans la paroi rocheuse, puis à dynamiter la roche à l'aide d'explosifs. Les débris qui en résultent sont enlevés par l'équipement de chargement et de transport.
2. Méthode du tunnelier (TBM): Cette méthode utilise une machine qui creuse le tunnel tout en installant simultanément le revêtement du tunnel. Les tunneliers peuvent être utilisés pour les tunnels en roche dure et en sol mou.
3. Nouvelle méthode autrichienne de tunnelage (NATM): Cette méthode consiste à creuser le tunnel par petites sections, puis à soutenir la section excavée avec un revêtement temporaire, tel que du béton projeté ou des boulons d'ancrage, avant de passer à la section suivante.
4. Méthode de coupe et de couverture: Cette méthode est utilisée pour les tunnels peu profonds et implique l'excavation d'une tranchée, la construction du tunnel, puis le remblayage de la tranchée.
5. Méthode d'excavation séquentielle (SEM): Cette méthode consiste à creuser le tunnel par petites sections, en utilisant des mesures de soutènement et de renforcement pour contrôler la déformation et stabiliser le tunnel.
6. Bouclier tunnel: Cette méthode utilise un bouclier ou un équipement spécialisé similaire pour creuser et soutenir le tunnel en même temps.

Le choix de la méthode d'excavation dépend de divers facteurs tels que la longueur du tunnel, le diamètre, la géologie, les conditions des eaux souterraines, les ressources disponibles et les considérations environnementales.

Méthode de forage et de dynamitage

La méthode de forage et de dynamitage est une technique traditionnelle utilisée pour l'excavation de tunnels et consiste à percer des trous dans la roche ou le sol, à remplir les trous avec des explosifs, puis à faire exploser les explosifs pour fragmenter la roche ou le sol. La roche ou le sol fragmenté est ensuite enlevé à l'aide de machines ou de travail manuel.

Dans la méthode de forage et de dynamitage, une série de trous sont percés dans la roche ou la face du sol à l'aide d'équipements spécialisés tels que des marteaux perforateurs ou des tunneliers. Les trous sont généralement espacés à intervalles réguliers et disposés selon un motif conçu pour obtenir le profil d'excavation souhaité. Une fois les trous percés, ils sont chargés d'explosifs, qui sont ensuite déclenchés à l'aide d'une gâchette à distance.

Après l'explosion, la roche ou le sol fragmenté est enlevé à l'aide d'excavatrices ou de chargeuses, et le tunnel est stabilisé à l'aide d'un système de soutènement. Le système de support peut comprendre des boulons d'ancrage, des arcs en acier ou des revêtements en béton, selon la nature de la roche ou du sol et les exigences du projet.

La méthode de forage et de dynamitage peut être très efficace pour creuser des tunnels dans la roche dure, mais elle peut également être longue et coûteuse, en particulier dans les zones densément peuplées où le bruit et les vibrations du dynamitage peuvent être un problème.

Méthode du tunnelier (TBM)

La méthode Tunnel Boring Machine (TBM) est une technique populaire utilisée pour creuser des tunnels dans une variété de conditions géologiques. Un tunnelier est une grande machine cylindrique qui peut creuser à travers différents types de sol et de roche en utilisant une tête de coupe rotative avec des fraises à disque, qui peut creuser la face du tunnel tout en installant simultanément le revêtement du tunnel.

La méthode TBM est généralement préférée pour les tunnels longs et droits, car elle demande moins de main-d'œuvre et peut fonctionner à un rythme beaucoup plus rapide que les autres méthodes de tunnel. La méthode TBM est également préférée dans les zones urbaines où il est nécessaire de minimiser l'impact sur la communauté environnante, car elle produit moins de bruit, de vibrations et de poussière que les autres méthodes.

La méthode TBM implique généralement les étapes suivantes :

1. Creusement du puits de lancement: Une grande fosse est creusée au point de départ du tunnel où le tunnelier sera assemblé.
2. Assemblage et lancement du tunnelier: Le tunnelier est assemblé en fond de puits de lancement puis lancé dans l'alignement du tunnel.
3. Excavation au tunnelier: Le tunnelier creuse le sol ou la roche devant lui tout en installant simultanément des segments de béton préfabriqués ou d'autres matériaux de revêtement de tunnel.
4. Enlèvement de boue: Le matériau excavé, ou « fumier », est transporté hors du tunnel à l'aide d'un tapis roulant ou d'un pipeline à lisier.
5. Pose de revêtement de tunnel: Une fois que le tunnelier a creusé une certaine longueur du tunnel, les voussoirs en béton préfabriqué ou autres matériaux de revêtement du tunnel sont installés derrière le tunnelier.
6. Récupération du tunnelier: Lorsque le tunnelier arrive en bout de tunnel, il est démonté et récupéré du tunnel par le même puits de lancement.

Méthode de coupe et de couverture

La méthode en tranchée couverte est une technique utilisée pour la construction de tunnels peu profonds ou d'ouvrages souterrains. Dans cette méthode, une tranchée est creusée dans le sol et la structure est construite à l'intérieur. La tranchée est ensuite recouverte de matériaux excavés ou d'une dalle de béton préfabriquée.

Cette méthode convient à la construction de tunnels dans les zones urbaines ou les zones où le trafic de surface est un problème. C'est également une technique efficace pour la construction de gares souterraines, de passerelles piétonnes et de tunnels d'évacuation des eaux pluviales. Cependant, la méthode présente certaines limites, telles que le coût élevé de la construction, la perturbation du trafic de surface pendant l'excavation et les limites de la profondeur d'excavation.

Nouvelle méthode autrichienne de tunnelage (NATM)

La nouvelle méthode autrichienne de construction de tunnels (NATM) est une méthode de construction de tunnels qui a été développée dans les années 1960 en Autriche. Elle est également connue sous le nom de méthode d'excavation séquentielle (MEB). Le NATM consiste à creuser le tunnel en petites sections ou « galeries », généralement d'environ 3 à 4 mètres de long, puis à renforcer immédiatement la section excavée avec une couche de béton projeté et des boulons d'ancrage ou des nervures en acier. La roche ou le sol environnant fournit un support supplémentaire. Cette méthode permet une souplesse d'adaptation aux conditions géologiques rencontrées lors de l'excavation et est particulièrement adaptée aux terrains meubles ou instables. Le NATM présente également l'avantage d'être relativement rapide et économique, puisqu'il ne nécessite pas l'utilisation intensive de machinerie lourde. Cependant, cela nécessite un haut niveau de compétence et d'expertise de la part de l'équipe de construction pour être efficace.

Systèmes de soutènement des tunnels

Les systèmes de soutènement du tunnel sont utilisés pour stabiliser le sol et empêcher l'effondrement lors de l'excavation du tunnel. Le choix du système de soutènement dépend de divers facteurs, notamment la géologie du sol, le type de tunnel en cours de construction et la méthode d'excavation utilisée. Certains types courants de systèmes de support de tunnel comprennent :

1. Boulons d'ancrage : Ce sont de longues tiges d'acier qui sont insérées dans des trous de forage et cimentées en place. Ils assurent le renforcement et la stabilisation du massif rocheux en transférant les charges entre les blocs rocheux.
2. Béton projeté : Il s'agit d'un mélange de béton pulvérisé qui est appliqué sur la surface rocheuse exposée pour former une coque mince, qui agit comme un support temporaire jusqu'à ce que le revêtement final soit construit.
3. Arcs en acier : ce sont des arcs en acier préfabriqués ou fabriqués sur mesure qui sont utilisés pour soutenir le toit et les murs du tunnel.
4. Béton armé : Il s'agit d'un matériau de revêtement courant pour les tunnels. Le béton armé est coulé sur place ou préfabriqué hors site puis installé dans le tunnel.
5. Nervures et calorifuges en acier : il s'agit d'une méthode de support de tunnel dans laquelle des nervures en acier sont installées, puis un calorifugeage en bois est placé entre elles. Le revêtement aide à maintenir le sol en place jusqu'à ce que le revêtement final soit construit.
6. Congélation du sol : Il s'agit d'une méthode de support utilisée dans des conditions de sol meuble où le sol est gelé à l'aide d'azote liquide ou d'autres réfrigérants. Cela crée un mur de glace autour du tunnel, qui fournit un support temporaire jusqu'à ce que le revêtement final soit installé.

Le choix du système de soutènement dépend des conditions géologiques, de la méthode d'excavation et de la conception du tunnel. Le système de soutènement doit fournir un support temporaire pendant l'excavation et la construction, ainsi qu'un support à long terme pour maintenir la stabilité du tunnel tout au long de sa vie.

Boulonnage et béton projeté

Le boulonnage et le béton projeté sont deux techniques couramment utilisées pour le soutènement des tunnels dans la construction souterraine.

Le boulonnage de roche consiste à percer des trous dans la paroi rocheuse et à insérer des boulons en acier dans les trous, qui sont ensuite cimentés en place. Les boulons aident à soutenir la roche et l'empêchent de s'effondrer.

Le béton projeté, quant à lui, consiste à pulvériser une couche de béton sur la paroi rocheuse à l'aide d'un tuyau à haute pression. Le béton offre un soutien supplémentaire et aide à prévenir les chutes de pierres.

Les deux techniques peuvent être utilisées en conjonction avec d'autres systèmes de support, tels que des nervures ou des treillis en acier, pour fournir un renforcement supplémentaire aux parois et au toit du tunnel. Le système de soutènement spécifique utilisé dépendra de la géologie du tunnel et des exigences de conception.

Arcs et nervures en acier

Les arcs et les nervures en acier sont couramment utilisés dans la construction de tunnels pour fournir un support supplémentaire au revêtement du tunnel. Ils sont généralement faits d'acier ou d'une combinaison d'acier et de béton et sont installés le long des parois du tunnel pour fournir une résistance et une stabilité supplémentaires à la masse rocheuse.

Les arcs en acier sont généralement utilisés pour les tunnels peu profonds d'une portée inférieure à 10 mètres, tandis que les nervures en acier sont utilisées pour les tunnels plus grands d'une portée supérieure à 10 mètres. Les arcs ou nervures en acier sont généralement installés selon un schéma prédéterminé et sont maintenus en place à l'aide de boulons d'ancrage, qui sont de longues tiges d'acier ancrées dans la roche entourant le tunnel.

L'utilisation d'arcs et de nervures en acier est particulièrement utile dans les formations rocheuses instables, où la masse rocheuse a tendance à se déformer ou à s'effondrer. Les arcs ou les nervures peuvent aider à redistribuer la charge et fournir un soutien supplémentaire au revêtement du tunnel, ce qui contribue à assurer la stabilité et la sécurité du tunnel.

Revêtements en béton armé

Les revêtements en béton armé sont couramment utilisés pour la construction de tunnels car ils fournissent un support structurel durable et solide. Les revêtements en béton armé sont généralement utilisés dans les tunnels de grand diamètre et avec des exigences de stabilité plus élevées. Le revêtement offre une résistance aux charges externes, supporte la charge du sol sus-jacent et protège le tunnel des infiltrations d'eau et de la corrosion.

Le processus de construction d'un revêtement en béton armé comprend les étapes suivantes :

1. Coffrage de montage : Le coffrage, qui est une structure temporaire, est érigé à la forme et à la taille de la section transversale du tunnel.
2. Mise en place de l'acier d'armature : l'acier d'armature est placé à l'intérieur du coffrage conformément aux exigences de conception.
3. Coulage du béton : Une fois l'acier d'armature en place, le béton est coulé dans le coffrage. La conception du mélange de béton est généralement conçue pour obtenir une résistance et une durabilité élevées.
4. Durcissement : Une fois le béton coulé, il doit être durci pendant une période de temps spécifique pour atteindre sa résistance de conception. Le durcissement peut se faire par voie humide ou en appliquant des produits de cure sur la surface du béton.
5. Décoffrage du coffrage : Une fois que le béton a atteint une résistance suffisante, le coffrage est retiré, révélant le revêtement en béton durci.

Les revêtements en béton armé peuvent être conçus dans différentes formes et tailles en fonction de l'alignement du tunnel et des conditions géologiques. Dans certains cas, des segments de béton préfabriqués sont utilisés, qui sont fabriqués hors site et assemblés à l'intérieur du tunnel à l'aide d'équipements spécialisés.

Défis et solutions de construction de tunnels

La construction d'un tunnel peut présenter de nombreux défis qui doivent être relevés pour assurer la réussite du projet. Certains des défis courants dans la construction de tunnels incluent :

1. Conditions géotechniques : les conditions géologiques du site peuvent affecter considérablement le processus de construction, ce qui rend plus difficile l'excavation du tunnel. Par exemple, les tunnels construits à travers des formations rocheuses dures sont plus faciles à creuser que ceux construits à travers un sol meuble.
2. Eaux souterraines : les eaux souterraines peuvent poser un problème lors de la construction d'un tunnel, car elles peuvent affaiblir les systèmes de support du tunnel et provoquer une instabilité. Des systèmes de drainage et d'assèchement adéquats doivent être installés pour éviter les inondations et les dommages au tunnel.
3. Ventilation : La ventilation est cruciale dans la construction d'un tunnel pour fournir de l'air frais et éliminer la poussière, les fumées et les gaz qui peuvent s'accumuler dans le tunnel. Une ventilation adéquate est nécessaire pour la sécurité des travailleurs et le fonctionnement efficace de l'équipement.
4. Espace limité : L'espace limité dans le tunnel peut rendre difficile la manœuvre d'équipements et de matériaux lourds, ce qui peut ralentir le processus de construction. Des solutions innovantes, telles que des équipements télécommandés et des systèmes robotiques, peuvent aider à atténuer ce défi.
5. Sécurité : La construction de tunnels peut être dangereuse en raison des risques d'effondrement, de chutes de pierres, d'inondations, d'incendies et d'explosions. Des mesures de sécurité strictes doivent être mises en place pour protéger les travailleurs et le public.

Pour relever ces défis, les projets de construction de tunnels nécessitent une planification et une exécution minutieuses. Les technologies modernes telles que la conception assistée par ordinateur, les modèles de simulation et la surveillance en temps réel peuvent faciliter la planification et l'exécution des projets de construction de tunnels. De plus, des professionnels expérimentés des tunnels qui comprennent la géologie et l'ingénierie des tunnels peuvent aider à identifier les défis potentiels et à développer des solutions efficaces.

Apports d'eau et assèchement

Lors de la construction d'un tunnel, l'un des principaux défis est la gestion des entrées d'eau. L'eau peut s'infiltrer dans le tunnel à partir des formations rocheuses environnantes ou des eaux souterraines. Ceci peut conduire à des problèmes tels que les inondations, l'instabilité de l'excavation et l'érosion du revêtement du tunnel.

Pour gérer les arrivées d'eau, un système d'assèchement est souvent mis en place. Cela implique l'installation de pompes et de systèmes de drainage pour évacuer l'eau du tunnel pendant son excavation. Le système d'assèchement peut être conçu pour gérer à la fois les apports d'eau souterraine et d'eau de surface.

Dans certains cas, l'injection peut également être utilisée pour réduire les entrées d'eau en remplissant les vides et les fractures dans la masse rocheuse environnante. De plus, une membrane ou un revêtement imperméable peut être installé pour empêcher l'eau de pénétrer dans le tunnel en premier lieu.

D'autres défis lors de la construction d'un tunnel peuvent inclure la gestion de conditions géologiques difficiles, telles que faute zones ou roches fortement fracturées. Ces défis peuvent être relevés grâce à une étude minutieuse du site, à des méthodes d'excavation appropriées et à des systèmes de soutien efficaces.

Il est important de noter que chaque projet de construction de tunnel est unique et peut présenter son propre ensemble de défis, nécessitant des solutions sur mesure pour les surmonter.

Aléas géologiques et géotechniques

Les risques géologiques et géotechniques sont des défis courants rencontrés lors de la construction de tunnels. Ces risques peuvent inclure des coups de roche, un écrasement du sol, des zones de failles, des apports d'eau élevés, des émissions de gaz et d'autres conditions géologiques et géotechniques défavorables.

Les coups de roche se produisent lorsque les contraintes dans la masse rocheuse dépassent la résistance de la roche, provoquant une rupture soudaine et violente. L'écrasement du sol se produit lorsque la masse rocheuse se déforme sous des pressions de confinement élevées, entraînant la convergence des parois du tunnel. Les zones de faille peuvent être problématiques car elles peuvent contenir des matériaux lâches et faibles, ce qui peut nécessiter des mesures de soutien supplémentaires.

Les apports d'eau élevés peuvent également poser des problèmes lors de la construction du tunnel. Des méthodes d'assèchement peuvent être nécessaires pour contrôler l'entrée d'eau dans le tunnel. Les émissions de gaz, comme le méthane, peuvent également être dangereuses et nécessitent une surveillance attentive.

Les solutions à ces défis comprennent une enquête et une planification minutieuses du site pour identifier les dangers potentiels, l'utilisation de systèmes de support de tunnel appropriés et la mise en œuvre de systèmes d'assèchement et de ventilation efficaces. De plus, l'utilisation de technologies avancées telles que la modélisation 3D et les simulations informatiques peut aider à identifier les dangers potentiels et à optimiser la conception du système de support du tunnel. Une surveillance régulière pendant la construction peut également aider à détecter et à traiter les dangers potentiels avant qu'ils ne deviennent un problème sérieux.

Impacts environnementaux et mesures d'atténuation

La construction d'un tunnel peut avoir toute une gamme d'impacts environnementaux, notamment :

1. Destruction et fragmentation de l'habitat : la construction de tunnels peut entraîner la fragmentation et la perte d'habitat pour une variété de flore et de faune.
2. Érosion et sédimentation des sols : les activités d'excavation et de construction peuvent entraîner l'érosion et la sédimentation des sols, ce qui peut nuire aux écosystèmes aquatiques.
3. Pollution de l'eau : la construction de tunnels peut entraîner le rejet de polluants dans les sources d'eau à proximité, ce qui peut nuire aux organismes aquatiques.
4. Pollution de l'air : la construction de tunnels peut libérer de la poussière, des gaz d'échappement et d'autres polluants dans l'air, ce qui peut nuire à la santé humaine et à l'environnement.
5. Pollution sonore : la construction du tunnel peut générer des niveaux de bruit élevés, ce qui peut déranger les résidents et la faune à proximité.

Pour atténuer ces impacts, une série de mesures peuvent être prises, notamment :

1. Restauration de l'habitat : Des efforts peuvent être faits pour restaurer l'habitat dans les zones qui ont été affectées par la construction du tunnel.
2. Contrôle de l'érosion et des sédiments : Des mesures telles que des clôtures anti-érosion et des bassins de sédimentation peuvent être utilisées pour prévenir l'érosion et la sédimentation des sols.
3. Traitement de l'eau : L'eau peut être traitée avant d'être rejetée pour éliminer les polluants.
4. Contrôle de la pollution de l'air : Des mesures telles que la suppression de la poussière et l'utilisation de véhicules et d'équipements à faibles émissions peuvent être utilisées pour réduire la pollution de l'air.
5. Barrières antibruit et isolation : Les barrières et l'isolation peuvent être utilisées pour réduire la quantité de bruit qui atteint les résidents et la faune à proximité.
6. Surveillance et conformité : une surveillance régulière peut être effectuée pour s'assurer que les normes environnementales sont respectées et que tout problème qui survient peut être résolu rapidement.

Entretien et réhabilitation des tunnels

L'entretien et la réhabilitation des tunnels sont des aspects importants de la gestion des tunnels pour assurer leur exploitation sûre et efficace tout au long de leur durée de vie. Certaines des principales activités impliquées dans l'entretien et la réhabilitation des tunnels sont :

1. Inspection et surveillance de routine : une inspection et une surveillance régulières des structures, des revêtements et des systèmes de soutènement des tunnels sont nécessaires pour détecter tout signe de détérioration ou de dommage.
2. Nettoyage et élimination des débris : le nettoyage régulier du tunnel et l'élimination des débris, des sédiments et d'autres obstructions des systèmes de drainage, des tunnels d'accès et des systèmes de ventilation sont importants pour assurer un fonctionnement en douceur et en toute sécurité.
3. Réparations et entretien : les activités de réparation et d'entretien telles que l'injection, le remplissage des fissures et le remplacement des composants endommagés ou corrodés sont essentielles pour maintenir l'intégrité de la structure du tunnel.
4. Mises à niveau et modernisation : Des mises à niveau et la modernisation des systèmes de tunnel tels que les systèmes d'éclairage, de ventilation et de communication peuvent être nécessaires pour améliorer la sécurité et l'efficacité.
5. Réhabilitation et renforcement : La réhabilitation et le renforcement des structures du tunnel peuvent être nécessaires en raison de la détérioration ou des changements dans l'utilisation du tunnel.
6. Gestion des risques et préparation aux situations d'urgence : La gestion des risques et les plans de préparation aux situations d'urgence sont importants pour assurer la sécurité des usagers du tunnel et minimiser l'impact de tout incident ou accident.

Dans l'ensemble, les activités d'entretien et de réhabilitation des tunnels nécessitent une planification et une exécution minutieuses pour garantir leur efficacité et minimiser les perturbations pour les utilisateurs du tunnel.

Surveillance et maintenance des tunnels

La surveillance et l'entretien des tunnels sont essentiels pour assurer la sécurité et la longévité de la structure du tunnel. Une surveillance régulière peut aider à identifier les signes de détérioration ou de dommages, qui peuvent être traités avant qu'ils ne deviennent des problèmes majeurs. Certaines méthodes courantes de surveillance des tunnels comprennent les inspections visuelles, l'instrumentation et les essais non destructifs.

Les inspections visuelles impliquent une inspection physique du tunnel à la recherche de signes d'usure, tels que des fissures, des fuites et des dommages au revêtement ou aux systèmes de support. L'instrumentation consiste à installer des capteurs pour mesurer divers paramètres tels que la température, l'humidité, la pression de l'eau et le mouvement du sol. Des techniques d'essais non destructifs telles que le géoradar, les essais par ultrasons et l'inspection par particules magnétiques peuvent également être utilisées pour évaluer l'intégrité de la structure du tunnel.

Les activités de maintenance peuvent inclure le nettoyage du tunnel, la réparation des dommages ou des fuites et le remplacement des composants usés ou endommagés tels que l'éclairage, les systèmes de ventilation et les systèmes de support. La réhabilitation peut être nécessaire pour remédier à des dommages ou à une détérioration plus importants et peut impliquer des techniques telles que l'injection, le béton projeté ou l'application d'un nouveau revêtement.

Dans l'ensemble, une surveillance et une maintenance régulières sont essentielles pour garantir la sécurité et la fonctionnalité à long terme des tunnels, et peuvent aider à prévenir des réparations coûteuses ou même des pannes catastrophiques.

Études de cas de projets de construction de tunnels

Il existe de nombreux exemples de projets de construction de tunnels importants dans le monde. En voici quelques-uns notables :

1. Tunnel sous la Manche : également connu sous le nom de "Chunnel", ce tunnel relie le Royaume-Uni et la France sous la Manche. Il mesure 31.4 miles de long, ce qui en fait le plus long tunnel sous-marin du monde. Le tunnel se compose de deux tunnels ferroviaires parallèles et d'un tunnel de service.
2. Tunnel de base du Saint-Gothard : Ce tunnel, situé en Suisse, est actuellement le plus long tunnel ferroviaire du monde, mesurant 35.5 miles de long. C'est un élément clé de la nouvelle liaison ferroviaire à travers les Alpes, qui relie Zurich et Milan.
3. Tunnel de remplacement du viaduc d'Alaskan Way : Ce tunnel, situé à Seattle, dans l'État de Washington, a remplacé une autoroute surélevée vieillissante qui était vulnérable aux tremblements de terre. Le tunnel mesure deux miles de long et transporte la State Route 99 sous le centre-ville de Seattle.
4. Crossrail : Il s'agit d'une nouvelle ligne ferroviaire majeure actuellement en construction à Londres, en Angleterre. Il comprend un tunnel à deux voies de 13 km qui passera sous la ville et reliera 40 stations.
5. Pont Hong Kong-Zhuhai-Macao : Ce projet de pont-tunnel relie les villes de Hong Kong, Zhuhai et Macao en Chine. Il comprend une section de tunnel de 4.2 milles qui passe sous la mer de Chine méridionale.

Ces projets présentaient tous des défis uniques en termes de géologie, de conditions du site et de méthodes de construction. Ce sont de bons exemples de l'importance d'une planification, d'une étude de site et d'une conception minutieuses dans la construction réussie de tunnels.

Leçons tirées des échecs de projets de construction de tunnels

Les leçons tirées des échecs de projets de construction de tunnels peuvent aider les ingénieurs et les professionnels de la construction à éviter des erreurs similaires à l'avenir. Certaines raisons courantes des échecs de la construction de tunnels comprennent une mauvaise enquête sur le site, une conception et une planification inadéquates, des systèmes de support insuffisants et des conditions géologiques ou géotechniques imprévues.

Par exemple, l'effondrement du tunnel en cours de construction pour le projet d'autoroute Big Dig à Boston, Massachusetts, en 2006 était dû à une combinaison de facteurs, notamment une enquête de site inadéquate, une conception défectueuse et de mauvaises pratiques de construction. En conséquence, l'équipe de construction a dû entreprendre d'importants travaux de remédiation pour résoudre les problèmes, ce qui a entraîné des retards importants et des dépassements de coûts.

De même, la construction du projet Crossrail à Londres a été retardée et a fait face à des dépassements de coûts en raison de conditions géologiques et géotechniques inattendues. Le projet a rencontré des conditions de sol difficiles, notamment des couches de sable, de gravier et d'argile, qui ont nécessité des mesures de soutien et de renforcement supplémentaires.

Les leçons tirées de ces incidents peuvent inclure la nécessité d'enquêtes et d'essais rigoureux sur le site, une meilleure communication entre les concepteurs et les équipes de construction, la mise en œuvre de protocoles de sécurité plus robustes et l'utilisation de technologies et d'équipements avancés pour surveiller et gérer les activités de construction.

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