Modélisation numérique du processus de creusement pressurisé des tunnels - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2021

Numerical modeling of the pressurized excavation process of tunnels

Modélisation numérique du processus de creusement pressurisé des tunnels

Abstract

Due to traffic congestion and environmental factors, urban development nowadays involves the construction of new tunnels for transportation purposes or underground networks. Especially in urban areas where the control of soil deformation during excavation is the predominant problem, the use of pressurized tunnel boring machines (TBM) is becoming increasingly frequent. This excavation process is the most adapted to guarantee a stringent control of surface settlements and displacements near the tunnel, and consequently for preserving the dense and vulnerable housing area at ground surface, as well as existing underground construction nearby. However, pressurized TBM tunnelling remains a complex process. In particular, the interaction between the machine and the surrounding soil involves various mechanisms that need to be well understood in order to be well controlled. This PhD work falls within this context. It aims to describe and to analyse the behaviour of the interaction between the TBM and the surrounding soil by means of a numerical approach based on finite elements method. In a first part, a 3D numerical model is developed in order to reproduce as well as possible the different stages of the tunnelling process and the various volume losses occurring into the ground around the machine. Based on a parametric study, the influence of the machine control parameters and the mechanical characteristics of the soil on the kinematics of the ground around the tunnel is studied and quantified. In a second part, a simplified 2D numerical model is developed to be used in the framework of pre-project studies by design offices. This 2D model aims to predict the amplitude of ground movements around the current section of the tunnel according to the distance to the tunnel face. The hypothesis of this “equivalent” 2D model are deduced from the results of the 3D numerical analysis and the well-known “convergence/confinement” method is used to take into account the 3D nature of the problem. In a last part, the capacities and limitations of these two numerical models are analysed and discussed by comparing the numerical results with data from three monitored sections of two construction sites. For this comparison, the geological, hydrogeological and geotechnical conditions crossed as well as the pressurization mode of the TBM (EPB, slurry TBM) and the controlling conditions of the machine are taken into account.
De nos jours, le recours aux tunneliers à front pressurisé est de plus en plus fréquent, en particulier en sites urbains, où les conditions de creusement de tunnels sont souvent difficiles tant du point de vue géotechnique qu’environnemental. La préservation du bâti et des structures avoisinantes exige donc une garantie de la stabilité de l’ouvrage, une limitation des tassements en surface et un contrôle des impacts sur les structures avoisinantes au cours du creusement. Ce travail de thèse vise à analyser l’impact du creusement aux tunneliers à front pressurisé sur le terrain en développant un outil de modélisation numérique aux éléments finis, simplifié et en mesure de reproduire au mieux les pertes de volume autour de l’excavation et en surface du terrain. Dans un premier temps, un procédé tridimensionnel du processus de creusement des tunnels en terrain vierge est développé. Ce procédé de modélisation numérique doit pouvoir reproduire correctement les différentes étapes du processus de creusement afin de produire une estimation la plus réaliste possible de l’ensemble des mouvements générées dans le sol par le creusement. Dans un second temps, une étude paramétrique sur les paramètres mécaniques du sol ainsi que sur les paramètres de pilotage du tunnelier est effectuée afin de mieux appréhender l’impact de chaque paramètre sur la réponse du modèle numérique réalisé. Ensuite, un outil bidimensionnel simplifié « équivalent » à destination des bureaux d’études est proposé sur la base des résultats de l’approche numérique tridimensionnelle et de l’étude paramétrique. Il doit pouvoir évaluer les mouvements du terrain autour d’une section courante du tunnel en fonction de la distance au front de taille, en veillant à ce que le passage de l’approche 3D à l’approche 2D repose sur une démarche justifiée scientifiquement. Enfin, la validation de ces deux outils sur plusieurs sections de chantiers réels est effectuée en prenant en compte les conditions géologiques, hydrogéologiques et géotechniques rencontrées ainsi que le mode de pressurisation du tunnelier (terre, boue) et les conditions de pilotage de la machine.
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Origin Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03287254 , version 1 (15-07-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03287254 , version 1

Cite

Soukaïna El Jirari. Modélisation numérique du processus de creusement pressurisé des tunnels. Géotechnique. Université de Lyon, 2021. Français. ⟨NNT : 2021LYSET002⟩. ⟨tel-03287254⟩
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