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Theses Year : 2022

Comportement des tunnels pressurisés en milieu urbain

Pressurized tunnels behavior in an urban area

Abstract

Nowadays, the use of pressurized tunnel boring machines in urban areas has en-abled the possibility of limiting soil deformations due to tunnel constructions. However, due to the heterogeneous nature of the soils and the ap-plication of inappropriate pressures by the tun-nel boring machine, irreversible scenarios (damage to the surrounding area) can occur. In order to avoid this, it appears essential to predict the ground displacements due to tunnel construction.Analytical, empirical and numerical methods have been developed for the prediction of tunnel-induced settlement. Among these methods, numerical ones have proven their effectiveness with the three-dimensional (3D) approach. However, this approach has a major drawback which is its cost in computation time. To overcome this problem, the two-dimensional (2D) ap-proach, which is a simplification of the three-dimensional approach, is often adopted. However, this approach requires the transformation of the pressures applied by the TBM into a fictitious pressure to be applied with the 2D ap-proach. Concerning the consideration of soil heterogeneity in the numerical prediction, this latter requires a large number of 2D simulations and consequently a high cost in terms of calculation time, which limits the use of this expensive ap-proach. In this thesis, a numerical simulation methodology (two- and three-dimensional) with finite elements capable of predicting the response of soils to tunneling with a TBM by taking into account the heterogeneity of soils was proposed. To achieve this, a formulation allowing simplifying the pressures of the TBM into a 2D ficti-tious pressure has also been proposed in order to respect a defined settlement threshold and thus ensure the stability of the nearby structures. According to this formulation, the fictitious pressure is mainly related to the pressure around the shield and the grouting pressure to fill the gap between the mortar and the excavated soil.During the construction of the tunnels, measurements of soil deformations are compared with the predictions and very often there is a discrepancy between the two settlement troughs. This phenomenon was observed on the extension of the Paris metro Line 12 where the tunnel was excavated in a stratified soil layer. This thesis also proposes a back-analysis methodology to find the adequate set of parameters with which it is possible to obtain the numerical settlement trough closest to the measurements.Subsequently, a sensitivity analysis applied to the extension of the Parisian metro Line 12 was also conducted, which allowed studying the influence of the soil layers on the settlement trough.Other 3D and 2D numerical simulations allowed to understand the influence of the excavation phenomenon on the soil response (settlement, stress evolution and strain evolu-tion). A methodology that takes into account the heterogeneous nature of the soil was also proposed in order to study the influence of this character on the displacement of the soil and on the damage to the structures located in the vicinity of the tunnel. Finally, metamodels have been developed using a coupling between neural networks and clustering algorithms (k-means) on the one hand and the multi-fidelity approach on the other hand to predict the surface settlement trough and the level of damage to nearby buildings.
De nos jours, l’utilisation des tunneliers à front pressurisé en zones urbaines a permis de limiter les déformations dues à la construction de tunnels. Toutes fois à cause de la nature hétérogène parfois mal connue des sols ainsi que l’application des pressions souvent inappropriées par le tunnelier, des scénarios irréversibles (dégâts sur les avoisinants) peuvent se produire. Afin d’éviter cela, la prédiction des déplacements du sol engendrés par le creusement de tunnel est indispensable. Des méthodes analytiques, empiriques et numériques ont été développées pour la prédiction des tassements dus au creusement de tunnel. Parmi ces méthodes, les méthodes numériques ont prouvé leur efficacité avec l’approche tridimensionnelle (3D). Cependant, cette approche présente un inconvénient majeur qui est son coût en temps de calcul. Pour pallier ce problème, l’approche bidimensionnelle (2D) qui est la simplification de l’approche tridimensionnelle est très souvent adoptée. Cette approche nécessite toutefois la transformation des pressions appliquées par le tunnelier en une pression fictive à appliquer en 2D. Concernant la prise en compte de l’hétérogénéité des sols dans la pré-diction numérique, elle requiert un grand nombre de simulations 2D, ce qui limite l’utilisation de cette approche coûteuse en temps de calcul.Dans cette thèse, une méthodologie de simulation numérique (bidimensionnelle et tridimensionnelle) aux éléments finis capable de prédire au mieux la réponse des sols au creusement de tunnel au tunnelier en prenant en compte l’hétérogénéité des sols a été proposée. Pour y parvenir, une formulation permettant de simplifier les pressions du tunnelier en une pression fictive 2D a également été proposée afin de respecter un seuil de tassement défini permet-tant ainsi d’assurer la stabilité des avoisinants. D’après cette formulation la pression fictive est principalement dépendante de la pression autour du bouclier et de la pression d’injection du coulis de remplissage du vide créée entre le mortier et le sol excavé. Lors de la construction des tunnels, des mesures de déformations des sols sont comparées aux prédictions et très souvent, il existe un écart entre les deux cuvettes de tassement. Ce phénomène a été observé sur le prolongement de la ligne de métro 12 dans le nord de la ville de Paris où le tunnel a été creusé dans un sol stratifié. Cette thèse propose également une méthodologie d’analyse inverse permettant de retrouver le jeu de paramètres adéquat avec lequel il est possible d’obtenir la cuvette de tasse-ment numérique la plus proche des mesures. Par la suite, une analyse de sensibilité appliquée sur le prolongement de la ligne 12 du métro Parisien a également été menée ce qui a permis d’étudier l’influence des couches de sol sur la cuvette de tassement.D’autres simulations numériques 3D et 2D ont permis de comprendre l’influence du phénomène de creusement sur la réponse du sol (tassement, évolution des contraintes, dé-formations). Une méthodologie de prise en compte de la nature hétérogène des sols (Fig-ure 3) a été également proposée afin d’étudier l’influence de ce caractère sur le déplacement du sol et sur l’endommagement des structures situées au voisinage du tunnel (Figure 4). Enfin, des méta-modèles ont été développés à l’aide d’un couplage entre les réseaux de neurones et les algorithmes de clustering (k-means) d’une part et l’approche par multi-fidélité d’autre part pour prédire la cuvette de tassement en surface ainsi que le niveau d’endommagement des bâtiments.
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Dates and versions

tel-04320138 , version 1 (04-12-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04320138 , version 1

Cite

Christian Noubissi Kountchou. Comportement des tunnels pressurisés en milieu urbain. Géotechnique. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST150⟩. ⟨tel-04320138⟩
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