Physical and theoretical modelisation of pressurized tunnelling in homogeneous and stratified soft grounds
Modélisation physique et théorique du creusement pressurisé des tunnels en terrains meubles homogènes et stratifiés
Résumé
Nowadays, use of pressurized shield tunnel boring machine is often fully justified, especially in urban areas where soils are generally soft, partially or fully saturated, and where the building preservation requires a drastic limitation of volume losses during excavation. This thesis aims to improve understanding of the phenomenology of this method of excavation and to develop new tools to design and pilot tunnel boring machines. First, analysis are conducted from tests on a reduced scale model of earth pressurized balanced shield tunnel boring machine original international. These analysis concern stress strain soil behavior during equilibrium rate tunneling, estimation of face stability and analysis of quantities measured on the tunnel boring machine. Analyses are conducted in homogeneous soils and in stratified soils, two and three-layered, configurations frequently encountered on site. In a second step, analyses made at physical model scale are compared to field data so as to validate physical modeling made. Finally, theoretical modeling of pressurized shield tunneling is studied. On the one hand, capabilities and limitations of analytical (yield design theory) and numerical tools to evaluate face stability are exhibited through confrontations with our experimental data. On the other hand, a numerical procedure to model equilibrium rate tunneling, issued of physical modeling results, is proposed.
De nos jours, l'utilisation de tunneliers à front pressurisé est souvent pleinement justifiée, en particulier en contexte urbain, où les terrains sont meubles, partiellement ou totalement saturés, et où la préservation du bâti impose une limitation drastique des pertes de volume au cours de l'excavation. Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension de la phénoménologie de ce mode de creusement et à développer de nouveaux outils d'aide à la justification des ouvrages, au dimensionnement des machines et au pilotage des chantiers. Dans un premier temps, des analyses sont menées à partir d'essais sur un modèle réduit de tunnelier à pression de terre original à l'échelle internationale. Celles-ci concernent le comportement en contraintes et déplacements du massif au cours du creusement en régime idéal, l'évaluation de la stabilité du front de taille, et l'analyse des grandeurs-machine du tunnelier. Les analyses réalisées sont menées en massifs de sol homogènes ainsi qu'en massifs stratifiés (bicouches/tricouches) configurations fréquemment rencontrées sur chantier. Dans un second temps, les analyses effectuées à l'échelle du modèle réduit sont confrontées à des données de chantier pour validation de la modélisation physique effectuée. Enfin, la modélisation théorique du creusement pressurisé des tunnels est étudiée. D'une part, les capacités et limites des outils analytiques (calcul à la rupture) et numériques d'évaluation de la stabilité du front de taille sont évaluées par confrontation avec nos résultats expérimentaux. D'autre part, une procédure de modélisation numérique du processus de creusement en régime idéal, calée sur la modélisation physique, est proposée.
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