EP2976465A1 - Procede de consolidation d'un sol encaissant un tunnel - Google Patents

Procede de consolidation d'un sol encaissant un tunnel

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EP2976465A1
EP2976465A1 EP14716899.1A EP14716899A EP2976465A1 EP 2976465 A1 EP2976465 A1 EP 2976465A1 EP 14716899 A EP14716899 A EP 14716899A EP 2976465 A1 EP2976465 A1 EP 2976465A1
Authority
EP
European Patent Office
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tube
soil
section
injection
tunnel
Prior art date
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Granted
Application number
EP14716899.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2976465B1 (fr
Inventor
Jean-Pierre Hamelin
Nicolas UTTER
Sara CASCARINO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soletanche Freyssinet SA
Original Assignee
Soletanche Freyssinet SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Soletanche Freyssinet SA filed Critical Soletanche Freyssinet SA
Publication of EP2976465A1 publication Critical patent/EP2976465A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2976465B1 publication Critical patent/EP2976465B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/74—Means for anchoring structural elements or bulkheads
    • E02D5/80—Ground anchors

Definitions

  • the present invention relates to the realization of buried structures and in particular tunnels.
  • the invention relates, in particular, the improvement by consolidation of the soil located in the vicinity of such a buried work. Even more especially, the invention relates to a method for consolidating the soil during the construction of the structure, as and when slaughter (process also called "progress").
  • pre-retaining systems intended to reinforce the soil in front of and behind the face of the face, before the installation of the retaining wall and the final coating of the tunnel.
  • pre-retaining systems consist of reinforcing the soil by inclusions including steel set up in boreholes and linked to the surrounding soil by a grout.
  • presutment vaults better known under the name of "umbrella vaults” (or “pipe umbrella” or “piperoof”), which consists in introducing into the ground a plurality of hollow tubes arranged in parallel and relatively tight to each other, usually metal, and inject into these tubes a sealing grout to seal them to the surrounding soil.
  • the assembly of these tubes forms an arch below which the ground can be excavated without risk of collapse, before the realization of the walls of the tunnel.
  • pre-support inclusions occurs at different levels.
  • the soil resistance to traction and shear can be improved, as well as the stiffness of the surrounding soil mass, but the known pre-retaining methods do not sufficiently prevent damage to the massif, especially the soil decompression problems and subsidence on the surface.
  • the object of the invention is to provide a method for easily consolidating the soil located in the vicinity of a tunnel and, in particular, to avoid the phenomenon of settlements related to the excavation work.
  • This object is achieved with a method of consolidating a soil encasing a tunnel excavated in sections, wherein each section of said tunnel is surmounted by a pre-retaining vault consisting of a plurality of tubes sealed to the ground with a grout. sealing, and comprising the following steps:
  • a) a plurality of tubes are introduced into the ground so as to form the pre-supporting profile vault corresponding to that desired for the tunnel, each tube having an open proximal end and at least a first outlet orifice on its distal portion; buried in the ground, and
  • a consolidation grout is injected into the soil through said first outlet of said tube or by at least a second outlet formed on its distal portion.
  • the method according to the invention makes it possible to improve the mechanical characteristics of the soil located in the vicinity of the tunnel, quickly and simply.
  • the consolidation grout is injected directly by the tubes constituting the pre-retaining vault (or umbrella vault), so that it is not necessary to perform additional drilling specific to the injection.
  • the injection treated soil is hardened.
  • the structure of the injected soil is modified to increase its apparent rigidity, which will be mobilized during the subsequent excavation phases.
  • the soil located at the right of an excavated zone is weakened. In these places, the soil has undergone settlements. Such settlements also occur in front of the excavated area, on a short portion of soil indirectly undergoing the effects of adjacent excavation.
  • the tubes of the pre-retaining vault extend from the excavated zone but their distal end opens into a soil zone located in front of the face, ie in a zone not yet excavated.
  • the drilling reaches a zone of non-embrittled ground and the injection is thus carried out in a potentially intact soil zone of any settlement.
  • the consolidation method thus makes it possible to anticipate future settlements, by modifying the characteristics of the ground in the right of a future section of tunnel, before said section is excavated.
  • the injection of the consolidation slurry is intended, at least to a certain extent, to prestress the soil, that is to say to modify the state of stress before it undergoes the disorders (settlements , especially decompression) related to the excavation of the tunnel.
  • front and rear are used with reference to the axis of the tunnel, the excavated area being located behind the face of the face and the unexcavated area being located in front of the face of size.
  • Sealing grout should be understood as a hardenable product. Generally used for cementing the tubes, a grout of cement.
  • Consolidation grout should be understood as a curable product, suitable for being pumped into the soil.
  • the consolidation grout may be the same or different from the grout.
  • a liquid slurry mixture of water and a binder, in particular cement, possibly with added bentonite
  • a more rigid mortar grout added with aggregates, in particular sand.
  • the setting parameters of the consolidation grout are controlled so as to cause a displacement of the ground, in particular a compression or a deformation of said ground, in the purpose of modifying its state of stress so that its apparent rigidity is increased.
  • the consolidation grout is injected at a low pressure and a low flow rate.
  • the total volume is optionally injected in several steps separated by a rest period.
  • the total injected volume is chosen so that the apparent stiffness of the soil located around the point (s) of injection is increased.
  • the injection of the consolidation slurry is a fracturing injection (also called "breakdown" injection) in which the grouting injection pressure is chosen. greater than the soil confining pressure resulting from the state of the constraints existing in the field.
  • the consolidation grout used is usually a fluid slurry, and the objective is to create a fracture in the soil that may contain a grout lens.
  • the injection of the consolidation slurry is a solid injection in which the grout (for example a mortar) is viscous, and in which said grout remains immediate proximity to the borehole and generates compressive stress on the surrounding soil.
  • the grout for example a mortar
  • the injection can be done in all the tubes of the vault of pre-support, or in only some of these tubes.
  • consolidation grout may be injected into only one out of every two or three tubes, or only into the tubes at the upper end of the vault or at its lateral ends.
  • a consolidation injection will be performed in at least 50%, preferably at least 75% of the tubes of the pre-retaining vault.
  • the tubes forming the pre-retaining vault can serve both as a drilling member and as a drilling fluid injection tube, as a sealing slurry and, where appropriate, as consolidation grout.
  • the umbrella vault comprises a single layer of tubes arranged next to each other.
  • the tubes will be arranged in two superimposed layers.
  • the tubes of a pre-retaining vault are substantially parallel to each other and to the axis of the tunnel.
  • the tubes of a pre-retaining vault have a slight inclination with respect to the axis of the tunnel, allowing the tubes of an umbrella vault of a section of rank N to overlap partially, that is to say over a certain length, the tubes of the vaults at least Nl and N + 1 tunnel sections of tunnel. It is said that the successive vaults of the tunnel are partially nested within each other.
  • step c) the interior of the at least one tube of the pre-support vault in which it is desired to perform the injection of the consolidation grout is cleaned.
  • Each tube of a pre-retaining vault has at least one opening at each of its ends.
  • the cleaning step consists in disengaging the tube from the sealing grout contained therein, for example with water, so as to make the two openings of the tube communicate and allow the reuse of said tube for the injection of the consolidation grout.
  • the method according to the invention further comprises the following steps:
  • the tubes constitute, on the length excavated, a temporary protection structure, which prevents the landslide behind the face of the face.
  • the realization of the wall of the tunnel section may include the laying of temporary or permanent hangers and / or the realization of the final coating of the section, for example but not exclusively by the technique of shotcrete.
  • steps a) to e) are repeated until the tunnel is excavated along its length. If the steps a) to e) correspond to the realization of a section of the tunnel of rank N, these same steps are repeated for the realization of at least one section of rank N + 1, and possibly a plurality of rows of rank N + n, n varying according to the length of the tunnel.
  • an injection step is carried out in the tubes of the vault of a N-rank tunnel section, before the excavation of said section of rank N.
  • the step d) of excavation can be carried out once the injection of consolidation grout has been stopped.
  • the step of injection of consolidation slurry can continue during step d) of excavation and, possibly, during subsequent steps of tunneling.
  • the zone injected by the tubes of the vault of the section of rank N, before the beginning of the excavation of said section is advantageously a zone of ground which theoretically would not have been damaged because of the excavation work sections of rank N, N-1, etc., in particular by decompression phenomena, settlements, etc.
  • the soil can be treated before disturbances occur due to excavation.
  • the injection made in the ground located at the right of a section of rank N + 2 comes to prevent settlements which would have been generated, otherwise, by the excavation of the section of rank N.
  • the injection carried out in the ground located at the right a section of rank N + 3 comes to prevent settlements which would have been generated by the excavation of the section of rank N + 1. And so on.
  • each tube of the pre-retaining vault has a length at least 2.5 times greater than this excavated length.
  • the method may comprise a step of predictive modeling of settlements of the soil at the progress of the excavation.
  • This predictive modeling can to be obtained either by finite element numerical models or by empirical models (in particular, the Peck model -
  • these models can be regularly updated according to the observations made on them. previous phases of work.
  • the injection pressure and / or the volume of consolidation grout injected are determined according to the predicted settlements.
  • the unit settlement of the ground situated in line with an N + 2 section generated by the excavation of the N-rank tunnel section is evaluated, and the parameters of the injection (pressure, volume of grout, phasing of the injection operations) carried out by at least one tube of the retaining vault of the rank N segment in the ground zone located at the right of the N + 2 rank section so that the consolidation grout is applied to the injected soil constraints for neutralizing said unitary settlement.
  • the movements of the soil are continuously monitored during the injection.
  • the control can for example be done at the level of the ground surface (i.e. the upper surface of the excavated massif), for example by means of a laser level. It can also be done by means of an extensometer inserted directly into the soil volume by means of a borehole, for example executed from the face of size.
  • Detecting an amplitude of displacement of the ground greater than a predetermined value can for example determine the moment of the stop of the injection.
  • the control of the movements of the ground makes it possible, for example, to avoid damage, because of the uprisings, the dwellings founded on the mass of excavated ground.
  • a consolidation grout may be injected into one or several tubes of a N-shaped pre-support vault at any moment during tunneling, in order to correct excessive deformations in front of or behind the face of size. surface. In this case, care must be taken to maintain access to the open ends of the injection tubes, even after bending and / or laying of coating operations on the tunnel walls.
  • the tubes used for the realization of the vault and for the injection can be perforated tubes.
  • a perforated tube makes it possible to accurately produce localized injections in several zones to be treated which are distant from each other.
  • perforated tube means a tube provided with openings of any shape, for example a sleeve tube, well known elsewhere.
  • openings are closed by rubber sleeves which open when the pressure in the sleeve tube is greater than the pressure outside the tube.
  • the perforated tube is a sleeve tube and, for the injection of consolidation grout in particular, is introduced into the sleeve tube a shutter tube, preferably a double shutter tube, to perform the injection through some of openings.
  • a consolidation grout injection can also be performed in the face of size.
  • At least one borehole is drilled into the face of the borehole, an injection tube is placed in said borehole and sealed to the ground with a grout. sealing, said injection tube having an open proximal end and at least one outlet orifice on its distal portion sunk into the ground, and a consolidation slurry is injected into the soil through said tube.
  • the injection tube is sealed to the ground with a sealing slurry before the consolidation slurry is injected.
  • the length of the injection tube introduced into the cutting face of a section of rank N is chosen so that the soil zone injected by said tube is situated axially in front of the tunnel segment of rank N + 2. .
  • the nailing of the forehead is completed by a treatment of the soil by injection.
  • the drilling carried out for the nailing can be used also for the realization of the injection operations.
  • an armature in particular a fiberglass bolt, is introduced into the borehole drilled into the face and intended to receive the injection tube, and the armature is sealed to the ground at using a grout.
  • the reinforcement is inserted inside the injection tube, it is removed. the tube, and the reinforcement is sealed to the ground by means of a grout.
  • the injection tube and the reinforcement are introduced into the borehole, side by side in the radial direction of the borehole, a sealing grout is injected into the ground for sealing said injection tube and the frame on the ground, and the consolidation grout is injected into the ground through the injection tube.
  • Figure 1 is a transverse view of a tunnel being excavated, just before the beginning of the realization of the rank N segment;
  • FIGS 2 to 7 illustrate the steps of making the N-rank tunnel section and the soil consolidation method according to an embodiment of the invention
  • Figures 8 to 12 illustrate a variant of the consolidation method according to the invention
  • Figure 13 shows the face of Figure 12
  • FIG. 14 shows the soil zone consolidated by the process according to the invention and the predicted curve of settlements after excavation of the rank section N-1, in the absence of consolidation of the soil;
  • FIG. 15 illustrates a second variant of implementation of the consolidation method according to the invention.
  • Figure 1 illustrates a tunnel 10 during excavation.
  • several sections of the tunnel of the same length L T , have already been excavated and coated.
  • each section R of the tunnel is designated according to its rank, the first excavated section being of rank one, the second, of rank two, and the Nth, of rank N, and so on.
  • the realization of a tunnel segment R N of rank N will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 7. This method being reiterated for each section of the tunnel in a systematic way, it is only described once.
  • each tunnel section Ri,... Fn 10 is surmounted by a portion of an umbrella vault Vi,..., N of conventional type, consisting of an assembly of tubes 12 introduced into the ground from the previous section, the assembly having, in section, an arcuate profile of main axis A, corresponding to the desired profile for the tunnel.
  • the general profile of the umbrella vault is visible in particular in Figure 13.
  • an axial direction is a direction parallel to the main axis A of the tunnel 10.
  • a radial direction is a direction perpendicular to the axis A.
  • an axial plane is a plane parallel to the axis of the tunnel and a radial plane is a plane perpendicular to this axis.
  • the umbrella vault V N of rank N is constituted by the tubes located at the periphery of the N-rank tunnel section being the closest to the axis A of the tunnel 10 in the radial direction.
  • the face of size F N of the segment of rank N designates the slice of ground marking the end of the excavation of the section of rank N.
  • the face of size F N forms a defined terrain wall. in a substantially radial plane, and marking the limit with the following section R N + i.
  • the soil is drilled and the tubes 12 are introduced into the soil, one after the other, so as to form the vault V N of section R N of rank N.
  • each tube 12 comprises an open proximal end 14 and an open distal end 16 having an annular peripheral edge which is provided with cutting teeth 24.
  • teeth cutting means drilling tools in general, such as pimples, knobs, tungsten carbide pellets, etc. to excavate the soil S during the drilling.
  • the cutting teeth 24 are sized to excavate the ground, so that the tube 12 is also used as a drilling tool, before being left in place in the ground. The steps of drilling and introduction of the tube into the soil are therefore carried out concomitantly (it is commonly spoken cased bore tool lost).
  • the soil is first drilled with an independent drilling tool, not intended to remain in place in the soil (in this case it is referred to as uncased drilling), and then, after the Drill tool was removed, the tube is introduced into the well drilled borehole.
  • the tubes 12 are, more particularly, cuffed tubes.
  • a sleeve tube 12 is provided with openings 20 which are formed at different heights of the tube, as well as flexible sleeves 22 which surround the sleeve tube 12 so as to seal the openings 20 when the pressure at inside of the sleeve tube is less than or equal to the pressure outside the sleeve tube.
  • These flexible sleeves 22 are arranged to deform outwardly to allow flow through the openings 20 when the pressure inside the sleeve tube is substantially greater than the pressure outside the sleeve tube.
  • the openings 20 covered with flexible sleeves 22 are distributed over the distal portion of the tube, in particular on the last third of the tube 12.
  • each tube 12 is connected, by its proximal end 14, to means 18 for driving in rotation, which here comprise a hydraulic motor 19.
  • each tube 12 is introduced into the ground via its distal end 16, being rotated by the drive means 18.
  • Each tube 12 is inserted on the crown (ie at the periphery) of the forehead of size of the section R N-1 of rank Nl, substantially skirting the upper part of this section R N- i.
  • the tube 12 extends in a direction defined in a substantially axial plane and slightly inclined relative to the main axis A, for example an angle ⁇ between 5 ° and 10 °.
  • the inclination of the tubes 12 relative to the axis A of the tunnel 10 allows the overlap of the V umbrella vaults successive tunnel.
  • each new umbrella vault V N formed is, as it were, embedded or partially fitted into the umbrella vault V N- i of the preceding section.
  • a drilling fluid for example water
  • annular space a narrow space, usually a few millimeters thick, defined all around the tube
  • the drilling is carried out so as to bring the distal end 16 of each tube 12 to a predetermined depth at which the soil zone to be consolidated Z is located.
  • a sealing grout in particular a grout, referred to herein as CS
  • CS a sealing grout
  • the sealing grout CS impregnates the soil around the tube 12, fill the annular space, and thus seal the tube 12 on the ground and adjacent tubes 12.
  • each tube 12 is cleaned in a second step (not shown), for example with water, so that at least some of the openings 20 to the periphery of the tube 12 and at its distal end 16 communicate with the opening of the tube at its proximal end 14.
  • the tubes 12 of the umbrella vault V N form, once cleaned, injection tubes through which a consolidation grout, referenced here CC, will be injected into the soil zone to be activated (hereinafter consolidation injection).
  • the aim of the consolidation injection according to the invention is to bring the soil of the zone to be activated into a state of constraints different from its initial state.
  • the injection is intended to prestress this area of soil before it undergoes the disorders (settlements, decompression in particular) related to the excavation of previous sections.
  • FIG. 14 for example, the predicted soil settlement curve has been illustrated at the surface of the massif at the end of the excavation of the sections up to the row N1 and in the absence of any consolidation of the soil.
  • the largest settlements T are measured at the right of the excavated areas and that the settlement amplitude decreases progressively until becoming almost zero at a distance D from the face of size F N- i, in front of the latter.
  • the length L A of the tubes 12 is chosen so that at least one injection orifice of each tube 12, provided on its distal portion, is located in the zone to be activated Z in which the settlements related to the excavation work of the section N are theoretically evaluated as being less than a limit value (low value characterizing a quasi-absence of settlements) in the absence of prior consolidation of the soil.
  • the distance D is approximately twice the length L T of a section.
  • the length L A of the tubes is therefore greater than two and a half times the length L T of a section, here about three times this length.
  • a maximum volume loss coefficient is usually set by contract globally, for the tunnel or for a tunnel area. This coefficient of volume loss, which corresponds to the ratio between the volume of the settlement basin on the surface of the massif and the theoretical volume of ground excavated for the tunnel, characterizes the maximum of settlement admissible over the length of the tunnel or the zone. considered.
  • the objective of the injection is to compensate, as and when tunneling, the settlements induced by the excavation of each section.
  • Injection treatment is all the more effective when applied to the source of settlements, and includes a preventive component (soil prestressing). From the volume loss coefficient corresponding to a section of the tunnel, it is possible to deduce an injection program at this section, and especially a volume and pressure set point, for the injection around this section.
  • Each injection pass can be modeled by a lift. It is thus possible to determine, generally automatically, an optimum distribution of injection points and amounts of substance to be injected so that the theoretical uprisings related to the injection neutralize the theoretical settlements related to the excavation.
  • the injection set point for a section of rank N + 2, especially in volume, is reached in a single injection phase in the tubes of the vault of a section of rank N, upstream of the excavation of said rank section N.
  • the setpoint is reached in several successive injection phases, carried out in the tubes of the row vault N, at different times during excavation of the tunnel.
  • the consolidation grout CC is thus injected into each tube 12 via a double obturator tube 26 which is introduced into the tube 12 in order to isolate one or more openings 20.
  • the difference between the actual settlement of the mass of land to the excavated section and the tolerance imposed by the technical specifications of the project is generally measured and the volume loss coefficient of the section is adjusted. those of the following sections to take account of this difference in the determination injection instructions. If necessary, the injection is completed on the section concerned.
  • hangers 60 are placed on the side walls of the tunnel section and the section is coated with concrete 62, for example by the shotcrete technique.
  • FIGS. 8 to 12 A first mode of implementation according to the invention, allowing such a reinforcement, is illustrated in FIGS. 8 to 12.
  • tubes for example cuff tubes 42, of the same type as those described above are introduced into the face-piece F N and then sealed to the ground by means of a CS grout (grout seal filling the annular space surrounding the injection tube).
  • the injection tubes 42 have a length advantageously greater than 2.5 times the length of a section. In this way, the tubes 42 make it possible to consolidate the face of size but also, to a certain extent, the zone of soil to be activated Z located at the right of the tunnel section of rank N + 2.
  • the inside of the tubes 42 is then cleaned, for example by means of a water injection lance 41, and then, as illustrated in FIG. 9, a consolidation grout CC is injected into the ground by the tubes 42, possibly by means of a double shutter tube 26.
  • the tubes 42 are cleaned again and a fiberglass reinforcement 44 is introduced into each of them.
  • FIG. 1 A second mode of implementation according to the invention, allowing the reinforcement of the front of size F N -i of the section of rank Nl, is illustrated in FIG.
  • a borehole 50 is firstly made in the face of size F N , said borehole being sufficiently wide to receive one next to the other, an armature 44 such as A fiberglass bolt and an injection tube 70.
  • the borehole 50 is a cased bore to the lost tool.
  • the drill member is a drill pipe 52 which is kept in the ground when, during a second step, the frame 44 and, next to it, the injection tube 70 are introduced into the borehole 50.
  • the diameter of the injection tube 42 is obviously smaller than the diameter of the borehole 50 and the drill pipe 52 and the length of the injection tube 70 is Moreover, in this embodiment, the injection tube 70 is advantageously made of a plastic material, allowing its easy destruction during the excavation of the section of rank N.
  • the drill pipe 52 is withdrawn from the borehole 50.
  • a sealing grout CS is injected through the injection tube 70 to seal said injection tube 70 and the frame 44 to the ground.
  • the injection tube 70 is then cleaned in a fifth step.
  • a consolidation grout CS is injected into the ground, through the injection tube 70.
  • the borehole 50 is made using a drill bit removed before the introduction, into the borehole 50, of the reinforcement. 44 and the injection tube 70. Because it is consistent, the soil is held without casing.

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Abstract

Dans un procédé de consolidation d'un sol (S) encaissant un tunnel (10) excavé par tronçons (R1,...RN), chaque tronçon (R1,...RN) du tunnel (10) est surmonté d'une voûte de pré-soutènement (V1,..., VN) constituée d'une pluralité de tubes (12) disposés sensiblement parallèlement les uns aux autres et à la direction axiale du tunnel (10) et scellés au sol (S) par un coulis de scellement. Le procédé comprend, après durcissement du coulis de scellement, une nouvelle étape d'injection d'un coulis de consolidation dans le sol (S) par au moins un tube (12) de la voûte de pré¬ soutènement (V1,..., VN).

Description

PROCEDE DE CONSOLIDATION D'UN SOL ENCAISSANT UN TUNNEL
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne la réalisation d'ouvrages enterrés et en particulier de tunnels.
Elle concerne, en particulier, l'amélioration par consolidation du sol situé au voisinage d'un tel ouvrage enterré. Encore plus spécialement, l'invention concerne un procédé pour consolider le sol au cours de la construction de l'ouvrage, au fur et à mesure de l'abattage (procédé aussi dit « à l'avancement »).
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
Dans la construction d'ouvrages souterrains, il est courant de mettre en œuvre des systèmes de pré-soutènement destinés à renforcer le sol en avant et en arrière du front de taille, avant la mise en place du soutènement et du revêtement définitif du tunnel.
Ces systèmes de pré-soutènement consistent à renforcer le sol par des inclusions notamment en acier mises en place dans des forages et liaisonnées au sol environnant par un coulis de scellement.
On connaît par exemple la technique des voûtes de présoutènement, mieux connues sous le nom de « voûtes parapluie » (en anglais « pipe umbrella » ou encore « piperoof »), qui consistent à introduire dans le sol une pluralité de tubes creux disposés parallèlement et relativement serrés les uns aux autres, généralement métalliques, et d'injecter dans ces tubes un coulis de scellement pour les sceller au sol environnant. L'assemblage de ces tubes forme une arche en-dessous de laquelle le sol peut être excavé sans risque d'effondrement, avant la réalisation des parois du tunnel.
L'action des inclusions de pré-soutènement s'exerce à différents niveaux. La résistance du sol à la traction et au cisaillement peut être améliorée, de même que la raideur du massif de sol environnant, mais les méthodes de pré-soutènement connues ne permettent pas d'éviter de façon suffisante l'endommagement du massif, notamment les problèmes de décompression du sol et de tassements en surface. OBJET ET RESUME DE L'INVENTION
L'invention a pour but de fournir un procédé pour consolider de façon aisée le sol situé au voisinage d'un tunnel et, en particulier, éviter le phénomène de tassements lié aux travaux d'excavation.
Ce but est atteint avec un procédé de consolidation d'un sol encaissant un tunnel excavé par tronçons, dans lequel chaque tronçon dudit tunnel est surmonté d'une voûte de pré-soutènement constituée d'une pluralité de tubes scellés au sol par un coulis de scellement, et comprenant les étapes suivantes :
a) on introduit dans le sol une pluralité de tubes de façon à former la voûte de pré-soutènement de profil correspondant à celui souhaité pour le tunnel, chaque tube présentant une extrémité proximale ouverte et au moins un premier orifice de sortie sur sa portion distale enfoncée dans le sol, et
b) on introduit un coulis de scellement dans le sol, par ledit premier orifice de sortie dudit tube, de sorte que le coulis de scellement vient sceller le tube au sol avoisinant,
le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape suivante :
c) après que le coulis de scellement a durci, on injecte un coulis de consolidation dans le sol par ledit premier orifice de sortie dudit tube ou par au moins un deuxième orifice de sortie formé sur sa portion distale.
Le procédé selon l'invention permet d'améliorer les caractéristiques mécaniques du sol situé au voisinage du tunnel, de façon rapide et simple. Le coulis de consolidation est injecté directement par les tubes constituant la voûte de pré-soutènement (ou voûte parapluie), de sorte qu'il n'est pas nécessaire de réaliser des forages complémentaires spécifiques à l'injection. Le sol traité par injection est écroui. La structure du sol injecté est modifiée pour augmenter sa rigidité apparente, qui sera mobilisée pendant les phases d'excavation ultérieures.
Classiquement, le sol situé au droit d'une zone excavée est fragilisé. A ces endroits, le sol a subi des tassements. De tels tassements surviennent également en avant de la zone excavée, sur une courte portion de sol subissant indirectement les effets de l'excavation adjacente. Les tubes de la voûte de pré-soutènement s'étendent depuis la zone excavée mais leur extrémité distale débouche dans une zone de sol située en avant du front de taille, autrement dit dans une zone non encore excavée. Selon une disposition avantageuse de l'invention, le forage atteint une zone de terrain non fragilisé et l'injection est ainsi réalisée dans une zone de sol potentiellement intacte de tout tassement. Le procédé de consolidation permet ainsi d'anticiper les tassements à venir, en modifiant les caractéristiques du sol au droit d'un futur tronçon de tunnel, avant que ledit tronçon ne soit excavé. Autrement dit, l'injection du coulis de consolidation est destinée, au moins dans une certaine mesure, à précontraindre le sol, c'est-à-dire à en modifier l'état de contrainte avant qu'il ne subisse les désordres (tassements, décompression notamment) liés à l'excavation du tunnel.
Dans la présente demande, les termes avant et arrière sont utilisés en référence à l'axe du tunnel, la zone excavée étant située en arrière du front de taille et la zone non excavée étant située en avant du front de taille.
Le coulis de scellement doit être entendu comme un produit durcissable. On utilisera généralement, pour le scellement des tubes, un coulis de ciment.
Le coulis de consolidation doit être entendu comme un produit durcissable, adapté à être pompé dans le sol. Le coulis de consolidation peut être identique ou différent du coulis de scellement. On pourra utiliser, selon la nature du terrain, un coulis liquide (mélange d'eau et d'un liant, notamment du ciment, éventuellement additionné de bentonite) ou un mortier plus rigide (coulis additionné de granulats, notamment du sable).
De façon avantageuse, les paramètres de mise en place du coulis de consolidation, notamment le volume injecté et/ou la pression d'injection, sont maîtrisés de manière à provoquer un déplacement de terrain, notamment une compression ou une déformation dudit terrain, dans le but de modifier son état de contrainte de sorte que sa rigidité apparente est augmentée.
Selon un mode de mise en œuvre, le coulis de consolidation est injecté à une pression et un débit faible. Le volume total est éventuellement injecté en plusieurs étapes séparées par un temps de repos. Le volume total injecté est choisi de sorte que la raideur apparente du sol située autour du ou des point(s) d'injection est augmentée.
Selon un autre mode de mise en uvre, particulièrement avantageux dans les terrains de type plutôt argileux, l'injection du coulis de consolidation est une injection de fracturation (aussi dite « par claquage ») dans laquelle la pression d'injection du coulis est choisie supérieure à la pression de confinement du sol résultant de l'état des contraintes existant dans le terrain. Le coulis de consolidation utilisé est généralement un coulis fluide, et l'objectif est de créer dans le sol une fracture pouvant renfermer une lentille de coulis.
Selon un autre mode de mise en œuvre, particulièrement avantageux dans les terrains de type plutôt sableux, l'injection du coulis de consolidation est une injection solide dans laquelle le coulis (par exemple un mortier) est visqueux, et dans laquelle ledit coulis reste à proximité immédiate du forage et génère une contrainte de compression sur le sol environnant.
Selon les besoins, l'injection peut se faire dans l'ensemble des tubes de la voûte de pré-soutènement, ou dans seulement certains de ces tubes. Par exemple, on pourra injecter du coulis de consolidation dans seulement un tube sur deux ou trois, ou uniquement dans les tubes situés à l'extrémité supérieure de la voûte ou à ses extrémités latérales.
De préférence, toutefois, on procédera à une injection de consolidation dans au moins 50%, de préférence au moins 75% des tubes de la voûte de pré-soutènement.
Pour faciliter et accélérer la mise en place, les tubes formant la voûte de pré-soutènement peuvent servir à la fois d'organe de forage et de tube d'injection du fluide de forage, du coulis de scellement et, le cas échéant, du coulis de consolidation.
Classiquement, la voûte parapluie comprend une seule couche de tubes disposés les uns à côté des autres. Dans certains cas toutefois, on disposera les tubes selon deux couches superposées.
Les tubes d'une voûte de pré-soutènement sont sensiblement parallèles entre eux et à l'axe du tunnel. Généralement, les tubes d'une voûte de pré-soutènement présentent une légère inclinaison par rapport à l'axe du tunnel, permettant aux tubes d'une voûte parapluie d'un tronçon de rang N de chevaucher partiellement, c'est-à-dire sur une certaine longueur, les tubes des voûtes au moins des tronçons de tunnel de rang N-l et N+l. On dit que les voûtes successives du tunnel sont emboîtées partiellement les unes dans les autres.
Selon un exemple de mise en œuvre, avant l'étape c), l'intérieur du au moins un tube de la voûte de pré-soutènement dans lequel on souhaite réaliser l'injection du coulis de consolidation est nettoyé.
Chaque tube d'une voûte de pré-soutènement présente au moins une ouverture à chacune de ses extrémités. L'étape de nettoyage consiste à dégager le tube du coulis de scellement contenu à l'intérieur, par exemple avec de l'eau, de manière à faire communiquer les deux ouvertures du tube et permettre la réutilisation du dit tube pour l'injection du coulis de consolidation.
Selon un exemple de mise en œuvre, le procédé selon l'invention comprend en outre les étapes suivantes :
d) on excave, dans l'espace délimité par les tubes de la voûte de présoutènement, un tronçon de sol de longueur inférieure à la longueur de la voûte, et
e) on réalise la paroi du tronçon de tunnel.
Les tubes constituent, sur la longueur excavée, une structure de protection provisoire, qui empêche l'éboulement du sol en arrière du front de taille.
La réalisation de la paroi du tronçon de tunnel peut comprendre la pose de cintres provisoires ou définitifs et/ou la réalisation du revêtement définitif du tronçon, par exemple mais non exclusivement par la technique du béton projeté.
Selon un exemple de mise en œuvre, les étapes a) à e) sont répétées jusqu'à ce que le tunnel soit excavé sur toute sa longueur. Si les étapes a) à e) correspondent à la réalisation d'un tronçon du tunnel de rang N, ces mêmes étapes sont réitérées pour la réalisation d'au moins un tronçon de rang N+l, et éventuellement une pluralité de tronçons de rang N+n, n variant selon la longueur du tunnel. Dans le procédé selon l'invention, de préférence, une étape d'injection est réalisée dans les tubes de la voûte d'un tronçon de tunnel de rang N, avant l'excavation dudit tronçon de rang N.
Selon un exemple, l'étape d) d'excavation peut être réalisée une fois que l'injection de coulis de consolidation a été stoppée.
Selon un autre exemple, l'étape d'injection du coulis de consolidation peut se poursuivre pendant l'étape d) d'excavation et, éventuellement, pendant des étapes ultérieures de réalisation du tunnel.
Comme indiqué précédemment, la zone injectée par les tubes de la voûte du tronçon de rang N, avant le début de l'excavation dudit tronçon, est avantageusement une zone de sol qui n'aurait théoriquement pas été endommagée du fait des travaux d'excavation des tronçons de rang N, N- 1, etc., notamment par des phénomènes de décompression, de tassements, etc.
Le sol peut ainsi être traité avant que des désordres n'apparaissent du fait de l'excavation. L'injection réalisée dans le sol situé au droit d'un tronçon de rang N+2 vient prévenir les tassements qui auraient été engendrés, sinon, par l'excavation du tronçon de rang N. L'injection réalisée dans le sol situé au droit d'un tronçon de rang N+3 vient prévenir les tassements qui auraient été engendrés par l'excavation du tronçon de rang N+l. Et ainsi de suite. On peut ainsi parler d'injection de précontrainte du sol.
Pour cela, on peut choisir la longueur des tubes de la voûte de présoutènement d'un tronçon de rang N de sorte que la zone de sol injectée par lesdits tubes soit située en avant du tronçon de tunnel de rang N+l, notamment au droit du tronçon de tunnel de rang N+2.
Généralement, les différents tronçons d'un même tunnel présenteront une longueur (ci-après longueur excavée, mesurée le long de l'axe principal A du tunnel) identique. Dans ce cas, de façon préférentielle, chaque tube de la voûte de pré-soutènement présente une longueur au moins 2,5 fois supérieure à cette longueur excavée.
De façon particulièrement avantageuse, le procédé peut comprendre une étape de modélisation prévisionnelle des tassements du sol à l'avancement de l'excavation. Cette modélisation prévisionnelle peut être obtenue soit à l'aide de modèles numériques aux éléments finis, soit à l'aide de modèles empiriques (en particulier, le 'modèle de Peck - De façon particulièrement avantageuse, ces modèles peuvent être actualisés régulièrement en fonction des observations effectuées sur les phases précédentes de travaux.
De façon avantageuse, la pression d'injection et/ou le volume de coulis de consolidation injecté sont déterminés en fonction des tassements prévisionnels.
De façon avantageuse, on évalue le tassement unitaire du sol situé au droit d'un tronçon N+2 engendré par l'excavation du tronçon de tunnel de rang N, et on détermine les paramètres de l'injection (pression, volume de coulis, phasage des opérations d'injection) réalisée par au moins un tube de la voûte de soutènement du tronçon de rang N dans la zone de sol situé au droit du tronçon de rang N+2 de sorte que le coulis de consolidation applique sur le sol injecté des contraintes permettant de neutraliser ledit tassement unitaire.
Selon un exemple de mise en œuvre, les mouvements du sol sont contrôlés en continu pendant l'injection. Le contrôle peut par exemple se faire au niveau de la surface du sol (i.e. la surface supérieure du massif excavé), par exemple au moyen d'un niveau laser. Il peut également se faire au moyen d'un extensomètre inséré directement dans le volume du sol au moyen d'un forage, par exemple exécuté à partir du front de taille.
La détection d'une amplitude de déplacement du sol supérieure à une valeur prédéterminée, par exemple par les tolérances de déplacement imposées pour le projet, peut par exemple déterminer le moment de l'arrêt de l'injection. Le contrôle des mouvements du sol permet, par exemple, d'éviter d'endommager, du fait des soulèvements, les habitations fondées sur le massif de terrain excavé.
Selon un exemple de mise en œuvre, après l'étape d) d'excavation du tronçon de tunnel de rang N, on nettoie au moins un tube de la voûte de pré-soutènement d'un tronçon de rang N-n, n étant compris entre 1 et N-l, et on réalise une nouvelle injection de coulis de consolidation dans le sol, à travers ledit tube nettoyé. Plus généralement, un coulis de consolidation peut être injecté dans un ou des tubes d'une voûte de pré-soutènement de rang N à tout moment de la réalisation du tunnel, pour corriger des déformations excessives en avant ou en arrière du front de taille ou en surface. Dans ce cas, il faudra veiller à maintenir l'accès aux extrémités débouchantes des tubes d'injection, même après les opérations de cintrage et/ou de pose de revêtement sur les parois du tunnel.
Hormis l'injection de précontrainte réalisée dans les tubes du tronçon de rang N avant l'excavation dudit tronçon, il est possible de procéder à de nouvelles injections, dans les mêmes tubes, pendant le terrassement du tronçon N (injection pilotée en fonction du coefficient de perte de volume calculé au préalable), et/ou pendant la mise en place des tubes du tronçon de rang N+l (pour compenser les pertes de volume liées au forage), et/ou pendant les différentes phases de pose des cintres et/ou du revêtement définitif, et/ou après la pose du revêtement définitif.
Les tubes utilisés pour la réalisation de la voûte de présoutènement et pour l'injection peuvent être des tubes perforés. Un tube perforé permet de réaliser avec précision des injections localisées en plusieurs zones à traiter qui sont distantes les unes des autres.
Par tube perforé, on entend un tube muni d'ouvertures de forme quelconque, par exemple un tube à manchettes, bien connu par ailleurs. Traditionnellement, dans un tube à manchettes, les ouvertures sont obturées par des manchons en caoutchouc qui s'ouvrent lorsque la pression dans le tube à manchettes est supérieure à la pression extérieure au tube.
Avantageusement, le tube perforé est un tube à manchettes et, pour l'injection de coulis de consolidation notamment, on introduit dans le tube à manchettes un tube obturateur, de préférence un tube obturateur double, afin de réaliser l'injection à travers certaines des ouvertures.
Selon un aspect de l'invention, une injection de coulis de consolidation peut également être réalisée dans le front de taille.
Ainsi, selon un exemple de mise en œuvre, on fore au moins un trou de forage dans le front de taille, on dispose un tube d'injection dans ledit trou de forage et on le scelle au sol à l'aide d'un coulis de scellement, ledit tube d'injection présentant une extrémité proximale ouverte et au moins un orifice de sortie sur sa portion distale enfoncée dans le sol, et on injecte un coulis de consolidation dans le sol, par ledit tube.
De préférence, le tube d'injection est scellé au sol à l'aide d'un coulis de scellement avant que le coulis de consolidation soit injecté.
De préférence, on choisit la longueur du tube d'injection introduit dans le front de taille d'un tronçon de rang N de sorte que la zone de sol injectée par ledit tube soit située axialement en avant du tronçon de tunnel de rang N+2.
En complément des voûtes parapluie renforçant la section supérieure des zones excavées, il est courant de renforcer le front de taille, pour en limiter les déformations, par la technique dite de clouage du front, qui consiste à sceller dans le sol des armatures jouant un rôle de renforcement passif. Ces armatures sont scellées et injectées pour assurer une bonne transmission des efforts de traction et de cisaillement entre l'armature et le terrain. Ces armatures étant ensuite excavées, on utilise généralement des éléments friables, notamment en fibre de verre : barres crénelées, tubes, ou bien lames.
Selon une disposition avantageuse de l'invention, le clouage du front est complété par un traitement du sol par injection. Dans ce cas, les forages réalisés pour le clouage peuvent être utilisés également pour la réalisation des opérations d'injection.
Ainsi, selon un exemple, une armature, notamment un boulon de fibres de verre, est introduite dans le trou de forage foré dans le front de taille et destiné à recevoir le tube d'injection, et l'armature est scellée au sol à l'aide d'un coulis de scellement.
Selon un exemple de mise en œuvre, après l'injection du coulis de consolidation dans le sol à travers le tube d'injection inséré dans le front de taille, on insère l'armature à l'intérieur du tube d'injection, on retire le tube, et on scelle l'armature au sol au moyen d'un coulis de scellement.
Selon un autre exemple de mise en œuvre, on introduit le tube d'injection et l'armature dans le trou de forage, côte à côte dans la direction radiale du trou de forage, on injecte un coulis de scellement dans le sol pour sceller ledit tube d'injection et l'armature au sol, et on injecte le coulis de consolidation dans le sol à travers le tube d'injection.
Plusieurs modes de réalisation et de mise en œuvre sont décrits dans le présent exposé. Toutefois, sauf précision contraire, les caractéristiques décrites en relation avec un mode de réalisation ou de mise en œuvre quelconque peuvent être appliquées à un autre mode de réalisation ou de mise en œuvre.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
la figure 1 est une vue transversale d'un tunnel en cours d'excavation, juste avant le début de la réalisation du tronçon de rang N ;
les figures 2 à 7 illustrent les étapes de réalisation du tronçon de tunnel de rang N et le procédé de consolidation de sol selon un mode de mise en œuvre de l'invention ;
les figures 8 à 12 illustrent une variante du procédé de consolidation selon l'invention ;
la figure 13 montre le front de taille de la figure 12 ;
la figure 14 montre la zone de sol consolidée par le procédé selon l'invention et la courbe prévisionnelle des tassements après excavation du tronçon de rang N-l, en l'absence de consolidation du sol ;
la figure 15 illustre une deuxième variante de mise en œuvre du procédé de consolidation selon l'invention.
La figure 1 illustre un tunnel 10 en cours d'excavation. Sur cette figure, plusieurs tronçons du tunnel, de même longueur LT, ont d'ores et déjà été excavés et revêtus.
Dans la suite de la description, on désigne chaque tronçon R du tunnel selon son rang, le premier tronçon excavé étant de rang un, le second, de rang deux, et le Nième, de rang N, et ainsi de suite. La réalisation d'un tronçon de tunnel RN de rang N va être décrite en détail en référence aux figures 2 à 7. Ce procédé étant réitéré pour chaque tronçon du tunnel de façon systématique, il n'est décrit qu'une fois.
Comme il ressort de la figure 1, chaque tronçon Ri,...fN de tunnel 10 est surmonté par une portion d'une voûte parapluie Vi,...,N de type classique, constituée d'un assemblage de tubes 12 introduits dans le sol depuis le tronçon précédent, l'assemblage présentant, en coupe, un profil en arc de cercle d'axe principal A, correspondant au profil souhaité pour le tunnel. Le profil général de la voûte parapluie est visible notamment sur la figure 13.
Dans le présent exposé, une direction axiale est une direction parallèle à l'axe principal A du tunnel 10. En outre, une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe A.
Sauf précision contraire, les adjectifs et adverbes axial, radial, axialement et radialement sont utilisés en référence aux directions axiale et radiale précitées. De la même manière, un plan axial est un plan parallèle à l'axe du tunnel et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe.
Dans le présent exposé, on considère que la voûte parapluie VN de rang N est constituée par les tubes situés à la périphérie du tronçon de tunnel de rang N en étant les plus proches de l'axe A du tunnel 10 dans la direction radiale.
Par ailleurs, dans la suite, on désigne par front de taille FN du tronçon de rang N la tranche de terrain marquant la fin de l'excavation du tronçon de rang N. Le front de taille FN forme un mur de terrain, défini dans un plan sensiblement radial, et marquant la limite avec le tronçon suivant RN+i.
Dans une première étape de réalisation du tronçon de tunnel RN de rang N illustrée sur la figure 2, le sol est foré et les tubes 12 sont introduits dans le sol, l'un après l'autre, de façon à former la voûte VN du tronçon RN de rang N.
Dans l'exemple, chaque tube 12 comprend une extrémité proximale ouverte 14 et une extrémité distale ouverte 16 présentant un bord périphérique annulaire qui est pourvu de dents de coupe 24. Par dents de coupe, on entend les outils de forage en général, comme les picots, les boutons, les pastilles de carbure de tungstène, etc. pour excaver le sol S lors de la réalisation du forage. Les dents de coupe 24 sont dimensionnées pour excaver le sol, de sorte que le tube 12 est utilisé également comme outil de forage, avant d'être laissé en place dans le sol. Les étapes de forage et d'introduction du tube dans le sol sont donc réalisées concomitamment (on parle couramment de forage tubé à l'outil perdu).
Selon une variante de mise en œuvre, le sol est foré tout d'abord avec un outil de forage indépendant, non destiné à rester en place dans le sol (on parle dans ce cas de forage non tubé), puis, après que l'outil de forage a été retiré, le tube est introduit dans le trou de forage ainsi foré.
Dans l'exemple, les tubes 12 sont, plus particulièrement, des tubes à manchettes. De manière classique, un tube à manchettes 12 est muni d'ouvertures 20 qui sont formées à différentes hauteurs du tube, ainsi que de manchons flexibles 22 qui entourent le tube à manchettes 12 de façon à obturer les ouvertures 20 lorsque la pression à l'intérieur du tube à manchettes est inférieure ou égale à la pression à l'extérieur du tube à manchettes. Ces manchons flexibles 22 sont agencés pour se déformer vers l'extérieur afin de permettre un écoulement à travers les ouvertures 20 lorsque la pression à l'intérieur du tube à manchettes est sensiblement supérieure à la pression à l'extérieur du tube à manchettes.
Dans l'exemple illustré, les ouvertures 20 recouvertes de manchons flexibles 22 sont réparties sur la portion distale du tube, en particulier sur le dernier tiers du tube 12.
Pour son introduction dans le sol, chaque tube 12 est relié, par son extrémité proximale 14, à des moyens 18 d'entraînement en rotation, qui comprennent ici un moteur hydraulique 19.
Comme illustré sur la figure 2, chaque tube 12 est introduit dans le sol par son extrémité distale 16, en étant mis en rotation grâce aux moyens d'entraînement 18. Chaque tube 12 est inséré sur la couronne (i.e. à la périphérie) du front de taille du tronçon RN-1 de rang N-l, en longeant sensiblement la partie supérieure de ce tronçon RN-i. Une fois en place, le tube 12 s'étend selon une direction définie dans un plan sensiblement axial et légèrement inclinée par rapport à l'axe principal A, par exemple d'un angle β compris entre 5° et 10°. L'inclinaison des tubes 12 par rapport à l'axe A du tunnel 10 permet le chevauchement des voûtes parapluie V successives du tunnel. Comme illustré sur la figure 1, chaque nouvelle voûte parapluie VN formée est pour ainsi dire encastrée ou emboîtée partiellement dans la voûte parapluie VN-i du tronçon précédent.
Pendant le forage, un fluide de forage, de l'eau par exemple, est injecté par l'intérieur de chaque tube 12 et ressort dans le forage par l'extrémité distale du tube 12. Les débris excavés par les dents de coupe 24, mélangés au fluide de forage, sont évacués par l'extérieur du tube 12 à travers un espace étroit, habituellement de quelques millimètres d'épaisseur, défini tout autour du tube (ci-après espace annulaire).
Le forage est réalisé de manière à amener l'extrémité distale 16 de chaque tube 12 jusqu'à une profondeur prédéterminée à laquelle est située la zone de sol à consolider Z.
Lorsque chaque tube 12 est en place, un coulis de scellement, notamment un coulis de ciment, référencé ici CS, est introduit dans ledit tube 12 de la voûte parapluie VN, notamment à l'aide d'un tube obturateur simple 25 inséré dans chaque tube 12 comme illustré sur la figure 3. En s'échappant à faible pression par l'extrémité distale ouverte 16 et éventuellement les ouvertures latérales 20 du tube 12, le coulis de scellement CS vient imprégner le sol autour du tube 12, combler l'espace annulaire, et ainsi sceller le tube 12 au sol et aux tubes 12 adjacents.
Si nécessaire, en particulier si le coulis de scellement a souillé l'intérieur du tube, chaque tube 12 est nettoyé dans une deuxième étape (non représentée), par exemple à l'eau, de sorte que certaines au moins des ouvertures 20 à la périphérie du tube 12 et à son extrémité distale 16 communiquent avec l'ouverture du tube à son extrémité proximale 14.
Les tubes 12 de la voûte parapluie VN forment, une fois nettoyés, des tubes d'injection par lesquels un coulis de consolidation, référencé ici CC, va être injecté dans la zone de sol à activer (ci-après injection de consolidation).
L'injection de consolidation selon l'invention a pour objectif d'amener le sol de la zone à activer dans un état de contraintes différent de son état initial. En particulier, l'injection est destinée à précontraindre cette zone de sol avant qu'elle ne subisse les désordres (tassements, décompression notamment) liés à l'excavation des tronçons précédents. Sur la figure 14, on a par exemple illustré la courbe prévisionnelle de tassements du sol, à la surface du massif, à l'issue de l'excavation des tronçons jusqu'au rang N-l et en l'absence de toute consolidation du sol. On observe, sur cette courbe, que les tassements T les plus importants sont mesurés au droit des zones excavés et que l'amplitude de tassement décroît progressivement jusqu'à devenir quasi-nulle à une distance D du front de taille FN-i, en avant de ce dernier.
La longueur LA des tubes 12 est choisie de sorte qu'au moins un orifice d'injection de chaque tube 12, prévu sur sa portion distale, est situé dans la zone à activer Z dans laquelle les tassements liés aux travaux d'excavation du tronçon N sont évalués de façon théorique comme étant inférieurs à une valeur limite (valeur faible caractérisant une quasi- absence de tassements) en cas d'absence de consolidation préalable du sol. Dans l'exemple, la distance D est environ deux fois supérieure à la longueur LT d'un tronçon. La longueur LA des tubes est donc choisie supérieure à deux fois et demi la longueur LT d'un tronçon, ici environ trois fois cette longueur.
Chaque projet de construction fait l'objet de spécifications techniques en amont. Dans le cas d'un tunnel, un coefficient de perte de volume maximal est usuellement fixé par contrat de façon globale, pour le tunnel ou pour une zone du tunnel. Ce coefficient de perte de volume, qui correspond au ratio entre le volume de la cuvette de tassement à la surface du massif et le volume théorique de terrain excavé pour le tunnel, caractérise le maximum de tassement admissible sur la longueur du tunnel ou de la zone considérée.
Par calcul, il est possible de déterminer la contribution de l'excavation de chaque tronçon de tunnel au tassement global, et, ainsi, de définir le coefficient de perte de volume correspondant à chaque tronçon particulier du tunnel.
L'objectif de l'injection est de compenser, au fur et à mesure du creusement du tunnel, les tassements induits par l'excavation de chaque tronçon. Le traitement par injection est d'autant plus efficace qu'il est appliqué à la source des tassements, et qu'il comprend une composante préventive (précontrainte du sol). A partir du coefficient de perte de volume correspondant à un tronçon du tunnel, on peut déduire un programme d'injection au niveau de ce tronçon, et notamment une consigne en volume et en pression, pour l'injection aux abords de ce tronçon. Chaque passe d'injection peut être modélisée par un soulèvement. On peut ainsi déterminer, en général de façon automatique, une répartition optimale des points d'injections et des quantités de substance à injecter pour que les soulèvements théoriques liés à l'injection neutralisent les tassements théoriques liés à l'excavation.
Dans certains cas, il pourra être prévu que la consigne d'injection au droit d'un tronçon de rang N+2, notamment en volume, soit atteinte en une seule phase d'injection dans les tubes de la voûte de présoutènement d'un tronçon de rang N, en amont de l'excavation dudit tronçon de rang N. Dans d'autres cas, il pourra être prévu que la consigne soit atteinte en plusieurs phases d'injections successives, réalisées, dans les tubes de la voûte de rang N, à différents moments au cours de l'excavation du tunnel.
Comme illustré sur la figure 5, le coulis de consolidation CC est donc injecté dans chaque tube 12 par l'intermédiaire d'un tube obturateur double 26 qui est introduit dans le tube 12 afin d'isoler une ou certaines ouverture(s) 20.
Comme cela est représenté sur la figure 5, lors du pompage du coulis de consolidation dans le tube à manchettes 12, l'augmentation de la pression du coulis CC dans le tube à manchettes 12 a pour effet d'ouvrir le manchon ce qui permet au coulis de consolidation CC de s'écouler dans le sol S afin de traiter la zone Z.
Dans une nouvelle étape illustrée sur la figure 7, le sol est excavé sous la voûte parapluie VN, sur une longueur LT inférieure à la longueur Lv de la voûte mesurée dans la direction axiale.
Après excavation d'un tronçon de tunnel, on mesure généralement l'écart entre le tassement réel du massif de terrain au droit du tronçon excavé et la tolérance imposée par les spécifications techniques du projet et on ajuste le coefficient de perte de volume du tronçon et ceux des tronçons suivants pour tenir compte de cet écart dans la détermination des consignes d'injection. Le cas échéant, l'injection est complétée sur le tronçon concerné.
Après l'étape d'excavation, et comme illustré sur la figure 7, des cintres 60 sont posés sur les parois latérales du tronçon de tunnel et le tronçon est revêtu de béton 62, par exemple par la technique du béton projeté.
Comme il ressort de la figure 7, il y a une continuité entre les différentes zones injectées le long des tubes 12 des voûtes de présoutènement successives. Le traitement du terrain est ainsi continu le long du tracé du tunnel.
Au préalable de la réalisation de la voûte parapluie VN destinée à renforcer la section supérieure du tronçon RN, il est courant de renforcer le front de taille FN-i du tronçon RN-I pour en limiter les déformations.
Un premier mode de mise en œuvre selon l'invention, permettant un tel renforcement, est illustré sur les figures 8 à 12.
Comme illustré sur la figure 8, des tubes, par exemple des tubes à manchettes 42, du même type que ceux décrits précédemment sont introduits dans le front de taille FN puis scellés au sol au moyen d'un coulis de scellement CS (le coulis de scellement venant remplir l'espace annulaire entourant le tube d'injection).
Les tubes d'injection 42 présentent une longueur avantageusement supérieure à 2,5 fois la longueur d'un tronçon. De cette façon, les tubes 42 permettent de consolider le front de taille mais également, dans une certaine mesure, la zone de sol à activer Z située au droit du tronçon de tunnel de rang N+2.
L'intérieur des tubes 42 est ensuite nettoyé, par exemple à l'aide d'une lance d'injection d'eau 41, puis, comme illustré sur la figure 9, un coulis de consolidation CC est injecté dans le sol, par les tubes 42, éventuellement au moyen d'un tube obturateur double 26.
Comme illustré sur la figure 10, les tubes 42 sont nettoyés une nouvelle fois et une armature en fibres de verre 44 est introduite dans chacun d'entre eux.
Les tubes 42 sont ensuite retirés (figure 11), et l'armature 44 est scellée au sol au moyen d'un coulis de scellement CS, introduit autour de l'armature 44 (figure 12). Un deuxième mode de mise en œuvre selon l'invention, permettant le renforcement du front de taille FN-i du tronçon de rang N-l, est illustré sur la figure 15.
Selon ce mode de mise en œuvre, un trou de forage 50 est tout d'abord réalisé dans le front de taille FN, ledit trou de forage étant suffisamment large pour recevoir l'un à côté de l'autre, une armature 44 telle qu'un boulon en fibre de verre et un tube d'injection 70. Dans l'exemple illustré, le trou de forage 50 est un forage tubé à l'outil perdu. En d'autres termes, l'organe de forage est un tube de forage 52 qui est conservé dans le sol lorsque, au cours d'une deuxième étape, l'armature 44 et, à côté d'elle, le tube d'injection 70 sont introduits dans le trou de forage 50. Dans l'exemple illustré, le diamètre du tube d'injection 42 est évidemment inférieur au diamètre du trou de forage 50 et du tube de forage 52 et la longueur du tube d'injection 70 est par ailleurs supérieure à la longueur de l'armature 44. Dans ce mode de réalisation, le tube d'injection 70 est avantageusement réalisé dans une matière plastique, permettant sa destruction aisée lors de l'excavation du tronçon de rang N.
Dans une troisième étape, le tube de forage 52 est retiré du trou de forage 50.
Dans un quatrième temps, un coulis de scellement CS est injecté à travers le tube d'injection 70 pour sceller ledit tube d'injection 70 et l'armature 44 au sol.
Le tube d'injection 70 est ensuite nettoyé, dans une cinquième étape.
Enfin, dans une sixième étape, un coulis de consolidation CS est injecté dans le sol, à travers le tube d'injection 70.
Selon une variante de mise en œuvre adaptée au cas d'un terrain cohérent, le trou de forage 50 est réalisé à l'aide d'un outil de forage retiré avant l'introduction, dans le trou de forage 50, de l'armature 44 et du tube d'injection 70. Du fait qu'il est cohérent, le sol se tient sans tubage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de consolidation d'un sol (S) encaissant un tunnel (10) excavé par tronçons (Ri, RN RN+I, RN+2, ■■■), dans lequel chaque tronçon (Ri, RN, RN+I, RN+2, ...) dudit tunnel
(10) est surmonté d'une voûte (Vi, VN, VN+i, VN+2,■■■) de pré-soutènement constituée d'une pluralité de tubes (12) scellés au sol par un coulis de scellement (CS), et comprenant les étapes suivantes :
a) on introduit dans le sol (S) une pluralité de tubes (12) de façon à former la voûte de pré-soutènement (Vi, VN, VN+I, Vn+2, ...) de profil correspondant à celui souhaité pour le tunnel (10), chaque tube (12) présentant une extrémité proximale ouverte (14) et au moins un premier orifice de sortie sur sa portion distale enfoncée dans le sol (S), et b) on introduit un coulis de scellement (CS) dans le sol, par ledit premier orifice de sortie dudit tube (12), de sorte que le coulis de scellement (CS) vient sceller le tube (12) au sol avoisinant,
le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape suivante :
c) après que le coulis de scellement (CS) a durci, on injecte un coulis de consolidation (CC) dans le sol (S) par ledit premier orifice de sortie dudit tube (12) ou par au moins un deuxième orifice de sortie formé sur sa portion distale.
2. Procédé de consolidation selon la revendication 1, dans lequel, avant l'étape c), on nettoie l'intérieur du tube (12) de la voûte de pré-soutènement (Vi, VN, VN+i, VN+2,■·■) pour pouvoir y injecter le coulis de consolidation (CC).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel:
d) on excave, dans l'espace délimité par les tubes de la voûte de pré-soutènement (Vi, VN, VN+1, VN+2,■■■), un tronçon (Ri, RN, RN+I, RN+2,■·■) de sol de longueur (LT) inférieure à la longueur (Lv) de la voûte (Vi, VN/ VN+i, VN+2,■■■), 'es tubes (12) constituant, sur la longueur excavée (LT), une structure de protection provisoire, et
e) on réalise la paroi du tronçon de tunnel (RN).
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on répète les étapes a) à e) jusqu'à ce que le tunnel (10) soit excavé sur toute sa longueur.
5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel, après l'étape d) d'excavation du tronçon de tunnel (RN) de rang N, on nettoie au moins un tube (12) de la voûte de présoutènement (VN-n) d'un tronçon de rang N-n, n étant compris entre 1 et N-l, et on réalise une nouvelle injection de coulis de consolidation (CC) dans le sol (S), à travers ledit tube nettoyé (12).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel l'injection de coulis de consolidation est réalisée en continu pendant au moins l'étape d) d'excavation.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une étape de modélisation prévisionnelle des tassements (T) du sol à l'avancement de l'excavation.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on détermine la pression d'injection et/ou le volume de coulis de consolidation (CC) injecté en fonction des tassements prévisionnels (T).
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel on évalue le tassement unitaire du sol situé au droit d'un tronçon (RN+2) de rang N+2 engendré par l'excavation du tronçon de tunnel (RN) de rang N, et on détermine les paramètres de l'injection réalisée par au moins un tube (12) de la voûte de pré-soutènement (VN) du tronçon (RN) de rang N dans la zone de sol situé au droit du tronçon (RN+2) de rang N+2 de sorte que le coulis de consolidation (CC) applique sur le sol injecté des contraintes permettant de neutraliser ledit tassement unitaire.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel on contrôle en continu le mouvement du sol (S) pendant l'étape d'injection, et la détection d'une amplitude de déplacement du sol supérieure à une valeur prédéterminée détermine le moment de l'arrêt de l'injection.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le au moins un tube (12) est un tube perforé, notamment un tube à manchettes.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel chaque tube (12) présente une longueur supérieure à 2,5 fois la longueur (LT) d'un tronçon (Ri, ... RN, RN+I, RN+2,■■■) de tunnel.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel on choisit la longueur (LA) des tubes (12) de la voûte de pré-soutènement (VN) d'un tronçon (RN) de rang N de sorte que la zone de sol injectée par lesdits tubes soit située axialement en avant du tronçon (RN+I) de tunnel de rang N+l.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel on fore au moins un trou de forage (50) dans le front de taille (Fi, FN, FN+i, FN+2,■·■), on dispose un tube d'injection (42) dans ledit trou de forage (50), ledit tube d'injection (42) présentant une extrémité proximale ouverte et au moins un orifice de sortie sur sa portion distale enfoncée dans le sol, et on injecte un coulis de consolidation (CC) dans le sol, par ledit tube (42).
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel on choisit la longueur du tube d'injection (42) introduit dans le front de taille (FN) d'un tronçon de rang N de sorte que la zone de sol injectée par ledit tube (42) soit située axialement en avant du tronçon de tunnel (RN+2) de rang N+2.
16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel on introduit une armature (44), notamment un boulon de fibres de verre, dans le trou de forage (50) foré dans le front de taille et on scelle l'armature (44) au sol à l'aide d'un coulis de scellement (CS).
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel après l'injection du coulis de consolidation (CC) dans le sol à travers le tube d'injection (42) inséré dans le front de taille
(Fi, F , FN+1, FN+2,■■■),
- on insère l'armature (44) à l'intérieur du tube d'injection (42),
- on retire le tube (42), et
- on scelle l'armature (44) au sol au moyen d'un coulis de scellement (CS).
18. Procédé selon la revendication 16, dans lequel
- on introduit le tube d'injection (42) et l'armature (44) dans le trou de forage (50), côte à côte dans la direction radiale du trou de forage (50),
- on injecte un coulis de scellement (CS) dans le sol pour sceller ledit tube d'injection (42) et l'armature (44) au sol, et
- on injecte le coulis de consolidation (CC) dans le sol à travers le tube d'injection (42).
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