Comment conçoit-on, sur le plan structurel, un anneau de voussoirs pour un tunnel creusé à l'aide d'un tunnelier ?

Le anneau de voussoirs d'un tunnel réalisé à l'aide d'un tunnelier La conception vise à garantir que le revêtement préfabriqué en béton armé résiste aux actions du sol, de l'eau, à la poussée du tunnelier, aux injections, à la manutention, au transport, au montage, à l'exploitation et aux éventuelles situations accidentelles. La conception structurelle définit la géométrie de l'anneau, l'épaisseur, le nombre de voussoirs, la classe de béton, l'armature, les joints, les boulons, les connecteurs, les tolérances, l'étanchéité, la durabilité et le système de montage.

Dans les projets de tunnel segmentaire, la voûte n’est pas conçue uniquement pour la phase finale d’exploitation. Elle doit également résister à des phases temporaires très exigeantes : démoulage, stockage, transport, levage, poussée des vérins, passage du back-up, injection dans la face arrière et mise en charge progressive du sol.

Qu'est-ce qu'un anneau de voussoirs dans un tunnel creusé au tunnelier ?

Un anneau de voussoirs est le revêtement structurel monté à l'intérieur du bouclier de la foreuse à l'aide d'éléments préfabriqués en béton, généralement dotés de joints longitudinaux et circonférentiels. Chaque anneau fonctionne comme une structure segmentée soumise à la compression, qui doit résister aux charges externes, aux déformations du sol, à la pression de l'eau et aux efforts liés au montage.

Charges auxquelles l'anneau doit résister

La conception structurelle tient compte des actions permanentes, variables, temporaires et accidentelles.

Géométrie de l'anneau

La géométrie est définie à partir du diamètre intérieur utile, du diamètre extérieur creusé, du gabarit, des tolérances, de l'épaisseur structurelle, de la courbure du tracé et de l'espace prévu pour les joints.

On détermine :

• Diamètre intérieur.
• Diamètre extérieur.
• Épaisseur de la voussoir.
• Largeur de la bague.
• Nombre de voussoirs par anneau.
• Angle de chaque voussoir.
• Type de voussoir clé.
• Conicité de l'anneau, si le tracé comporte des courbes.
• Tolérances de montage.
• Espace réservé au joint d'étanchéité.
• Compatibilité avec la machine à poser les voussoirs.
• Jeu par rapport au bouclier de la TBM.

La géométrie doit permettre au joint de s'ajuster en toute sécurité, d'assurer l'étanchéité et de s'adapter au tracé sans générer de concentrations de contraintes.

Modèle structurel de calcul

L'anneau peut être analysé avec différents niveaux de détail en fonction du diamètre, de la profondeur, du type de sol, de la pression de l'eau et de l'importance du projet.

Les modèles courants prennent en compte :

• Anneau continu équivalent.
• Bague segmentée avec joints.
• Interaction sol-structure.
• Rigidité réduite grâce à l'articulation des joints.
• Charges verticales et horizontales exercées par le sol.
• Pression hydrostatique.
• Réaction du sol.
• Phases de construction.
• Effets tridimensionnels dans des zones particulières.
• Charges locales des vérins et des appuis.
• Conditions de courbure.

Pour les tunnels complexes, le modèle peut intégrer le comportement non linéaire des joints, la rigidité du sol, les phases d'excavation, la pression au front de taille, l'injection en dos de tunnel et la séquence réelle de montage.

Vérification structurelle des voussoirs

Chaque voussoir est vérifié par rapport aux états limites de résistance et d'utilisation.

Résistance à la flexion et à la compression

La voûte doit résister aux moments de flexion, aux efforts axiaux et aux combinaisons résultant des charges du sol, de l'eau, du montage et de l'exploitation.

Coupe et efforts locaux

On vérifie les zones situées à proximité des joints, des appuis, des points de levage, des points d'action des vérins, des logements des connecteurs et des bords.

Fissuration

La conception doit limiter l'apparition de fissures afin de protéger les armatures, de garantir la durabilité et de préserver les performances dans des environnements exposés à l'humidité, aux chlorures, aux sulfates ou aux eaux agressives.

Déformation et ovalisation

L'anneau doit présenter des déformations compatibles avec le gabarit, l'étanchéité, les joints, les équipements intérieurs et le fonctionnement hydraulique ou ferroviaire, en fonction de l'utilisation du tunnel.

Perçage ou écrasement local

Les charges concentrées exercées par les vérins de poussée, les éléments de montage ou les connecteurs peuvent générer des efforts locaux qui nécessitent un assemblage spécifique ou l'utilisation de plaques de répartition.

Conception des joints entre les voussoirs

Les joints constituent un élément essentiel de la bague, car ils déterminent la rigidité, l'étanchéité, la transmission des efforts et les tolérances de montage.

Les sujets suivants sont étudiés :

• Géométrie de contact.
• Capacité de compression.
• Ouverture autorisée.
• Rotation autorisée.
• Cisaillement.
• Transmission des efforts entre les voussoirs.
• Contact partiel ou excentricité.
• Risque d'écaillage.
• Système de boulons ou de connecteurs.
• Logement pour joint élastomère.
• Tolérances de fabrication et de montage.
• Compatibilité avec la pression de l'eau.

Le joint doit concilier trois objectifs : faciliter le montage, transmettre les efforts et garantir l'étanchéité pendant toute sa durée de vie.

Étanchéité et pression de l'eau

Dans les tunnels situés sous le niveau de la nappe phréatique ou soumis à une pression extérieure, l'étanchéité est assurée par des joints en élastomère et un contrôle des tolérances.

On vérifie :

• Pression maximale de l'eau.
• Compression minimale du joint.
• Lieu de la réunion.
• Prise en charge des rotations et des translations.
• Emplacement des joints longitudinaux et circonférentiels.
• Risque de dommages lors du montage.
• Nettoyage des surfaces.
• Essais d'étanchéité, le cas échéant.
• Durabilité du matériau élastomère.

L'étanchéité dépend à la fois de la conception, de la fabrication, du stockage, du montage et du contrôle de chaque segment.

Assemblage des voussoirs

L'assemblage est conçu pour résister à des efforts globaux et locaux. Il doit tenir compte des phases temporelles et pas uniquement de l'exploitation.

Sont pris en compte :

• Armure principale.
• Armature transversale.
• Renforts sur les bords.
• Renforts au niveau des points de levage.
• Renforts au niveau des points d'ancrage.
• Renforts autour des connecteurs.
• Contrôle de la fissuration.
• Revêtement nominal.
• Durabilité.
• Embouteillage d'acier.
• Compatibilité avec les moules.
• Tolérances de fabrication.
• Possibilité d'utiliser des fibres structurelles si le projet le permet.

Dans certaines conceptions, on associe des armatures classiques à des fibres afin d'améliorer le contrôle de la fissuration, la résistance résiduelle ou le comportement face aux chocs et aux manipulations.

Les phases de construction qui déterminent la conception

La bague doit passer par plusieurs étapes avant d'atteindre son état final.

Fabrication

On contrôle le béton, le durcissement, le décoffrage, les tolérances, les finitions, la position des armatures, les inserts, les joints et la réparation des défauts.

Transport et collecte

Les voussoirs peuvent se fissurer ou s'abîmer si les appuis ne coïncident pas avec les points prévus. La conception doit tenir compte des charges liées à la manutention.

Montage à l'intérieur du tunnelier

Au cours du montage, la voussoir peut subir des contacts localisés, des rotations, des ajustements et des poussées de la part de la machine de montage.

Avancement de la foreuse de tunnel

Les paliers de la TBM s'appuient sur la bague montée. Cette phase génère des charges concentrées qui doivent être prises en compte dans la géométrie et l'assemblage.

Injection dans l'intrados

La pression d'injection doit remplir l'espace annulaire sans déformer excessivement la bague ni faire sauter les joints.

Service

Une fois le terrain stabilisé, l'anneau résiste aux charges permanentes, à la pression de l'eau, aux agressions environnementales et aux sollicitations propres à l'utilisation du tunnel.

Durabilité de l'anneau de voussoirs

La durabilité dépend de l'environnement, de la durée de vie, du revêtement, de la qualité du béton, de la perméabilité, des fissures, des joints et de l'exposition à des agents agressifs.

Sont examinés :

• Cours magistral.
• Présence d'eau souterraine.
• Chlorures.
• Sulfates.
• CO₂.
• Température.
• Attaque chimique.
• Usure interne en cas de débit.
• Revêtement des armatures.
• Rapport eau/ciment.
• Résistance et perméabilité du béton.
• Contrôle des fissures.
• Compatibilité des joints et des garnitures d'étanchéité.

Dans les conduites hydrauliques, les collecteurs ou les tunnels situés dans des environnements agressifs, la durabilité peut être tout aussi déterminante que la résistance mécanique.

Contrôle qualité de la fabrication et du montage

La conception doit s'accompagner d'un plan de contrôle garantissant que les voussoirs réels respectent la géométrie et les performances calculées.

Les éléments suivants sont contrôlés :

• Matériaux.
• Dosage et résistance du béton.
• Affiné.
• Dimensions et tolérances.
• Emplacement des armatures et des inserts.
• État des joints d'étanchéité.
• Finition des bords.
• Fissures et écaillures.
• Essais de charge, le cas échéant.
• Identification des pièces.
• Séquence de montage.
• Couple de serrage ou de verrouillage des connecteurs.
• Enregistrements de poussée du tunnelier.
• Pression d'injection côté arrière.
• Contrôle des fuites.

Le suivi du montage permet de détecter les écarts, les dommages sur les bords, les joints mal ajustés ou les forces de poussée supérieures à celles prévues.

Risques liés à une conception insuffisante

Un anneau de voussoirs mal conçu ou mal contrôlé peut entraîner :

• Fissuration excessive.
• Ébréchures sur les bords.
• Fuites.
• Déformation ou ovalisation.
• Ouverture des assemblées.
• Dommages causés par les vérins de poussée.
• Perte des tolérances.
• Difficultés de montage.
• Corrosion des armatures.
• Problèmes d'étanchéité.
• Frais supplémentaires liés aux réparations.
• Réduction de la durée de vie.
• Risques liés à l'exploitation du tunnel.

Ces risques résultent généralement de l'interaction de plusieurs facteurs : géotechnique, pression de l'eau, joints, tolérances, poussées du tunnelier, injection et contrôle de la fabrication.

Informations nécessaires à l'étude du projet

Pour la conception structurelle d’un anneau de voussoirs destiné à un tunnel creusé par TBM, il convient de fournir les informations suivantes : diamètre intérieur, diamètre extérieur, longueur du tunnel, utilisation prévue, tracé en plan et profil, rayons de courbure, profondeur, couverture, données géotechniques, pression de l’eau, niveau de la nappe phréatique, charges externes, sismicité le cas échéant, type de TBM, poussée maximale des vérins, répartition des vérins, pression au front de taille, pression d’injection en dos de voûte, tolérances, nombre de voussoirs par anneau, largeur de l’anneau, durée de vie, classe d’exposition, agressivité de l’eau ou du sol, critères d’étanchéité, type de joint, connecteurs, procédure de montage, logistique des voussoirs, conditions de fabrication, transport, stockage, critères de fissuration, réglementation applicable et exigences d’inspection.

Appel à l'action : Demander un révision technique de la conception structurelle des anneaux de voussoirs pour les tunnels creusés au tunnelier (TBM) avant la clôture : diamètre, épaisseur, joint, assemblage, étanchéité, TBM ou documentation relative à l'appel d'offres.