Étude sur la réponse en déformation du soutènement des tunnels de transfert d'eau en régions froides sous conditions de ventilation et convection

Pourquoi la forme du tunnel compte en hiver

À travers des hautes montagnes et des plateaux gelés, de longs tunnels transportent discrètement de l'eau et des circulations à travers des roches soumises à un froid extrême, à des neiges abondantes et à des vents violents. Dans ces lieux, l'air qui circule dans un tunnel et les eaux souterraines qui s'infiltrent autour n'altèrent pas seulement la sensation de froid d'un voyageur : ils peuvent, au fil du temps, courber, fissurer et affaiblir l'enveloppe en béton du tunnel. Cette étude examine comment la température, l'humidité et la ventilation contribuent ensemble à la déformation des tunnels de transfert d'eau en régions froides, et comment les ingénieurs peuvent ajuster la ventilation et la conception du drainage pour protéger ces artères cachées pendant des décennies.

Comment l'air froid et la roche humide font équipe

Les chercheurs se concentrent sur des tunnels de transfert d'eau situés en altitude, dans des paysages très froids où les températures hivernales restent sous zéro et où le sol alterne entre gel et dégel. La ventilation naturelle entraîne l'air extérieur dans le tunnel, dont la température et l'humidité varient selon les saisons. Au fur et à mesure que cet air circule, il échange chaleur et humidité avec le revêtement en béton et la roche environnante. Parallèlement, les eaux souterraines circulent dans les fissures et les pores de la roche, apportant leur propre chaleur et humidité. Ensemble, ces processus créent des schémas complexes de gel, de dégel, d'humidification et de dessiccation qui affaiblissent progressivement les matériaux et modifient les forces exercées sur le revêtement.

Construire un jumeau numérique d'un tunnel froid

Comme il est pratiquement impossible de mesurer chaque détail à l'intérieur d'un tunnel enfoui sur de longues années, l'équipe a développé un modèle informatique détaillé pour reproduire l'environnement réel. Ils ont combiné des calculs d'écoulement d'air issus d'une plateforme logicielle avec un second modèle qui suit la chaleur, les mouvements d'eau et les contraintes mécaniques dans la roche et le revêtement. Pour garder le problème à la fois gérable et réaliste, ils ont supposé que la roche se comporte comme un milieu poreux homogène, que l'air dans le tunnel est un fluide parfait incompressible et que l'eau dans la roche se déplace principalement à l'état liquide. Le modèle intègre les transferts de chaleur, la diffusion et l'infiltration de l'humidité, et la réponse du revêtement aux variations de température et de teneur en eau. Des mesures sur le terrain de la température et de l'humidité de l'air, de la température des parois et du débit d'air dans un tunnel réel, ainsi que des comparaisons avec des expériences classiques de gel dans des sols, ont servi à vérifier que les simulations reproduisent le comportement observé.

Ce que la ventilation fait réellement au tunnel

Avec ce tunnel numérique, les auteurs ont exploré comment différentes vitesses et humidités d'air d'entrée, des niveaux d'eau souterraine et l'espacement d'un tunnel de drainage proche modifient les températures, l'humidité, les contraintes et les déplacements. Ils ont constaté que la vitesse de l'air a un effet à double tranchant. Lorsque l'air circule lentement, il reste en contact plus longtemps avec les parois, provoquant un fort refroidissement et une humidification du revêtement ; quand l'air circule très vite, le temps d'échange diminue, mais le flux plus intense peut néanmoins générer des variations de contraintes plus marquées. Au‑delà d'environ 2 mètres par seconde, augmenter la vitesse ne change plus beaucoup la température ou l'humidité de l'air, tandis que la contrainte principale dans le revêtement devient plus sensible à l'écoulement. L'humidité de l'air à l'entrée influence davantage l'humidité que la température : une humidité modérée autour de 40 % rendait la calotte du revêtement la plus réactive et entraînait les plus grands déplacements verticaux, alors qu'un air très sec ou très humide conduisait à un comportement plus stable.

Rôles méconnus de la nappe et de l'agencement du drainage

Les eaux souterraines se sont révélées aussi importantes que l'air. Une nappe élevée, avec une roche presque saturée, tend à lisser les variations de température mais augmente l'humidité, favorisant une migration d'eau plus active. À l'inverse, une nappe peu profonde engendre des pics de contrainte et de déplacement plus marqués au niveau de la voûte pendant les cycles gel‑dégel. La distance entre le tunnel principal et son tunnel de drainage joue également un rôle. Lorsque les tunnels sont trop proches, le revêtement subit de grands déplacements périodiques du fait de l'interaction entre les champs d'eau et de température ; lorsqu'ils sont trop éloignés, la contrainte à la voûte peut atteindre des niveaux élevés et fluctuer fortement, augmentant le risque de fissuration. Un espacement modéré réduit à la fois l'amplitude des déformations et la concentration des contraintes.

L'entrée, un lieu d'agitation

L'entrée du tunnel apparaît comme un point particulièrement critique. Là, le revêtement et la roche environnante subissent pleinement les variations météorologiques extérieures, les changements d'écoulement d'air et les forts gradients de température et d'humidité. Le modèle montre que contraintes et déplacements augmentent en magnitude à l'approche du portail, et que le schéma d'enfoncement de la voûte combiné au bombement des parois latérales devient le plus prononcé. Plus profondément dans le tunnel, où l'air est plus calme et la roche joue un rôle d'amortisseur thermique, les conditions sont beaucoup plus stables et les contraintes se répartissent de façon plus homogène.

Ce que cela implique pour des tunnels plus sûrs

Pour un public non spécialiste, l'idée principale est que la sécurité des tunnels en régions froides dépend non seulement de la résistance du béton, mais aussi de la gestion de l'air et de l'eau. L'étude montre que choisir soigneusement des vitesses de ventilation naturelle, éviter que l'humidité d'entrée n'atteigne la plage la plus critique, positionner les tunnels de drainage et les drains à des distances appropriées et tenir compte des niveaux saisonniers des nappes peut réduire sensiblement la déformation et les contraintes dans le revêtement—en particulier près de l'entrée. Bien que le modèle simplifie certains comportements des matériaux, il offre aux ingénieurs un cadre pratique pour prédire où et quand un tunnel de région froide est le plus susceptible de se déformer, et comment adapter la conception et l'exploitation pour que ces artères souterraines restent sûres sur le long terme.

Citation: Chang, X., Qiao, J., Ren, J. et al. Study on the deformation response of support for water diversion tunnels in cold regions under ventilation and convection conditions. Sci Rep 16, 9391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34234-6

Mots-clés: tunnels en régions froides, ventilation de tunnel, dommages gel‑dégel, infiltration d'eau souterraine, déformation du revêtement