Étude par modèle physique sur le mécanisme du soulèvement du sol pour une galerie profondément enfouie excavée dans une roche molle à lits minces en pente faible

Pourquoi le sol des tunnels de mine se soulève soudainement

En profondeur, les planchers de certaines galeries minières se bombent lentement vers le haut, déformant les rails et l’équipement et mettant en danger la sécurité des travailleurs. Ce phénomène énigmatique de « soulèvement du sol » coûte cher à réparer et est difficile à prévoir, en particulier dans les roches molles et stratifiées courantes dans les régions houillères. L’étude décrite ici combine de grands modèles physiques et numériques pour montrer comment les contraintes dans des couches rocheuses minces et faiblement inclinées peuvent fissurer et soulever le plancher du tunnel, apportant des éléments permettant de concevoir des voies souterraines plus sûres et plus stables.

Regard approfondi sur le soulèvement des planchers de tunnel

Dans l’ouest de la Chine et dans de nombreuses autres zones minières, le charbon est extrait à des centaines de mètres de profondeur, où le poids des couches sus-jacentes génère d’énormes pressions. Beaucoup de ces galeries traversent des roches molles disposées en couches minces—mudstone, charbon et siltstone—inclinaison faible plutôt que parfaitement horizontale. Les ingénieurs ont depuis longtemps observé que, dans ces conditions, le plancher du tunnel peut se courber vers le haut de façon importante au fil du temps. Les explications antérieures mettaient l’accent sur les forces verticales provenant du plafond, le gonflement lié à l’eau ou la fluage lent des roches, mais le rôle spécifique de la structure en couches et du cisaillement latéral de la masse rocheuse restait flou.

Construire un tunnel en laboratoire

Pour élucider ce mécanisme, les chercheurs ont construit un grand modèle physique basé sur une galerie réelle d’une mine de charbon du Yunnan, en Chine, située à environ 750 mètres de profondeur dans des couches inclinées d’environ dix degrés. Ils ont recréé les trois principaux types de roche avec des poudres soigneusement mélangées reproduisant la masse volumique et la résistance des roches réelles à une échelle réduite. Le bloc stratifié, de la taille d’une grande table, comprenait une petite galerie creusée dans la couche « charbon ». À l’aide d’un chargement hydraulique, ils ont appliqué des pressions équivalentes à celles en profondeur, avec des contraintes verticale et horizontale égales, puis simulé l’excavation et des chargements supplémentaires par étapes contrôlées.

Observer la déformation et la rupture de la roche

Pendant le chargement, un système de caméras à haute résolution a suivi de minuscules mouvements de surface, tandis que des dizaines de jauges de déformation mesuraient la déformation à l’intérieur du bloc. À mesure que la pression augmentait, les premiers changements perceptibles sont apparus sous le plancher de la galerie. Une zone en forme d’entonnoir montrant une augmentation de la déformation s’est formée directement sous le tunnel, s’accentuant au fur et à mesure du chargement. Finalement, les couches minces sous la galerie se sont détachées de celles en dessous, se sont fissurées et sont remontées, provoquant un net soulèvement du plancher. La déformation la plus intense se concentrant dans une région s’étendant jusqu’à environ la moitié de la largeur du tunnel dans le sol, et la déformation équivalente dans cette zone a atteint un pic élevé, indiquant des dommages importants. L’analyse a montré que le cisaillement horizontal des couches molles et minces était le principal moteur de ce soulèvement.

Tension et compression cachées autour du tunnel

L’équipe a également cartographié la façon dont la roche autour du tunnel est passée de l’étirement à l’écrasement lors de la défaillance du plancher. Dans une distance comparable au diamètre du tunnel, des zones de traction (étirement) et de compression (poussée) s’alternaient autour de l’ouverture. Après le soulèvement du plancher, la roche la plus proche de la galerie a subi une forte traction, en particulier dans les coins et le long du plafond et du plancher, tandis que des zones de compression se formaient plus à l’extérieur. Ce schéma explique pourquoi les fissures tendent à initier à des points précis puis à se propager en une forme caractéristique de rupture autour du tunnel.

Vérification des résultats par modélisation numérique

Pour confirmer que le comportement observé n’était pas unique à un seul essai, les chercheurs ont construit un modèle numérique tridimensionnel avec un logiciel de mécanique des roches reconnu. Ils ont reproduit la même géométrie, la même structure en couches et les mêmes conditions aux limites que dans l’essai physique. Le tunnel simulé a montré des schémas de déplacement similaires : le plancher près d’un côté du tunnel s’est courbé fortement vers le haut et fissuré, tandis que le plafond a légèrement fléchi. Les points de mesure clés dans la simulation se sont déplacés d’à peu près les mêmes ordres de grandeur que dans le modèle de laboratoire, avec des écarts de seulement quelques millimètres à l’échelle expérimentale. Cette forte concordance renforce la confiance dans le mécanisme identifié.

Ce que cela signifie pour des tunnels souterrains plus sûrs

Pour un public non spécialiste, la conclusion est simple : dans des roches molles, minces et faiblement stratifiées en profondeur, le cisaillement latéral du massif peut être tout aussi important que le poids vertical pour entraîner le soulèvement du plancher du tunnel. Les couches légèrement inclinées se comportent comme des plaques empilées et faibles qui se plient, se fissurent et se décollent sous la contrainte horizontale, notamment sous la galerie. Savoir que les dommages les plus critiques se concentrent dans une zone en entonnoir directement sous le tunnel et dans une largeur d’environ un diamètre de tunnel aide les ingénieurs à prévoir des renforts ciblés, tels que des ancrages de plancher ou des soutènements localisés plutôt qu’une surconception généralisée. Bien que l’étude porte sur une mine particulière, ses conclusions offrent une image physique plus claire qui peut orienter une conception et un contrôle plus fiables des galeries profondes dans le monde entier.

Citation: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

Mots-clés: soulèvement du sol, galerie en roche molle, exploitation minière en profondeur, stabilité des tunnels, couches rocheuses