Analyse de l’influence du creusement de nouveaux tunnels sur la stabilité des tunnels existants adjacents

Pourquoi les villes surpeuplées ont besoin de tunnels plus sûrs

À mesure que les grandes villes ajoutent davantage de lignes de métro, les nouveaux tunnels doivent de plus en plus s’insérer autour de ceux déjà en service. Creuser un nouveau tunnel trop près d’un tunnel existant peut pousser, tordre ou fissurer la structure plus ancienne, avec des conséquences évidentes pour la sécurité et l’exploitation. Cette étude examine l’amplitude des déformations que peut subir un tunnel de métro en service lorsqu’un nouveau tunnel est creusé à proximité, et propose des formules simples que les ingénieurs peuvent utiliser pour éviter que les travaux futurs ne mettent en danger les usagers d’aujourd’hui.

Comment les nouveaux tunnels perturbent le sol

Les tunneliers excavent la terre et la roche puis les remplacent par un tube doublé de béton. Ce processus desserre et déplace légèrement le sol environnant. En retour, le sol exerce des poussées différentes sur ce qui est déjà enterré, comme un tunnel plus ancien. Les auteurs revisitent d’abord la façon dont on estime habituellement le poids du sol au-dessus d’un tunnel. Les méthodes classiques supposent une « arche » lisse de terrain qui redistribue les charges autour de l’ouverture, mais elles négligent la quantité de sol réellement perdue ou déplacée lors du creusement. L’équipe affine cette idée pour prendre en compte les loess et sols similaires courants à Xi’an, en Chine, où de nombreuses nouvelles lignes de métro sont prévues.

Mise à jour de l’estimation des pressions du sol

Les calculs traditionnels, remontant aux travaux de Karl Terzaghi dans les années 1930, traitent l’arche de sol au-dessus d’un tunnel comme entièrement formée et utilisent un coefficient fixe pour convertir le poids vertical en pression latérale sur la paroi. Des recherches ultérieures ont montré que ceci omet un détail important : lorsque la face du tunnel avance, une partie du sol tasse ou se déplace, affaiblissant l’arche. Les auteurs adoptent une approche plus récente d’« arche de sol incomplète » qui inclut explicitement le taux de perte de sol — la quantité de tassement de la surface ou de la clé qui se produit pendant l’excavation. Ils montrent que pour des niveaux de perte réalistes dans les loess argileux, la méthode raffinée prédit généralement des pressions sur le tunnel plus faibles et plus réalistes que les formules anciennes, en particulier lorsque la perte de sol n’est pas négligeable.

Expériences virtuelles avec des tunnels jumelés

Pour évaluer comment un nouveau tunnel affecte un tunnel existant voisin, les chercheurs ont construit des modèles informatiques tridimensionnels détaillés en utilisant les sols et les dimensions de tunnels de métro typiques de Xi’an. Ils ont fait varier trois paramètres : les diamètres des tunnels, la distance entre eux et leurs positions relatives — côte à côte, décalés en diagonale ou l’un directement au-dessus de l’autre. Dans chaque cas, ils ont simulé le creusement anneau par anneau et suivi les déplacements de huit points clés autour de la section transversale du tunnel existant. Les modèles montrent que plus les tunnels sont proches et plus le tunnel existant est grand, plus il se déforme. Ils révèlent aussi que les tunnels existants ne se contentent pas de se déplacer ; ils ont tendance à se tordre, un côté se déplaçant davantage que l’autre.

Comment les tunnels se déplacent, se tordent et s’affaissent

Lorsque le nouveau tunnel est à peu près parallèle et à une profondeur similaire, le tunnel plus ancien est repoussé principalement latéralement vers la zone d’excavation, avec seulement un faible tassement vertical. Dans ce cas, le déplacement horizontal domine, et la torsion (rotation) du vieux tunnel est la plus marquée lorsque l’écartement libre n’est que d’environ cinq mètres. Lorsque l’espacement augmente jusqu’à 20 mètres, le déplacement latéral maximal peut diminuer de plus des deux tiers, et la torsion devient négligeable. Quand le nouveau tunnel est en position diagonale ou directement en dessous, la situation change : le tunnel existant se déplace et s’affaisse. Les mouvements verticaux peuvent atteindre près de deux centimètres lorsque les tunnels sont proches et de grande taille, puis diminuent régulièrement à mesure que l’espacement augmente. Dans toutes les configurations, l’angle de rotation augmente avec le diamètre du tunnel mais diminue quand on éloigne les tunnels, suivant des courbes mathématiques régulières.

Formules simples que les ingénieurs peuvent réellement utiliser

À partir de ces simulations, les auteurs ont extrait des formules de prédiction qui relient les déplacements latéraux et verticaux maximaux d’un tunnel existant à deux grandeurs faciles à mesurer : son rayon et sa distance par rapport au nouveau tunnel. Les relations suivent principalement des tendances logarithmiques en fonction de l’espacement, ce qui signifie que rapprocher fortement les tunnels augmente nettement les déformations, alors qu’ajouter de la distance au-delà d’environ 15–20 mètres rapporte des bénéfices décroissants. L’étude clarifie aussi que, pour des tunnels côte à côte, limiter les déplacements horizontaux dans les limites réglementaires garantit automatiquement la sécurité des déplacements verticaux.

Ce que cela signifie pour la construction future de métros

Pour les non-spécialistes, le message clé est simple : quand on ajoute un nouveau tunnel de métro à proximité d’un tunnel existant, le tunnel plus ancien se déplacera — mais de façon prévisible si l’espacement, les dimensions et les conditions de sol sont connus. En affinant l’estimation des pressions du sol dans les loess et en fournissant des formules concises pour la torsion et les déplacements des tunnels, ce travail offre aux concepteurs des outils pratiques pour décider à quelle distance il est dangereux de se rapprocher, quand des renforcements supplémentaires sont nécessaires et comment planifier des tracés qui protègent les tunnels dont les villes dépendent déjà.

Citation: Yang, M., Liu, N., Li, H. et al. Analysis of the influence of new tunnel excavation on the stability of adjacent existing tunnels. Sci Rep 16, 5510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35181-6

Mots-clés: tunnels de métro, creusement de tunnel, déformation du sol, interaction entre tunnels, espace souterrain urbain