Recherche sur les caractéristiques de déformation du massif rocheux environnant et les mesures d’optimisation du soutènement pour le franchissement de zones de fractures de faille par tunneliers TBM

Pourquoi les tunnels en montagne peuvent soudain mal se comporter

Longs tunnels autoroutiers et ferroviaires traversent aujourd’hui certaines des montagnes les plus hautes et les plus accidentées du monde. Ces passages sont généralement creusés par d’imposants tunneliers (TBM) qui broient régulièrement la roche. Mais lorsqu’un TBM rencontre une zone de faille dissimulée — une roche fragmentée et affaiblie par d’anciens séismes — le tunnel peut se déformer, s’effondrer, voire piéger la machine. Cette étude examine une telle rencontre à haut risque dans un tunnel de montagne chinois et montre comment un système de soutènement soigneusement conçu peut réduire fortement ces dangers.

Un tronçon problématique dans un tunnel profond

La recherche porte sur le tunnel Daliangshan n°1 dans la province du Sichuan, qui s’étend sur plus de 10 kilomètres sous des vallées abruptes en forme de V. La majeure partie du tracé traverse des roches relativement compétentes, mais un tronçon coupe la zone de fractures de faille F1, où du basalte et des tufs autrefois massifs ont été réduits en fragments faibles et altérés. Dans cette zone, le toit et les parois libèrent des blocs, de larges cavités s’ouvrent, l’eau s’infiltre, et les appuis habituels sur lesquels le TBM s’appuie perdent en résistance. Lors des premiers travaux, ces conditions ont provoqué des chutes de blocs importantes, la déformation des soutènements métalliques, la convergence des parois du tunnel, et même un épisode où le TBM est resté coincé après un arrêt.

Mesurer les mouvements du terrain

Pour comprendre ce qui se passait — et comment le maîtriser — l’équipe a combiné trois approches. En laboratoire, elle a testé des échantillons pulvérisés de carottes provenant de la zone de faille pour déterminer la faiblesse réelle de la roche altérée. Sur ordinateur, elle a utilisé le logiciel d’éléments finis ABAQUS pour simuler l’avancée d’un TBM dans un tunnel de 8 mètres de largeur intersectant une bande de faille de 40 mètres d’épaisseur inclinée à 40 degrés. Et sur le terrain, des instruments ont été installés sur plusieurs sections transversales pour surveiller les déplacements du toit (voûte), des parois et de la surface du sol au fur et à mesure de l’excavation. Ce mélange d’essais, de modélisation et de mesures in situ a permis d’établir un lien entre ce qui était observé sous terre et la redistribution invisible des contraintes dans les montagnes environnantes.

Que se passe-t-il quand la machine rencontre la faille

Les simulations et les mesures ont révélé un schéma clair : la déformation était « plus importante au milieu et plus faible aux extrémités » de la zone de faille. Lorsque le TBM entrait dans le noyau le plus faible de F1, le toit du tunnel s’est affaissé de façon spectaculaire — jusqu’à 92 millimètres — tandis que la surface du sol au dessus s’est tassée jusqu’à 42 millimètres. Le toit a commencé à se déplacer environ 10 mètres avant que la machine n’atteigne une section surveillée, et a continué à bouger jusqu’à environ 10 mètres au-delà. Les parois latérales ont réagi plus tard et moins intensément, avec des mouvements maximaux d’environ 15 millimètres. À l’écart de la faille, où la roche était plus intacte, les incréments de tassement sont tombés sous les 5 millimètres et le comportement du tunnel est devenu beaucoup plus stable. Sans intervention, cependant, ces grands déplacements dans le noyau de la faille menaçaient à la fois la sécurité des ouvriers et la capacité du TBM à progresser.

Construire une enveloppe plus solide autour du tunnel

Sous l’égide de ces constats et de l’expérience d’autres chantiers, les ingénieurs ont conçu un système de soutènement renforcé adapté au terrain fracturé. Plutôt que de se reposer uniquement sur des arcs métalliques et du béton projeté basique, ils ont ajouté un réseau dense de bandes d’acier de renforcement autour d’une grande partie de la circonférence du tunnel, amélioré le béton projeté en utilisant des mélanges de plus haute résistance, et employé du coffrage et des injections pour créer un appui porteur solide là où les chaussures de préhension du TBM s’appuient contre les parois. Dans les zones très lâches ou en voie d’effondrement, des boulons d’ancrage auto‑forants et des ancrages en fibre de verre ont été posés et les cavités et vides karstiques comblés par du béton. Les modèles numériques intégrant ces mesures ont prédit des mouvements beaucoup plus faibles, et la surveillance sur le terrain a confirmé l’amélioration.

À quel point le tunnel est devenu plus sûr

Après renforcement, le tassement maximal du toit dans toutes les sections surveillées est tombé à environ 17 millimètres, et le tassement de surface à environ 7 millimètres — des réductions d’environ 80 % par rapport au cas non renforcé. Les parois du tunnel et le pied de la voûte n’ont bougé que de quelques millimètres, et le profil global de déformation est devenu plus harmonieux et plus prévisible. Les éclatements de roche et les cavités d’effondrement ont été significativement réduits, la capacité portante pour les chaussures du TBM s’est améliorée, et la machine a pu avancer de façon continue sans être de nouveau piégée. Concrètement, le soutènement amélioré a transformé un tronçon de tunnel très instable en un problème d’ingénierie maîtrisable.

Ce que cela signifie pour les tunnels futurs

Pour les non‑spécialistes, le message essentiel est que les « mauvais terrains » dans les zones de faille ne doivent pas compromettre les projets de tunnels profonds. En mesurant d’abord le comportement de la roche, puis en simulant l’interaction tunnel‑montagne et enfin en adaptant le renforcement à ces conditions, les ingénieurs peuvent largement limiter la déformation du tunnel — même dans des roches écrasées et altérées à un kilomètre de profondeur. L’approche utilisée dans le tunnel Daliangshan n°1 offre une feuille de route pour d’autres tunnels de montagne qui doivent traverser des combinaisons similaires de roches altérées et de failles actives ou anciennes, améliorant la sécurité et réduisant le risque d’arrêts coûteux du TBM.

Citation: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Mots-clés: tunnelier, zone de fractures de faille, soutènement de tunnel, affaissement du sol, tunnels en montagne