Analyse de l’influence du levage par injection de sacs au pied sur la réponse mécanique des tunnels blindés

Maintenir les tunnels de métro sûrs et nivelés

Les villes modernes dépendent des lignes ferroviaires souterraines, mais les tunnels qui transportent les trains peuvent lentement s’affaisser ou se pencher lorsque des travaux voisins et des sols meubles perturbent le terrain. Cet article explore une méthode prometteuse pour « relever » en douceur des tunnels de métro affaissés depuis le dessous en utilisant des sacs souples remplis de coulis. En clarifiant la manière dont ces sacs se dilatent dans différents sols et comment ils exercent une poussée sur le tunnel, l’étude ouvre la voie à des réparations plus sûres et plus prévisibles qui peuvent prolonger la vie des réseaux métropolitains fortement sollicités.

Pourquoi les tunnels s’enfoncent

Les tunnels blindés, ces tubes circulaires construits avec des tunneliers, reposent dans des sols constamment perturbés par de nouvelles fondations, des passages inférieurs et d’autres ouvrages souterrains. Avec le temps, certaines parties d’un tunnel peuvent se tasser davantage que d’autres, produisant une courbure douce mais néfaste le long de sa longueur et un léger écrasement de sa section circulaire. Ces déformations peuvent ouvrir les joints entre éléments, provoquer des infiltrations, éroder les bords du béton et menacer le déroulement sûr et régulier du trafic. Les ingénieurs utilisent déjà l’injection de coulis pour soulever et soutenir les tunnels, mais les méthodes traditionnelles injectent le coulis directement dans le sol, ce qui rend difficile la prédiction de la diffusion du fluide et de la force qu’il exercera réellement sur le tunnel.

Une nouvelle façon de viser le “cric” souterrain

La méthode par sacs d’injection réduit cette incertitude en plaçant des sacs souples dans des trous préforés sous ou à côté du tunnel, puis en y pompant du coulis. Le sac confine le mélange ; au lieu de s’écouler le long de fissures imprévisibles, il gonfle comme un ballon contrôlé qui appuie sur le sol environnant. Les auteurs ont d’abord réalisé des essais unitaires à petite échelle dans des caissons de sol transparents remplis soit de sable soit d’argile. En mesurant l’évolution des pressions en de nombreux points lors de l’injection, ils ont montré que, pour un même volume de coulis et une même configuration de sac, les sols plus rigides (moins compressibles) développaient des surpressions plus élevées que les sols plus mous. Dans les deux types de sol, le coulis se répartissait principalement par compactage à l’intérieur du sac, créant une zone de pression limitée et bien définie plutôt qu’un panache étendu et incertain.

Passer à un modèle réaliste de tunnel

Puis l’équipe a construit un grand modèle tridimensionnel : un anneau en acier représentant un tunnel de métro, enfoui dans une caisse de sable compacté et équipé de dizaines de capteurs de pression et de règles de déplacement. Ils ont testé deux stratégies de réparation. Dans la première, un seul sac était placé directement sous le tunnel. Dans la seconde, deux sacs étaient installés à 45 degrés par rapport au point bas, un de chaque côté. Pendant le pompage du coulis, les capteurs ont suivi l’augmentation des pressions dans le sol autour du tunnel, la variation du diamètre intérieur du tunnel verticalement et horizontalement, et l’élévation du tunnel le long de sa longueur.

Comment le positionnement des sacs change le comportement du tunnel

Lorsque le coulis a été injecté directement sous le tunnel, la pression du sol au niveau inférieur a augmenté fortement tandis que la partie supérieure a peu évolué. Le tunnel s’est effectivement relevé, mais sa section circulaire a été écrasée en un ovale plus horizontal : le diamètre vertical a diminué tandis que le diamètre horizontal a augmenté d’un montant presque équivalent. Cette « déformation elliptique horizontale » est indésirable car elle introduit de nouvelles contraintes et risques d’endommagement. En revanche, lorsque les sacs étaient placés à 45 degrés de chaque côté, le tunnel a connu un relèvement net tout en conservant quasiment sa forme. Les pressions dans le sol au bas et sur les côtés ont augmenté de manière plus équilibrée, et les diamètres vertical et horizontal sont restés proches de leurs valeurs initiales.

Retracer le trajet de la pression du pompe au tunnel

En sectionnant le coulis durci après les essais, les chercheurs ont visualisé l’évolution des bulbs de coulis. Sous le centre du tunnel, le bloc final de coulis avait une forme conique et quelque peu asymétrique, en accord avec les pressions inégales enregistrées de part et d’autre du tunnel et la forte déformation en ovale. Avec des sacs latéraux à 45 degrés, les masses de coulis étaient plus cylindriques et similaires de chaque côté, et les pressions mesurées étaient presque symétriques. À partir de ces observations, les auteurs décrivent une chaîne claire de transfert de charge : la pression de pompe gonfle le sac, le sac en expansion comprime le sol proche et augmente la pression du terrain, et cette surpression est finalement transmise à la paroi du tunnel sous forme de charges additionnelles qui fléchissent et relèvent la structure.

Ce que cela signifie pour les tunnels réels

Pour le non-spécialiste, le message principal est que l’utilisation de sacs remplis de coulis sous les tunnels de métro peut rendre les réparations plus précises et moins risquées que les injections traditionnelles à écoulement libre. L’étude montre que le type de sol influence fortement la force de levage qu’un volume donné de coulis peut fournir, et que l’emplacement des sacs autour du tunnel est déterminant. Des sacs positionnés à 45 degrés de chaque côté peuvent relever un tunnel affaissé tout en préservant largement sa circularité, limitant ainsi l’apparition de nouvelles contraintes et fissures. Cette meilleure compréhension du cheminement de la pression — de la pompe, en passant par le sac et le sol, jusqu’au tunnel — offre aux ingénieurs une base scientifique plus solide pour concevoir des opérations de levage ciblées et sûres sous nos villes.

Citation: Liu, J., Huang, D., He, S. et al. Analysis of the influence of bottom bag grouting lifting on the mechanical response of shield tunnels. Sci Rep 16, 5867 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36427-z

Mots-clés: tunnel blindé, injection, entretien du métro, affaissement du sol, rehaussement de tunnel