Étude expérimentale sur le risque de défaillance d’une station de métro existante sous excavation unilatérale à grande échelle

Pourquoi creuser près des métros peut être risqué

À mesure que les villes ajoutent de nouvelles lignes de métro et des centres commerciaux souterrains, les constructeurs doivent souvent creuser d’immenses fosses juste à côté de stations déjà en service. À première vue, ces stations ressemblent à des forteresses souterraines solides. Mais lorsque le sol est retiré d’un seul côté, l’équilibre caché des pressions dans le sol change. Cette étude pose une question pratique aux fortes implications de sécurité : quelle largeur et quelle profondeur les ingénieurs peuvent-ils creuser d’un seul côté d’une station en exploitation avant que la station ne bascule, que les rues voisines ne se fissurent ou que des bâtiments commencent à se détériorer ?

Une station réelle inspire une expérience en laboratoire

La recherche se fonde sur la station Jincheng Plaza à Chengdu, en Chine, un nœud souterrain fréquenté où se rencontrent trois lignes de métro. Une ligne est déjà construite, tandis que les autres nécessitent une nouvelle excavation massive juste à côté de la station achevée, exposant l’un de ses longs murs latéraux. Pour explorer les risques avant les travaux complets, les auteurs ont réalisé une maquette détaillée de la station et du terrain rocheux et argileux environnant. À l’échelle 1:100, ils ont placé une caisse transparente remplie de sol dans le laboratoire, inséré une miniature de la station en plastique rigide, puis « creusé » un côté du sol par étapes soigneusement contrôlées.

Observer une petite station se déplacer et se déformer

Le modèle a été instrumenté comme un vrai chantier. Des capteurs de déplacement ont suivi les mouvements verticaux et horizontaux de la voûte de la station. Des cellules de pression derrière le mur ont mesuré l’évolution de la poussée du sol, et des jauges de déformation sur la paroi ont enregistré l’extension ou la compression de la structure. L’équipe a exécuté 28 scénarios d’excavation différents, combinant quatre profondeurs et sept largeurs d’excavation unilatérale, depuis des fosses modestes jusqu’à l’enlèvement du sol sur toute la longueur de la station. Après chaque petit pas d’excavation, ils ont attendu la stabilisation du sol puis enregistré les nouvelles déformations, pressions et contraintes.

Que se passe-t-il quand un côté est sur-creusé

Les expériences ont révélé que le tassement vertical de la voûte de la station restait faible et dans les limites de sécurité pour tous les cas testés ; la station n’a pratiquement pas enfoncé. Le danger réel provenait des mouvements latéraux. À mesure que l’excavation unilatérale devenait plus profonde et plus large, la station s’est progressivement inclinée vers la fouille. Lorsque la profondeur d’excavation a dépassé environ les deux tiers de la hauteur de la station, l’inclinaison est devenue évidente. Pour des largeurs d’excavation proches de la moitié à l’égalité de la largeur de la station, le mouvement latéral atteignait des niveaux d’alerte ; pour des largeurs encore plus grandes (100 mètres et plus dans le projet réel), la déformation latérale dépassait le seuil de sécurité prescrit par les codes, ce qui signifie que le fonctionnement normal des trains ne pouvait plus être garanti.

Le sol se relâche en surface, se comprime en profondeur

Le comportement du sol lui-même a également été révélateur. À mesure que la station s’inclinait, le sol peu profond juste derrière le mur excavé perdait le contact avec la structure et devenait plus meuble, si bien que la pression de terre y chutait fortement — jusqu’à environ 98 % dans le cas le plus extrême. En même temps, le sol plus profond près de la base du mur était davantage comprimé, augmentant la pression dans une zone compactée. Cette combinaison signifie que le terrain proche de la surface ne peut plus soutenir en toute sécurité les chaussées ou les fondations des bâtiments, augmentant le risque d’effondrement de la voirie ou d’inclinaison des immeubles élevés, même si l’enveloppe en béton de la station conserve suffisamment de résistance et ne se fissure pas.

Une carte d’alerte pratique pour les constructeurs

Parce que l’inclinaison latérale s’est avérée être l’indicateur le plus sensible du danger, les auteurs ont utilisé leurs données pour établir un graphique de zonage simple des risques. Il divise les combinaisons profondeur-largeur d’excavation en quatre niveaux codés par couleur : A (pas de risque) où la construction peut se poursuivre normalement, B (risque général) nécessitant une surveillance rapprochée, C (risque élevé) où les travaux doivent être interrompus pour une évaluation de sécurité, et D (risque majeur) où des mesures d’urgence immédiates sont nécessaires. Appliquée au projet Jincheng Plaza, la méthode a correctement prédit une zone C à haut risque pour une excavation prévue de 22 mètres de profondeur et 80 mètres de largeur ; après renforcement supplémentaire, le mouvement réel de la station a diminué d’environ deux tiers. Pour les urbanistes et les ingénieurs, cette étude transforme des mécanismes souterrains complexes en un outil pratique et facile à utiliser pour protéger les stations de métro et les bâtiments voisins lors de nouvelles excavations ambitieuses.

Citation: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

Mots-clés: sécurité des stations de métro, excavation profonde, déformation du sol, tunnelisation urbaine, évaluation des risques