Étude expérimentale sur l'influence du coulis synchrone en tunnellisation mécanisée sur un tunnel existant supérieur dans un massif sableux

Pourquoi ce qui se passe sous nos villes compte

Les villes modernes reposent de plus en plus sur des couches superposées de tunnels souterrains pour les métros, les réseaux et les voies routières. Lorsque les ingénieurs doivent construire un nouveau tunnel sous un ancien, ils injectent du coulis liquide autour de la nouvelle structure pour empêcher l'affaissement du terrain. Mais dans un sol lâche et sableux, ce même coulis peut, involontairement, pousser sur le tunnel supérieur, le fléchissant et le comprimant d'une manière susceptible de menacer la sécurité à long terme. Cette étude utilise un modèle de laboratoire soigneusement mis à l'échelle pour montrer comment et pourquoi cela se produit, et quelle quantité de coulis devient excessive.

Construire une mini‑ville souterraine

Pour explorer ces processus cachés, les chercheurs ont construit une grande caisse à sol remplie de sable dont la granulométrie et la densité reproduisent les conditions réelles de métro. À l'intérieur, ils ont installé un modèle en acier d'un tunnel circulaire « existant » et, en dessous, un second tunnel représentant celui nouvellement creusé par une machine à bouclier. L'ensemble a été réalisé à l'échelle décimale (un dixième de la taille réelle), permettant un contrôle précis tout en capturant un comportement réaliste. Plutôt que de simuler toutes les étapes du percement en une seule fois, ils ont séparé les phases : l'excavation avait été modélisée dans des travaux antérieurs, et cette étude s'est concentrée uniquement sur le coulis injecté derrière le bouclier lors de la pose des voussoirs.

Comment le coulis est injecté et mesuré

Dans les chantiers réels, le coulis est pompé dans l'espace étroit derrière la queue du bouclier pour remplir l'intervalle entre le revêtement et le terrain. L'équipe a reproduit cela avec une queue de bouclier sur mesure, des brosses d'étanchéité et des conduites de coulis reliées à une pompe. Ils ont varié deux paramètres clés : la teneur en eau du laitier de coulis et la quantité injectée par rapport au volume nécessaire strictement à combler, dite taux de remplissage en coulis. De petits capteurs intégrés dans le sable ont mesuré l'évolution des pressions dans le sol autour du tunnel supérieur. À l'intérieur de ce tunnel, des règles métalliques superposées, des lasers et des caméras ont suivi de minuscules variations de diamètre et de flèche, permettant aux chercheurs d'observer exactement comment la structure se déformait au fur et à mesure du coulage.

Pousses et flexions cachées dans le tunnel supérieur

Les mesures ont révélé que le coulis n'agit pas de façon uniforme. À mesure que la zone colmatée se déplaçait sous le tunnel existant, la pression dans le sable augmentait fortement, en particulier directement sous le milieu du tunnel. La partie inférieure du tunnel supérieur a connu la plus forte hausse, tandis que les côtés ont peu changé et le sommet seulement modestement. Lorsque le taux de remplissage en coulis était élevé, la poussée vers le haut au niveau du bas du tunnel était d'environ une fois et demie supérieure à celle observée avec une quantité plus modérée. Cette sollicitation inégale a fait voûter le tunnel supérieur au‑dessus du trajet du coulis, le bas se soulevant davantage que le haut. Parallèlement, la section transversale du tunnel a changé de forme : son diamètre vertical a diminué tandis que son diamètre horizontal augmentait, transformant le cercle en un ovale doux accentué latéralement.

Quand trop de coulis pose problème

Ces déformations sont importantes parce que les tunnels sont conçus pour répartir les efforts de façon homogène autour de leurs anneaux circulaires. Quand le bas fait saillie et que la section devient elliptique, certaines parties du revêtement supportent bien plus de contraintes que d'autres. L'étude montre que, dans un sol sableux, l'utilisation d'un taux de remplissage élevé en coulis (environ 1,6 fois le volume de vide strict) peut provoquer des mouvements ascendants significatifs et une ovalisation d'un tunnel supérieur. Une fois que le coulis sous le tunnel a pris et légèrement retraité, une partie du soulèvement a partiellement rebondi, mais l'épisode de flexion supplémentaire aurait néanmoins soumis la structure à des contraintes. Avec le temps, de tels changements peuvent favoriser l'apparition de fissures, l'ouverture de joints, l'endommagement des boulons et des infiltrations.

Enseignements pratiques pour des tunnels plus sûrs

Pour un non‑spécialiste, le message est simple : lorsqu'on creuse un nouveau tunnel sous un ancien dans un sol sableux, trop de coulis de support peut être presque aussi problématique que pas assez. Les expériences suggèrent que maintenir le taux de remplissage en coulis en dessous d'environ 1,6, et l'ajuster en fonction d'un suivi en temps réel, aide à éviter des soulèvements et des déformations excessifs du tunnel existant. En comprenant mieux ces forces souterraines invisibles, les ingénieurs peuvent affiner leurs conceptions et leurs contrôles de chantier, protégeant les tunnels qui transportent déjà des millions de passagers tout en ajoutant ceux dont nos villes en croissance ont besoin.

Citation: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Mots-clés: tunnellisation mécanisée, coulis synchrone, tunnels de métro, sol sablonneux, déformation de tunnel