Recherche sur la simulation numérique de la stabilité du massif rocheux entourant des galeries profondes avec un modèle avancé d’adoucissement en déformation basé sur le critère de Hoek‑Brown

Pourquoi le terrain autour des tunnels compte

À mesure que les mines et les tunnels de transport souterrains s’enfoncent toujours plus profondément, le massif rocheux entourant ces ouvertures est poussé près de sa limite de rupture. Lorsque la roche commence à fissurer et à gonfler, elle peut déformer les soutènements métalliques, remplir les galeries de débris et mettre gravement en danger les travailleurs. Cette étude pose une question pratique aux enjeux importants pour la sécurité et l’économie : des modèles informatiques plus sophis­tiqués peuvent‑ils aider les ingénieurs à mieux prédire le comportement des roches profondes après excavation, afin de concevoir des soutènements qui reflètent effectivement la réalité ?

Aller au‑delà d’un comportement rocheux simplifié

Les méthodes de conception classiques traitent souvent la roche comme un matériau presque élastique et simple qui s’affaiblit de façon linéaire après rupture. Mais les observations en mines profondes montrent une réalité plus complexe : après l’atteinte de la résistance maximale, la roche peut perdre de la raideur, perdre de la résistance, se fissurer et même augmenter de volume à mesure que les fragments se réarrangent et dilatent. Les auteurs se concentrent sur un modèle d’« adoucissement en déformation » avancé appelé IMASS, construit sur une règle de résistance des roches largement utilisée, le critère de Hoek–Brown. IMASS cherche à rendre compte de quatre comportements clés après rupture : perte de cohésion et de résistance en traction, augmentation du frottement entre fragments, adoucissement progressif de la rigidité, et transition d’un comportement fragile vers un écoulement plus ductile et plastique.

Comment le nouveau modèle représente la fissuration

Le modèle IMASS décrit l’histoire du massif rocheux autour d’un tunnel en plusieurs étapes. D’abord l’état intact de résistance maximale, où la roche est encore solide. Quand la contrainte dépasse ce seuil, le matériau entre en phase post‑pic : des fissures apparaissent, la cohésion diminue, mais les fragments restent imbriqués et relativement denses. Avec une déformation supplémentaire, le système tend vers un état ultime, où les fragments réarrangés peuvent atteindre une porosité d’environ 40 % et le massif se comporte davantage comme un tas granulaire. Le modèle relie ces états à des grandeurs mesurables telles que l’indice de qualité géologique (une évaluation de la qualité du massif), la résistance à la compression mesurée en laboratoire, et un paramètre décrivant la vitesse d’accumulation de la déformation plastique par cisaillement. Il permet aussi à la raideur élastique et à la tendance du massif à dilater — augmenter de volume lors du cisaillement — d’évoluer avec l’endommagement.

Tester quelles propriétés de la roche importent le plus

Pour évaluer l’influence de ces ingrédients sur la stabilité des galeries, les auteurs ont construit un modèle numérique tridimensionnel d’une voie d’accès profonde située à environ 1 000 mètres, avec une section transversale typique en demi‑cercle. Ils ont réalisé des simulations systématiques en faisant varier un groupe de propriétés à la fois. En faisant passer la qualité du massif de mauvaise à bonne, ils ont observé comment la cohésion et la résistance en traction se dégradaient, comment le frottement interne augmentait, et comment l’étendue des zones plastiques (déformées de façon permanente) et les déplacements autour de la galerie évoluaient. Ils ont ensuite activé ou désactivé l’adoucissement du module, étudié l’impact de la dilatance au cisaillement (le gonflement du massif lors du cisaillement), et ajusté un paramètre de fragilité qui contrôle la rapidité de la transition d’un matériau fort et rigide vers un état pleinement adouci. Les résultats montrent que les déplacements et les dommages sont très sensibles à l’adoucissement du module et à la dilatance lorsque la roche est faible et fragile, mais beaucoup moins lorsque le massif est plus résistant et continu.

Combiner plusieurs signaux d’alerte en un seul score

Plutôt que de se fier à un indicateur unique comme le déplacement du mur de la galerie ou un « cercle lâche » théorique, les auteurs proposent un indice de stabilité combiné qui fusionne plusieurs mesures en un score compris entre 0 et 1. Ils intègrent la taille de la zone plastique, la déformation totale, le niveau et la distribution des contraintes maximales, l’affaiblissement de la cohésion et l’intensité de la dilatance. En utilisant une méthode décisionnelle structurée (processus analytique hiérarchique) corrigée par une pondération fondée sur l’entropie, ils attribuent des poids rationnels à chaque facteur, en accordant la plus grande importance à la taille de la zone plastique et à la concentration des contraintes. Après normalisation de toutes les grandeurs, ils calculent un indice unique permettant de classer la galerie comme stable, marginale, critique ou à haut risque d’effondrement, et d’orienter les mesures de soutènement correspondantes.

Application du modèle dans une mine réelle

L’équipe a ensuite appliqué à la fois le modèle avancé IMASS et un modèle d’adoucissement en déformation plus conventionnel à une galerie profonde creusée dans des roches tendres de la mine de charbon de Quandian en Chine, où le grès est fortement fracturé. Ils ont comparé les déplacements simulés, la profondeur des zones de rupture, les champs de contraintes et la dilatance avec des mesures de terrain. Le modèle conventionnel a prédit beaucoup moins de déformation et une zone de rupture plus petite que celles observées sur site, donnant un indice de stabilité excessivement optimiste avec une déviation d’environ 162 % par rapport à la valeur mesurée. En revanche, les simulations IMASS ont produit des déplacements plus importants, des zones plastiques plus larges, une dilatance plus marquée, et un accord beaucoup plus proche de la réalité ; son indice de stabilité différait de la valeur mesurée d’environ 26 % seulement, et il a correctement identifié la galerie comme étant en état de risque élevé.

Ce que cela signifie pour des tunnels plus sûrs

Pour les non‑spécialistes, le message est simple : la roche entourant des tunnels profonds ne se contente pas de fissurer puis de s’arrêter — elle s’adoucit, gonfle et se réorganise progressivement, et ces subtilités ont des conséquences sur la sécurité. Le modèle IMASS, en suivant la perte de raideur, la dilatance et la fragilité, offre une image plus réaliste de la propagation des dommages autour d’une excavation et de la proximité du système par rapport à l’instabilité. Lorsqu’on regroupe ces éléments dans un indice de stabilité unique, cette description plus riche permet aux ingénieurs de choisir des systèmes de soutènement plus robustes ou plus économiques avec davantage de confiance. Les auteurs soulignent que des travaux futurs doivent intégrer les charges dynamiques, les eaux souterraines et les effets dépendant du temps, mais leur étude montre que des modèles numériques plus nuancés peuvent réduire sensiblement l’écart entre la prédiction et la réalité souterraine.

Citation: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

Mots-clés: stabilité des galeries profondes, affaiblissement du massif rocheux, simulation numérique, conception du soutènement souterrain, critère de Hoek‑Brown