Calcul et analyse par méthode en deux étapes de la déformation d’un tunnel de métro existant causée par la traversée diagonale d’un nouveau tunnel

Pourquoi la traversée de tunnels de métro compte pour les villes

À mesure que les villes grandissent et ajoutent de nouvelles lignes de métro, de nouveaux tunnels doivent souvent se frayer un chemin à proximité de tunnels plus anciens déjà en service. Creuser un nouveau tunnel sous une ligne existante très fréquentée risque de déformer ce tunnel ancien, ce qui peut affecter le confort du trajet et la sécurité à long terme. Cette étude aborde une question très pratique pour les urbanistes et les ingénieurs : lorsqu’un nouveau tunnel coupe en diagonale sous un tunnel de métro courbe, quelle sera l’ampleur du mouvement du tunnel existant et quelles décisions de conception limitent ce déplacement ?

Décomposer un problème souterrain complexe en deux étapes

Les auteurs proposent une méthode de calcul « en deux étapes » raffinée qui transforme un problème de construction souterraine complexe en quelque chose d’analysable de façon fiable par ordinateur. Dans la première étape, ils estiment l’ampleur de la perturbation du sol autour du tunnel existant lorsqu’un nouveau tunnel creusé au bouclier est excavé en dessous. Pour cela, ils utilisent une solution bien connue en mécanique des sols qui décrit la manière dont les contraintes se propagent dans le sol à partir d’une charge enfouie. Cela leur permet de calculer les efforts supplémentaires de poussée et de traction que l’excavation du nouveau tunnel impose en chaque point le long de l’ancien tunnel, même lorsque les deux tunnels se croisent en angle et que le tunnel existant est courbe plutôt que droit.

Traiter le tunnel de métro comme une poutre flexible dans le sol

Dans la deuxième étape, le tunnel de métro existant est considéré comme une longue poutre légèrement flexible reposant sur un lit élastique représentant le sol environnant. Ce lit ne se contente pas de se comprimer verticalement, comme une multitude de petits ressorts, il cisaille aussi latéralement, ce qui rend le modèle plus réaliste tout en restant suffisamment simple pour un usage courant en conception. Les sollicitations supplémentaires calculées lors de la première étape sont appliquées le long de cette poutre pour déterminer la flexion du tunnel et son déplacement vertical. Le modèle comprend également un « facteur de réduction des contraintes » qui tient compte des zones où le sol autour du tunnel a été renforcé par injection de coulis, mesure protectrice courante en construction de métro.

Tester la méthode sur un projet de métro réel

Pour vérifier si la théorie correspond à la réalité, les chercheurs ont appliqué leur méthode à une section réelle du métro de Zhengzhou, où une nouvelle ligne passait en diagonale sous un tunnel courbe existant. Ils ont utilisé les propriétés locales du sol et du tunnel, effectué les calculs et comparé les déplacements verticaux prévus aux mesures précises relevées pendant la construction. Le mouvement maximum prédit au sommet du tunnel était légèrement plus important que le déplacement mesuré au radier, ce qui est attendu puisque la voûte se déforme généralement davantage. Plus important encore, la forme et l’amplitude de la courbe de déformation calculée concordaient bien avec les données de surveillance, montrant que la méthode peut fournir aux ingénieurs une image fiable de ce qui se passe sous terre.

Quelles décisions de conception importent le plus sous terre

Une fois la méthode validée, les auteurs ont étudié comment les principaux paramètres de conception et de construction influencent le déplacement du tunnel. Ils ont constaté que la distance verticale entre les tunnels neuf et ancien a un effet net : plus le nouveau tunnel passe près de celui existant, plus le mouvement ascendant de l’ancien tunnel est important. L’angle de croisement des tunnels est tout aussi déterminant. Les croisements peu profonds et presque parallèles provoquent de plus grandes déformations étalées sur une distance plus longue, tandis que des croisements plus raides, proches de l’angle droit, réduisent sensiblement l’impact. En revanche, le rayon de courbure en plan du tunnel existant a eu très peu d’effet sur le mouvement vertical, ce qui suggère que des courbures modérées ne constituent pas une préoccupation majeure pour ce type de traversée.

Le rôle du renforcement du sol autour du tunnel

L’étude a également examiné comment le coulis d’injection—matériau cimentaire injecté autour du tunnel—aide à contrôler les déplacements. L’extension de la zone traitée le long du tunnel existant a réduit de façon substantielle son déplacement vertical, surtout lors du passage de l’absence de traitement à une longueur modérée de sol traité. Au-delà d’une certaine longueur, cependant, des injections supplémentaires n’apportent que de faibles bénéfices additionnels, ce qui indique un compromis pratique entre sécurité et coût. Le comportement précis de compressibilité du sol traité, décrit par un paramètre appelé coefficient de Poisson, s’est avéré n’avoir qu’une influence mineure sur le déplacement du tunnel dans la plage testée, comparé à l’effet de l’étendue du traitement.

Ce que cela signifie pour les futures constructions de métro

Globalement, ce travail offre aux ingénieurs un outil pratique pour prédire la réponse d’un tunnel de métro existant lorsqu’un nouveau tunnel au bouclier passe en diagonale en dessous, même si le tunnel ancien est courbe et que le sol a été renforcé. Pour les non-spécialistes, la conclusion est simple : conserver un écart raisonnable entre les tunnels, organiser les traversées aussi proches que possible de l’angle droit, et prévoir une longueur de renforcement du sol bien conçue mais pas excessive sont les moyens les plus efficaces de préserver la sécurité et le confort d’un tunnel en exploitation lorsque de nouvelles lignes sont ajoutées en dessous.

Citation: Li, Y., Zhao, Y., Shi, G. et al. Two-stage-method-based calculation and analysis of the deformation of the existing subway tunnel caused by the diagonal crossing of the new tunnel. Sci Rep 16, 11460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40967-9

Mots-clés: tunnels de métro, creusement au bouclier, déformation de tunnel, renforcement du sol, construction souterraine