Étude numérique de l’interaction sol-tunnel sous des charges d’explosion en surface avec corrélations énergétiques par régression

Pourquoi les tunnels dissimulés comptent dans un monde d’explosions de surface

Les villes modernes recourent de plus en plus aux tunnels souterrains pour déplacer les personnes et protéger les services essentiels. Mais face au risque réel d’explosions en surface — issues de bombes, de missiles ou d’engins improvisés — les ingénieurs doivent savoir : à quel point ces artères enterrées sont-elles sûres lorsqu’une puissante détonation se produit au-dessus d’elles ? Cette étude utilise des simulations numériques avancées pour explorer le comportement d’un tunnel de métro enfoui dans un sol meuble riche en argile soumis à des explosions en surface, et déterminer quelle profondeur est nécessaire pour rester dans une zone sûre.

Autoroutes souterraines sous le feu

Les tunnels urbains sont généralement conçus pour supporter des charges de trafic quotidiennes et, au mieux, des séismes — pas une attaque directe. Cependant, dans les conflits modernes et les actes terroristes, les explosions en surface sont courantes et peuvent transmettre des ondes de choc à travers le sol vers les structures enterrées. Réaliser des essais d’explosion à échelle réelle sur des tunnels réels est extrêmement coûteux et dangereux ; les auteurs s’appuient donc sur des modèles numériques tridimensionnels détaillés. Ils se concentrent sur un tunnel de métro circulaire implanté dans une argile sableuse, type de sol fréquent dans les projets urbains, et s’interrogent sur la manière dont une explosion en surface déforme le tunnel et endommage son revêtement en béton.

Construire un tunnel et une explosion virtuels

Pour étudier le problème, les chercheurs créent une réplique numérique d’un tunnel en béton armé de cinq mètres de diamètre entouré d’un grand bloc de sol. Le comportement mécanique du sol, du revêtement en béton et des barres d’acier est représenté de façon réaliste à partir de résultats expérimentaux, de sorte que le modèle puisse capturer la fissuration, les déformations permanentes et l’absorption d’énergie. Les explosions en surface sont simulées à l’aide d’un modèle d’explosion largement utilisé et initialement développé par l’armée américaine, qui convertit la masse de TNT en une onde de pression variable à la surface du sol. Avant de valider leur dispositif, les auteurs le confrontent à des résultats connus : ils comparent les chocs au sol prévus et les tailles de cratères avec des formules établies, et reproduisent des explosions sur des dalles en béton déjà testées en laboratoire. Dans tous les cas, les prédictions numériques et les données expérimentales concordent étroitement, ce qui donne confiance dans le comportement crédible du tunnel virtuel.

Suivre l’énergie à travers le sol et le tunnel

Le cœur de l’étude est une vision énergétique de ce qui se passe lorsqu’une explosion frappe le sol. À mesure que la charge de TNT augmente de 25 à 1000 kilogrammes, le modèle suit quelle part de l’énergie de l’explosion se manifeste en mouvement rapide (énergie cinétique), quelle part est dissipée dans des déformations permanentes (dissipation plastique) et quelle part est temporairement stockée sous forme d’élasticité (énergie de déformation) dans le système sol–tunnel. Ces grandeurs énergétiques augmentent toutes plus que proportionnellement avec la masse explosive, ce qui signifie qu’une augmentation d’un facteur dix de la charge produit bien plus que dix fois l’impact. Les auteurs utilisent ensuite la régression — des ajustements mathématiques simples — pour convertir ces tendances en formules pratiques reliant la masse explosive à la taille du cratère, aux niveaux d’énergie et à la déformation du tunnel dans la plage étudiée.

Quelle profondeur est suffisante ?

Une question pratique centrale porte sur l’effet de la profondeur d’enfouissement sur la sécurité du tunnel. L’étude examine trois épaisseurs de couverture au-dessus du sommet du tunnel : 15, 12 et 9 mètres, pour de nombreux scénarios d’explosion jusqu’à 1000 kilogrammes de TNT. Deux règles de performance définissent un tunnel « sûr » : la fissuration du béton doit rester limitée, et la déformation radiale du tunnel doit rester inférieure à 0,5 % de son diamètre. Les résultats montrent un effet marqué de la profondeur. Pour le cas le plus profond, 15 mètres, le tunnel reste dans ces limites pour des explosions allant jusqu’à environ 500 kilogrammes, bien qu’une charge de 1000 kilogrammes commence à produire des dommages locaux sérieux. À 12 mètres, des charges plus importantes poussent le revêtement au-delà des seuils de fissuration et de déformation. À la profondeur la plus faible, 9 mètres, des explosions puissantes provoquent des fissures de traction étendues et des distorsions bien plus importantes, marquant clairement cette configuration comme non sûre pour des événements de forte intensité.

Ce que cela implique pour des villes plus sûres

En termes simples, l’étude montre que les tunnels plus profonds dans des sols meubles riches en argile sont beaucoup plus résilients aux explosions en surface que les tunnels peu profonds, et qu’il existe une « profondeur sûre » pratique pour une menace d’explosion donnée. Dans le cadre des hypothèses du modèle, un tunnel de métro enfoui à environ 15 mètres de la surface peut supporter des explosions en surface jusqu’à environ 500 kilogrammes de TNT sans subir de dommages débilitants, alors que des tunnels moins profonds deviennent vulnérables pour des charges beaucoup plus faibles. Les formules de régression fournies par les auteurs offrent aux ingénieurs des outils rapides pour estimer la taille des cratères, le transfert d’énergie et la déformation des tunnels dans des conditions similaires, aidant à orienter la conception préliminaire et les évaluations rapides des risques dans des environnements urbains exposés aux conflits ou à de fortes menaces.

Citation: Alsabhan, A.H., Rais, I., Ahemad Khan, J. et al. Numerical investigation of soil-tunnel interaction under surface blast loads with regression-based energy correlations. Sci Rep 16, 12665 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42024-x

Mots-clés: sécurité des tunnels souterrains, chargement par explosion en surface, conception de tunnels de métro, interaction sol–structure, infrastructures résistantes aux explosions