Recherche sur les mécanismes de déformation dans les tunnels d'excavation profonde et application du soutènement de type fondation sur pieux-unité

Maintenir la sécurité des tunnels souterrains

Les tunnels profonds sont les artères des mines de charbon modernes, transportant l'air frais, les ouvriers et le matériel lourd. Mais en profondeur, la roche environnante peut lentement se comprimer, se fissurer et faire gondoler le plancher du tunnel, menaçant la sécurité et la productivité. Cette étude examine de près un tunnel de transport déformé dans une mine de la Mongolie intérieure et teste une nouvelle manière de maintenir la roche en place en combinant des pieux dans le sol et des supports modulaires, agissant de concert avec des boulons et câbles rocheux conventionnels.

Quand le terrain commence à bouger

Le tunnel étudié se situe à environ 420 mètres sous la surface dans un banc de charbon épais et globalement stable. Malgré cela, le plancher était fissuré et s'était soulevé de façon inégale, le voûte avait fléchi et les parois latérales—les ailes—avaient gonflé. Le problème le plus grave était le bombement du sol du côté du charbon massif, qui déformait la voie et mettait en danger les véhicules qui y circulent. Le côté de la masse charbonnière montrait aussi des dommages, tandis que la voûte et la paroi en charbon massif étaient relativement moins affectées. Ces schémas laissaient penser que l'équilibre initial des forces dans la roche profonde avait été perturbé par l'excavation.

Comment les contraintes souterraines brisent un tunnel

Pour comprendre pourquoi le tunnel se déformait, les chercheurs ont combiné des prélèvements sur le terrain, des essais en laboratoire sur carottes de roche et des mesures de contrainte in situ. Ils ont constaté que les contraintes horizontales naturelles dans la roche étaient plus fortes que les contraintes verticales dues au poids sus-jacent. À partir de ces mesures, ils ont construit un modèle numérique tridimensionnel de la roche entourant le tunnel. Les simulations ont montré que l'excavation redistribue les contraintes, créant des zones de très forte compression et des zones de traction autour de l'ouverture et en profondeur dans la roche. Le résultat est une zone annulaire de roche autour du tunnel poussée au-delà de sa limite élastique, où elle commence à se déformer de façon permanente et à se fissurer.

Pourquoi le plancher se relève de façon inégale

L'équipe a ensuite utilisé un modèle mécanique simplifié du plancher du tunnel, le traitant comme une poutre reposant sur des zones plus faibles à chaque extrémité. Ils ont démontré que l'amplitude et la position du bombement du sol dépendent fortement de deux facteurs : la largeur des zones « plastiques » assouplies de chaque côté du plancher, et le degré de concentration des contraintes à ces endroits. Quand les deux côtés sont similaires, le plancher gonfle surtout au centre. Mais si un côté présente une zone affaiblie plus large ou une concentration de contrainte plus élevée, le déplacement ascendant maximal se déplace vers ce côté et augmente en taille. Dans leur cas, le côté en charbon massif avait l'effet le plus marqué, expliquant le bombement asymétrique prononcé observé dans la mine.

Une nouvelle façon de soutenir la roche

Comme les boulons et câbles conventionnels seuls ne suffisaient pas à maîtriser la déformation, les chercheurs ont proposé un nouveau concept de soutènement : le soutènement de type fondation sur pieux-unité. Des pieux en acier sont forés dans le plancher du tunnel et coiffés d'une plaque plane qui supporte des unités de soutènement hydrauliques modulaires. Ces supports fonctionnent en synergie avec les boulons et câbles existants dans la voûte et les parois. Les pieux améliorent les conditions de contrainte dans le plancher, interrompent l'écoulement plastique de la roche affaiblie sous le tunnel et fournissent une assise plane et stable permettant aux supports d'agir verticalement et efficacement. En parallèle, les supports partagent et répartissent la charge, réduisant l'accumulation de contraintes le long des parois latérales.

Transformer un étranglement dangereux en terrain stable

Les simulations numériques du système de soutènement combiné ont montré des améliorations spectaculaires. Les mouvements de la voûte et du plancher ont diminué de plus de 80 à 90 pour cent, et les déplacements des parois latérales ont été réduits d'environ trois quarts ou plus. L'anneau continu de roche fortement endommagée autour du tunnel s'est morcelé en zones plus petites et isolées, notamment dans le plancher où la déformation plastique a été interrompue aux rangées de pieux et réduite d'environ 80 pour cent. En termes simples, le nouveau schéma de soutènement transforme un tunnel fortement comprimé et instable en un ouvrage où les mouvements de roche sont réduits à l'échelle du centimètre et où les contraintes sont prises en charge en toute sécurité par les pieux et les supports. Pour les opérations minières profondes, cette approche offre une solution prometteuse pour maintenir les galeries de transport cruciales ouvertes, stables et sûres.

Citation: Gou, L., An, D., Song, Y. et al. Research on deformation mechanisms in deep excavation tunnels and the application of the pile foundation-unit-type support. Sci Rep 16, 12233 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43056-z

Mots-clés: déformation de tunnel, bombement du sol, exploitation minière souterraine, soutènement rocheux, fondation sur pieux