Analyse de la réponse mécanique des tunnels traversant des failles inverses sous sollicitations sismiques non uniformes

Pourquoi les voies souterraines comptent lors des séismes

À mesure que les villes et les pays construisent des tunnels de plus en plus longs à travers les montagnes pour accueillir routes et lignes ferroviaires, un nombre croissant de ces axes enterrés doit traverser des failles sismiques actives. Lorsque le sol glisse pendant un séisme, la roche autour d’un tunnel peut se déformer de façon inégale, écrasant ou déchirant la coque en béton qui maintient la galerie. Cette étude examine le comportement de tunnels traversant une faille inverse lors d’un séisme, et quelles options de conception peuvent rendre ces structures plus sûres pour les personnes qui en dépendent.

Un tunnel de montagne réel comme banc d’essai

La recherche s’appuie sur un grand projet dans les monts Tian Shan en Chine : le tunnel routier double Tianshan Shengli, long de plus de 22 kilomètres, qui coupe plusieurs failles actives dans une région soumise à de forts secousses et à des contraintes in situ élevées. Des séismes passés en Chine et au Japon ont montré que les tunnels traversant des failles peuvent subir des effondrements de voûte, des soulèvements de dalle, de larges fissures et des ruptures de chaussée lorsque la faille glisse. Pour comprendre et prévenir de tels dommages, les auteurs ont construit un modèle numérique tridimensionnel détaillé incluant la roche intacte, la zone de faille plus faible et le revêtement en béton, disposés pour reproduire l’une des failles clés intersectant l’axe du tunnel.

Secousses non uniformes du sol

La plupart des études antérieures supposaient qu’un séisme secoue le sol sous un tunnel de la même façon partout. En réalité, le pendage côté chevauchement (hanging wall) peut subir des mouvements et des déplacements permanents différents de ceux du côté footwall. Ici, les chercheurs ont créé une paire d’ondes sismiques synthétiques à partir d’enregistrements d’un fort séisme californien. Une onde incluait un décalage permanent pour imiter le sol entraîné par la faille, tandis que l’autre n’en comportait pas. Ils ont appliqué le mouvement avec déplacement permanent au côté hanging wall et le mouvement plus simple au footwall, permettant au modèle de capturer comment des excitations différenciées de part et d’autre de la faille se combinent avec le glissement lent mais important du plan de faille lui‑même.

Où et comment le tunnel est endommagé

Les simulations montrent que les dommages se concentrent dans et autour du noyau de la faille — la partie étroite et la plus fracturée de la zone de faille — et particulièrement dans les encoches (haunches), les épaules courbes où la paroi du tunnel rejoint la voûte. À mesure que le glissement de la faille augmente, une mesure de dommage dans le revêtement en béton approche rapidement du niveau associé à de larges fissures traversantes et même à l’écrasement. Ces zones de fort dommage s’étendent depuis le noyau de faille vers la roche environnante, et elles sont systématiquement plus sévères du côté hanging wall, davantage comprimé et cisailleté dans une faille inverse. Les schémas de déformation montrent que la section transversale du tunnel est étirée et comprimée autour de son périmètre, surtout aux encoches, tandis que la déformation longitudinale le long de l’axe du tunnel reste relativement modeste dans des conditions typiques.

Rôle de l’épaisseur de la faille et de son inclinaison

L’équipe a aussi étudié comment l’épaisseur de la zone de faille et l’angle du plan de faille influent sur les dommages. Une zone de faille plus large, représentée par un rapport de raideur relatif plus élevé entre la roche de faille et la roche encaissante, répartit la déformation plus progressivement et améliore la compatibilité de mouvement entre le massif rocheux et le revêtement. Cela réduit le dommage maximal dans le tunnel d’environ 45 %, même si le revêtement à l’intérieur du noyau de faille subit toujours des fissures importantes. Modifier l’angle de plongée de la faille produit un effet de seuil : lorsque la faille est modérément inclinée (jusqu’à environ 60 degrés), les schémas globaux de dommages changent peu. À des angles plus raides, cependant, les dommages dans le noyau de faille diminuent tandis que ceux à l’interface entre la faille et le hanging wall augmentent, et les déformations axiales — celles qui étirent ou comprimment le tunnel le long de sa longueur — s’élèvent dans plusieurs zones clés de la section transversale.

Enseignements de conception pour des tunnels plus sûrs

Pour les ingénieurs, le message principal de l’étude est que l’amplitude du glissement de faille est le principal facteur de dommages au tunnel, davantage que l’épaisseur de la faille ou son angle de plongée. Les régions d’encoches apparaissent comme les plus vulnérables et donc les cibles prioritaires de renforcement. Les auteurs suggèrent des mesures telles que le prérenforcement de la roche en avance d’excavation par de petites tubulures et des injections profondes de coulis, ainsi que l’épaisseur locale accrue du revêtement et l’ajout d’aciers supplémentaires dans les encoches où les contraintes se concentrent. Bien que le modèle simplifie certains détails de construction, ses résultats — vérifiés à l’aune des dommages observés sur un tunnel chinois récemment affecté par un mouvement de faille — offrent des orientations pratiques pour concevoir des tunnels traversant des failles capables de mieux résister aux futurs séismes et de maintenir ouverts des axes de transport critiques quand ils sont le plus nécessaires.

Citation: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

Mots-clés: dommages sismiques des tunnels, percement de tunnel en faille inverse, conception sismique des tunnels, infrastructures traversant des failles, réponse sismique souterraine