Analyse du soulèvement des voussoirs pendant la construction d’un tunnel blindé en tenant compte des effets d’infiltration des couches

Pourquoi le soulèvement des tunnels importe pour la vie urbaine

Les villes modernes dépendent de plus en plus des lignes ferroviaires souterraines pour désengorger la circulation et libérer l’espace en surface. Mais creuser de longs tunnels sous des bâtiments n’est pas sans risques. Lorsqu’un tunnel est foré par une énorme machine à bouclier, les anneaux en béton qui doublent le tunnel peuvent parfois se soulever, ou « se déchausser », davantage qu’attendu. Un soulèvement excessif peut fissurer le revêtement, laisser pénétrer l’eau et même perturber le sol et les constructions situés au-dessus. Cette étude examine de près comment le mélange de coulis injecté et des eaux souterraines naturelles provoque le soulèvement du tunnel, en prenant comme cas d’étude une section réelle du métro de Dalian en Chine.

Un regard plus détaillé sous les rues

Les chercheurs se sont concentrés sur une section de tunnel passant sous un sol urbain constitué de remblais stratifiés, d’argiles et de sols graveleux contenant des nappes phréatiques. À l’avancée du bouclier, un petit vide se crée entre la voussure circulaire en béton et le sol environnant. Ce vide est immédiatement comblé par un coulis fluide pour soutenir le sol et maintenir la stabilité du tunnel. Parce que le coulis est plus léger et plus fluide que le sol, et parce que le terrain est porteur d’eau, la voussure peut être poussée vers le haut par une combinaison de la pression du coulis et de la pression de l’eau. Les études antérieures traitaient souvent cet effet de manière simplifiée et ne prenaient pas pleinement en compte la façon dont l’eau circule dans le sol pendant l’injection et la prise du coulis.

Construire un tunnel virtuel dans l’ordinateur

Pour démêler ces processus, l’équipe a construit un modèle informatique tridimensionnel du tunnel, du coulis et du sol environnant. Le modèle reproduisait les couches géologiques réelles et permettait à l’eau de s’écouler à travers le sol selon des lois d’écoulement bien connues. Il reproduisait aussi l’avancée pas à pas du bouclier : l’excavation du sol, le soutènement de la voûte, la pose de chaque anneau de voussoirs et l’injection de coulis autour d’eux. Différents niveaux de raideur ont été assignés au coulis au fur et à mesure de sa transformation d’un fluide fraîchement pompé à un matériau durci. Le modèle a été vérifié par rapport à des mesures de terrain rigoureuses réalisées avec des points de surveillance en surface et un système de guidage laser qui suivait la voussure du tunnel lors de l’avancée de la machine.

Comment l’eau et le coulis s’associent pour soulever le tunnel

Les simulations ont montré que la pression d’eau autour de la voussure change brusquement à mesure que la machine passe et que le coulis est injecté. Les variations les plus fortes de la pression interstitielle se produisent au bas de la voussure, des variations plus faibles apparaissent sur les flancs, et le sommet est le moins affecté. Le soulèvement suit un schéma similaire : l’invert (le bas du tunnel) se relève le plus, les flancs moins, et la clé (le sommet) le moins. La majeure partie du soulèvement total se produit dans les cinq premiers anneaux derrière la queue du bouclier, durant la phase où le coulis est encore très fluide et où sa pression est élevée. À mesure que le coulis commence à durcir et que les contraintes dans le sol se réajustent, la croissance du soulèvement ralentit et finit par se stabiliser. Lorsqu’on inclut l’infiltration des eaux souterraines, le soulèvement final est sensiblement plus important : environ un cinquième du soulèvement total dans le modèle est dû à l’action conjointe de l’infiltration et de la pression du coulis, plutôt qu’au coulis seul.

Quelles décisions de construction aggravent le soulèvement

En utilisant le modèle validé, les auteurs ont ensuite fait varier des facteurs clés dans des conditions autrement comparables. Les tunnels plus profonds ont subi davantage de soulèvement, principalement parce que la pression des nappes augmente avec la profondeur et favorise l’expansion du coulis et le soulèvement de la voussure. Des pressions de coulis plus élevées ont également produit un soulèvement plus marqué, bien que cet effet soit plus faible que celui de la profondeur. Un autre facteur important était la rapidité et la proximité par rapport à la machine auxquelles le coulis commençait à prendre. Si le point de prise initial se produisait plus en retrait du bouclier, le coulis restait plus longtemps fluide autour de la voussure, laissant plus de temps au développement du soulèvement. L’étude a combiné ces tendances en formules empiriques simples reliant le soulèvement à la profondeur d’enfouissement, à la pression de calfeutrage et à la distance par rapport au front de taille, fournissant ainsi aux ingénieurs un moyen pratique d’estimer le soulèvement dans des conditions de sol similaires.

Implications pour des déplacements souterrains plus sûrs

Pour les non-spécialistes, le message principal est que le soulèvement des tunnels ne dépend pas seulement de la pression à laquelle les ingénieurs pompent le coulis : il dépend aussi fortement de la façon dont l’eau circule dans le sol et de la rapidité avec laquelle le coulis durcit. En capturant l’action conjointe de la pression du coulis et de l’infiltration, et en confrontant les résultats à des mesures réelles, ce travail offre une image plus réaliste de la façon et du moment où les voussoirs se soulèvent pendant la construction. Ces résultats peuvent aider les concepteurs à choisir des profondeurs d’enfouissement, des pressions de calfeutrage et des formulations de coulis plus sûres, réduisant ainsi le risque de fissures, d’infiltrations et de gonflement de la surface lorsque de nouvelles lignes de métro sont construites sous nos villes.

Citation: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Mots-clés: soulèvement du tunnel blindé, infiltration des eaux souterraines, calfeutrage synchrone, construction de tunnels de métro, modélisation numérique