Analyse numérique et optimisation de l'impact de la construction complexe d'une fosse profonde sur la déformation des structures de métro adjacentes

Pourquoi les travaux proches importent pour les métros urbains

À mesure que les villes se développent, de nouvelles voies souterraines et des réseaux techniques doivent souvent être implantés juste à côté de tunnels de métro en service. Creuser des fosses profondes pour ces projets peut légèrement fléchir et faire s'affaisser les tunnels voisins, ce qui peut compromettre la sécurité à long terme et le confort des usagers. Cette étude examine comment une planification soignée de l'ordre d'excavation et de la construction des éléments internes peut limiter au maximum les mouvements du tunnel, fournissant des indications pour les zones urbaines denses où les travaux se déroulent dans des espaces très contraints.

Le défi du partage d'un espace souterrain encombré

Lorsqu'on creuse une fosse profonde à côté d'une ligne de métro existante, le sol qui entoure la fosse se détend et migre vers l'espace libre. En parallèle, le tunnel se comporte comme un anneau rigide enfoui, modifiant la manière dont le sol peut se déplacer. Des travaux antérieurs ont montré que la distance entre la fosse et le tunnel, la profondeur d'excavation et la géologie locale sont des facteurs importants, mais ils traitaient souvent l'excavation comme un processus simple et unidirectionnel. En réalité, les projets modernes sont plus complexes : de grands collecteurs ou caissons en béton sont coulés à l'intérieur de la fosse pendant que l'excavation se poursuit, et leur rigidité croissante influence à son tour la réponse du sol et du tunnel.

Un banc d'essai virtuel sous Pékin

Les auteurs ont construit un modèle informatique tridimensionnel détaillé d'un projet réel dans le district de Fengtai à Pékin, où un long tunnel routier et un grand collecteur souterrain sont réalisés à proximité de la ligne 10 du métro. Le modèle inclut des couches de sol, une fosse rectangulaire profonde, des parois de soutènement, le tunnel de métro et le caisson en forme de boîte qui reposera ensuite dans la fosse. En utilisant des lois de comportement du sol reconnues, ils ont simulé les mouvements du terrain et du tunnel au fur et à mesure du retrait du sol, étape par étape, et du durcissement des structures en béton à l'intérieur de la fosse. Ce banc d'essai virtuel leur a permis de comparer différents plans de construction qui seraient impratiques ou risqués à tester sur le terrain.

Dix façons de creuser et de construire

La question centrale était de savoir comment la séquence des travaux influence le déplacement du tunnel. L'équipe a combiné deux choix principaux : si le caisson est coulé dans le sens « avant » ou en sens inverse, et comment l'excavation progresse. Ils ont testé dix scénarios comprenant l'excavation à partir d'un seul côté, une excavation symétrique des deux côtés, la division de la fosse en zones et une progression en marches décalées. Dans chaque cas, ils ont suivi le tassement vertical du tunnel et le déplacement latéral des parois de soutènement. Bien que tous les scénarios maintiennent les mouvements du tunnel faibles, les différences étaient suffisamment marquées pour avoir de l'importance au regard des normes strictes de sécurité ferroviaire.

Ce que les simulations ont révélé

Le plan le plus favorable associait la construction du caisson dans le sens avant à une excavation unidirectionnelle « de loin vers près », c'est-à-dire que le sol était enlevé d'abord du côté le plus éloigné du tunnel sensible, puis seulement plus tard près du tunnel. Cette approche permettait au sol restant près du tunnel de jouer un rôle d'étayage temporaire, tandis que les premiers segments du caisson avaient le temps de gagner en résistance et d'aider à supporter les charges avant que l'excavation n'atteigne la zone critique. En revanche, l'un des plans les moins favorables combinait un coulage du caisson en sens inverse avec une excavation symétrique depuis les deux extrémités. Cette combinaison provoquait un déchargement du sol sous le tunnel depuis deux directions à la fois, créant un profil de tassement à double pic et une flexion du tunnel légèrement accrue, bien que les valeurs absolues restent de l'ordre de deux millimètres au maximum.

Recommandations pratiques pour des travaux urbains plus sûrs

Pour les non-spécialistes, le message principal est que l'ordre dans lequel les structures souterraines sont excavées et coulées n'est pas un détail mineur mais un choix de conception significatif. En privilégiant des séquences où l'excavation approche progressivement les tunnels sensibles depuis l'extérieur, et où de nouvelles structures en béton sont mises en place tôt pour remplacer la résistance du sol retiré, les ingénieurs peuvent réduire le tassement des tunnels de plusieurs pourcents sans ajouter de nouveaux équipements ou matériaux. Bien que le modèle utilise certaines simplifications et se concentre sur des différences relatives plutôt que sur des valeurs exactes, il offre aux urbanistes et aux concepteurs une méthode rationnelle pour choisir des plans de construction plus sûrs lorsque fosses profondes et métros en service doivent coexister.

Citation: Sun, J., Dun, H., Chen, S. et al. Numerical analysis and optimization of the impact of complex foundation pit construction on the deformation of adjacent subway structures. Sci Rep 16, 15436 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46547-1

Mots-clés: tunnel de métro, fosse profonde, séquence d'excavation, déformation du tunnel, analyse par éléments finis