Mécanismes de déformation d’un tunnel existant adjacent à un sous-sol profond soutenu par des poutres circulaires dans des argiles molles

Pourquoi creuser profondément à côté des tunnels est important

À mesure que les villes s’étendent en profondeur plutôt qu’en surface, les ingénieurs doivent aménager de grands sous-sols juste à côté de tunnels de métro en exploitation. L’enlèvement de terre dans un sol mou peut provoquer des déplacements, des fissures ou des désalignements des tunnels voisins. Cette étude examine comment un nouveau type de système de soutènement utilisant des poutres circulaires dans les sous-sols profonds modifie le comportement du terrain et l’impact sur les tunnels proches, et fournit des recommandations pour préserver la sécurité des réseaux ferroviaires urbains pendant les travaux.

Observation d’une fouille massive dans de l’argile molle

Les chercheurs ont commencé par un chantier réel en argile molle, où un très grand sous-sol a été excavé avec un système de soutènement inhabituel. Au lieu d’utiliser des poutres droites traditionnelles, les entrepreneurs ont mis en place deux grosses poutres circulaires en béton pour étayer les parois. Le site était fortement instrumenté, avec des capteurs suivant la déformation des parois et le tassement de la surface au fur et à mesure du décapage en phases. À partir de ces données de terrain détaillées, l’équipe a construit un modèle numérique tridimensionnel reproduisant précisément les couches de sol, la disposition des murs et des poutres, et la séquence d’excavation employée sur le chantier.

Faire correspondre les prédictions numériques au mouvement réel du sol

Pour vérifier que le modèle reflétait la réalité, les auteurs ont comparé ses prédictions aux enregistrements des instruments. Ils ont utilisé un modèle de sol avancé calibré pour le comportement des argiles molles, qui se rigidifient à très faibles déformations puis s’assouplissent lorsqu’elles sont perturbées. Les déplacements latéraux des parois et le tassement de la surface calculés ont correspondu presque parfaitement aux mesures. Le tassement maximal prédit différait de la valeur observée de moins de deux pour cent, et le modèle a également restitué l’emplacement du plus fort tassement ainsi que l’étendue de la zone perturbée derrière la fouille. Cette forte concordance a donné confiance à l’équipe pour utiliser le modèle afin d’explorer de nombreux autres agencements de tunnel et de sous-sol difficiles ou impossibles à tester sur le terrain.

Comment les tunnels voisins se déplacent réellement

Avec le modèle validé, les chercheurs ont simulé un tunnel de métro typique passant près d’un côté d’un sous-sol profond soutenu par des poutres circulaires. Ils ont fait varier trois paramètres principaux : l’épaisseur de sol au-dessus de la voûte du tunnel, la distance du tunnel par rapport au sous-sol, et la longueur du sous-sol par rapport à sa profondeur. Les simulations ont montré que le tunnel ne se contente pas de s’enfoncer ; il se déplace en trois dimensions, la flexion latérale jouant le rôle dominant. Les plus grands déplacements du tunnel se produisent en face du milieu du sous-sol, et pour de nombreux agencements réalistes le mouvement latéral était presque deux fois plus important que le tassement. Lorsque la distance entre tunnel et sous-sol augmente, les déplacements latéraux et verticaux diminuent fortement, surtout dans une plage d’environ une à deux profondeurs d’excavation.

La profondeur d’enfouissement et la taille du sous-sol modifient le risque

La quantité de sol recouvrant le tunnel a un effet contre-intuitif. En plaçant le tunnel plus profondément, les mouvements augmentent d’abord puis diminuent, la réponse maximale se produisant généralement quand la voûte du tunnel se situe à une profondeur un peu supérieure à la moitié de la profondeur d’excavation. La forme de la distorsion du tunnel autour de sa section transversale tourne également en fonction de la profondeur, modifiant l’emplacement des plus fortes sollicitations. La taille du sous-sol est tout aussi importante : des excavations plus longues relâchent davantage de contraintes dans l’argile environnante, entraînant une augmentation presque linéaire du déplacement latéral du tunnel et du tassement avec la longueur du sous-sol. Lorsque la longueur dépasse environ six fois la profondeur, les déplacements prévus dépassent les limites de service courantes à moins que des mesures de protection spécifiques ne soient mises en œuvre.

Un diagramme simple à l’usage des ingénieurs

Pour rendre ces résultats tridimensionnels complexes utilisables, les auteurs ont synthétisé leurs simulations dans un diagramme de conception simple. Le diagramme divise l’espace autour d’un sous-sol en zones où les mouvements attendus du tunnel sont négligeables, modestes ou suffisamment importants pour être préoccupants. Ces zones dépendent principalement de la distance du tunnel au sous-sol et de la profondeur relative du tunnel par rapport à l’excavation. Pour chaque combinaison, le diagramme indique si le mouvement du tunnel devrait rester dans des ordres de grandeur de cinq, dix ou vingt millimètres, ou dépasser ces seuils.

Ce que cela signifie pour la construction urbaine

Pour les non-spécialistes, le message clé est que des sous-sols profonds soutenus par des poutres circulaires dans des argiles molles peuvent être construits en sécurité à proximité de tunnels de métro, mais que les déplacements des tunnels sont principalement gouvernés par la distance, la profondeur et la longueur du sous-sol. La poussée latérale sur le tunnel est généralement plus critique que le simple enfoncement. Le diagramme de conception proposé offre aux ingénieurs un outil rapide pour juger si une excavation projetée sera probablement sans conséquence ou si des protections supplémentaires, telles que l’amélioration du sol ou des cloisons d’isolation, sont nécessaires avant le début des travaux.

Citation: Qi, S., Wang, B. Deformation mechanisms of an existing tunnel adjacent to deep basement supported by circular beams in soft clays. Sci Rep 16, 14633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50853-z

Mots-clés: déformation de tunnel, excavation profonde, argile molle, construction de sous-sol, sécurité du tunnel de métro