Interaction Mechanism of Tunnel Excavation and Overlying Building Loads in Shallow-Buried Coastal Urban Tunnels
Cette étude examine l'interaction entre l'excavation d'un tunnel peu profond et les charges des bâtiments sus-jacents dans les zones urbaines côtières à travers des essais sur modèles, des simulations numériques et une surveillance in situ, révélant que la séquence d'excavation, le drainage des eaux souterraines et la surcharge des bâtiments régissent collectivement les modes de déformation, l'excavation du gradin supérieur sous les bâtiments étant identifiée comme l'étape la plus critique provoquant un tassement et des contraintes structurelles significatifs.
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Sous les rues animées des villes côtières, un défi d'ingénierie discret mais critique se joue là où les tunnels rencontrent le sol qui les surplombe. Dans ces zones, la terre est souvent un mélange complexe de sol meuble, de roche altérée et d'eau, située juste sous la surface. Lorsque les ingénieurs creusent un tunnel massif à travers ce sol, ils retirent le matériau qui soutient le poids de la ville depuis des siècles. Ce retrait provoque un mouvement et un affaissement du sol, un processus qui peut menacer la stabilité des bâtiments situés directement au-dessus. La situation devient encore plus complexe lorsque le sol est saturé d'eau. Dans de tels environnements, le creusement d'un trou permet à l'eau de s'écouler dans le tunnel, modifiant la pression qui maintient les particules de sol ensemble. Cette interaction entre la terre solide, l'eau en mouvement et le poids important des bâtiments crée un équilibre délicat qui, s'il est perturbé, peut entraîner des dommages importants, voire un effondrement. Comprendre exactement comment ces forces interagissent est essentiel pour garantir la sécurité des villes alors qu'elles continuent d'étendre leurs réseaux de transport souterrains.
Des chercheurs de l'Université de Géosciences de Chine (Pékin) se sont donné pour mission de démêler cette relation complexe en étudiant une section spécifique du second tunnel sous-marin de la baie de Qingdao, dans le Jiaozhou. Ce tunnel est une infrastructure vitale, mais sa section terrestre présente un ensemble de difficultés uniques : il est enfoui très peu profondément, couvre une largeur énorme et passe directement sous des bâtiments existants dans un environnement côtier riche en eau. Pour comprendre la mécanique de cette interaction, l'équipe n'a pas compté sur une seule méthode. Au lieu de cela, elle a combiné trois approches : elle a construit un modèle physique réduit du tunnel et des bâtiments en laboratoire, elle a réalisé des simulations informatiques détaillées tenant compte de l'écoulement de l'eau à travers le sol, et elle a analysé les données en temps réel collectées sur le véritable site de construction du tunnel. En tissant ensemble ces trois fils, ils ont pu observer comment le sol et les bâtiments réagissaient étape par étape au fur et à mesure que le tunnel était creusé.
Le modèle physique était une miniature précise du monde réel, construite à l'intérieur d'une grande boîte remplie de matériaux spécialement conçus pour imiter la résistance et les propriétés de circulation de l'eau du granite et du sol réels. Les chercheurs ont placé de minuscules bâtiments sur ce modèle, incluant une petite structure en briques et un bâtiment à ossature plus haute, et ont appliqué des charges sur ceux-ci pour simuler leur poids réel. Ils ont ensuite creusé le tunnel dans le modèle en utilisant une méthode spécifique qui consistait à retirer le sol par étapes, d'abord du côté gauche puis du côté droit, en progressant du haut vers le bas. Pendant le creusement, ils ont observé comment le sol s'affaissait et comment la pression de l'eau changeait. Ils ont découvert que le moment le plus dangereux ne se produisait pas lors de l'ouverture initiale du tunnel, mais plutôt durant une phase spécifique de l'excavation. Le mouvement et la libération de contraintes les plus significatifs se sont produits lorsque la section supérieure du côté droit du tunnel était creusée, directement sous les bâtiments. C'est à ce moment précis que le sol au-dessus du tunnel s'est le plus enfoncé et que la pression de l'eau a chuté le plus rapidement.
La présence d'eau s'est avérée être un amplificateur majeur de ces effets. L'étude a montré que lorsque l'eau est autorisée à s'écouler du sol au fur et à mesure que le tunnel est creusé, le sol s'affaisse de manière nettement plus importante que dans des conditions sèches. Dans leurs simulations informatiques, les chercheurs ont constaté que la prise en compte de cet écoulement d'eau augmentait l'enfoncement maximal du toit du tunnel de 27,3 % par rapport à un scénario où l'eau aurait été ignorée. Cela se produit parce que la pression de l'eau, qui aide à maintenir les grains de sol ensemble, est perdue à mesure que l'eau s'échappe dans le tunnel, provoquant la compression du sol et l'affaissement du sol en surface. Les chercheurs ont observé que cet effet de drainage était plus intense près du sommet du tunnel, ce qui explique pourquoi l'étape supérieure de l'excavation était si critique. L'eau n'ajoutait pas seulement du poids ; elle modifiait fondamentalement le comportement du sol, le rendant plus faible et plus sujet à des mouvements soudains.
La position des bâtiments par rapport au tunnel a également joué un rôle décisif dans la répartition des dommages. Lorsqu'un bâtiment se trouvait directement au-dessus du tunnel, le sol s'affaissait selon un schéma relativement symétrique, mais la zone d'affaissement devenait plus étroite et plus profonde, concentrant les contraintes sur les fondations du bâtiment. Cependant, lorsque le tunnel passait légèrement sur le côté d'un bâtiment, ou selon un angle, le sol ne s'affaissait pas uniformément. Au lieu de cela, un côté du bâtiment s'enfonçait plus que l'autre, provoquant l'inclinaison de la structure. Cet affaissement inégal créait des forces de torsion et des contraintes supplémentaires sur la structure du bâtiment, particulièrement aux angles et aux points de jonction entre les poutres et les colonnes. L'étude a souligné que mesurer simplement l'affaissement du sol au centre ne suffisait pas ; les ingénieurs devaient également surveiller ces effets d'inclinaison et de torsion, qui pouvaient être tout aussi dangereux pour l'intégrité structurelle du bâtiment.
Les résultats du modèle de laboratoire et des simulations informatiques correspondaient étroitement aux données collectées lors de la construction réelle du tunnel à Qingdao. Dans le monde réel, à mesure que la face du tunnel progressait sous les bâtiments, le sol s'est affaissé rapidement lors de l'excavation de la partie supérieure, confirmant les schémas observés lors des expériences. Cet accord donne aux ingénieurs confiance dans les résultats. La recherche suggère que pour des projets similaires dans les villes côtières, le moment le plus critique pour surveiller la sécurité est celui où la partie supérieure du tunnel est en cours d'excavation directement sous un bâtiment. Durant cette fenêtre, les ingénieurs doivent porter une attention particulière non seulement à l'ampleur de l'affaissement du sol, mais aussi à la vitesse à laquelle la pression de l'eau chute et si les bâtiments commencent à s'incliner. En concentrant leurs efforts de surveillance sur ces moments et facteurs spécifiques, les équipes de construction peuvent mieux protéger les structures en surface et assurer la sécurité des travailleurs en dessous.
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