Guide ACI 533.5R sur les principaux aspects de la conception, de la fabrication et de la construction de segments de tunnel en béton préfabriqué

Par Mehdi Bakhshi et Verya Nasri

Le creusement de tunnels mécanisé au tunnelier a été la méthode d'excavation la plus répandue au cours de la dernière décennie dans diverses conditions de sol telles que les sols meubles, les roches faibles et les roches dures fracturées. Des segments de béton préfabriqués sont installés derrière un tunnelier pour soutenir l'excavation, résister aux charges permanentes du sol et des eaux souterraines et assurer l'étanchéité. De plus, les segments préfabriqués sont conçus pour les charges temporaires de la production, du transport et de la construction.

Jusqu'à la publication du guide ACI 533, très peu de directives avaient été fournies aux concepteurs et aux entrepreneurs par les autorités locales ou internationales. La publication de l'ACI 533.5R, dirigée par les auteurs de cet article, en tant que premier guide au monde publié par une agence de code internationale, a répondu à ce besoin et couvre tous les principaux aspects de la conception, de la fabrication et de la construction des segments dans une seule publication. Ce guide fournit les procédures requises pour le concept structurel et la conception détaillée, la conception de l'étanchéité et des joints, la conception des connexions, la conception de la durabilité et les tolérances de tassement et de surveillance. Ce document a été rédigé sur la base de la coopération mondiale, de l'expérience de tunnelage et des recommandations nationales et internationales disponibles. En plus des aspects généraux de la conception, les développements les plus récents en matière de conception et les dernières technologies liées aux technologies de revêtement de tunnel TBM sont présentés.

Les segments de tunnel préfabriqués en béton doivent être conçus à l'aide de la méthode de calcul des facteurs de charge et de résistance (LRFD). Le tableau 1 présente les cas de charge déterminants et les combinaisons de charges pondérées pour lesquels les segments de tunnel en béton préfabriqué sont conçus. Les facteurs de réduction de résistance dans ACI 318-19 et ACI 544.7R-16 sont requis pour la conception du béton armé et du béton renforcé de fibres (FRC), respectivement.

Les exigences d'espace intérieur en fonction de l'utilisation prévue du tunnel et des exigences du client déterminent la dimension de l'intrados du tunnel. L'ACI 533.5R classe les tunnels en quatre catégories principales de tunnels ferroviaires et de métro, routiers, de services publics et d'eau et d'eaux usées. Les exigences d'espace interne pour chaque catégorie sont expliquées dans le « Guide ». La figure 1 présente schématiquement une disposition typique des tunnels routiers. L'ACI 533.5R fournit des plages de rapport du diamètre interne (DI) à l'épaisseur du revêtement pour différentes tailles de tunnel. Cela comprend une plage de 15 à 25 pouces pour les tunnels de 13 à 18 pieds de diamètre intérieur et une plage de 18 à 25 pouces pour les tunnels de plus de 18 pieds de diamètre intérieur. Pour les diamètres de tunnel de 19 à 23 pieds, une longueur d'anneau de 5 pieds est recommandée, ce qui augmente à une longueur d'anneau de 6,5 pieds pour les tunnels de plus de 30 pieds de diamètre.

Figure 1 : Schéma de l'espace intérieur des tunnels routiers : a) coupe à la station de pompage du point bas, a) coupe type.

Les anneaux parallèles, les anneaux parallèles avec anneaux correctifs, les anneaux coniques droit/gauche et les systèmes d'anneaux universels (voir Figure 2) font partie des différents systèmes d'anneaux segmentaires. Les anneaux parallèles (Figure 2(a)) ne sont pas intrinsèquement adaptés aux courbes. Dans les anneaux droit/gauche (figure 2(b)), généralement une face circonférentielle de chaque anneau est effilée perpendiculairement à l'axe du tunnel et l'autre face est inclinée par rapport à l'axe du tunnel. L'alternance d'anneaux coniques droit et gauche dans une séquence produit un entraînement droit. L'étanchéité à l'eau peut être garantie avec ce type d'anneau mais l'exigence de différents types de coffrage est un inconvénient. Actuellement, le système d'anneau universel (Figure 2 (c)) est le système le plus conventionnel, où souvent deux faces circonférentielles de chaque anneau sont inclinées par rapport à l'axe du tunnel, et l'alignement peut être négocié par la rotation de l'anneau segmentaire. Le principal avantage de ce système est qu'un seul type de jeu de coffrage est nécessaire [3].

Figure 2 : Différents systèmes d'anneaux, schémas d'effilement et de négociation de courbe : a) anneaux parallèles, b) anneaux droit/gauche, c) anneaux universels.

Les anneaux contiennent généralement un certain nombre de segments qui donnent un rapport d'élancement de segment de 8-13. La recommandation générale pour les tunnels d'un diamètre allant jusqu'à 20 pieds est de diviser l'anneau en 6 segments et d'utiliser des configurations 5+1 ou 4+2 (ce dernier nombre représente le nombre de segments clés). Lorsque le diamètre du tunnel est compris entre 20 et 26 pieds et entre 26 et 36 pieds, un anneau à 7 segments et un anneau à 8 segments peuvent être adoptés, respectivement. Pour les diamètres de tunnel entre 36 et 46 pieds, un anneau à 9 segments peut être adopté. Enfin, pour les tunnels de plus de 46 pieds, une configuration 9+1 est la configuration la plus courante.

Figure 3 : Principaux systèmes pour la géométrie des segments : a) hexagonal, b) rectangulaire, c) trapézoïdal, d) systèmes rhomboïdaux.

La géométrie des segments individuels, comme le montre la figure 3, peut être divisée en quatre catégories ou systèmes principaux : hexagonal, rectangulaire, trapézoïdal et rhomboïdal. Parce que les segments hexagonaux (Figure 3(a)) empêchent l'utilisation efficace des joints, ils compromettent l'étanchéité du revêtement et sont rarement utilisés de nos jours. Avec les systèmes rectangulaires (Figure 3(b)), des joints longitudinaux décalés ne peuvent pas toujours être garantis et des joints crucifix peuvent se présenter et provoquer des fuites. Dans le système trapézoïdal (Figure 3(c)) en raison des joints longitudinaux décalés, la possibilité de créer des joints crucifix est éliminée mais le processus d'installation rend difficile le placement de plusieurs segments de clé entre les segments de contre-clé. Le système rhomboïdal (Figure 3(d)) est actuellement le système le plus courant car il élimine les joints crucifix, a une bonne performance d'étanchéité et permet une érection continue des anneaux. Un autre avantage majeur est le joint de segment incliné qui empêche le frottement des joints lors de l'insertion du segment et facilite l'utilisation de goujons de connexion rapides dans les joints circonférentiels.

Après la coulée et le durcissement initial, les segments sont retirés du coffrage. La conception doit tenir compte de la résistance requise lorsque les segments sont dépouillés (par exemple 6 heures après la coulée) sous leur propre poids (w). Le démoulage des segments est suivi du stockage des segments, où les segments sont empilés pour obtenir leur résistance requise avant le transport vers la construction. placer. Généralement, tous les segments constituant un anneau complet sont empilés en une seule pile. La conception considère le poids propre et la charge permanente des segments positionnés au-dessus avec une excentricité de e = 4 po entre les emplacements du support de pile et les supports des segments supérieurs.

La manutention des segments est effectuée par des dispositifs de levage spécialement conçus tels que des pinces mécaniques, des palonniers à ventouse et des chariots élévateurs. Pour la manutention par serrage mécanique et palonniers à ventouse, la procédure de conception utilisée pour le démoulage des segments et pour la manutention par chariots élévateurs, un schéma de chargement et une excentricité similaires au stockage des segments sont adoptés.

Pendant la phase de transport des segments, les segments préfabriqués sont transportés vers le chantier de construction et finalement vers l'engin traînant du tunnelier. La moitié ou tous les segments de chaque anneau sont transportés vers le tunnelier sur un chariot. Une procédure de conception similaire à la phase de stockage et une excentricité de 4 po sont généralement recommandées pour la conception.

En plus des facteurs de charge présentés dans le tableau 1, un facteur d'impact dynamique de 2,0 est recommandé pour les cas de charge de manutention et de transport. La figure 4 présente les schémas de chargement et les conditions d'appui des cas de charge mentionnés ci-dessus.

Fig 4 a) Forces agissant sur les segments pendant le démoulage et la manutention par des élévateurs, b & c) Forces agissant sur les segments pendant le stockage, la manutention par chariots élévateurs et le transport, d) schéma de manutention par chariot élévateur

Les charges sur le revêtement sont générées lors du remplissage de l'espace annulaire entre le sol et les voussoirs avec des coulis semi-liquides. Ceci est modélisé en appliquant une pression radiale, qui varie linéairement de la pression minimale du coulis au sommet à la pression maximale du coulis au radier du tunnel. Pour la combinaison de charge du poids propre et de la pression du coulis, comme indiqué dans le tableau 1, un facteur de charge de 1,25 est recommandé pour les deux charges.

Figure 5 : Cas de charge des efforts des vérins du tunnelier : a) vue schématique des vérins de poussée poussant sur les joints circonférentiels, b) schémas des forces de traction d'éclatement et paramètres correspondants lors de l'utilisation d'équations simplifiées des zones d'ancrage post-contraintes dans le béton précontraint, c) Diagramme d'Iyengar (1962) comme méthode analytique commune, d) résultats de FEA 3D.

Les facteurs de charge indiqués dans le tableau 1 (cas de charge 8) peuvent être utilisés pour calculer la résistance requise. Entre autres méthodes, ce cas de charge peut être analysé à l'aide d'équations élastiques, de modèles poutre-ressort (Figure 6), de FEM et de la méthode des éléments discrets (DEM).

Fig 6 a) Modèle poutre-ressort à double anneau avec des ressorts radiaux simulant le sol et des ressorts articulaires simulant des joints longitudinaux et circonférentiels ; et (b) schéma de joint annulaire

Les forces circonférentielles développées dans le revêtement sont transférées à travers une section transversale réduite le long des joints longitudinaux où les joints et les rainures de détente sont présents. Semblable au cas de charge des forces du vérin de poussée du TBM, les méthodes d'analyse incluent des équations d'éclatement simplifiées [2, 4] (Figure 7), la méthode analytique du diagramme d'Iyengar [5] et des simulations FEM 2D/3D.

Figure 7 : Transfert de force recommandé par DAUB [4] dans les joints longitudinaux en utilisant le concept de bloc de contrainte simplifié.

Le guide ACI 533.5R [1] résume les directives disponibles des autorités internationales sur la résistance à la compression recommandée des segments de tunnel en béton préfabriqué. L'armature est classée en trois types différents : a) armature transversale - l'armature principale placée perpendiculairement à l'axe du tunnel, b) armature longitudinale - placée parallèlement à l'axe du tunnel et souvent conçue comme une armature à température et retrait minimum, c) armature de joint - placée à proximité des joints pour résister aux contraintes d'éclatement et d'écaillage. Les détails de renforcement les plus courants sont présentés dans le « Guide », y compris la taille des barres d'armature et l'enrobage de béton minimum recommandé et l'espacement des barres d'armature.

Les vérifications pour l'ELS dans les segments de tunnel comprennent la vérification des contraintes, la vérification de la déformation et la vérification de la fissuration. Une attention particulière est accordée à la fissuration en tant que contributeur majeur à la réduction de l'aptitude au service en raison de la pénétration potentielle d'eau. La conception doit garantir que la largeur des fissures de flexion n'est pas supérieure aux largeurs de fissures admissibles présentées dans le « Guide ».

Dans le revêtement segmentaire monopasse, l'étanchéité du tunnel est garantie par les segments et les joints qui sont placés entre les segments dans des joints longitudinaux et circonférentiels. Dans le « Guide », des procédures sont fournies pour sélectionner les matériaux de joint, les solutions pour différentes pressions d'eau, les facteurs de sécurité appropriés compte tenu de la relaxation, le profil du joint compte tenu de la taille du tunnel, les tolérances et l'espace/décalage de construction requis. Des tests d'étanchéité et de déformation sous charge ainsi que des détails sur la conception des rainures de joint sont présentés. Le comportement à court terme du joint est expliqué et une discussion concernant la conception des systèmes de connexion pour la charge du joint après relaxation à court terme est faite. De nouveaux développements dans les systèmes de joints sont introduits, y compris les joints ancrés et la technologie d'ancrage de fibre la plus récemment développée pour les joints ; des solutions de coins souples pour éliminer le chargement ponctuel à l'aide de cavités à broches ; et une nouvelle méthode de réparation pour le post-scellement du joint de segment, basée sur le forage direct et l'injection à travers le profil du joint.

Les connexions entre segments au sein d'un anneau et entre anneaux peuvent être divisées en trois catégories : boulons, goujons et tiges de guidage. Le boulon (Figure 8(a)) est généralement utilisé entre les segments d'un anneau et entre les anneaux de systèmes rectangulaires. En raison de la cinématique du processus d'assemblage, le goujon (Figure 8(b)) n'est utilisé qu'entre les anneaux dans les joints circonférentiels. Les tiges de guidage (Figure 8(c)) peuvent être utilisées comme dispositif de centrage qui assure le guidage et le centrage lors de l'installation du segment avec une fonctionnalité de verrouillage. Les tiges de guidage sont généralement utilisées en conjonction avec des goujons. Les derniers développements en matière de dispositifs de connexion incluent l'intégration d'une douille vissable sur un côté de la cheville afin de réduire la tolérance d'installation et de fournir aux ouvriers un processus d'assemblage plus fluide. Les systèmes de fixation traditionnels sont des ancrages post-installés avec perçage qui peuvent endommager le béton, les armatures ou les joints de segment avec des impacts négatifs sur le comportement structurel, les performances d'étanchéité, la protection contre la corrosion et la durabilité à long terme. ACI 533.25 [1] présente un nouveau système de fixation coulé pour les segments comme une solution durable et durable.

Figure 8 : Dispositifs de connexion de segments : a) systèmes de boulons dans les joints longitudinaux, b) systèmes de chevilles dans les joints circonférentiels, c) tiges de guidage dans les joints longitudinaux

Les tolérances sont des écarts admissibles des dimensions réelles des segments, soit en tant que composants individuels, soit en tant que système par rapport à leurs dimensions de conception. Dans le guide ACI 533.5R [1], les tolérances sont expliquées dans deux catégories principales de tolérances de production et de construction. Les tolérances du segment de production spécifiées par les lignes directrices et les normes sont présentées, et différents programmes de mesure et leurs lacunes sont discutés. La mesure laser 3D à l'aide d'un interféromètre et d'un système de suivi est présentée comme la meilleure pratique. L'anneau d'essai est expliqué comme une méthode de contrôle de la tolérance du système, et l'ovalisation et le désalignement des joints comme deux tolérances de construction majeures.

Les tunnels sont généralement conçus pour une durée de vie de 100 à 125 ans. Dans les tunnels forés, la durabilité du tunnel est directement liée à la durabilité des voussoirs. Les mécanismes de dégradation les plus fréquents sont discutés dans « le Guide ». Cela comprend la corrosion des armatures par attaque de chlorure et carbonatation, les attaques de sulfate et d'acide, les réactions alcali-agrégat, l'attaque par le gel et les dommages dus au gel et au dégel. La corrosion induite par les courants vagabonds en tant que problème majeur de durabilité spécifique aux tunnels ferroviaires/métro est expliquée. Des méthodes d'atténuation pour différents facteurs de durabilité sont également présentées. La méthode d'atténuation de la corrosion par courant vagabond, y compris l'utilisation de segments FRC, est présentée et la durabilité des segments sous les effets de couplage du courant vagabond avec d'autres facteurs de dégradation conventionnels est expliquée. Des approches prescriptives sont introduites pour la conception de la durabilité en considérant différentes classes d'exposition environnementale comme entrées principales. Les recommandations pour assurer la durée de vie typique des tunnels sont expliquées, y compris la résistance du béton, le rapport eau-ciment (e/c) maximal, la teneur minimale en ciment et la teneur minimale en air.

Le guide ACI 533.5R [1] consolide les développements les plus récents, les meilleures pratiques internationales et les informations de pointe sur tous les aspects de la conception et de la construction de segments préfabriqués, et peut être utilisé comme guide général pour les revêtements de tunnels segmentés. En plus des règles de conception structurelle, cette directive traite des détails de la géométrie, des formes, de la configuration et des systèmes des anneaux segmentaires, ainsi que des considérations détaillées sur la conception du béton. La conception des joints, les dispositifs de connexion, les tolérances, les mesures, le contrôle dimensionnel et la durabilité sont tous abordés. Le « Guide » préparé est l'état de la pratique à l'heure actuelle dans un domaine technologique en constante évolution.

[1] ACI 533.5R : Guide pour les segments de tunnel en béton préfabriqué. Institut américain du béton (ACI), 2020.[2] ACI 318 : Exigences du code du bâtiment pour le béton structurel et commentaires. Institut américain du béton (ACI), 2019.[3] ÖVBB : Directive pour les systèmes de revêtement segmentaire en béton. Société autrichienne pour la technologie du béton et de la construction (ÖVBB), 2011.[4] DAUB : Lining Segment Design : Recommandations pour la conception, la production et l'installation d'anneaux segmentaires. Comité allemand des tunnels (DAUB), 2013.[5] Iyengar, KT : Théories bidimensionnelles des contraintes de zone d'ancrage dans les poutres post-tendues. ACI 59 (1962), n° 10, p. 1443–1466.

Mehdi Bakhshi, AVP- Ingénieur principal du tunnel | AECOM Le Dr Bakhshi est titulaire d'un doctorat en génie civil de l'Arizona State University. Il a plus de 18 ans d'expérience en génie civil, structure, tunnel, souterrain et géotechnique dans des projets nationaux et internationaux en tant qu'ingénieur tunnel principal et ingénieur tunnel principal. Mehdi a publié plus de 75 journaux et articles de conférence évalués par des pairs liés aux tunnels et aux structures en béton.

Verya Nasri, VP - Ingénieur en chef du tunnel | AECOM Le Dr Nasri est titulaire d'un doctorat en géotechnique et génie des structures de l'École Centrale Paris. Il a plus de 30 ans d'expérience en tant qu'ingénieur en chef de tunnels pour de grands projets de tunnels dans la région métropolitaine de New York et dans toute l'Amérique du Nord, l'Europe, l'Asie, l'Afrique et le Moyen-Orient. Le Dr Nasri a plus de 200 articles dans des revues et des conférences sur la conception et la construction de tunnels et de structures souterraines.