Tunnel

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Contexte

Un tunnel est un passage souterrain ou sous-marin qui est principalement horizontal. Ceux de relativement petit diamètre transportent des lignes de services publics ou fonctionnent comme des pipelines. Les tunnels qui transportent des personnes par chemin de fer ou par automobile comprennent souvent deux ou trois grands passages parallèles pour le trafic en sens inverse, les véhicules de service et les sorties de secours.

Le tunnel le plus long du monde transporte de l'eau à 170 km jusqu'à New York depuis la rivière Delaware. Le tunnel de transport de personnes le plus long est le tunnel ferroviaire de Seikan. Il s'agit d'une liaison ferroviaire de 53 km de long et de 9,7 m de diamètre entre les deux plus grandes îles du Japon, Honshu et Hokkaido.

L'un des tunnels les plus attendus était le tunnel sous la Manche. Achevé en 1994, ce tunnel relie la Grande-Bretagne à l'Europe à travers trois tunnels de 50 km de long (deux tunnels à sens unique et un tunnel de service). Vingt-trois milles (37 km) de ce tunnel sont sous l'eau.

Historique

Les tunnels ont été creusés à la main par plusieurs civilisations anciennes dans les régions indiennes et méditerranéennes. En plus des outils de creusement et des scies à roche en cuivre, le feu était parfois utilisé pour chauffer une obstruction rocheuse avant de l'arroser d'eau pour la briser. La méthode de coupe et de couverture - creuser une tranchée profonde, construire un toit à une hauteur appropriée dans la tranchée et recouvrir la tranchée au-dessus du toit (une technique de creusement de tunnel encore utilisée aujourd'hui) - a été utilisée à Babylone il y a 4 000 ans.

La première avancée au-delà du creusement à la main a été l'utilisation de la poudre à canon pour faire sauter un tunnel de canal de 160 m de long en France en 1681. Les deux avancées majeures suivantes ont eu lieu vers 1850. La nitroglycérine (stabilisée sous forme de dynamite) a remplacé la poudre noire moins puissante dans le dynamitage de tunnel. De la vapeur et de l'air comprimé ont été utilisés pour alimenter des perceuses afin de créer des trous pour les charges explosives. Cette mécanisation a finalement remplacé le processus manuel rendu célèbre par John Henry, le « homme au volant d'acier », qui a balancé un marteau de 10 lb (4,4 kg) avec chaque main pendant 12 heures par jour, martelant des burins en acier aussi profonds que 14 ft (4,2 m) dans la roche solide.

Entre 1820 et 1865, les ingénieurs britanniques Marc Brunel et James Greathead ont développé plusieurs modèles de bouclier de tunnel qui leur ont permis de construire deux tunnels sous la Tamise. Une enceinte rectangulaire ou circulaire (le bouclier) était divisée horizontalement et verticalement en plusieurs compartiments. Un homme travaillant dans chaque compartiment pouvait retirer une planche à la fois de la face du bouclier, creuser de quelques centimètres et replacer la planche. Lorsque l'espace a été creusé loin de toute la surface avant, le bouclier a été poussé vers l'avant et le processus de creusement a été répété. Les ouvriers à l'arrière du bouclier ont tapissé le tunnel de briques ou d'anneaux en fonte.

En 1873, le tunnelier américain Clinton Haskins a empêché l'eau de s'infiltrer dans un tunnel ferroviaire en construction sous la rivière Hudson en le remplissant d'air comprimé. La technique est encore utilisée aujourd'hui, même si elle présente plusieurs dangers. Les travailleurs doivent passer du temps dans des chambres de décompression à la fin de leur quart de travail, une exigence qui limite les sorties de secours du tunnel. La pression à l'intérieur du tunnel doit être soigneusement équilibrée avec la pression de la terre et de l'eau environnantes ; un déséquilibre provoque l'effondrement ou l'éclatement du tunnel (ce qui permet ensuite l'inondation).

Un sol meuble a tendance à s'effondrer et peut obstruer l'équipement d'excavation. Une façon de stabiliser le sol est de le geler en faisant circuler du liquide de refroidissement à travers des tuyaux encastrés à intervalles dans toute la zone. Cette technique est utilisée aux États-Unis depuis le début des années 1900. Une autre technique de stabilisation et d'imperméabilisation, largement utilisée depuis les années 1970, consiste à injecter du coulis (agent de liaison liquide) dans le sol ou la roche fracturée entourant le tracé du tunnel.

Le béton projeté est un béton liquide qui est pulvérisé sur les surfaces. Inventé en 1907, il est utilisé à la fois comme revêtement préliminaire et final pour les tunnels depuis les années 1920.

En 1931, les premiers jumbos de forage ont été conçus pour creuser des tunnels qui détourneraient le fleuve Colorado autour du chantier de construction du barrage Hoover. Ces jumbos se composaient de 24 à 30 marteaux perforateurs montés sur un châssis soudé à la plate-forme d'un camion. Les jumbos modernes permettent à un seul opérateur de contrôler plusieurs foreuses montées sur des bras à commande hydraulique. En 1954, alors qu'il construisait des tunnels de dérivation pour la construction d'un barrage dans le Dakota du Sud, James Robbins a inventé le tunnelier (TBM), un appareil cylindrique avec des têtes de creusement ou de coupe montées sur une face avant rotative qui broie la roche et le sol comme la machine avance en rampant. Les tunneliers modernes sont personnalisés pour chaque projet en adaptant les types et la disposition des têtes de coupe à la géologie du site ; de plus, le diamètre du tunnelier doit être égal au diamètre du tunnel conçu (y compris son revêtement).

Matières premières

Les matériaux utilisés dans les tunnels varient selon la conception et les méthodes de construction choisies pour chaque projet. Le coulis utilisé pour stabiliser le sol ou combler les vides derrière le revêtement du tunnel peut contenir divers matériaux, notamment du silicate de sodium, de la chaux, de la fumée de silice, du ciment et de la bentonite (une argile volcanique très absorbante). La boue de bentonite et d'eau est également utilisée comme moyen de suspension et de transport pour la boue (débris excavés du tunnel) et comme lubrifiant pour les objets poussés dans le tunnel (par exemple, tunneliers, boucliers). L'eau est utilisée pour contrôler la poussière pendant le forage et après le dynamitage, ce qui est souvent fait avec un explosif de gélatine à faible point de congélation. La saumure d'eau et de sel ou l'azote liquide sont des réfrigérants courants pour stabiliser les sols meubles par le gel. Le matériau de revêtement moderne le plus courant, le béton renforcé d'acier ou de fibres, peut être pulvérisé, coulé sur place ou préfabriqué en panneaux.

Choix de la méthode

La méthode de construction d'un tunnel est déterminée par plusieurs facteurs, notamment la géologie, le coût et la perturbation potentielle d'autres activités. Différentes méthodes peuvent être utilisées sur des tunnels individuels faisant partie du même projet plus vaste ; par exemple, quatre méthodes distinctes sont utilisées sur des parties du projet Central Artery/Tunnel de Boston.

Le processus de fabrication

Préparation

• 1 La géologie du site est évaluée en examinant les caractéristiques de surface et des carottes de sous-surface. Un tunnel pilote d'environ un tiers du diamètre du tunnel principal prévu peut être construit le long de l'ensemble du tracé pour évaluer davantage la géologie et tester la méthode de construction choisie. Le tunnel pilote peut longer le chemin du tunnel principal et éventuellement y être connecté à intervalles pour assurer la ventilation, l'accès de service et une voie d'évacuation. Ou le tunnel pilote peut être agrandi pour produire le tunnel principal.
• 2 Si la stabilisation du sol est requise, elle peut être effectuée en injectant du coulis à travers de petits tuyaux placés dans le sol à intervalles réguliers. Alternativement, un réfrigérant peut circuler dans des tuyaux noyés dans le sol pour geler le sol.

Exploitation minière

• 3 Il existe sept méthodes différentes utilisées pour retirer le matériau du chemin du tunnel. La première est la méthode du tube immergé. Les travailleurs préparent un site de tunnel sous-marin en creusant une tranchée au fond de la voie navigable. Les sections en acier ou en béton armé de l'enveloppe du tunnel sont construites sur la terre ferme. Chaque section peut mesurer plusieurs centaines de pieds (100 m ou plus) de long. Les extrémités de la section sont scellées et la section est flottée jusqu'au site du tunnel. La section est attachée à des ancrages adjacents à la tranchée, et les ballasts intégrés à la section sont inondés. Au fur et à mesure que la section s'enfonce, elle est guidée en place dans la tranchée. La section est reliée à la section adjacente précédemment placée, et les plaques scellant cette extrémité de chaque section sont retirées. Un joint en caoutchouc entre les deux sections assure une connexion étanche.

  Dans la méthode de coupe et de couverture, les travailleurs creusent une tranchée suffisamment grande pour contenir le tunnel et son enveloppe. Un tube en forme de boîte est construit, souvent par coulée en place de béton armé. Dans certains types de sols ou à proximité immédiate d'autres ouvrages, des parois de tunnel peuvent être construites avant le début du creusement afin d'éviter que la tranchée ne s'effondre lors de l'excavation. Cela peut être fait en enfonçant des tôles d'acier dans le sol ou en construisant un mur de boue (une tranchée profonde qui est remplie d'argile aqueuse au fur et à mesure que la saleté est enlevée). Lorsque la taille souhaitée est atteinte pour une section de mur, une cage de tiges d'armature en acier y est abaissée et du béton est pompé pour déplacer la boue d'argile humide. Au fur et à mesure que le creusement progresse suffisamment pour que les machines d'excavation soient sous le niveau du sol, des panneaux de surface temporaires peuvent être posés en travers de la tranchée pour permettre à la circulation de la traverser. Lorsque l'enveloppe du tunnel est terminée, elle est recouverte en remplaçant la terre excavée.

  La troisième méthode est la méthode descendante. Une paire parallèle de murs est enfoncée dans le sol le long du tracé du tunnel en enfonçant des palplanches en acier ou en construisant des murs en boue. Une tranchée est creusée entre les murs à une profondeur égale à la distance prévue entre la surface et l'intérieur du toit du tunnel. Le toit du tunnel est formé entre les murs en encadrant et en coulant du béton armé au fond de la tranchée peu profonde. Une fois le toit du tunnel durci, il est recouvert d'une membrane d'étanchéité et la terre excavée est remplacée au-dessus. Des machines d'excavation conventionnelles, telles qu'une chargeuse frontale, sont utilisées pour creuser le sol entre les parois moulées et sous le toit du tunnel. Lorsqu'une profondeur suffisante a été atteinte, un sol en béton armé est coulé pour compléter l'enveloppe du tunnel.

  Avec la méthode de forage et de dynamitage, un jumbo de forage est utilisé pour forer un motif prédéterminé de trous dans la roche le long du chemin du tunnel. Des charges de dynamite soigneusement planifiées sont insérées dans les trous percés. Les charges sont déclenchées dans une séquence conçue pour séparer le matériau du chemin du tunnel sans endommager indûment la roche environnante. L'air circule dans la zone de soufflage pour éliminer les gaz d'explosion et la poussière. Les décombres délogés par l'explosion sont emportés. Des perceuses pneumatiques et des outils à main sont utilisés pour lisser la surface de la section dynamitée et retirer les morceaux de roche détachés.

  L'Eurotunnel.

  La construction du tunnel sous la Manche entre l'Angleterre et la France, un rêve depuis des siècles envisagé et encouragé par Napoléon, a commencé en 1987. Appelé à l'origine le Chunnel et maintenant connu sous le nom d'Eurotunnel, il a été achevé en 1994 pour un coût de 13 milliards de dollars. . Les deux tunnels ferroviaires (un pour le trafic en direction nord et un pour le trafic en direction sud) et un tunnel de service ont chacun une longueur de 31 mi (50 km) et une profondeur moyenne de 150 pieds (46 m) sous le fond marin. C'est le premier lien physique entre la Grande-Bretagne et le continent européen. Un service ferroviaire voyageurs est assuré, ainsi que le convoyage d'automobiles et de camions. Les temps de trajet de Londres à Paris ont été réduits de plus de cinq heures (sur mer) à trois heures via l'Eurotunnel.

  Le tunnel de Seikan au Japon a été mis en service en 1988. Le tunnel de 53 km de long relie la pointe nord de l'île principale japonaise de Honshu à l'île d'Hokkaido, en passant sous le détroit de Tsugaru. Le tunnel Seikan est le plus long tunnel sous-marin du monde, impliquant une excavation à 330 pieds (100 m) sous le fond marin à travers un détroit où la mer atteint jusqu'à 460 pieds (140 m) de profondeur.

  Il est généralement nécessaire de stabiliser et de renforcer la surface de la section nouvellement grenaillée avec un revêtement préliminaire. Une technique consiste à insérer une série de nervures en acier reliées par des entretoises en bois ou en acier. Une autre technique, appelée la nouvelle méthode autrichienne de creusement de tunnels (NATM), consiste à pulvériser sur la surface quelques pouces (plusieurs centimètres) de béton. Dans des conditions géologiques appropriées, Tunnellisation de bouclier. ce revêtement en "béton projeté" peut être complété en insérant de longues tiges d'acier (boulons d'ancrage) dans la roche et en serrant les écrous contre les plaques d'acier entourant la tête de chaque boulon.

  Une cinquième méthode pour enlever le matériau du tunnel est la méthode de forage de bouclier ou de creusement de tunnel. Certains tunnels sont encore creusés à l'aide d'un bouclier de style Greathead. Le haut du bouclier s'étend au-delà des côtés et du bas, offrant un toit protecteur aux travailleurs qui creusent avant le bouclier. Le bord d'attaque de la partie supérieure du bouclier est tranchant afin qu'il puisse traverser le sol. L'excavation peut être effectuée à la main ou avec des outils électriques. Le matériau en excès est renvoyé à travers le bouclier sur un convoyeur ou une bande, chargé dans des chariots et transporté hors du tunnel. Lorsque les travailleurs ont creusé des matériaux devant le bouclier aussi loin que le haut s'étend, les vérins à l'arrière du bouclier sont calés contre la section de revêtement du tunnel la plus récemment installée. L'activation des vérins pousse le bouclier vers l'avant afin que les travailleurs puissent commencer à creuser une autre section. Une fois le bouclier avancé, les vérins sont rétractés et des segments d'anneau en acier ou en béton armé sont boulonnés en place pour former une section de revêtement permanent pour le tunnel.

  Le creusement du tunnel est une technique similaire, mais le bouclier enfoncé dans le sol est en fait une section préfabriquée du revêtement du tunnel.

  Dans la méthode de la dérive parallèle, une série de trous horizontaux parallèles (dérive) sont forés à l'aide de machines de microtunnelage (les microtunnels sont trop petits pour que les mineurs humains puissent y travailler) comme des tarières ou de petites versions de TMB. Ces galeries sont comblées; par exemple, des tuyaux en acier peuvent y être enfoncés, puis les tuyaux remplis de coulis. Les galeries remplies forment une arche de protection autour du chemin du tunnel. Des machines d'excavation sont utilisées pour enlever le sol de l'intérieur de l'arche.

  La dernière méthode est la méthode du tunnelier. Les types et la disposition des dispositifs de coupe sur la face du tunnelier sont déterminés par la géologie du site du tunnel. Le visage tourne lentement et broie la roche et le sol devant lui (par exemple, les tunneliers utilisés pour construire le tunnel sous la Manche pourraient tourner jusqu'à 12 tours par minute dans un sol optimal). Le tunnelier est constamment poussé vers l'avant pour garder le visage en contact avec sa cible. Une pression vers l'avant peut être exercée par des vérins à l'arrière du tunnelier poussant contre la section de revêtement du tunnel la plus récemment installée. Alternativement, les bras de préhension peuvent s'étendre vers l'extérieur depuis les côtés du tunnelier et pousser contre les parois rocheuses du tunnel pour maintenir la machine en place pendant que la face est poussée vers l'avant. La fumier est passé à travers des trous dans le visage et transporté par un tapis roulant à l'arrière du tunnelier, où il tombe dans des chariots qui le transportent hors du tunnel. La bentonite peut être pompée à travers le front de taille du tunnelier pour rendre la surface du sol plus exploitable et pour évacuer la boue. Certains tunneliers sont équipés à l'arrière de bras robotisés qui positionnent et fixent des segments de revêtement de tunnel dès que la machine a avancé Des boulons de toit en acier sont fixés à la roche afin de soutenir le haut du tunnel. une distance suffisante. Dans d'autres cas, le NATM est utilisé pour créer un revêtement préliminaire au fur et à mesure de la progression du tunnelier.

  Surtout dans les cas où deux tunneliers creusent l'un vers l'autre à partir des extrémités opposées d'un tunnel, il peut être trop difficile ou coûteux de les retirer une fois le creusement terminé. À l'approche de la fin de sa mission, le tunnelier peut être détourné de la trajectoire du tunnel pour creuser un court éperon dans lequel il est définitivement scellé.

Doublure finale

• 4 Dans certains cas, le revêtement final est placé pendant le processus d'excavation. Deux exemples sont les tunneliers qui installent des segments de revêtement et des tunnels préfabriqués qui sont mis en place par vérins. Dans d'autres cas, un revêtement final doit être construit après le creusement de l'ensemble du tunnel. Une option consiste à couler un revêtement en béton armé en place. Le coffrage glissant est une technique efficace dans laquelle une section de coffrage est lentement déplacée vers l'avant à mesure que le béton est coulé entre elle et la paroi du tunnel ; le béton durcit assez rapidement pour se soutenir au moment où le coffrage avance.

  Une deuxième option consiste à installer des segments de béton préformé ou de revêtement en acier, comme le font certains tunneliers. Les segments de revêtement sont construits de manière à ce que plusieurs d'entre eux puissent être joints pour former un anneau complet de quelques pieds (un mètre ou deux) de large. Une fois qu'un anneau a été boulonné en place, du coulis est injecté entre celui-ci et la paroi du tunnel.

  Une troisième option consiste à pulvériser une couche de béton projeté de plusieurs pouces (70 mm ou plus) d'épaisseur sur les parois du tunnel. Une ou deux couches de treillis métallique peuvent être placées en premier pour renforcer le béton projeté, ou des fibres de renforcement peuvent être ajoutées au mélange de béton pour augmenter sa résistance.

Sous-produits/Déchets

Parfois, la terre extraite d'un tunnel est simplement jetée dans une décharge. Dans d'autres cas, cependant, il devient la matière première pour d'autres projets. Par exemple, il peut être utilisé pour former la couche de base d'une route d'accès ou pour créer des remblais de route pour des accotements plus larges ou un contrôle de l'érosion.

Contrôle qualité

En plus de maintenir la stabilité du sol autour du tunnel et d'assurer l'intégrité structurelle du revêtement du tunnel, un alignement correct du chemin d'excavation doit être obtenu. Deux outils précieux sont les capteurs du système de positionnement global (GPS) qui reçoivent des données de localisation précises via des signaux satellites et des systèmes de guidage qui projettent et détectent un faisceau laser dans le tunnel.

Le futur

Les méthodes d'exploration, les matériaux et les machines sont des domaines d'amélioration possibles. Les ondes sonores transmises à travers la terre peuvent désormais générer un scan CAT virtuel du chemin du tunnel, réduisant ainsi le besoin de forer des échantillons de carottes et des tunnels pilotes. Quelques exemples de recherche sur les matériaux impliquent des outils de coupe plus efficaces et durables, du béton avec des taux de durcissement contrôlés plus précisément et de meilleurs procédés pour modifier le sol afin de le rendre plus facile à couper, creuser ou enlever. Les développements récents dans la technologie des machines incluent des tunneliers à têtes multiples qui peuvent creuser deux ou trois tunnels parallèles simultanément et un tunnelier qui peut tourner un coin jusqu'à 90° tout en coupant. De meilleures capacités de contrôle à distance des machines de creusement amélioreraient la sécurité en réduisant le temps que les personnes doivent passer sous terre pendant le processus de creusement.