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 — TBM : Tunnel Business Magazine

Par Mehdi Bakhshi et Verya Nasri

Le creusement de tunnels mécanisés au tunnelier a été la méthode d'excavation la plus dominante au cours de la dernière décennie dans diverses conditions de sol telles que les sols meubles, les roches fragiles et les roches dures fracturées. Des segments en béton préfabriqué 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 liées à la production, au transport et à la construction.

Jusqu'à la publication du guide ACI 533, très peu de conseils avaient été fournis 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 codage internationale, a répondu à ce besoin et couvre tous les aspects majeurs 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 des joints d'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 d'une coopération mondiale, de l'expérience en matière de tunnels et des recommandations nationales et internationales disponibles. Outre les aspects généraux de la conception, les développements les plus récents en matière de conception et les dernières technologies liées aux technologies de revêtement des tunnels TBM sont présentés.

Les segments de tunnel préfabriqués en béton doivent être conçus à l’aide de la méthode LRFD (Load and Resistance Factor Design). 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 besoins en espace interne 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 : tunnels ferroviaires et souterrains, routiers, utilitaires et tunnels d'eau et d'eaux usées. Les exigences en matière 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 entre le diamètre interne (DI) et 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, qui augmente jusqu'à une longueur d'anneau de 6,5 pieds pour les tunnels de plus de 30 pieds de diamètre.

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

Les anneaux parallèles, les anneaux parallèles avec anneaux correcteurs, les anneaux coniques droite/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 conviennent pas intrinsèquement 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 à droite et à gauche dans une séquence produit un entraînement droit. L'étanchéité peut être garantie avec ce type d'anneau mais l'exigence de différents types de jeux de coffrage est un inconvénient. Actuellement, le système d'anneaux universels (Figure 2(c)) est le système le plus conventionnel, dans lequel souvent deux faces circonférentielles de chaque anneau sont inclinées par rapport à l'axe du tunnel, et l'alignement peut être négocié grâce à la rotation de l'anneau segmentaire. Le principal avantage de ce système est qu’un seul type de jeu de coffrage est requis [3].

Figure 2 : Différents systèmes d'anneaux, schémas de conicité 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 à 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 compris 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.