Comparaison de l’EDZ (TBM vs. Forage-Dynamitage)

Mécanique des Roches : Comparaison EDZ (TBM vs. D&B)

Comparaison de l'EDZ (TBM vs. Forage-Dynamitage)

Contexte : La Zone Endommagée par l'Excavation (EDZ)Zone autour d'une excavation souterraine où les propriétés de la roche (résistance, perméabilité) ont été dégradées par le processus d'excavation..

Lors du creusement d'un tunnel, le massif rocheux environnant est inévitablement perturbé. Cette perturbation crée la Zone Endommagée par l'Excavation (EDZ), une auréole où la roche a perdu une partie de ses propriétés mécaniques (résistance) et hydrauliques (augmentation de la perméabilitéCapacité d'un milieu (ici, la roche) à laisser passer un fluide (eau, gaz).). L'étendue de cette zone dépend crucialement de la méthode d'excavation.

Cet exercice vise à comparer quantitativement l'EDZ générée par deux méthodes radicalement différentes : le TBM (Tunnelier)Machine (tunnelier) qui excave des tunnels de section circulaire en continu, en utilisant une tête de coupe rotative. Connue pour causer peu de perturbations au massif., une méthode mécanique, et le Forage-Dynamitage (D&B)Méthode d'excavation cyclique consistant à forer des trous, les charger d'explosifs et faire détoner pour fragmenter la roche., une méthode utilisant des explosifs.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à estimer l'étendue de l'EDZ à l'aide de formulations empiriques courantes et à comprendre l'impact majeur de la méthode d'excavation sur l'intégrité du massif rocheux, la stabilité du tunnel et les coûts de soutènement.

Objectifs Pédagogiques

Comprendre la différence fondamentale entre l'EDZ créée par un TBM et celle créée par le forage-dynamitage.
Appliquer des formules empiriques simples pour estimer l'épaisseur de l'EDZ pour chaque méthode.
Calculer l'impact de l'EDZ sur le volume total de roche affectée.
Comparer quantitativement les résultats et discuter de leurs implications pour un projet (stabilité, perméabilité, soutènements).

Données de l'étude

Nous étudions un projet de tunnel circulaire de 10 m de diamètre (soit un rayon \(R = 5\) m) creusé dans un massif de granite de bonne qualité.

Fiche Technique de la Roche

Caractéristique	Valeur
Type de roche	Granite
Résistance à la compression uniaxiale (\(\sigma_c\))	120 MPa
Indice de Qualité de la Roche (GSI)	75 (Bonne qualité)
Contrainte in situ (supposée hydrostatique, \(\sigma_0\))	30 MPa

Modèle du Tunnel Circulaire

Paramètre d'Excavation	Symbole	Valeur	Unité
Rayon du tunnel	\(R\)	5	m
Constante empirique (TBM)	\(C_{tbm}\)	0.15	-
Facteur de charge (Forage-Dynamitage)	\(q_c\)	0.4	kg/m³

Questions à traiter

Estimer l'épaisseur de l'EDZ (\(d_{\text{edz, tbm}}\)) pour l'excavation au TBM en utilisant la formule empirique fournie dans les rappels.
Estimer l'épaisseur de l'EDZ (\(d_{\text{edz, d&b}}\)) pour l'excavation par forage-dynamitage (D&B) en utilisant la formule empirique fournie.
Calculer le rayon total affecté (\(R_{\text{total}} = R + d_{\text{edz}}\)) pour les deux cas.
Calculer le "Ratio d'Endommagement Volumique" (Volume EDZ / Volume Tunnel) pour chaque méthode (pour 1m de long).
Discuter brièvement des implications de cette différence sur le choix des soutènements et la perméabilité du massif.

Les bases sur la Zone Endommagée (EDZ)

L'EDZ est une perturbation inévitable. On distingue l'EDZ "plastifiée" (due à la redistribution des contraintes, où la roche dépasse sa limite élastique) et l'EDZ "fracturée" (due à la méthode d'excavation elle-même, comme les micro-fissures dues aux explosifs). Dans cet exercice, nous utilisons des formules empiriques simples pour estimer l'épaisseur totale de cette zone endommagée (\(d_{\text{edz}}\)).

1. EDZ par TBM (Tunnelier)
Le TBM cause peu de vibrations. L'EDZ est minime, principalement due au réajustement des contraintes et à l'action mécanique de la tête de coupe. L'épaisseur de l'EDZ (\(d_{\text{edz, tbm}}\)) est souvent estimée comme une fraction du rayon du tunnel.

\[ d_{\text{edz, tbm}} = C_{tbm} \cdot R \]

Où \(C_{tbm}\) est une constante empirique dépendant de la machine et de la roche (ici, 0.15).

2. EDZ par Forage-Dynamitage (D&B)
Le D&B génère des ondes de choc et des vibrations intenses, fracturant la roche au-delà du périmètre théorique. L'étendue dépend fortement du facteur de charge (\(q_c\))Quantité d'explosif (en kg) utilisée par volume de roche excavée (en m³). Un indicateur de l'intensité du dynamitage.. Pour cet exercice, nous utiliserons la formule empirique simplifiée suivante :

\[ d_{\text{edz, d&b}} = (0.2 + 1.5 \cdot q_c) \cdot R \]

Où \(q_c\) est le facteur de charge (en kg/m³).

Correction : Comparaison de l'EDZ (TBM vs. Forage-Dynamitage)

Question 1 : Estimer l'épaisseur de l'EDZ pour le TBM.

Principe

L'objectif est d'estimer l'épaisseur de la roche endommagée (\(d_{\text{edz, tbm}}\)) lors d'un creusement au tunnelier (TBM). Cette méthode mécanique est réputée pour être peu dommageable. Nous utilisons donc une formule empirique simple qui exprime cette épaisseur comme une fraction du rayon (\(R\)) du tunnel.

Mini-Cours

Mécanisme d'endommagement du TBM : Un TBM n'utilise pas d'explosifs. Les dommages proviennent de deux sources principales :
1. Action de la tête de coupe : Les molettes de coupe exercent une pression intense pour fracturer la roche (processus de "spalling"). Cela crée une zone de micro-fissuration très limitée, juste au front de taille.
2. Redistribution des contraintes : Le simple fait de creuser un trou modifie les contraintes naturelles (\(\sigma_0\)). Autour du tunnel, la roche se "recomprime" (contrainte tangentielle \(\sigma_{\theta}\) augmente) et peut dépasser sa limite de résistance, créant une petite zone plastifiée ou endommagée. L'EDZ du TBM est la combinaison de ces deux effets, mais reste très faible.

Remarque Pédagogique

La constante \(C_{tbm}\) (ici 0.15) est la clé. Elle est faible car le TBM est "chirurgical". Pour une roche de moins bonne qualité ou un TBM mal opéré (poussée excessive), cette constante pourrait augmenter, mais elle restera toujours bien inférieure au facteur de dommage d'un dynamitage.

Normes

Il ne s'agit pas d'une norme, mais d'une relation empirique (basée sur l'expérience et des mesures in-situ). Des valeurs typiques pour \(C_{tbm}\) dans la littérature technique varient de 0.1 à 0.3 en fonction du type de roche et de la machine.

Formule(s)

Épaisseur EDZ (TBM)

d_{\text{edz, tbm}} = C_{tbm} \cdot R

Hypothèses

Nous supposons que la constante \(C_{tbm} = 0.15\) est une valeur représentative pour notre granite de bonne qualité et le type de TBM utilisé. Nous supposons également que l'EDZ est symétrique autour du tunnel.

Donnée(s)

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Rayon du tunnel	\(R\)	5	m
Constante empirique TBM	\(C_{tbm}\)	0.15	-

Astuces

Le calcul est une simple multiplication. L'essentiel est de comprendre la signification physique : l'EDZ du TBM est une *fraction* du rayon. Ici, 15% du rayon. C'est une règle simple à mémoriser pour une estimation rapide.

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma illustre le tunnel de rayon R et l'inconnue \(d_{\text{edz, tbm}}\), que l'on s'attend à être une fine auréole.

Modélisation de l'EDZ (TBM)

Calcul(s)

Application de la formule

\begin{aligned} d_{\text{edz, tbm}} &= 0.15 \cdot 5 \text{ m} \\ &= 0.75 \text{ m} \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Le calcul confirme que l'EDZ est une fine auréole de 75 cm d'épaisseur autour du tunnel excavé.

Résultat : EDZ (TBM)

Réflexions

Une épaisseur de 75 cm est considérée comme faible en génie civil souterrain. Cela signifie que la roche au-delà de 75 cm du parement est "saine" ou "intacte". Les soutènements (comme les boulons d'ancrage) n'auront pas besoin d'être très longs, car ils trouveront rapidement un ancrage de bonne qualité.

Points de vigilance

Assurez-vous que le rayon \(R\) est bien en mètres. Si l'énoncé avait donné un diamètre en millimètres (ex: D = 10000 mm), il aurait fallu le convertir en rayon en mètres (R = 5 m) avant d'appliquer la formule.

Points à retenir

L'EDZ créée par un TBM est faible et directement proportionnelle au rayon du tunnel.
La méthode est dite "mécanique" et préserve l'intégrité du massif rocheux.

Le saviez-vous ?

Certains TBM, appelés "boucliers", installent les voussoirs (anneaux de béton préfabriqués) au fur et à mesure de l'avancement. Dans ce cas, l'EDZ n'a presque pas le temps de se déformer avant d'être confinée par le soutènement final, améliorant encore la stabilité.

FAQ

Questions fréquentes sur cette étape.

Résultat Final

L'épaisseur de l'EDZ pour le TBM est estimée à 0.75 m.

A vous de jouer

Si le tunnel avait un rayon de 6 m (avec le même \(C_{tbm}\)), quelle serait l'épaisseur de l'EDZ ?

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 1 :

Concept Clé : L'EDZ du TBM est minime et souvent proportionnelle au rayon.
Formule Essentielle : \(d_{\text{edz, tbm}} = C_{tbm} \cdot R\).
Résultat : 0.75 m.

Question 2 : Estimer l'épaisseur de l'EDZ pour le Forage-Dynamitage.

Principe

Nous appliquons la formule empirique spécifique au forage-dynamitage (D&B). Contrairement au TBM, cette formule dépend non seulement du rayon du tunnel (\(R\)), mais aussi, de manière critique, du facteur de charge (\(q_c\))Quantité d'explosif (en kg) utilisée par volume de roche excavée (en m³). Un indicateur de l'intensité du dynamitage., qui quantifie l'intensité du tir.

Mini-Cours

Impact du Dynamitage : L'explosion crée un pic de contrainte très élevé et des vibrations intenses (ondes de choc) qui se propagent dans le massif. Ces ondes fracturent la roche intentionnellement (pour l'abattre) mais créent aussi un réseau dense de micro-fissures et étendent les fractures existantes bien au-delà du profil d'excavation théorique. C'est cette fracturation induite qui constitue la majeure partie de l'EDZ en D&B.

Remarque Pédagogique

Le paramètre \(q_c\) est fondamental. Un \(q_c\) élevé signifie un tir "dur" (beaucoup d'explosifs), ce qui fragmente bien la roche mais cause d'énormes dommages au massif encaissant. À l'inverse, un \(q_c\) faible (associé à des techniques de "tir amorti" ou "smooth blasting") préserve le massif mais peut laisser des "bottes" (roche non excavée au profil). L'ingénieur doit trouver le juste équilibre.

Normes

Il n'y a pas de "norme" au sens strict pour cette formule empirique, mais elle est issue de "règles de l'art" et de nombreuses observations de terrain compilées dans la littérature technique (par ex. par Hoek, Bieniawski, ou l'industrie minière).

Formule(s)

Épaisseur EDZ (D&B)

d_{\text{edz, d&b}} = (0.2 + 1.5 \cdot q_c) \cdot R

Hypothèses

Nous supposons que cette formule empirique, bien que simplifiée, est applicable à notre massif de granite. Nous supposons aussi que le \(q_c\) donné (0.4 kg/m³) représente une moyenne pour un tir standard, ni particulièrement soigné ni excessivement puissant.

Donnée(s)

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Rayon du tunnel	\(R\)	5	m
Facteur de charge	\(q_c\)	0.4	kg/m³

Astuces

Le terme \((0.2 + 1.5 \cdot q_c)\) est un "facteur multiplicateur de dommage". Calculez-le toujours en premier. Cela vous donne une idée immédiate de l'ampleur des dégâts par rapport au rayon. Ici, \(0.2 + 1.5 \cdot 0.4 = 0.8\), donc l'EDZ fera 80% du rayon.

Schéma (Avant les calculs)

Avant calcul, nous savons que l'EDZ sera plus grande qu'avec le TBM, mais de combien ? Le schéma montre le rayon \(R\) et l'inconnue \(d_{\text{edz, d&b}}\) qui sera générée par les explosifs.

Modélisation de l'EDZ (D&B)

Calcul(s)

Étape 1 : Calcul du facteur multiplicateur de dommage

\begin{aligned} \text{Facteur} &= (0.2 + 1.5 \cdot q_c) \\ &= (0.2 + 1.5 \cdot 0.4) \\ &= (0.2 + 0.6) \\ &= 0.8 \end{aligned}

Étape 2 : Calcul de l'épaisseur de l'EDZ (D&B)

\begin{aligned} d_{\text{edz, d&b}} &= \text{Facteur} \cdot R \\ &= 0.8 \cdot 5 \text{ m} \\ &= 4.0 \text{ m} \end{aligned}

Réflexions

Un dommage sur 4 mètres d'épaisseur est considérable. C'est plus de 5 fois supérieur aux 0.75 m du TBM ! Cette zone de 4m est une roche de "seconde zone", dont les propriétés (résistance, étanchéité) sont compromises.

Points de vigilance

La principale source d'erreur est l'ordre des opérations. Assurez-vous de faire la multiplication (\(1.5 \cdot q_c\)) avant l'addition (\(+ 0.2\)). Une erreur fréquente est de faire \((0.2 + 1.5) \cdot q_c\), ce qui est incorrect.

Points à retenir

L'EDZ du D&B est significativement plus grande que celle du TBM.
Elle est directement liée à l'intensité du tir (facteur de charge \(q_c\)).

Le saviez-vous ?

Pour préserver le contour des tunnels, les ingénieurs utilisent des techniques de "tir amorti" (smooth blasting). On fore des trous très rapprochés sur le pourtour, avec des charges explosives faibles et "découplées" (cartouche plus petite que le trou). Cela crée une ligne de fracture nette, comme un pré-découpage, qui empêche les fissures de se propager en profondeur dans le massif.

FAQ

Questions fréquentes sur cette étape.

Résultat Final

L'épaisseur de l'EDZ pour le Forage-Dynamitage est estimée à 4.0 m.

A vous de jouer

Avec un rayon de 6 m et un plan de tir optimisé (\(q_c = 0.5\) kg/m³), quelle serait l'épaisseur de l'EDZ ?

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 2 :

Concept Clé : L'EDZ du D&B est large et contrôlée par le facteur de charge.
Formule Essentielle : \(d_{\text{edz, d&b}} = (0.2 + 1.5 \cdot q_c) \cdot R\).
Résultat : 4.0 m.

Question 3 : Calculer le rayon total affecté (\(R_{\text{total}}\)) pour les deux cas.

Principe

Le rayon total affecté est une notion géométrique simple : c'est le rayon de l'excavation (\(R\)) auquel on ajoute l'épaisseur de l'auréole de roche endommagée (\(d_{\text{edz}}\)). Cela représente l'emprise totale de l'ouvrage sur le massif rocheux.

Mini-Cours

Notion de "Rayon d'Influence" : En mécanique des roches, \(R_{\text{total}}\) est le rayon d'influence de l'excavation. C'est à l'intérieur de ce rayon que l'ingénieur doit s'attendre à des propriétés de roche dégradées. Par conséquent, les boulons d'ancrage du soutènement doivent s'ancrer au-delà de ce rayon, dans la roche "saine", pour être efficaces.

Remarque Pédagogique

Ce calcul simple est crucial pour la visualisation. Il transforme une "épaisseur de dommage" en un "volume total" ou une "surface totale" affectée. C'est beaucoup plus parlant pour un gestionnaire de projet de comprendre que son tunnel de 5m de rayon en impacte en réalité 9 !

Normes

Il ne s'agit pas d'une norme, mais d'une définition géométrique de base.

Formule(s)

Rayon Total Affecté

R_{\text{total}} = R + d_{\text{edz}}

Hypothèses

On suppose que l'EDZ se développe uniformément tout autour du tunnel (une auréole circulaire), ce qui est une simplification. En réalité, elle est souvent plus épaisse dans le radier (le bas) ou déformée par les contraintes in-situ.

Donnée(s)

Nous utilisons les résultats des questions 1 et 2.

Rayon du tunnel : \(R = 5.0 \text{ m}\)
Épaisseur EDZ (TBM) : \(d_{\text{edz, tbm}} = 0.75 \text{ m}\)
Épaisseur EDZ (D&B) : \(d_{\text{edz, d&b}} = 4.0 \text{ m}\)

Astuces

Pas d'astuce particulière ici, l'addition est directe. Le point clé est de ne pas mélanger les cas TBM et D&B.

Calcul(s)

Cas TBM

\begin{aligned} R_{\text{total, tbm}} = & 5.0 \text{ m} + 0.75 \text{ m} \\ = & 5.75 \text{ m} \end{aligned}

Cas D&B

\begin{aligned} R_{\text{total, d&b}} = & 5.0 \text{ m} + 4.0 \text{ m} \\ = & 9.0 \text{ m} \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Ce schéma visualise la différence d'impact. L'auréole d'endommagement du D&B est massive en comparaison de celle du TBM. Le rayon total affecté (\(R_{\text{total}}\)) pour le D&B est presque le double du rayon excavé (\(R\)).

Comparaison des Rayons Totals Affectés

Réflexions

Pour le cas D&B, le rayon total affecté est de 9.0 m. Cela signifie que l'excavation du tunnel de 5m de rayon a, en fait, perturbé un cylindre de 9m de rayon. L'impact est immense et s'étend bien au-delà du trou visible.

Points de vigilance

Attention à ne pas confondre le rayon \(R\) (le "trou") et le diamètre \(D\) (souvent la "taille" du tunnel dont on parle). Nos calculs sont tous basés sur le rayon. Si l'énoncé avait donné un "diamètre de 10 m", la première étape aurait été de diviser par 2 pour trouver \(R=5\) m.

Points à retenir

Le rayon total affecté (\(R_{\text{total}}\)) est la somme du rayon excavé et de l'épaisseur de l'EDZ.
Cette valeur est fondamentale pour le dimensionnement des soutènements (ex: longueur des boulons).

FAQ

Questions fréquentes sur cette étape.

Résultat Final

Le rayon total affecté est de 5.75 m pour le TBM et de 9.0 m pour le D&B.

A vous de jouer

Si le rayon du tunnel est de 4 m et le rayon total affecté mesuré est de 6 m, quelle est l'épaisseur de l'EDZ ?

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 3 :

Concept Clé : Emprise totale de l'excavation.
Formule Essentielle : \(R_{\text{total}} = R + d_{\text{edz}}\).
Résultats : \(R_{\text{total, tbm}} = 5.75\) m, \(R_{\text{total, d&b}} = 9.0\) m.

Question 4 : Calculer le "Ratio d'Endommagement Volumique" (Volume EDZ / Volume Tunnel).

Principe

Ce ratio est un indicateur d'efficacité. Il compare le volume de roche que l'on a endommagée (\(V_{\text{edz}}\)) au volume de roche que l'on voulait excaver (\(V_{\text{tunnel}}\)). Un ratio faible est souhaitable. Pour simplifier, nous calculons les volumes pour une tranche de tunnel de 1 mètre de long (\(L=1\)), ce qui revient à comparer les surfaces en coupe.

Mini-Cours

Calcul de Volumes Cylindriques : Le volume d'un cylindre est \(V = \text{Surface} \cdot \text{Longueur} = (\pi \cdot R^2) \cdot L\).
Le volume du tunnel (pour L=1m) est : \(V_{\text{tunnel}} = \pi \cdot R^2\).
Le volume total affecté (pour L=1m) est : \(V_{\text{total}} = \pi \cdot R_{\text{total}}^2\).
Le volume de l'EDZ est la différence entre les deux : \(V_{\text{edz}} = V_{\text{total}} - V_{\text{tunnel}} = \pi \cdot (R_{\text{total}}^2 - R^2)\).

Remarque Pédagogique

En calculant le ratio \(V_{\text{edz}} / V_{\text{tunnel}}\), les termes \(\pi\) et \(L\) s'annulent, ce qui simplifie grandement le calcul. C'est une technique courante en ingénierie pour travailler avec des ratios adimensionnels qui sont indépendants de la longueur du projet.

Formule(s)

Ratio d'Endommagement Volumique

\text{Ratio} = \frac{V_{\text{edz}}}{V_{\text{tunnel}}} = \frac{\pi \cdot (R_{\text{total}}^2 - R^2)}{\pi \cdot R^2} = \frac{R_{\text{total}}^2 - R^2}{R^2}

Formule simplifiée

\text{Ratio} = \left(\frac{R_{\text{total}}}{R}\right)^2 - 1

Astuces

L'utilisation de la formule finale \(\left(\frac{R_{\text{total}}}{R}\right)^2 - 1\) est beaucoup plus rapide. Elle montre que le ratio ne dépend que du rapport entre le rayon total et le rayon excavé. C'est un outil d'analyse très puissant.

Donnée(s)

Nous utilisons les résultats des questions 1, 2 et 3.

\(R = 5.0 \text{ m}\)
\(R_{\text{total, tbm}} = 5.75 \text{ m}\)
\(R_{\text{total, d&b}} = 9.0 \text{ m}\)

Calcul(s)

Ratio (TBM)

\begin{aligned} \text{Ratio}_{\text{tbm}} &= \left(\frac{R_{\text{total, tbm}}}{R}\right)^2 - 1 \\ &= \left(\frac{5.75}{5.0}\right)^2 - 1 \\ &= (1.15)^2 - 1 \\ &= 1.3225 - 1 = 0.3225 \end{aligned}

Ratio (D&B)

\begin{aligned} \text{Ratio}_{\text{d&b}} &= \left(\frac{R_{\text{total, d&b}}}{R}\right)^2 - 1 \\ &= \left(\frac{9.0}{5.0}\right)^2 - 1 \\ &= (1.8)^2 - 1 \\ &= 3.24 - 1 = 2.24 \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Le simulateur interactif ci-dessous (Section "Outil Interactif") permet de visualiser ces volumes sous forme de graphique à barres. On y voit clairement que la barre rouge (Volume EDZ D&B) est beaucoup plus grande que la barre grise (Volume Tunnel).

Réflexions

Ces chiffres sont spectaculaires et parlants. Pour le TBM, le volume de roche endommagée (l'auréole bleue) représente 32.25% du volume excavé (le "trou" gris). Pour le D&B, le volume de roche endommagée (l'auréole rouge) est de 224%... soit plus de 2.2 fois le volume du tunnel lui-même ! On endommage bien plus que ce qu'on enlève.

Points de vigilance

L'erreur classique est d'oublier de mettre au carré le rapport \((R_{\text{total}}/R)\) avant de soustraire 1. Une autre erreur est de faire \((R_{\text{total}} - R) / R\), ce qui est un ratio d'épaisseurs, mais pas un ratio de volumes/surfaces.

Points à retenir

Le D&B est volumétriquement très dommageable pour le massif (Ratio > 1, voire > 2).
Le TBM est une méthode beaucoup plus "propre" (Ratio < 1).

Le saviez-vous ?

Ce "sur-endommagement" du D&B a un coût direct. Il faut non seulement soutenir cette roche abîmée (plus de boulons, plus de béton), mais si l'étanchéité est un critère, il faut injecter des coulis de ciment ou des résines dans l'EDZ pour boucher les fissures, ce qui est extrêmement coûteux.

FAQ

Questions fréquentes sur cette étape.

Résultat Final

Le Ratio d'Endommagement Volumique est de 0.32 (32%) pour le TBM et de 2.24 (224%) pour le D&B.

A vous de jouer

Si un tunnel a un rayon \(R=10\) m et un rayon total affecté \(R_{\text{total}}=11\) m, quel est son ratio d'endommagement ?

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 4 :

Concept Clé : Comparaison du volume endommagé au volume excavé.
Formule Essentielle : \(\text{Ratio} = (R_{\text{total}}/R)^2 - 1\).
Résultats : Ratio TBM = 0.32 (32%), Ratio D&B = 2.24 (224%).

Question 5 : Discuter des implications (soutènements, perméabilité).

Principe

Cette étape consiste à analyser les résultats des calculs et à les traduire en conséquences concrètes pour un projet d'ingénierie.

Réflexions

Soutènements : L'EDZ du D&B (4.0 m d'épaisseur) est une zone de roche fracturée et décomprimée qui a perdu une grande partie de sa capacité d'auto-soutènement. Pour assurer la stabilité, il faudra installer des soutènements longs (boulons d'ancrage de plus de 4m) et denses, ainsi qu'une épaisseur de béton projeté plus importante. L'EDZ du TBM (0.75 m) est gérable avec des soutènements beaucoup plus légers, voire inexistants dans une roche de cette qualité. Le coût des soutènements sera donc drastiquement plus élevé pour le D&B.
Perméabilité : C'est la conséquence la plus critique. L'EDZ du D&B, avec son réseau de fractures intense et interconnecté sur 4m d'épaisseur, devient un drain préférentiel pour l'eau. Cela cause d'énormes problèmes de venues d'eau pendant la construction (pompage) et l'exploitation. Plus grave encore, pour un stockage de déchets (nucléaires, CO2), cette EDZ est une voie de fuite potentielle vers la biosphère, ce qui est rédhibitoire. Le TBM, en créant une EDZ minime, préserve l'étanchéité naturelle du massif.

Points à retenir

Synthèse de l'Exercice :

L'excavation au TBM est une méthode "chirurgicale" qui préserve le massif rocheux.
L'excavation au D&B est une méthode "brute" qui endommage sévèrement la roche environnante (l'EDZ est 5.3 fois plus épaisse que celle du TBM dans notre exemple !).
Le choix de la méthode n'est pas seulement économique (coût initial) ; il a des conséquences directes sur la stabilité, le coût des soutènements et, de manière cruciale, sur la perméabilité à long terme de l'ouvrage.

Résultat Final

Le D&B crée une EDZ 5.3 fois plus épaisse (\(4.0 / 0.75\)) que le TBM, entraînant des besoins en soutènement accrus et une augmentation majeure de la perméabilité, ce qui est critique pour les ouvrages d'étanchéité.

Outil Interactif : Simulateur d'Impact de l'EDZ

Utilisez cet outil pour voir comment le rayon du tunnel et le facteur de charge du D&B influencent les volumes de roche endommagée. Le graphique compare le volume du tunnel (en gris) aux volumes de l'EDZ (en bleu pour TBM, en rouge pour D&B) pour 1 mètre de long.

Paramètres d'Entrée

Rayon du Tunnel (R) (m) 5 m

Facteur de charge D&B (qc) (kg/m³) 0.4 kg/m³

Résultats Clés (Épaisseur EDZ)

Épaisseur EDZ (TBM) (m) -

Épaisseur EDZ (D&B) (m) -

Glossaire

EDZ (Zone Endommagée par l'Excavation): Zone autour d'une excavation souterraine où les propriétés de la roche (résistance, perméabilité) ont été dégradées par le processus d'excavation.
TBM (Tunnel Boring Machine): Machine (tunnelier) qui excave des tunnels de section circulaire en continu, en utilisant une tête de coupe rotative. Connue pour causer peu de perturbations au massif.
Forage-Dynamitage (D&B): Méthode d'excavation cyclique consistant à forer des trous, les charger d'explosifs et faire détoner pour fragmenter la roche.
Facteur de charge (\(q_c\)): Quantité d'explosif (en kg) utilisée par volume de roche excavée (en m³). Un indicateur de l'intensité du dynamitage.
Perméabilité: Capacité d'un milieu (ici, la roche) à laisser passer un fluide (eau, gaz). Une perméabilité élevée signifie que le fluide passe facilement.

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Mécanique des Roches

Exercice: Ondes Sismiques en Massif Jointé Analyse de la Propagation des Ondes Sismiques dans un Massif Rocheux Jointé Contexte : La propagation des ondes sismiquesL'étude de la vitesse et de l'atténuation des ondes (P et S) pour caractériser la stabilité et les...

Évaluation du Potentiel de « Rockburst »

Mécanique des Roches

Exercice : Potentiel de Rockburst Évaluation du Potentiel de "Rockburst" (Coup de Toit) Contexte : La Mécanique des Roches - Stabilité des TunnelsPhénomène d'expulsion violente de roche à la paroi d'une excavation souterraine.. Le "rockburst" ou "coup de toit" est un...

Étude du Risque de Coup de Terrain (Rockburst)

Mécanique des Roches

Exercice : Risque de Rockburst en Mine Profonde Étude du Risque de Coup de Terrain (Rockburst) en Mine Profonde Contexte : La mécanique des roches en grande profondeur. L'exploitation minière à grande profondeur (souvent plus de 2000 mètres) induit des contraintes...

Dimensionnement du Plan de Tir

Mécanique des Roches

Exercice : Plan de Tir & Vibrations Dimensionnement d'un plan de tir pour limiter les vibrations en surface Contexte : La maîtrise des vibrations de tir en carrière. Une carrière située à proximité de zones habitées doit concevoir ses plans de tir (sautage) de manière...

Analyse des Vibrations de Tir

Mécanique des Roches

Analyse des Vibrations de Tir (PPV) Analyse des Vibrations de Tir et Calcul de la Vitesse Particulaire (PPV) Contexte : Le tir de mineOpération contrôlée utilisant des explosifs pour fragmenter la roche, essentielle dans les carrières et les travaux de génie civil.....

Calcul de la Zone Endommagée (EDZ) d’un Tunnel TBM

Mécanique des Roches

Calcul de la Zone Endommagée (EDZ) - TBM Calcul de la Zone Endommagée (EDZ) d'un Tunnel TBM Contexte : La Zone Endommagée par l'Excavation (EDZ)Zone de roche micro-fissurée et endommagée autour d'une excavation, causée par la redistribution des contraintes et le...

Perméabilité d’une Fracture sous Contrainte Normale

Mécanique des Roches

Exercice: Perméabilité de Fracture sous Contrainte Calcul de la Perméabilité d'une Fracture sous Contrainte Normale Contexte : La perméabilitéCapacité d'une roche à laisser passer un fluide (eau, gaz, pétrole). d'une fracture rocheuse. En mécanique des roches, la...

Analyse de l’interaction hydro-mécanique

Mécanique des Roches

Exercice : Interaction Hydro-Mécanique (HM) sur Fracture Analyse de l'interaction hydro-mécanique : ouverture d'une fracture Contexte : La Mécanique des RochesDiscipline de l'ingénierie qui étudie le comportement mécanique des massifs rocheux et des roches sous...

Contraintes Thermiques dans un Pilier de Mine

Mécanique des Roches

Exercice: Contraintes Thermiques (Pilier de Mine) Calcul des Contraintes Thermiques dans un Pilier de Mine Contexte : Les Contraintes ThermiquesContraintes mécaniques (compression ou tension) créées dans un matériau par un changement de température l'empêchant de se...

Stabilité d’une Galerie de Stockage

Mécanique des Roches

Exercice : Thermo-Mécanique d'une Galerie Modélisation Thermo-Mécanique : Stabilité d'une Galerie de Stockage Contexte : Le Comportement Thermo-Mécanique (THM)L'étude des couplages entre la température (Thermique), la pression de l'eau (Hydraulique) et les contraintes...

Analyse Viscoplastique du Sel Gemme (Loi de Norton)

Mécanique des Roches

Analyse Viscoplastique du Sel Gemme (Loi de Norton) Analyse Viscoplastique du Sel Gemme (Loi de Norton) Contexte : Le comportement viscoplastiqueDéformation irréversible et dépendante du temps d'un matériau sous l'effet d'une contrainte appliquée. du sel gemmeRoche...

Calcul de la Ténacité (KIC) d’une Roche

Mécanique des Roches

Exercice : Calcul de KIC pour un Échantillon de Roche Calcul de la Ténacité (KIC) d'une Roche Contexte : La mécanique de la ruptureBranche de la mécanique qui étudie la propagation des fissures dans les matériaux. appliquée aux roches. La présence de fissures est...

Propagation d’une Fissure en Mode I

Mécanique des Roches

Propagation d'une Fissure en Mode I Propagation d'une Fissure en Mode I Contexte : La mécanique de la ruptureBranche de la mécanique qui étudie la formation et la propagation des fissures dans les matériaux.. En ingénierie géotechnique, la stabilité des massifs...

Calcul du Facteur de Dommage (D) de Hoek-Brown

Mécanique des Roches

Calcul du Facteur de Dommage (D) de Hoek-Brown Calcul du Facteur de Dommage (D) de Hoek-Brown Contexte : La mécanique des roches et le critère de Hoek-BrownUn critère de rupture empirique utilisé pour estimer la résistance des massifs rocheux fracturés.. Lors de...

Comparaison Hoek-Brown et Mohr-Coulomb

Mécanique des Roches

Comparaison Hoek-Brown et Mohr-Coulomb Comparaison Hoek-Brown et Mohr-Coulomb Contexte : Le dimensionnement en mécanique des roches. En ingénierie géotechnique, l'évaluation de la résistance d'un massif rocheux est cruciale pour la conception d'ouvrages tels que les...

Critère de Rupture de Lade-Duncan

Mécanique des Roches

Exercice : Critère de Rupture de Lade-Duncan Critère de Rupture de Lade-Duncan Contexte : Le critère de Lade-DuncanModèle mathématique utilisé pour prédire la rupture des matériaux granulaires (sables, roches fragmentées) qui n'ont pas de cohésion.. Cet exercice porte...

Évaluation du Rideau d’Injection

Mécanique des Roches

Évaluation d'un Rideau d'Injection Évaluation de la performance d'un rideau d'injection d'étanchéité Contexte : La fondation d'un barrage en béton sur un massif calcaire karstiqueFormation rocheuse calcaire dissoute par l'eau, créant des vides, fissures et conduits...

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