Tunnels profonds soumis à un chargement thermique

Deep tunnels under thermal loading

Groupement pour l'étude des structures souterraines de stockage (G. 3S/LMS) École Polytechnique 91128 Palaiseau Cedex, France

Résumé

En condition isotherme, la méthode classique Convergence-Confinement fournit un moyen efficace d'étude de prédimensionnement des tunnels profonds. Pour le cas particulier du stockage de substances exothermiques, les élévations de température engendrent des contraintes mécaniques qui peuvent devenir significatives. Cette composante thermique doit donc être prise en compte dans le dimensionnement des ouvrages souterrains. Dans cet article, on présente un modèle analytique du comportement d'un tunnel profond dans un massif élasto-plastique, en conditions non isothermes. Moyennant des hypothèses simplificatrices mais réalistes, on aboutit à une solution dont les expressions sont explicites ; seule la détermination des frontières séparant les différentes zones élasto-plastiques nécessite une petite manipulation numérique, pour résoudre un système d'équations algébriques. Grâce à sa simplicité, cette solution analytique permet de mettre en évidence d'une manière pertinente l'influence du chargement thermique, et de dégager des conclusions utiles pour le dimensionnement des tunnels profonds soumis à chargement thermique.

Par ailleurs, la méthode Convergence-Confinement étant largement utilisée dans le domaine de la géotechnique, il paraît intéressant d'interpréter les résultats issus du modèle analytique sous l'angle de cette méthode. Le dernier paragraphe présente les premiers résultats de cet effort de rapprochement.

Abstract

Under isothermal conditions, the Convergence Confinement method furnishes an efficient means for the preliminary design and dimensioning of deep tunnels. For the particular case of the underground storage of exothermic substances, the temperature rises provoke mechanical stresses that may become significant. This thermal component must therefore be taken account of in the dimensioning of the underground storage structures. In this paper, we present an analytical model on the behaviour of deep tunnels in an elastoplastic medium, under non-isothermal conditions. Based on a set of simplifying but realistic assumptions, we arrive at a solution with totally explicite expressions. Only the determination of the plastic fronts separating different elastoplastic zones requires a little numerical manipulation to solve the set of simple algebraic equations. Thanks to its simplicity, this analytical solution allows us to put into evidence in a pertinent manner the influence of thermal loads, and to draw useful conclusions for the dimensioning of deep tunnels subject to thermal loading. Furthermore, the Convergence Confinement method being largely known and frequently applied in geotechnical engineering, it appears interesting to interpret the results obtained from the analytical model in the light of this method. The last paragraph presents the first results in this direction.