De nombreuses recherches sont actuellement menées dans le domaine des ouvrages souterrains. Les applications sont en extension : stockages souterrains, mines, tunnels et galeries, puits, etc … Parmi les axes de recherches figurent les méthodes de dimensionnement des ouvrages souterrains. En particulier, l’étude de l’équilibre à long terme du tunnel revêtu suscite un intérêt important. D’un point de vue mécanique, il s’agit d’un problème d’interaction complexe entre deux structures de comportements très différents : le massif avec la cavité d’une part, le soutènement d’autre part.

La concentration des populations dans les villes conduit à la création de métropoles de plus en plus grandes. La diminution des espaces ainsi que leur coût prohibitif, la gestion du trafic routier et des transports en commun ainsi que celle des réseaux d’assainissement conduisent à privilégier les ouvrages enterrés. Le développement économique est tributaire des infrastructures de transport. Ainsi l’aménagement des routes et des chemins de fer nécessite parfois le creusement de tunnels routiers et ferroviaires sous forte couverture. La multiplication des travaux souterrains et les difficultés rencontrées conduisent à une sophistication des méthodes d’investigation, de modélisation, de conception et d’exécution. De nos jours, il existe même de grands ouvrages sous mers : le tunnel du Seikan entre les îles de Honshu et Hokkaido au Japon (record du Monde : 53,8 km!), le tunnel sous la Manche (Duffaut et Margron 1990) et plusieurs tunnels sous les fjords en Norvège (Nielsen 1994). Cependant, contrairement aux projets de structures tels les bâtiments ou les ponts, les tunnels sont entièrement construits dans les terrains et requièrent des informations géotechniques précises concernant le massif environnant et plus abondantes tout au long du tracé. Ces conditions, chacun le sait, sont rarement satisfaites et rendent la réalisation des ouvrages souterrains d’autant plus difficile. Ce problème se pose de manière plus aiguë encore dans le cas des tunnels profonds. De plus, la modélisation est délicate car le problème d’excavation d’un tunnel est tridimensionnel et d’interaction entre sol (ou roche) et structure. De nouveaux progrès dans la maîtrise de cette complexité sont encore à attendre. Nous proposons dans le cadre du travail présenté dans ce mémoire d’y apporter notre contribution. On s’intéressera essentiellement aux tunnels en tant qu’ouvrages souterrains, même si certains résultats obtenus peuvent être appliqués aux cas des puits, pétroliers par exemple. Un eminent mécanicien des roches n’avait-il pas dit un jour « un puits est un tunnel à n/2 près »?. Précisons tout de même qu’en ce qui concerne les puits pétroliers, les diamètres sont beaucoup plus faibles que ceux d’un tunnel moyen. De plus, la répartition des contraintes géostatiques est différente.

De nos jours, l’étude des tunnels intervient aussi dans le cadre des projets de stockage des déchets radioactifs par la nécessité de creuser des galeries profondes (quelques centaines de mètres) à partir desquelles les puits ou galeries de stockage seront réalisés. Cependant, dans ces cas, et pour des raisons évidentes, l’étude rhéologique et hydrologique du massif hôte est faite avec beaucoup plus de soin que dans les autres cas d’ouvrages souterrains. Notons que le critère essentiel du choix de la roche hôte pour le stockage des déchets radioactifs est lié à la prévision des mouvements d’eau au sein de la roche au cours du temps (Rousset 1988). Ce critère oriente donc vers le choix de roches très peu perméables comme le sel, l’argile ou le granite peu ou pas fissuré. Dans le cadre du stockage des déchets radioactifs dans les roches profondes, le massif est soumis à une sollicitation hydromécanique lors de l’excavation des galeries puis à un chargement thermique correspondant au dégagement de chaleur des déchets radioactifs à haute activité. Dans ce cas, comme dans le cas des projets de tunnels plus conventionnels, la prise en compte de l’impact de l’ouvrage sur l’environnement est de plus en plus considérée.

L’étude d’impact de l’ouvrage enterré sur l’environnement est prise en compte dès les premières études préliminaires du projet. Sous la pression des divers groupes des sociétés contemporaines, cette préoccupation écologique conduit même à un accroissement des projets de travaux souterrains comme enterrer les liaisons routières périphériques ou accroître les transports en commun (métro, trains, …) afin de diminuer les pollutions chimique et sonore.

Pour les tunnels profonds se rapprochant des conditions d’axisymétrie (cf. II-3.1), il a été constaté (Eisenstein et Branco 1991) que les mesures in situ (essentiellement de déplacements) concordent avec les prédictions d’un calcul simplifié basé sur la méthode convergence-confinement (cf. 1-7.1), ce qui n’est pas le cas pour un tunnel peu profond. Les tunnels profonds bénéficient d’un regain d’attention avec le développement de la Mécanique des Roches et aussi parce qu’un certain nombre de tunnels transalpins sous forte couverture, pouvant atteindre 2000 m, sont en construction ou en projet tels les tunnels de Gothard (57 km) et de Lötshberg (33 km) en Suisse, le tunnel de Brenner (60 km) entre l’Autriche et l’Italie, et le tunnel du Mont Cenis (55 km) entre la France et l’Italie.

Comme pour tout projet de Génie Civil, les responsables d’un projet de tunnel suivent des étapes incontournables. Evidemment, les projets de tunnels peuvent être différents par leurs profondeurs, leurs geometries, la nature du terrain, la méthode d’excavation,…. Mais, comme le précise Lunardi (1993), la connaissance du milieu dans lequel on opère, de l’action du creusement et de la réaction du massif suite à l’excavation sont nécessaires pour tout projet de réalisation d’ouvrage souterrain. C’est dans cette optique que Duddeck dès 1979, puis avec Erdmann en 1985 a proposé un schéma assez général (même si destiné au cas des tunnels creusés dans les roches tendres) mais non exhaustif, des principales étapes à suivre lors de l’étude d’un projet de tunnel :

• phase ! : reconnaissance géologique du site.
• phase 2 : détermination des contraintes in situ ainsi que des caractéristiques du massif.
• phase 3 : choix d’une méthode d’excavation. » phase 4 : choix d’un modèle mécanique. Calcul statique par méthode simplifiée, méthode numérique détaillée ou les deux.
• phase 5 : concept de sécurité, hypothèses des ruptures.
• phase 6 : excavation du tunnel.
• phase 7 : instrumentation in situ et suivi des données.