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511_531Beton_Mise en page 1 20/12/12 10:55 Page511
TECHNIQUE/TECHNICAL
M
Les bétons dans les tunnels :
types, usages, spécificités, mise en œuvre et innovations
Concrete in tunnels:
types, uses, particularities, implementation and innovations
: Catherine LARIVE, Emmanuel HUMBERT, Laëtitia D’ALOIA-SCHWARTZENTRUBER, Bérénice MOREAU, Alain MERCUSOT, Serge ZAPELLI
M CETU
SETEC : Michel LEVY
IFSTTAR : Loïc DIVET
1 - IntroductionLe béton prend une place très importante au moment de la construction
des ouvrages souterrains, au côté de
nombreux autres enjeux qui vont
davantage orienter les premières
études de conception d'un tunnel. En
effet, lors du creusement d'un tunnel
en méthode conventionnelle ou pour
les réparations, le béton projeté
assure, seul ou associé à des boulons
d’ancrage ou des cintres métalliques,
une très grande partie des soutènements ; c'est une étape sensible dans
le cycle de creusement. Ensuite, de
manière quasi systématique en
France, les bétons coulés en place
généralement non armés ou peu
armés assurent le revêtement définitif de l'ouvrage creusé par une
méthode conventionnelle ; les quantités mises en œuvre sont importantes
et ces travaux se font toujours dans
des conditions très particulières et
parfois difficiles. Concernant le creu-
sement au tunnelier, le revêtement en
béton est le plus souvent constitué
d’éléments préfabriqués (voussoirs fortement armés), dont les performances
doivent être élevées pour limiter les
épaisseurs et résister aux nombreuses
sollicitations lors du transport et de la
pose des voussoirs et pendant le creusement lorsque le tunnelier prend
appui sur les anneaux précédents. En
service, les revêtements coulés sur
place et les revêtements réalisés par
anneaux préfabriqués sont soumis à la
poussée des terrains, à la pression
hydrostatique, sans oublier les sollicitations accidentelles en cas d'incendie
par exemple mais sont aussi le support
de l'étanchéité, d'équipements d'exploitation, de sécurité et un certain
confort pour les usagers.
Les ouvrages souterrains présentent,
en matière de béton, quelques autres
particularités intéressantes :
• On peut d’abord citer les sollicitations thermiques exceptionnelles
The purpose of this paper relating to concrete in tunnels is not
to provide recommendations but to describe the different types
of concretes used in tunnels, their uses, the most commonly
used formulations, the proven techniques for their use, their
specificities, to discuss innovations, experiments, to approach
the limitations and risks of these uses and to think about how
to further improve formulations and application techniques.
1 - IntroductionConcrete is playing an increasingly
important role in the construction of
underground structures and is thus
concerned by a large number of other
issues that are increasingly affecting
initial tunnel design studies. Indeed,
during conventional excavation or
repairs of a tunnel, sprayed concrete is
used for most support walls, either on
its own or in conjunction with anchor
bolts or steel arch profiles. This represents an important stage in the excavation cycle. In virtually all cases in
France, concrete poured on site –
generally with little or no reinforcements – is then used for the final
lining of structures excavated using
traditional methods. This involves the
use of large quantities, and the works
in question are always carried out in
highly specific and sometimes difficult
conditions. In the case of TBM excavation, in most cases the concrete lining
consists of prefabricated elements
(highly reinforced arch segments).
These must offer high performance in
order not to be too thick whilst withstanding various types of stress during
shipping and installation, as well as
during excavation, when the TBM supports itself using the previous rings.
During service, both linings poured on
site and those consisting of prefabricated rings are subjected to thrust by
soil, hydrostatic pressure, and accidental stress in the event of fire or other
incidents; these linings are bearing
waterproofing sheets, operating and
safety equipments; they also contribute
to the users comfort.
Underground structures also involve a
number of other particularities when
it comes to concrete:
• Firstly, there is the issue of exceptional thermal stress. Where applicable, this must be taken into account
when assessing the resistance of the
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°234 - Novembre/Décembre 2012
M
L’objectif de cet article relatifs aux bétons dans les tunnels
n’est pas de recommander mais décrire : les différents types de
béton en tunnel, les usages, les formulations les plus utilisées,
les techniques de mise en œuvre éprouvées, les spécificités ;
d’évoquer les innovations, les expériences ; d'approcher les
limites et les risques de ces utilisations mais de réfléchir pour
encore améliorer les formulations et les techniques d’utilisation.
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TECHNIQUE/TECHNICAL M
qui sont prises en compte, si besoin
est, pour évaluer la tenue au feu de
l’ouvrage. Ces sollicitations conduisent à des études de formulation de
béton et de conception de la structure souvent longues et délicates.
• Il faut également mentionner la
prise en compte croissante du
développement durable qui conduit
par exemple, dans le domaine des
matériaux, à étudier les possibilités
de réemploi, de valorisation et de
gestion des matériaux excavés.
Dans cet article, les bétons courants
utilisés en souterrain pour des dalles,
cloisons et radiers ne sont pas développés.
méthodes empiriques.
• jusqu'à un anneau de structure,
capable de reprendre des efforts normaux et des moments. La couche de
béton projeté utilisée doit alors être
continue, concave et avoir une courbure aussi régulière que possible
pour résister aux efforts extérieurs.
On parle souvent de coque. De plus
forte épaisseur, elle participe à la stabilité de l'ensemble et limite les
convergences en étant associée à
d’autres renforcements. L'anneau se
calcule en déformations et nécessite
aussi une vérification en résistance.
Pour plus d’informations, le lecteur
pourra se reporter aux recommandations du GT 20 de l’AFTES dans la
revue TOS n°164.
2 - Le béton projetéA quoi sert-il ?
Le béton projeté est un moyen rapide
de mise en oeuvre du béton sans
coffrage. Cet avantage permet le
bétonnage de la surface excavée dès
sa réalisation pour contenir la décompression du terrain. La préparation de
la surface excavée se limite à une
purge des éléments instables.
En fonction des propriétés mécaniques, de l'état de contrainte du massif encaissant et de l’épaisseur de la
couche, le béton projeté peut jouer un
rôle allant de :
• la simple peau protectrice destinée
à éviter une désorganisation progressive du terrain (altération ou
déjointoiement de petits blocs) :
cette peau de béton doit être projetée immédiatement après l'excavation et elle ne se calcule pas..
• à une peau de stabilisation, plus
épaisse et plus résistante, qui a pour
effet de bloquer localement les
instabilités, en combinaison avec
des éléments métalliques de soutènement. Le dimensionnement est
généralement calculé par des
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tunnel to fire. This type of stress often
entails long, delicate studies relating
to the concrete formula and design
of the structure itself.
• Another aspect is the increasing
attention paid to sustainable
development. For instance, this
may involve examining whether
excavated materials may be reused or recycled, and more generally how they are dealt with.
This article does not deal with the
standard types of concrete used
underground for slabs, partition walls
or foundations.
2 - Sprayed concreteUses
Le béton projeté est le plus souvent
utilisé en complément de soutènements métalliques (boulons, poutrelles
cintrées réticulées ou HEB ) ou en
remplacement de blindage métallique
entre cintres (profilés type HEB). Il doit
alors être renforcé par un treillis soudé
ou par des fibres ; la première solution
assure une bien meilleure connexion
entre le béton et les éléments métalliques, la seconde couvre toutefois de
nombreux cas courants.
Le béton projeté constitue également
le support des procédés d'étanchéité
extrados et permet d'obtenir un état
de surface (planéité, rugosité, ...)
répondant aux exigences du procédé
d'étanchéité choisi. Si nécessaire, en
cas d’utilisation de fibres métalliques,
une couche de finition sans fibres peut
être appliquée avant la mise en œuvre
du procédé d'étanchéité. Dans le cas
contraire, le dispositif d'étanchéité doit
être protégé par la mise en place d'un
géotextile de protection plus épais.
Les différents types de
bétons projetés
Dès le début du XX ème siècle, le béton
M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°234 - Novembre/Décembre 2012
Sprayed concrete is a way of installing
concrete quickly without the use of
formwork. The advantage is that the
excavated surface can be concreted
immediately in order to contain stress
release. Preparation of the excavated
surface involves nothing more than
removal of unstable elements.
Depending on the mechanical properties, stresses in the surrounding formation and the thickness of the layer,
sprayed concrete may serve to
varying degrees:
• a simple protective layer, designed to
avoid the terrain deteriorating (alteration or small blocks coming loose):
any such layer must be applied
immediately after excavation; no
design calculations are involved
• a thicker and stronger stabilisation
layer, serving to counter local instabilities, in conjunction with steel
supporting elements. The related
dimensions are generally calculated
by empirical methods
• a structural ring that is capable of bearing normal stress and moments. In this
case, the layer of sprayed concrete
used must be continuous, concave,
and have as regular a curvature as
possible in order to withstand external
stress. This is often referred to as a
shell. This is the thickest type of layer;
it contributes to overall stability and
minimises convergence, in conjunction with other reinforcements. The
ring is designed using deformation
calculations and its strength must also
be verified.
For further details, readers are invited
to consult the recommendations of
AFTES Working Group GT 20 in issue
164 of TOS magazine.
In most cases, sprayed concrete is
used alongside steel supports (bolts,
ribbed arches or HEB profiles) or to
replace steel shielding between HEB
arch profiles. In this case it must be
reinforced with fibre or welded wire
mesh. The former solution provides
much better linkage between the
concrete and the steel components,
but the latter is suitable in a large
number of standard situations.
Sprayed concrete also serves as the
surface for external waterproofing
procedures, allowing a degree of
surface flatness and smoothness that
is sufficient for the selected waterproofing solution. If steel fibre is used,
a fibre-free finishing layer may be
applied before implementing the
waterproofing procedure if necessary.
If this is not done, the waterproofing
complex must be protected, with the
installation of a thicker protective geotextile.
Types of sprayed concrete
Dry mix sprayed concrete has been
in existence since the early twentieth
century. All the dry materials are introduced into the concrete spraying
machine and projected at high velocity into a flow of compressed air.
Water is added at the end of the
nozzle (Figure 1). The aggregates may
TECHNIQUE/TECHNICAL
La voie mouillée, qui consiste à transporter par pompage un béton déjà
malaxé et le mettre en place par projection grâce à un apport d’air comprimé à la lance, s’est développée
dans les années 70 (Figure 2). A cette
époque, la résistance, la qualité et la
durabilité des bétons projetés par voie
mouillée n’étaient pas excellentes et
les produits accélérateurs utilisés pour
faire tenir le béton étaient nocifs pour
le personnel, l’environnement et le
béton lui-même.
Les avantages de la voie mouillée
tiennent à la diminution des poussières et des pertes de bétons dues
aux rebonds, ainsi qu’à l’augmentation des débits de projection (de 4 à
6 m3/h au maximum en voie sèche
contre 25 à 30 m3/h en voie mouillée
pour les robots de projection).
La voie sèche reste plus performante
lorsqu’on recherche une forte adhérence sur le support (dosage en
ciment important du fait du rebond
des gros granulats dans la première
couche de béton) ou des performances mécaniques très élevées.
Sa souplesse d’utilisation et ses très
bonnes performances en termes de
résistance mécanique et d’adhérence
du béton projeté, lui confèrent un
grand intérêt dans de nombreux cas
tels que :
• la réparation d’ouvrages en béton
armé,
• le renforcement d’ouvrages en
maçonnerie,
• les chantiers où le volume de travaux est limité et ne justifie pas une
installation de chantier importante,
• la réparation d’ouvrages nécessitant
une remise en service rapide après
projection, rendue possible grâce à
l’utilisation de bétons projetés à
Résistance Initiale Garantie (RIG),
mis au point et quasi systématiquement utilisés pour les ouvrages ferroviaires, pouvant également être
intéressants en ouvrages neufs en
cas de terrains meubles.
Pour tous les types de bétons projetés,
la mise en œuvre est une étape bien
plus critique que pour les bétons coulés et la qualification des opérateurs
de projection est indissociable de la
qualité du matériau (consulter le site
www.asquapro.com pour plus d’informations sur la certification des portelances). Cette certification est
Réseve d’eau /
Water tank
Figure 1 - Principe de la projection en voie sèche /
Dry mix sprayed concrete process.
The advantages of wet mix sprayed
concrete relate to the decrease in
dust and less loss of concrete due to
rebounding, as well as faster
spraying rates (rising from 4-6 m3/h
maximum for the dry mix to 25-30
m3/h for wet mix concrete spraying
machines).
Dry mix sprayed concrete is still the
best when strong adhesion to the
surface is sought. This is due to a high
dosage of cement as a result of larger
aggregates rebounding in the first
layer of concrete. It is also better if
there is a need for very high mechanical performance.
This type of sprayed concrete is very
flexible in terms of use and offers very
For all types of sprayed concrete, implementation is a much more critical stage
than in the case of poured concrete;
properly qualified operators are just as
important as the quality of the material
itself (see www.asquapro.com for more
information about certification of nozzlemen). This certification is highly
recommended and increasingly, is
mandatory for contracts including
sprayed concrete. The level of qualification required must be appropriate to
the difficulty of the worksite (nozzleman, experienced nozzleman or highly
qualified nozzleman). It is also very
Pompe à béton /
Concrete pump
Lance / Nozzle
Arrivée d’eau /
Water inlet
The wet mix process consists of
pumping pre-mixed concrete which is
then sprayed into place by supplying
compressed air at the nozzle. It was
developed in the 1970s (Figure 2). At
that time, the strength, quality and
durability of wet mix sprayed concrete
was not particularly good. The accelerators used to help the concrete
bind were harmful for personnel, the
environment and the concrete itself.
good performance in terms of mechanical strength and adhesion. As a
result, it is of interest in many different
scenarios, some of which are listed
below :
• repair of reinforced concrete structures,
• reinforcement of masonry structures,
• worksites with a relatively small
amount of works that do not call for
major worksite installations,
• repairing structures that need
to re-enter use very quickly after
spraying. This is made possible by
using Guaranteed Initial Strength
(Résistance Initiale Garantie, RIG)
sprayed concrete. This has been
developed for railway structures,
when it is almost always used, and
can also be of interest for new
structures in loose soil.
Béton prêt à l’emploi /
Ready-mix concrete
Machine de projection /
Concrete spraying machine
Compresseur
à air /
Air
compressor
be dampened to reduce the amount
of dust (this is then referred to as
a damp mix) or water may be introduced prior to the nozzle, using a
pre-wetting pipe.
Compresseur
à air /
Air
compressor
Lance / Nozzle
Arrivée d’air /
Air supply
Figure 2 - Principe de la projection en voie mouillée /
Wet mix sprayed concrete process.
M
a été projeté par voie sèche. Tous les
matériaux secs sont introduits dans
la machine de projection et transportés à grande vitesse dans un flux d’air
comprimé. L’eau est ajoutée en bout
de lance (Figure 1). On peut humidifier
les granulats pour limiter les poussières (on parle alors de voie humide)
ou introduire l’eau en amont de la
buse, grâce à une lance de prémouillage.
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fortement recommandée, et de plus
en plus souvent exigée dans les marchés comportant du béton projeté. Le
niveau de qualification demandé doit
être adapté à la difficulté du chantier
(porte-lance, porte-lance confirmé ou
porte-lance hautement qualifié). Il est
également très important de s’assurer
que l’encadrement et le personnel
chargé du contrôle interne maîtrisent
bien la technique de projection.
Les nouveautés en matière
de bétons projetés pour
le soutènement
De manière générale, en France
comme ailleurs, les bétons projetés de
soutènement sont aujourd’hui mis en
place par voie mouillée, c’est-à-dire
après malaxage et contrôles en centrale à béton. Ils bénéficient alors de
tous les progrès des bétons coulés.
Leurs spécificités sont liées à l’antagonisme des exigences liées au pompage, d’une part, et à la tenue du
béton sur des surfaces verticales ou
en surplomb, d’autre part.
La consistance recherchée (S3 ou
plus) est obtenue grâce à des plastifiants ou superplastifiants, réducteurs
d’eau, ce qui permet d’obtenir une
consistance fluide tout en gardant un
rapport Eau/Ciment limité (E/C ≤ 0,5).
Le respect d’un E/C relativement faible est particulièrement important
depuis qu’il existe des activateurs non
alcalins qui permettent un développement rapide des résistances initiales
tout en assurant une bonne durabilité
du béton projeté.
Les accélérateurs sans alcalins,
apparus au milieu des années 90,
sont probablement le progrès le plus
significatif pour la qualité des bétons
projetés par voie mouillée. Les documents de l’ASQUAPRO, association
pour la qualité de la projection des
bétons, précisent bien les pratiques
actuelles. En France, les accélérateurs
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à base d’aluminates sont interdits et
il est vivement conseillé de spécifier
dans chaque marché l’interdiction des
accélérateurs à base de silicates, pour
un béton projeté en voie sèche ou
humide. De façon plus générale, il
convient d'accorder un grand soin aux
spécifications inscrites dans le CCTP,
comme le choix du type de ciment par
exemple. Ces spécifications doivent se
conformer aux recommandations en
vigueur de l'ASQUAPRO.
Pour des ouvrages exceptionnels, tels
que le tunnel sous la Manche après
incendie, les performances mécaniques peuvent être comparables à
celles d’un béton coulé en place
(jusqu’à Rc = 60 MPa). Même avec
des bétons plus courants, on sait obtenir par cette technique une section
réparée monolithique, c’est-à-dire
dont le point de rupture en traction
n’est pas le contact béton supportbéton rapporté.
Les fibres dans
les bétons projetés
Au niveau des matériaux, l’ajout de
fibres dans les bétons projetés a permis des progrès significatifs, même si
elles ne peuvent pas systématiquement remplacer les treillis soudés.
Dans de nombreux cas de figures, les
fibres présentent un intérêt incontestable car elles renforcent le béton en
lui permettant de reprendre des
charges même après fissuration (on
parle de comportement ductile et non
fragile) (Figure 3). Les fibres métalliques sont utilisées avec succès
depuis plus de trente ans ; l’innovation
réside depuis une dizaine d’années
dans le recours à des macro-fibres
synthétiques qui peuvent également
permettre d’obtenir de bons résultats
en terme de capacité d’absorption
d’énergie. Leurs dimensions sont
proches de celles des fibres métalliques, beaucoup plus importantes
important to ensure that supervisors
and those in charge of internal control
are also properly familiar with sprayed
concrete techniques.
New developments in
sprayed concrete for
support walls
In France and elsewhere, sprayed
concrete for support walls is generally
applied using the wet mix process, i.e.
after being mixed and inspected in a
concreting plant. This sprayed
concrete thus benefits from all the
progress made in poured concrete.
It differs due to the contrary constraints
imposed by pumping and the need for
the concrete to hold on vertical and
overhanging surfaces.
The required consistency (S3 or greater)
is obtained by means of water-reducing
plasticizers or superplasticizers; these
make it possible to achieve fluid
consistency whilst maintaining a low
water/cement ratio (W/C ≤ 0.5). Observing this relatively low water/cement
ratio has become all the more important since the advent of alkali-free
accelerators that allow a rapid rise in
initial strength as well as good durability of the sprayed concrete.
Alkali-free accelerators first made
their appearance in the 1990 s and
are probably the single most important advance in terms of wet mix
sprayed concrete. The French sprayed
concrete quality association ASQUAPRO
has documentation providing details of
all current practices. In France, aluminate-based accelerators are prohibited.
It is also strongly recommended that a
prohibition on silicate-based accelerators is specified in any contract for dry
or wet mix sprayed concrete. More
generally, extreme care should be taken
with the details of the Particular Technical Specifications (CCTP), such as the
type of cement to be used. These specifications must comply with ASQUAPRO’s regulations in force.
For exceptional works, such as the work
on the Channel Tunnel after the fire,
mechanical performance may be comparable to that of concrete poured on site
(compression strength of up to 60 MPa).
Even with more standard types of
concrete, this technique makes it possible to have a monolithic repaired section
– i.e. one for which the tensile failure
point is not the joint between the surface
concrete and the additional concrete.
Fibres in sprayed concrete
In terms of materials, the addition of
fibres to sprayed concrete has
enabled significant progress to be
made, even if they cannot replace
welded wire mesh in every situation.
In many instances, fibres have undeniable benefits: they reinforce the
concrete, allowing it to bear loads even
after cracking (this is known as ductile,
rather than fragile behaviour) (Figure 3).
Steel fibres have been successfully
used for over thirty years. The innovative
aspect in the last ten years or so has
Figure 3 - Plaque
de béton fibré /
Fibre-reinforced
concrete panel.
TECHNIQUE/TECHNICAL
que celles des microfibres utilisées
pour minimiser les effets du retrait
ou de l’écaillage en cas d’incendie
(dont le diamètre est de 16 à 35 μm,
maximum 50 μm et la longueur de 8
à 16 mm). Il existe également des
fibres utilisant d’autres types de matériaux, citons par exemple le développement en cours de fibres de verre
pour les bétons projetés.
Quel que soit le type de fibres, leurs
performances varient en fonction des
produits mais aussi de leur adaptation
à la matrice béton et des matériels et
personnels assurant la mise en
œuvre. Le choix de l’emploi des
fibres et de leur type doit tenir
compte de tous les paramètres d’un
projet. Des études et des essais doivent systématiquement être réalisés,
en laboratoire et sur chantier, pour
contrôler les performances d’un béton
fibré, ainsi que leur maintien dans le
temps. Tout l’enjeu des spécifications
des cahiers des clauses techniques
particulières (C.C.T.P.) est de permettre l’émergence de nouveaux produits
sans mettre en péril la sécurité des
personnes ou la durabilité des structures. L’ASQUAPRO a rédigé un fascicule technique sur « l’utilisation
des fibres pour le renforcement des
bétons projetés pour le soutènement
provisoire des tunnels », téléchargeable sur le site www.asquapro.com,
proposant des clauses plus précises
que la capacité d’absorption d’énergie. Là aussi, il convient d'accorder un
grand soin aux spécifications inscrites
dans le CCTP, comme la quantité de
fibres ou la capacité d’absorption
d'énergie. Ces éléments doivent par
ailleurs faire l'objet d'un suivi continu
lors du déroulement du chantier afin
de garantir la qualité, la sécurité et la
durabilité de l'ouvrage.
Le matériel
Le matériel a également bien évolué
avec l’apparition de robots de projection plus performants : certains
robots récents (depuis le début des
années 2000) permettent d’obtenir un
flux de béton quasi continu (moins de
risque de feuilletage du béton projeté),
une projection entièrement automatisée, avec éventuellement un levé
scanner de la surface à recouvrir et un
contrôle de l’épaisseur projetée ; cette
dernière fonctionnalité a été développée pour le contrôle de l’épaisseur des
mortiers de protections passives
contre l’incendie (Figure 4 : Projection
manuelle - Robot de projection).
Citons aussi l’apparition des diffuseurs, insérés avant la buse, pour
mélanger l’activateur dans le flux d’air
comprimé et l’amélioration des
doseurs qui permettent de régler l’activateur de manière précise. Ils sont
maintenant asservis électroniquement
à la pompe à béton.
Le choix de la méthode
de projection
Pour bénéficier de cadences de mise
en œuvre élevées et limiter les poussières en milieu confiné, la voie mouillée
est actuellement largement prépon-
been to use synthetic macro-fibres that
also make it possible to obtain good
results in terms of energy absorption
capabilities. Their dimensions are similar to those of steel fibre and much larger than those of the microfibres used
to minimise the effects of shrinkage or
spalling in the event of fire (the latter are
between 16-35 μm, with a maximum
of 50 μm, and a length of 8-16 mm).
There are also fibres that use other
types of material: for instance, developments are underway concerning glass
fibre for sprayed concrete.
soire des tunnels”). This can be downloaded from www.asquapro.com and
suggests clauses that do more than
simply specify energy absorption capacities. Here again, extreme care must
be taken with the wording of the Particular Technical Specifications, for instance as to the quantity of fibres and
energy absorption capacities. These
aspects must also be monitored continuously during the progress of works in
order to ensure the quality, safety and
durability of the structure.
Plant
Irrespective of the type of fibre, performance varies depending not only on the
product but also on how well-adapted
to the concrete matrix it is, as well as
the plant and personnel used to install
it. The decision to use fibres – and
which type – must take into account
every aspect of the project in question. Studies and tests must be carried
out in all cases, both in a laboratory and
on site, to check the performance of the
fibre-reinforced concrete and its duration over time. The vital issue for the
details of Particular Technical Specifications (Cahiers des Clauses Techniques Particulières, CCTP) is to make
it possible for new products to emerge
without endangering the safety of individuals or the durability of the structures
in question. ASQUAPRO has drafted a
technical memorandum on the “Use
of fibres to reinforce sprayed
concrete for the temporary support
of tunnels” (“L’utilisation des fibres
pour le renforcement des bétons
projetés pour le soutènement provi-
There have been considerable developments in the plant used, with the
appearance of high-performance
concrete spraying machines: since
the early 2000s, some machines have
made it possible to supply a virtually
continuous flow of concrete, decreasing the risk of flaking for sprayed
concrete, as well as offering fully
automated spraying. This may include
scanned measurement of the surface
to be covered and checking the thickness applied. The latter feature was
developed to check the thickness of
mortar providing passive fire protection (Figure 4). Other innovations
include diffusers inserted just behind
the nozzle to mix the accelerator in
with the flow of compressed air, and
improvements to dosers allowing the
accelerator to be adjusted more accurately. These are now electronically
controlled by the concrete pump.
Figure 4 - Projection manuelle - Robot de projection / Manual spraying - Concrete spraying machine
M
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dérante pour le soutènement des
ouvrages souterrains. Toutefois, Il faut
garder en tête qu’elle n’est pas systématiquement la solution la plus adaptée, en particulier dans des terrains
meubles. Sur un lot du projet Eole (RER
E en région parisienne), une variante de
soutènement a été mise en œuvre,
avec succès, en projetant quasi immédiatement après l’excavation, par voie
sèche un béton fibré à Résistance Initiale Garantie (RIG : au moins 3 MPa à
3 h dès 10°C sur des cubes de 10 cm
de côté). Le pas d’avancement du creusement étant très réduit, les projections
fréquentes et en petites quantités, la
souplesse d’utilisation de la voie sèche,
les hautes performances du béton RIG
fibré (50 kg/m3 de fibres métalliques
dans le mélange sec pour un dosage
de 28 kg/m3 sur le parement) et la possibilité de projeter sur des surfaces
suintantes ont permis d’augmenter la
sécurité du personnel (absence de treillis soudé), et de minimiser les tassements en surface, ce qui est souvent
un enjeu majeur dans les ouvrages
urbains. Au final, les cadences de creusement n’ont pas été pénalisées par ce
choix, tout au contraire.
3 - Les revêtements
de tunnels coulés en placeLe béton projeté, renforcé ou non,
innovant ou non, calculé ou non..
n’est que le soutènement provisoire
des nouveaux ouvrages creusés en
méthode conventionnelle et le revêtement prend progressivement le
relais pour toutes les charges du terrain. De ce fait, dans les calculs de
conception du revêtement, la part du
soutènement par béton projeté n’est
pas prise en compte. Ainsi, pour s’assurer de la stabilité et de la reprise
des charges des ouvrages voûtés
revêtus, l’épaisseur de la structure et
la résistance à la compression caractéristique du béton à 28 jours sont les
premiers critères auquels on pense
516
immédiatement. On ne doit cependant
pas oublier que l’augmentation de la
résistance va de pair avec une augmentation du module d’Young et donc de la
rigidité du revêtement. Pratiquement, le
module n’est en général pas dimensionnant dans le cas des voûtes non armées
et c’est le critère d’excentrement de
l’effort normal qui définit l’épaisseur
de béton nécessaire. Dans tous les cas,
il faut que le contact entre le revêtement
et le massif ou le soutènement soit franc.
Enfin, si l’on souhaite des temps de coffrage assez courts, on doit assurer une
résistance mécanique initiale élevée qui
peut être contradictoire avec la
recherche d’une fissuration réduite pour
un béton non armé.
La solution adoptée est souvent le
meilleur compromis entre ces différentes exigences, les hypothèses de
charge et les conditions réelles d'exécution compte tenu des moyens qu'il
est possible de mettre en œuvre. Ainsi,
même si on cherche à privilégier le
béton non armé, certains revêtements
sont renforcés avec des armatures.
Structures non armées
ou armées
Les revêtements sont constitués
le plus souvent de béton non armé.
Il est néanmoins nécessaire de
ferrailler certaines sections (prise en
considération d’une fissuration préjudiciable notamment) afin d'assurer la
reprise d'efforts jugés excessifs pour
un revêtement non armé. Des difficultés peuvent aussi surgir du fait de l'absence de code de calcul spécifique. La
principale conséquence de ces difficultés et de l'application de règles mal
adaptées aux spécificités des revêtements de tunnels est le risque de voir
augmenter notablement la proportion
de revêtements armés dans les
ouvrages neufs. Ceci paraît d'autant
plus difficile à justifier que les retours
d'expériences attestent d'un comportement très généralement satisfaisant
des revêtements en béton non armé
Choosing the sprayed
concrete method
To have the benefit of rapid application times and keep the spread of dust
in a confined environment to a minimum, the wet mix process is currently
the most widely used for the support
walls of underground structures.
However, it should be borne in mind
that this is not always the most appropriate solution, especially in loose soil.
For one section of the EOLE project
(the RER E line in Greater Paris) an
alternative type of support was successfully used. This involved dry mix
application of fibre-reinforced concrete
almost immediately after excavation.
This had Guaranteed Initial Strength
(Résistance Initiale Garantie, RIG)
of at least 3 mPa after 3 hours at a
temperature of at least 10°C for each
10 cm cube. The rate of progress of
excavation was very slow. As a result,
frequent application of small quantities, the flexibility of the dry mix, the
excellent performance of fibre-reinforced ‘RIG’ concrete (50kg/m3 of
steel fibre in the dry mix dosed at
28 kg/m3 on the lining) and the possibility of spraying onto weeping surfaces
all made it possible to improve safety
for personnel (with no welded wire
mesh used) as well as keep surface
settlement to a minimum – often a
major issue for urban structures. Ultimately, the rate of excavation was in
no way adversely affected by this decision, and if anything was improved.
3 - Tunnel linings pouredon siteShotcrete, reinforced or not, innovative or not, calculated or not... is only
a temporary support for tunnels
excavated with the conventional
method and where the lining takes
gradually over all the loads from the
soil. Therefore, in the design calculations of a lining, the part of support
carried by shotcrete is not taken into
account. Thus, to ensure stability and
support of lined arches, the thickness
of the structure and the characteristic compressive strength of concrete
at 28 days are the criteria which
come up to mind first. However, it
should also be borne in mind that
strength increases in parallel with an
increase in the Young’s modulus and
thus in the rigidity of the lining. In practical terms, the modulus is not designcritical for non-reinforced arches. The
required concrete thickness is defined by the normal force offset criterion. In any event, the contact between
the lining and the formation or support
must be clean. Indeed, to achieve relatively short formwork times, high initial
mechanical strength is required; this
may run counter to the desire to have
minimal cracking in plain concrete.
Often, the solution adopted amounts
to the best compromise between
these various requirements, load
hypotheses and actual construction
conditions in the light of the means
that can be used. It follows that even
if plain concrete is to be preferred,
some linings are reinforced with rebar.
Non-reinforced or
reinforced structures
In most cases, linings are made of plain
concrete. However, there is no alternative but to reinforce certain sections
(particularly to prevent damaging
cracking) in order to ensure load-bearing performance deemed to be in
excess of the capabilities of non-reinforced linings. Difficulties may also arise
due to an absence of any specific design code. The foremost consequence of
these difficulties and the application of
rules that are poorly suited to the specifics of tunnel linings is the risk of
seeing a significant increase in the proportion of reinforced linings in new tunnels. This is all the more difficult to
justify since feedback indicates that in
general, plain concrete behaves in a
TECHNIQUE/TECHNICAL
la section est armée, se rencontrent
principalement dans :
• les zones de franchissements
d'accidents géologiques,
• les ouvrages creusés dans un terrain de faible raideur, où l’on
observe des convergences ou des
divergences importantes et où l’interaction sol-structure est insuffisante pour recentrer l’effort normal
dans les sections,
• les ouvrages étanches soumis à une
charge hydrostatique importante,
• les galeries d’assainissement avec
des écoulements en charge,
• les ouvrages de têtes réalisés à l’air
libre et remblayés (faux tunnels).
Le dimensionnement géométrique du
profil du revêtement armé prend en
compte des hypothèses encore bien
plus contraignantes liées aux ferraillage
(ratio d’acier parfois très important
allant jusqu’à 120 kg/m3), au béton
(dimension réduite des granulats,
consistance fluide par exemple) mais
aussi aux phases de mise en place des
armatures (structures indépendantes
ou chargées sur le coffrage), aux outilscoffrants particuliers (conception non
classique, abaissement du coffrage,
transport du ferraillage) et au bétonnage
très proche de celui des ouvrages
d’extérieur (ponts, bâtiments..).
• Radiers
Les radiers horizontaux ou contre-voûtés sont généralement armés et la
reprise des efforts concentrés au point
de contact radier/piédroit conduit à
remonter le ferraillage dans la partie
inférieure des piédroits du revêtement.
Le ratio d’acier est généralement notable. En général les coffrages du radier
ne sont pas totalement fermés et le
béton reste visible pour suivre le remplissage et l’enrobage des aciers.
Le béton des structures
non armées
L'une des particularités des tunnels
est d'utiliser largement le béton
non armé. Cela peut surprendre les
highly satisfactory manner. Installing
rebar in tunnels is always a major
undertaking, and one that should be
engaged in only if the need to do so has
been properly demonstrated.
• Non-reinforced formed linings
Non-reinforced linings have a tendency
to crack right from installation. This is
due to shrinkage, the stress of their own
weight and inevitable singularities, such
as overbreak, that result in major variations in the lining thickness. Provided
there is sufficient thickness and good
enough contact between the surface
(soil / support wall / waterproofing
membrane) and the lining, cracking of
this nature is not generally detrimental to lining stability.
• Locally reinforced formed
linings
Reinforcements may be used for standard sections of non-reinforced linings
in certain cases:
• areas subject to particular stress:
foundation ledges, side walls, intersecting tunnels, shelters, connections, etc.
• areas subject to occasional stress:
anchor rings, ventilation slab supports (corbels, consoles, embedments, etc.), fan jets, bracket anchors
• areas where there is a significant
change in cross-sectional profile curvature.
The design of these areas of the lining
takes into account factors relating to the
rebar (coating, fire, etc.) and the formulation of the concrete, which may be
highly specific. The formwork machines
are also more complex to assemble (for
instance, they may require additional
windows to facilitate the installation of
rebar). These types of consideration
should therefore be borne in mind,
since they can have major consequences on sequencing works and on
the overall lining construction cycle.
• Fully-reinforced linings
Special linings which are reinforced
throughout are to be found mainly in the
following contexts:
• passing through geological accidents
• structures excavated in loose terrain
in which major convergence or divergence is observed and in which the
soil-structure interaction is insufficient to centre normal force in the
cross-section
• watertight tunnels subject to significant hydrostatic load
• drainage tunnels in which the flow of
liquid constitutes a load
• tunnel head structures built in the
open air and then covered (false tunnels).
The geometric design of reinforced
lining profiles takes into consideration
much more stringent hypotheses that
relate to the reinforcements (with a
steel ratio that can sometimes be as
high as 120 kg/m3), to the concrete
(including criteria such as small aggregates and a fluid consistency), as well
as phasing of reinforcement installation
(with structures that may be independent or added to the formwork), special
formwork machines (non-standard
design, lower formwork, transport
of reinforcements), and concreting
method similar to that of outside works
(bridges, buildings…).
• Inverts
Horizontal and counter-arch inverts are
usually reinforced. The concentration of
loads where the invert meets the side
wall means that the bottom part of the
lining side walls must also be reinforced. This generally involves a high steel
ratio. In general, invert formwork is not
completely closed, and the concrete
remains visible, allowing filling and
coating of the rebar to be observed.
Concrete in non-reinforced
structures
One of the distinctive features of tunnels is that in most instances, plain
concrete is used. This may come as
a surprise to civil engineering specialists who are unfamiliar with tunnels since it results in cracks
several millimetres wide and thus
large enough to be alarming on a
M
car la mise en place d'armatures dans
les revêtements de tunnels constitue
toujours une sujétion importante à
laquelle il ne faut recourir qu'après en
avoir dûment justifié la nécessité.
• Revêtements coffrés
non armés
Les revêtements non armés, dès la
mise en oeuvre, ont tendance à se fissurer : retrait, sollicitations dues au
poids propre et singularités inévitables
telles que les hors profils générant des
variations d'épaisseur importantes du
revêtement. Sous réserve d’une épaisseur suffisante et d'un bon contact suffisant entre le support (terrain /
soutènement / membrane d’étanchéité)
et le revêtement, cette fissuration n'est
pas généralement pas préjudiciable à
la stabilité du revêtement.
• Revêtements coffrés
localement armés
Dans un revêtement non armé en section
courante, sont malgré tout ferraillées :
• les zones particulièrement sollicitées : banquettes de fondation, piédroits, ouvrages transversaux,
niches, connexions…,
• les zones soumises à des efforts
ponctuels : anneaux de désincarcération, appuis de dalles de
ventilation (corbeaux, consoles,
encastrements..), accélérateurs,
ancrages de suspentes,
• les zones à fort changement de
courbure du profil en travers.
Le dimensionnement de ces parties
du revêtement prend en compte les
contraintes liées aux aciers (enrobage,
feu, etc) et la formulation du béton
devient parfois très spécifique. Les
outils-coffrants sont également plus
complexes à construire (nouvelles
fenêtres pour une mise en place plus
facile des aciers par exemple). Il ne
faut donc pas oublier ces contraintes
qui peuvent être lourdes pour l’enchaînement des phases et le cycle
global de la réalisation du revêtement
dont le bétonnage.
• Revêtements totalement armés
Les revêtements particuliers, où toute
517
spécialistes d'Ouvrages d'Art non
habitués aux tunnels car la conséquence est l'existence de fissures
plurimillimétriques qui seraient
alarmantes sur un pont par exemple.
Dès la mise en œuvre, les bétons
ordinaires, de classe C25/30 et de
consistance fluide ont tendance à se
fissurer en raison du retrait et des
sollicitations dues au poids propre,
mais aussi des singularités telles que
les hors-profils générant des variations d'épaisseur importantes du
revêtement (Figure 5).
Les bétons sont à définir conformément à la norme NF EN 206-1 et, dans
tous les cas, les caractères de base
suivants doivent être spécifiés :
• la classe d’environnement,
• la classe de consistance (peut être
laissée au choix de l’entreprise),
• la résistance au décoffrage,
• la résistance à 28 jours,
• et éventuellement les contraintes
spécifiques liées à la durabilité
(RAG, RSI, gel - dégel, chlorures,).
La rhéologie fait partie des spécifications incontournables d’un béton.
Par ailleurs, la tenue au feu est à part,
elle ne relève pas exactement de la
durabilité.
Selon la situation géographique du tunnel, son niveau de salage, etc.,
différentes classes d'exposition peuvent être identifiées pour les éléments
en béton (cf. “Guide pour le choix des
classes d'exposition des tunnels rou-
tiers creusés”, www.efbeton.com). Ces
classes d'exposition doivent être
spécifiées dans le CCTP. En cas
d'utilisation d'un béton XF4 classé G+S
au sens des recommandations pour la
durabilité des bétons durcis soumis au
gel du LCPC (décembre 2003), des
essais d'écaillage sont nécessaires. Du
fait du temps nécessaire pour mener à
bien ces essais, il convient d’anticiper
au plus tôt les études de formulation et
les essais de convenance.
Le parement de l’intrados
des revêtements
En dehors des problèmes de fissuration mécanique récurrents et des
éventuels défauts de réalisation
(Figure 6), le béton des revêtements,
selon sa compacité, sa porosité et son
retrait, est plus ou moins sensible à
l’esthétique et à l’encrassement que
des ouvrages d’art d’extérieurs. Pour
les ouvrages souterrains routiers, les
parements sont souvent régulièrement entretenus ; aussi la protection
et l’entretien sont considérés comme
des actions nécessaires. Cependant,
avant de protéger de manière préventive et systématique (éventuelles
réparations et peintures), on doit parfaitement maîtriser la fabrication et la
mise en place du béton, la vibration et
le décintrage de l’outil coffrant. La
qualité des parements doit être spécifiée dans le cahier technique des
prescriptions particulières (CCTP).
bridge, for instance. Standard, fluid
C25/30 class concretes tend to crack
right from installation due to shrinkage and the stress resulting from
their own weight, as well as due to
singularities such as overbreak, leading to considerable variations in the
lining thickness (Figure 5).
Concrete types should be established
pursuant to standard NF EN 206-1. In
any event, their fundamental characteristics should be as follows:
• the environment class
• the consistency class (this may be
left to the contractor’s discretion)
• strength on formwork striking
• strength at 28 days
• any specific considerations relating
to durability (alkali-aggregate reaction, DEF, freezing/thawing, de-icing,
etc.).
Rheology is one of the vital specifications for concrete. In addition, fire
resistance is dealt with elsewhere
since it is not directly related to durability.
Depending on the tunnel’s geographical situation, how much it is salted,
etc. various exposure classes can be
identified for the concrete components (see the “guide for selecting
exposure classes for excavated road
tunnels”, Guide pour le choix des
classes d’exposition des tunnels routiers creusés, www.efbeton.com).
These exposure classes must be specified in the Particular Technical Spe-
Figure 5 - Béton arrivant dans le coffrage par pompage / Concrete being pumped into formwork.
518
cifications. For freeze/thaw + de-icing
class XF4 concrete (as per LCPC
“recommendations for the durability
of hardened concretes subject to
frost”, “Recommandations pour la
durabilité des bétons durcis soumis
au gel”, December 2003), spalling
testing is required. In view of the time
required for these tests to be properly
completed, formulation studies and
suitability trials should be planned as
early as possible.
The inner surface of linings
In addition to recurring issues of
mechanical cracking and any
construction defects (Figure 6: micro
cracking of lining), lining concrete
may be more sensitive to issues of dirt
and aesthetics than external structures depending on its compactness,
porosity and shrinkage. In the case of
underground road tunnels, the inner
surface of linings is often maintained
regularly; in such cases, protection
and maintenance are qualified as
necessary actions. However, well
before carrying out systematic preventive protection work (e.g. repairs,
painting), the issue is first and foremost one of proper control of the
manufacture and installation of the
concrete, vibrating and removal of the
formwork. Inner lining quality must be
specified in the Particular Technical
Specifications.
Figure 6 - Nid de cailloux / Non-cemented pebbles.
TECHNIQUE/TECHNICAL
• Cycle de bétonnage
Dans les ouvrages récents, pour des
revêtements d’un diamètre de l’ordre
de 10 mètres et d’une épaisseur de 40
centimètres, il est de plus en plus courant de réaliser un cycle complet de
bétonnage en 24 heures, en augmentant les moyens si nécessaire. Les
caractéristiques dimensionnantes des
bétons sont la résistance à la compression au moment du décoffrage, la
résistance à 28 jours (souvent dictée
par les exigences de durabilité) et la
durabilité (alcali-réaction, réaction sulfatique interne, gel-dégel, chlorures..).
Dans ce cycle standard et court de
24h, le temps de la phase ‘coffrage’
dépend surtout de la construction du
masque (particulièrement en hors
profils). Il est bien evidemment ne pas
réduire le temps de durcissement du
béton, point essentiel à la qualité du revêtement, mais augmenter les moyens
pour réaliser le coffrage d’about.
• décoffrage du dernier plot,
• translation de l’outil coffrant
jusqu’au plot suivant à bétonner,
nettoyage et préparation de la peau
coffrante, mise en place des armatures et/ou des inserts s’il y a lieu,
implantation définitive de l’outil en
position coffrée,
• pose du masque d’about,
• bétonnage (remplissage, clavage..),
• durcissement du béton (temps à ne
pas écourter).
• Bétonnage
De façon générale, le béton est mis en
œuvre par pompage au travers des
trappes et pipes de bétonnage prévues à cet effet dans le coffrage
(Figure 7). Afin de garantir une bonne
qualité des revêtements (caractéristiques mécaniques et parement), un
suivi est indispensable et les points les
plus importants suivants ne doivent
pas être négligés. Heureusement les
expériences des dernières années
montrent que les personnels sont de
plus en plus formés et expérimentés.
• Suppression des rajouts d'eau dans
le béton (certains adjuvants en solution aqueuse ne sont pas considérés
comme rajout d'eau).
• Modération de la chute du béton
depuis les trappes de bétonnage
(risque de ségrégation, entraînement d’air..).
• Surveillance de la vitesse de montée
dans les coffrages afin de ne pas
dépasser celle prise en compte pour
la conception du coffrage (la vitesse
maximale admise par les constructeurs est 2,50 m/h).
• Maintien du dénivelé du béton entre
chaque piédroit (autre paramètre
pris en compte dans le calcul de
l’outil) inférieur à 1m (la hauteur est
souvent déterminée par la charge
de béton mise en œuvre, 1 toupie
d’un côté puis 1 toupie de l’autre –
toupie de 6 à 8 m3).
• Suivi des singularités localisées
telles que hors profils importants,
niche de sécurité, croisement de
galeries qui peuvent être à l’origine
de modification du cycle et des
règles de bétonnage,
• Respect des règles de remplissage
et de clavage afin de remplir au
mieux le vide disponible (en général
on prend en compte une pression
de 0,2 MPa pour le calcul du
coffrage et 0,1 Mpa réellement pour
le clavage). Le remplissage des
coffrages doit être irréprochable
Construction of the lining
• Concreting cycle
In recent structures, for linings around
10 metres in diameter and some 40
centimetres thick, it is increasingly
common for a full concreting cycle to
be completed in 24 hours, if necessary by increasing the resources
brought to bear. The design criteria for
concrete relate to compression strength
at formwork striking, strength after
28 days (often dictated by durability
requirements) and durability (alkaliaggregate reaction, delayed ettringite
formation, freezing/thawing, chlorides, etc.).
In the standard, short 24-hour cycle,
the time required for the formwork
stage depends above all on construction of the facing, particularly in the
event of overbreak. Concrete hardening time should not be decreased,
rather the resources used to construct
the end formwork should be increased.
• removing formwork from the most
recent section,
• moving the formwork machine to
the next section to be concreted,
cleaning and preparing the formwork skin, installing rebar and/or
inserts as required, final location of
the machine for forming,
• installing the end facing,
• concreting (filling, grouting),
• hardening (not to be rushed).
• Concreting
Generally speaking concrete is installed by being pumped through dedicated concrete chutes and pipes in the
formwork (Figure 7). To ensure good
lining quality (in terms of mechanical
characteristics and the outer finish),
monitoring is vital. A number of particularly important points must be
checked. Fortunately the experience
of recent years shows that staff are
more and more trained and experienced.
• Avoiding any addition of water to the
concrete (some additives in
aqueous solutions are not considered as adding water).
• Ensuring concrete does not fall too
far from concrete chutes (risk of
segregation, inclusion of air, etc.).
• Monitoring the speed at which forms
fill so as not to exceed the design
specification (manufacturers accept
a maximum speed of 2.5 m/h).
• Maintaining the difference in
concrete height between each side
wall (another parameter taken into
account in machine design) at less
than 1 m (the height is often determined by the amount of concrete
being applied, with one mixer with
a volume of 6-8 m3 on each side).
• Monitoring local singularities such
as significant overbreaks, safety
shelters, or gallery intersections:
these may require changes to the
Figure 7 - Robot semi automatique - Acheminement du béton par conduites rigides et souples /
Semi-automatic machine - Concrete arrives through rigid and flexible pipes.
M
La réalisation du revêtement
519
malgré les irrégularités du support
et la présence d’éléments de soutènement et de pièces incorporées
dans le béton (maniabilité). La vibration du béton doit permettre une
compacité élevée pour assurer une
bonne résistance aux agents agressifs. Le clavage, lui, doit remplir au
mieux le vide restant en clé (fondamental en particulier pour la bonne
efficacité du compartimentage du
dispositif d’étanchéité par géomembrane).
• Mise en œuvre de la vibration dans
les conditions prévues au programme de bétonnage (vibration
interne et externe), La vibration reste
cependant très bruyante et pas
toujours parfaitement maîtrisée.
• Préparation de la cure, lorsqu'elle
est prévue pour limiter la fissuration
et surtout si un fort courant d'air
et des températures ambiantes
extrêmes assèchent le béton ou
gênent sa bonne hydratation en surface.
Par ailleurs, il faut que le retrait du
béton soit aussi faible que possible,
d'autant que ce retrait n'est pas libre.
Le retrait du revêtement est gêné
par les irrégularités géométriques de
l’extrados.
• Vibration du béton
Dans le cas d’un béton traditionnel,
le rôle de la vibration du béton frais
est d’assurer le bon remplissage des
coffrages (en particulier l’enrobage
des aciers et des inserts) et l’obtention de la qualité requise des parements.
Deux solutions sont possibles : la
vibration interne (aiguilles vibrantes
utilisées au travers des trappes de
bétonnage aménagées dans le coffrage – limitation de l’épaisseur des
couches à 45 cm) et/ou la vibration
externe du coffrage (cas des coffrages
métalliques - seuls les vibreurs au
droit de la partie en cours de remplissage sont à mettre en action).
Les deux techniques sont très souvent
520
utilisées simultanément.
Il n’existe pas de règle scientifique
définissant le nombre de vibreurs et
le temps de vibration du béton. Il
s’agit là de faire appel à la compétence des fournisseurs de matériels
qui travaillent en relation avec les
constructeurs de coffrage et les
fabricants de béton. En général, ils
déterminent le nombre et le mode de
fixation des vibreurs, leur fréquence
de vibration, leur puissance (fonction
de l’épaisseur de béton, de sa fluidité), de la cadence de bétonnage
envisagée et de la conception du coffrage. La règle empirique est de
vibrer le béton quelques secondes
très souvent, plutôt que de le faire
plusieurs minutes de façon plus
espacée. La procédure de bétonnage
doit être précise sur ce point et
approuvée par le maître d’œuvre au
préalable.
• Durcissement et
performances du béton
La valeur minimale de la résistance
en compression du béton à atteindre
avant le décoffrage doit être justifiée
par une note de calcul. Cette résistance doit être suffisante pour que les
différentes parties d'ouvrage bétonnées ne soient pas soumises à des
contraintes excessives et par-là fissurées.
La résistance minimale à la compression généralement admise pour
le décoffrage des voûtes de dimension standard est de 10 MPa et le
temps minimal de coffrage de 10
heures pour un ouvrage circulaire (à
moduler en fonction de la géométrie
et des caractéristiques du béton).
L’utilisation de la maturométrie
est recommandée pour justifier
l’obtention de la résistance exigée.
Les recommandations du Guide
technique « Résistance du béton
dans l’ouvrage, la maturométrie »,
publiées par le LCPC en mars 2003,
servent de référence pour l’étalonnage et l’utilisation de la méthode.
concreting cycle and/or procedures.
• Abiding by filling and grouting rules
in order to fill the available space as
completely as possible. In general,
pressure of 0.2 MPa is taken into
account for formwork (design pressure), and 0.1 MPa (actual pressure) for grouting. Forms should be
filled perfectly, despite any surface
irregularities or the presence of
support elements or other parts
embedded in the concrete (ease of
handling). Vibrating the concrete
should result in a high level of compactness to ensure proper resistance to aggressive agents. Grouting
should fill the remaining void at the
crown as completely as possible.
This is particularly vital for the geomembrane waterproofing system to
be properly compartmented.
• Implementation of vibrating as
required by the concreting programme (internal plus external
vibrating). Vibrating is however still
very noisy and not always properly
controlled.
• Preparation of curing where used to
minimise cracking, more especially
if a strong air current and extreme
ambient temperatures dry out the
concrete or prevent proper surface
hydration.
There should be as little shrinkage as
possible of the concrete, especially
since this is not free shrinkage. Lining
shrinkage is hindered by geometrical
irregularities on the outer side.
• Vibrating concrete
For conventional concrete, the purpose of vibrating the fresh concrete is
to ensure forms are properly filled
(especially to coat reinforcements and
inserts) and achieve the required
lining quality.
Two solutions exist: internal vibration
(vibrating rods deployed though the
concrete chutes fitted in the formwork, limiting layer thicknesses to
45 cm) and/or external vibrating of the
formwork (in the case of metal forms,
only vibrators adjacent to the part
being filled should be used). Both
techniques are very often used simultaneously.
There is no scientific rule that
defines the number of vibrating
machines or how long vibrating
should last. The issue draws on the
skills of the materials suppliers, who
work in liaison with formwork manufacturers and concrete producers.
Generally, it is they who determine
how many vibrators there should be
and how these are fixed, what frequency they should vibrate at, their
power (which depends on the thickness and fluidity of the concrete), the
planned rate of progress of concreting work and formwork design. The
empirical rule involves vibrating
the concrete for a few seconds,
frequently, rather than doing so for
several minutes less frequently.
The concreting procedure must be
very precise in this respect, and
approved by the project manager
beforehand.
• Hardening and concrete
performance
The minimum compression strength
of the concrete to be achieved prior
to formwork striking should be supported by design calculations. This
value must be large enough to ensure
that the various parts of the structure
being concreted are not subjected to
excessive stress such that they crack.
The generally accepted minimum
compressive strength for formwork
striking of standard dimension arches
is 10 MPa; the minimum forming time
is 10 hours for a circular shaped
structure (this varies depending on
the geometry and the characteristics
of the concrete).
The use of maturity measurement is
recommended in order to demonstrate that the required strength has
been achieved. The recommendations
of the Technical Guide “Strength of
TECHNIQUE/TECHNICAL
• Cure après décoffrage
La cure du béton permet de limiter la
fissuration de retrait qui dépend de la
formulation du béton mais également
des conditions d’exécution. Les
bétons de revêtement en tunnel ne
font pas systématiquement l’objet
d’une cure. Pourtant les conditions
d’exécution et environnementales
(température ambiante élevée, fort
courant d'air..) le justifient généralement.
Pour certains types de béton (forte
chaleur d’hydratation, BAP..), la cure
de l’ensemble du revêtement doit être
appliquée immédiatement après le
décoffrage :
• par le maintien en place du coffrage
au delà du temps nécessaire à un
cycle quotidien.
• par la pulvérisation régulière d’eau
ou d’un produit de cure directement
sur le parement béton pour en éviter
l’évaporation d’eau. Ces produits
doivent être compatibles avec la
qualité et la teinte du parement exigés et avec les peintures éventuelles appliquées ultérieurement.
• par le maintien en température et
en hygrométrie du béton par l’intermédiaire de chambres de cure. Il
s’agit le plus souvent d’un portique
(charpente métallique sur roues) de
Figure 8 - Portique de cure suivant le coffrage / Curing gantry following formwork.
la longueur du plot (idéalement il
faudrait une longueur correspondant à un maintien en position pendant au moins trois jours), mis en
place immédiatement après décoffrage, bâché (souvent du géotextile)
de façon à créer un espace annulaire à humidité contrôlée au contact
du parement (avec ou sans brumisation d’eau) et isolé de la circulation d’air du tunnel (Figure 8). Les
spécifications relatives à la cure
doivent être décrites précisément
dans le CCTP.
Les outils-coffrants
et le béton
Pour réussir un revêtement (forme,
caractéristiques mécaniques du
béton, parement..), les coffrages doivent parfaitement assurer : les formes
géométriques projetées sans déformation lors du bétonnage, la qualité
d'aspect des parements spécifiée,
l'étanchéité au cours du remplissage
du volume et la vibration du béton. De
nombreux ouvrages récents sont parfaitement réussis. Les entreprises
passent de plus en plus de temps pour
former leurs spécialistes.
A ce jour, et pas uniquement en
France, trois types de coffrages sont
construits en fonction du profil en tra-
concrete in structures and maturity
measurement” (“Résistance du béton
dans l’ouvrage, la maturométrie”),
published by LCPC in March 2003,
serve as a benchmark for methods
and their use.
tions and the environment (a high
ambient temperature, strong air currents, etc.).
For some types of concrete (high
hydration heat, SCC, etc.) curing the
lining as a whole should be carried out
immediately after formwork striking:
• by leaving the formwork in place
longer than the time required by a
daily cycle.
• by regular spraying of water or other
curing product directly onto the
concrete lining to prevent water
evaporation. These products must
be compatible with the required
lining surface quality and colour and
with any paint that is applied subsequently.
• by keeping the concrete at proper
temperature and humidity levels
using curing chambers. In most
cases these consist of a gantry (a
steel frame on wheels) extending
the length of the section (ideally,
this should be long enough to be
kept in place for at least three days)
that is installed immediately after
formwork striking and covered,
usually with a geotextile, in order to
create a space isolated from air circulation in the tunnel and adjacent
to the lining, within which the humidity level is controlled (with or
without water misting) (Figure 8:
Curing gantry following formwork).
Specifications relating to curing
should be described in detail in the
Particular Technical Specifications.
The characteristics sought for
concrete on removal of formwork are
as follows:
• sufficient mechanical compression
strength to avoid faults in the
concrete as a result of external
stress that it cannot support (suction on formwork striking, its own
weight, lowering of the machine)
• the time during which the concrete
must remain within the form prior
to being exposed to air, to avoid
harmful desiccation following the
evaporation of surface water: this
may lead to cracking and weaker
compacting of the skin concrete.
Formwork machines and
concrete
• Curing following formwork
striking
Curing concrete makes it possible to
keep shrinkage cracking – which
depends on the concrete formula – to
a minimum. This is also dependent on
the execution conditions. Concrete
used for tunnel linings is not systematically cured. However, it is generally
justifiable given the execution condi-
A number of aspects are important for
formwork to result in a successful
lining (in terms of its shape, the
mechanical characteristics of the
concrete, and the surface required).
The geometrical shapes must be
sprayed without deformation during
concreting, the quality of the aspect of
the lining surface must be specified;
waterproofing during filling of the form
M
Les caractéristiques recherchées des
bétons au décoffrage concernent :
• la résistance mécanique à la compression qui doit être suffisante pour
ne pas amener de désordres dans
le béton suite à l’application d’efforts extérieurs qu’il serait incapable
de reprendre (succion au décoffrage, poids propre, abaissement de
l’outil),
• la durée durant laquelle le béton doit
rester coffré avant d’être exposé à
l’air, pour éviter une dessiccation
préjudiciable par évaporation de
l’eau superficielle pouvant générer
de la fissuration et un affaiblissement de la compacité du béton de
peau.
521
vers de l’ouvrage, de la longueur et
des cadences d’utilisation : outil autoporteur sans dispositif de translation
lourd (plutôt pour des petites galeries),
outil autoporteur avec portique de
translation, de positionnement et de
décintrement indépendant de l’ossature du coffrage ou outil autoporteur
avec portique de translation, de positionnement et de décintrement intégré
à l’ossature du coffrage (Figure 9). Les
“nouveautés” concernant ces outils
sont relatives à la distribution du béton
de plus en plus semi-automatique
(canalisations rigides, distributeur, nettoyage des conduites facile…), l’allégement de certaines parties des
coffrages (le poids des coffrages d’une
longueur de 10 m et d’un rayon de l’ordre de 5 m d’environ 100 tonnes), la
précision des équipements d’implantation de l’outil (inférieur au demi-centimètre) et l’étude de structures standards
adaptables sur de nombreux ouvrages
et pour cela moins chers.
4 - Conception spécifiquedes revêtements envoussoirs pour lesouvrages au tunnelierCertains types de tunneliers ont la
particularité de pouvoir poser directement le revêtement juste après
l'excavation, ceci sous la protection de
la jupe de l’outil-tunnelier. Dans ce
cas, le revêtement est constitué de
voussoirs préfabriqués : éléments
dont l'assemblage constitue à la fois
le soutènement et le revêtement du
tunnel. Le plus souvent aujourd'hui,
ces éléments sont en béton armé.
Figure 9 - Exemple de coffrage avec portique intégré /
Formwork with integrated gantry.
d'acier de 80 à 150 kg par mètre cube
de béton. Dans certains cas spécifiques, ce ratio peut monter à plus de
250 kg d'acier par mètre cube de
béton armé.
L'épaisseur des voussoirs est variable,
limitée pour des raisons de transport
et de mise en place par un érecteur
(Figure 10). Elle est grossièrement
proportionnelle au diamètre de l'excavation, allant de 20 à 30 cm pour les
tunnels de diamètre réduit (2 à 5
mètres) et jusqu'à 70 cm d'épaisseur
dans certains cas très particuliers.
Pour les tunnels de 10 mètres de diamètre, l'épaisseur des voussoirs est
Servant à la fois de soutènement provisoire et de revêtement définitif, les
voussoirs doivent assurer la stabilité
de l'anneau vis-à-vis des sollicitations
permanentes et des sollicitations
s'exerçant durant la construction du
tunnel. La densité d'armatures y est
importante, avec en moyenne un ratio
522
moving, positioning and falsework
striking that is incorporated into the
formwork structure (Figure 9). New
developments relating to these
machines concern (increasingly) semiautomated concrete distribution (rigid
pipes, a distributor, easier to clean
conduits); making some parts of the
form lighter (forms 10 m long with a
radius of about 5 m weigh close to 100
tonnes); increasingly accurate location
gear (locating the form to within less
than half a centimetre); and work on
standard structures that can be adapted to a wide variety of tunnels, thus
bringing down their cost.
and vibrating must be carried out properly. Many recent structures are complete successes in this regard.
Contractors are spending longer training their specialists.
To date, in France and elsewhere, three
types of formwork are constructed,
depending on the tunnel’s cross-sectional profile, its length, and the rate of
progress. These are: self-supporting
machines without heavy moving gear
(for smaller galleries); self-supporting
machines with a gantry for moving
along the tunnel, positioning and falsework striking that is independent
from the formwork structure; or selfsupporting machines with a gantry for
4 - Specific design of archsegment linings for tunnelsexcavated using a TBMSome types of TBM are able to install
the lining immediately after excavation, protected by the TBM skirt. In this
instance, the lining consists of prefabricated arch segments. When
assembled, these constitute the tunnel’s support walls and its lining. In
most current cases, these elements
are made of reinforced concrete.
Acting both as temporary support and
the final lining, arch segments must
ensure stability of the ring under per-
Figure 10 - Voussoirs (Ferraillage – Calpinage - Pose par érecteur) /
Arch segments (reinforcements; layout; installation using an erector).
TECHNIQUE/TECHNICAL
Le plus souvent, ce sont les sollicitations en phase de construction qui
dimensionnent les armatures, lorsque
le tunnelier prend appui sur l'anneau
précédent pendant la poursuite du
creusement. En effet, aux conditions
de pose et de montage, s'ajoutent les
imprécisions de mise en place des
voussoirs dans l'anneau, entraînant
des sollicitations ponctuelles de
contact et d'appui. Des imprécisions
géométriques de quelques millimètres
seulement peuvent conduire à des
sollicitations ponctuelles très importantes. Cela conduit à faire appel à une
résistance élevée du béton, ce qui ne
pose pas de problème du fait de la
préfabrication des voussoirs.
Par ailleurs, l'utilisation de béton fibré
en complément ou substitution de certains types d'armatures, semble être
une solution prometteuse, notamment
pour réduire le ratio d'armatures, tout
en garantissant des performances
mécaniques équivalentes. Ce type de
solution reste toutefois aujourd'hui, en
France, peu répandu et fait encore
l'objet de mise au point et de travaux
de recherche. Le GT38 de l’AFTES est
en cours de finalisation de recommandations sur ce sujet.
5 - Apports et limitesde l’augmentation desperformances et bétonsautoplaçants pour lesrevêtements de tunnelsLes BHP : Béton à Hautes
Performances
Dans le cadre du projet national BHP
2000, le tunnel routier de Fontain a été
réalisé en 1998-1999 avec un revêtement en béton coulé non armé de
bonnes performances (Voir la revue
“Tunnels et Ouvrages Souterrains” de
mars-avril 2008). Il s'agit d'un tunnel
bi-tube d’environ 240 m, situé sur la
voie des Mercureaux dans le département du Doubs. Pour le premier tube,
le béton utilisé était un B25 classique
alors qu'un B50 a été retenu pour le
second.
A cette occasion, la faisabilité de
réalisation d'un ouvrage en béton de
consistance fluide a été vérifiée avec
l'utilisation du même coffrage que
pour un béton ordinaire de consistance plastique (slump moyen de
11 cm pour le premier contre 23 cm
pour le second) moyennant des précautions particulières notamment
pour les coffrages d'abouts (pression,
étanchéité). Le gain en performance
du B50 par rapport au B25 a permis
de réduire de 0,35 m à 0,25 m
l'épaisseur nominale (théorique) du
revêtement, cependant compte tenu
du contexte géologique et des irrégularités de l'excavation et donc des
épaisseurs réelles de béton mises en
œuvre, le coût du revêtement en
‘BHP’ s'est révélé plus élevé de 68%
environ. La fissuration de retrait du
‘BHP’ non armé s'est révélée plus
rapide et d’ampleur comparable à
celle du béton ordinaire.
Il est ainsi apparu que, pour un
ouvrage creusé en méthode conventionnelle, de dimension moyenne et
dans un contexte géologique où le
revêtement n'a pas à reprendre d'importantes sollicitations, le surcoût
d’une augmentation des performances
du béton n'est pas compensé par
d'autres avantages. Par contre, cela
peut être très intéressant pour les
voussoirs préfabriqués destinés aux
revêtements des ouvrages creusés au
tunnelier. Par exemple, dès les années
90, un BHP a été utilisé pour les voussoirs du tunnel sous la Manche et l’ouvrage est toujours en excellent état.
Le BAP : Béton Auto Plaçant
Le tunnel des Monts est situé sur la
voie rapide urbaine de Chambéry
manent stress, as well as under stress
exerted during construction of the
tunnel. They have a high density of
rebar: on average they use between
80 and 150 kg of steel per cubic
metre of concrete. In some specific
cases, this ratio may rise as high as
250 kg of steel per cubic metre of
concrete.
Arch segment thickness is variable. It
is limited by shipping considerations
and its installation by means of an
erector (Figure 10). Roughly speaking,
it is proportional to the diameter of the
excavation; 20-30 cm for small-diameter tunnels of between 2 and 5
metres, and up to 70 cm in certain
highly specific cases. For tunnels with
a diameter of 10 metres, arch segments are generally between 40 and
50 centimetres thick.
In most cases, rebar sizing depends
on the stresses involved during
construction, when the TBM supports
itself on the preceding ring as excavation proceeds. Indeed, in addition
to the conditions in which installation
and assembly take place, occasional
contact and thrust stress occurs due
to imprecise location of the arch segments in the ring. A geometric inaccuracy of only a few millimetres can
lead to extremely significant shortterm stress. This calls for very strong
concrete. This is not a problem given
that arch segments are prefabri cated.
Moreover, the use of fibre-reinforced
concrete in addition to or instead of
certain types of rebar appears to be a
promising solution, particularly in
terms of lowering the rebar ratio
whilst offering equivalent mechanical
properties. However, this type of solution is as yet little used in France and
is the subject of ongoing research and
development. AFTES Working Group
GT38 is currently finalising recommendations on this topic.
5 - Benefits and limits ofenhanced performanceand self-consolidatingconcrete for tunnel liningsHPC: High-Performance
Concrete
As part of the French “BHP 2000”
project, in 1998-1999 the Fontain
road tunnel was built with a high-performance, plain concrete lining (See
Tunnels et Ouvrages Souterrains
magazine, March-April 2008). This
twin-tube tunnel, some 240 metres
long, is located on the Voie des
Mercureaux in Doubs. Conventional
B25 concrete was used on the first
tube and B50 was used for the
second.
On this occasion, the feasibility of
constructing a tunnel using fluid
concrete was checked by using the
same formwork as for ordinary, plastic
consistency concrete (average slump
of 11 cm for the former and 23 cm for
the latter), with particular precautions
being taken, especially for the formwork ends (pressure, watertightness).
Performance gains for the B50 compared to the B25 enabled the nominal
(theoretical) thickness to be reduced
from 0.35 m to 0.25 m. However,
given the geological context, the
resulting uneven excavation and
consequent variations in thickness of
the concrete used, the HPC lining
actually worked out 68 % more
expensive. Plain HPC shrinkage
cracking was faster, and of a similar
size, to that of conventional concrete.
It thus appears that for tunnels excavated using conventional methods, of
average size, in a geological context
in which the lining does not need to
bear major stress, the additional cost
of using high performance concrete is
not offset by other benefits. However,
it could be extremely worthwhile for
prefabricated arch segments destined
for use in tunnels excavated using a
TBM. For instance, in the 1990s, HPC
M
généralement comprise entre 40 et
50 cm.
523
(Figure 11) qui a été mise en service
en 1981. Ce tunnel de 2 x 3 voies et
d’environ 900 mètres de longueur
figure parmi les derniers grands tunnels du réseau national construits
sans étanchéité en extrados. En raison
des nombreuses infiltrations d'eau et
de la nécessité de mettre l'ouvrage en
conformité avec la nouvelle réglementation sur la sécurité, des travaux de
réhabilitation des deux tubes ont été
réalisés en 2005 et 2006.
Pour le génie civil, ces travaux comprenaient la mise œuvre d'un chemisage à l'intrados du revêtement
existant, dont les fonctions principales
étaient d'assurer l'étanchéité de l'ouvrage et de supporter tous les équipements d'exploitation et de sécurité.
Compte tenu de la nécessité de maintenir le gabarit existant sur les 3 voies
dans l'ouvrage rénové et des conditions d'exécution des travaux, en partie sous circulation, les critères de
choix importants du chemisage
étaient : une épaisseur limitée et régulière et la possibilité de mise en oeuvre
du béton uniquement de nuit avec
remise en service partielle de
l'ouvrage tous les matins. Le cycle de
réalisation des plots de revêtement
était de 24 heures.
C'est ainsi qu'a été construite à Chambéry la première voûte de tunnel en
béton autoplaçant au monde ! Ce
matériau très fluide a été choisi dans
la solution de base du C.C.T.P. (Cahier
des Clauses Techniques Particulières)
pour assurer un parfait remplissage
des coffrages, même dans les plots
armés, pour réduire le temps de bétonnage et obtenir une qualité de parement permettant une mise en peinture
sans ragréage préalable. Grâce à sa
mise en oeuvre sans vibration, le béton
autoplaçant a aussi permis d’améliorer
l’environnement sonore en phase
chantier. Le bruit de la vibration de la
structure des coffrages peut atteindre
les 115 dB et on en comprend mieux
l’intérêt pour le personnel du chantier
et les riverains...
524
Figure 11 - Tunnel des Monts rénové / Renovated Tunnel des Monts.
Après quelques années, on note dans
l’ouvrage une fissuration de retrait
assez importante, qui, sans être
alarmante, fait tout de même l’objet
d’un suivi bisannuel.
was used for the arch segments in the
Channel Tunnel, and the infrastructure
is still in excellent condition.
6 - Le béton dans lesincendies en tunnels-
The Tunnel des Monts is located on
the Chambéry expressway (Figure 11)
and entered service in 1981. The tunnel is some 900 metres long, with two
three-lane carriageways. It was one
of the last large tunnels on the national network to have been built without
waterproofing round the outside of the
tunnel. Due to a large amount of water
ingress and the need to bring the tunnel into line with new safety regulations, renovation works on both tubes
were carried out in 2005 and 2006.
In terms of civil engineering works,
these works consisted of installing a
new lining inside the existing lining.
Its key functions were to waterproof
the structure and support all operations and safety equipment.
In order to preserve the existing clearance on all three lanes in the renovated tunnel and in the light of works
conditions, with some work being carried out under traffic, the major considerations for the new lining related to
having limited, regular thickness, as
well as it being possible to carry out
Quelques exemples
Sans être exhaustif, on peut citer les
incendies du tunnel du Storebaelt
(1994), du tunnel sous la Manche
(1996, 2008 et dans une moindre
mesure 2006), du tunnel du Mont
Blanc (1999), des Tauern (1999), du
Saint Gothard (2001), du tunnel du
Fréjus (1983 et 2010, mais surtout
2005).
De nombreuses réflexions étaient déjà
en cours avant la catastrophe du tunnel du Mont Blanc. Elles se sont
concrétisées par l’évolution de la
réglementation. L’objectif prioritaire
est bien sûr d’éviter toute autre catastrophe humaine du même type. Sur le
plan de la structure des ouvrages, on
peut se réjouir qu'il n'y ait pas eu d’effondrements provoqués par ces
incendies. Cependant, on a constaté :
• au tunnel sous la Manche, un écail-
SCC: Self-compacting
concrete
concreting only at night, with partial
re-opening of the tunnel every morning. Lining sections were constructed following a 24-hour cycle.
Chambéry thus became the first ever
site in the world where self-compacting concrete was used to build a tunnel arch. This highly fluid material was
adopted in the basic solution specified
in the Particular Technical Specifications (Cahier des Clauses Techniques
Particulières, CCTP) to ensure the
formwork was completely filled, including in reinforced sections, thus bringing down concreting time and
obtaining a surface finish that was
good enough to be painted without
prior rendering. Self-compacting
concrete does not need to be vibrated,
with the result that the worksite benefited from improved noise levels.
Vibrating formwork noise levels can
reach 115 dB, so doing without this
process is clearly beneficial for site
personnel and local residents.
Several years on, fairly significant shrinkage cracking has been noted. While
this is not alarming, it is nevertheless
subject to twice-yearly inspection.
6 - Concrete in tunnel firesExamples
A non-exhaustive list might include the
tunnel fires at Storebaelt (1994), the
Channel Tunnel (1996, 2008 and to a
lesser degree, 2006), the Mont Blanc
Tunnel (1999), Tauern (1999), Gotthard (2001), and Fréjus (1983 and
2010, and more especially 2005).
Even prior to the Mont Blanc Tunnel
disaster, this field was already being
studied extensively. This research has
resulted in changes in legislation.
Naturally, the main objective is to avoid
another human catastrophe of the
same type. In terms of tunnel structure,
the fact that none of these fires resulted in a collapse may legitimately be
TECHNIQUE/TECHNICAL
Outre les systèmes de protection
passive du béton par des plaques
préfabriquées ou des mortiers projetés, mentionnons les systèmes actifs
par brumisation, mis en place par
exemple tout le long du tunnel routier
de l’A86 et, localement, dans le tunnel
sous la Manche. Eurotunnel a récemment mis en œuvre le projet SAFE
qui permet d'arrêter un train sur lequel
un feu aurait été détecté, dans une
zone de la longueur du train, équipée
d'un système de brumisation. Ces
systèmes, qui fonctionnent avec une
quantité d'eau limitée, compatible
avec le débit d'une conduite incendie,
peuvent empêcher l'incendie de prendre de l'ampleur en attendant l'arrivée
des pompiers.
Impact du risque incendie
dans la formulation
des bétons d’ouvrages
souterrains
Dans les tunnels neufs, les structures
peuvent être dimensionnées de
façon à résister à un incendie donné
et ne pas nécessiter de protections
passives rapportées, à une condition :
prendre en compte, le cas échéant, le
risque d'écaillage (Figure 12).
Dans les incendies courants, ce sont
les bétons hautes performances qui
sont le plus sensibles à l’écaillage,
en raison de leur faible porosité. Dans
le cas du milieu confiné des tunnels,
les sollicitations thermiques sont
tellement sévères que même les
seen as the source of a certain degree
of satisfaction. However, a number of
observations have been made:
• in the Channel Tunnel, concrete
spalling of the lining was as deep
as 40 cm in some places, and between 20 and 30 cm on average for
lengths of several tens of metres in
the tunnel;
• in the Mont Blanc Tunnel, there was
some local collapse of the deck slab
and very locally, hollowed-out sections of concrete, but no generalised spalling;
• in the Storebaelt tunnel (a TBM fire),
the arch profiles installed after the
fire could not be withdrawn during
repairs because the residual lining
had come to rest on them. The project owner opted to lose 40 cm of
clearance rather than undertake
major works to replace the lining in
a highly unfavourable area of soil;
• in the 2005 incident in the Fréjus
road tunnel, the side walls lost up
to twenty centimetres of their thickness in an area where, fortunately,
they were thicker than needed
(60 and 80 cm instead of a nominal
thickness of 40 cm), and the rock
was very sound. The ceiling ventilation slab was only 15 cm thick,
and used less good quality
concrete, but it did not burst or
Figure 12 - Béton écaillé (armatures apparentes) / Spalled concrete (visible rebar).
collapse. Rapid intervention by
firefighters and massive spraying of
the slab also helped in this regard.
These observations have led to improvements in concrete fire resistance
being sought, as well as better
assessment thereof. One innovative
example in this respect is the southern tube of the Toulon motorway
tunnel. Both the ventilation slab and
the lining concrete incorporated polypropylene microfibres.
In addition to passive protection of
concrete using prefabricated panels
or sprayed mortar, mention should
also be made of active misting systems, installed along the entire length
of the A86 motorway tunnel and in
some places in the Channel Tunnel.
Eurotunnel recently implemented SAFE,
a project that enables a train on which
a fire has been detected to stop in an
area fitted with a misting system for a
length equal to that of the train itself.
These systems use a limited quantity of
water that is compatible with the flow
from a fire conduit. They can help prevent the fire from spreading pending
the arrival of the fire service.
Impact of fire risk in the
formulation of concrete for
underground structures
In new tunnels, structures can be designed to withstand a given fire and
thus do without additional passive
protection, provided always that they
take into account the risk of spalling
(Figure 12).
In the most common fires, highperformance concrete is the most
sensitive to spalling, due to its low
porosity. In the confined space of a
tunnel, thermal stress is so severe
that even standard concrete runs
a high risk of spalling. The so-called
Modified Hydrocarbon Curve (“HydroCarbure Majorée”, HCM) reaches
1200 °C in less than ten minutes,
before levelling off at 1300 °C.
M
lage du béton qui a atteint localement les 40 cm de l'épaisseur
du revêtement et, en moyenne, 20
à 30 cm sur des dizaines de mètres
de longueur de tunnel,
• au tunnel du Mont Blanc, quelques
effondrements localisés de la dalle
de roulement, très localement des
zones de béton assez creusées
mais pas d’écaillage généralisé ;
• au tunnel du Storebaelt (feu de tunnelier), les cintres mis en place
après l'incendie n'ont pas pu être
retirés au cours de la réparation car
le revêtement résiduel s'était appuyé
sur eux et le maître d'ouvrage a préféré perdre 40 cm sur le gabarit final
plutôt que de se lancer dans de
grands travaux pour refaire le revêtement dans une zone de terrain
très défavorable ;
• au tunnel routier du Fréjus, en 2005,
les piédroits ont perdu jusqu’à une
vingtaine de centimètres d'épaisseur dans une zone où, heureusement, ils étaient plus épais que
nécessaires (60 et 80 cm au lieu de
40 cm théoriques) et où le rocher
était très bon. La dalle du plafond de
ventilation qui n’avait que 15 cm
d'épaisseur et dont la qualité de
béton était moins bonne, n’a pas
écaillé et ne s'est pas effondrée.
L’intervention rapide des pompiers
et l’arrosage massif de la dalle ont
également joué un rôle favorable.
Toutes ces constatations ont conduit
à rechercher des améliorations et une
meilleure évaluation de la tenue au
feu du béton. On peut citer, à titre
d’exemple innovant, le tube sud du
tunnel autoroutier de Toulon dont non
seulement la dalle de ventilation mais
aussi les bétons de revêtement ont été
réalisés avec incorporation de microfibres de polypropylène.
525
bétons ordinaires présentent un fort
risque d’écaillage : la courbe dite
“HydroCarbure Majorée” (HCM) atteint
1200°C en moins de dix de minutes
et plafonne ensuite à 1300°C.
À ce jour, le risque d’écaillage ne peut
pas être appréhendé par le calcul et
la modélisation. Le seul moyen de
l'évaluer est d'avoir recours à des
essais. Cependant, les formules de
béton peuvent être adaptées de façon
à mettre toutes chances de succès de
l'essai de son côté.
Une première solution est l’ajout de
fibres de polypropylène. Cette méthode
s’avère jusqu’ici la plus efficace
vis-à-vis de l’écaillage. On attribue
cet effet à la fonte et à la vaporisation
des fibres, qui facilitent la migration
de la vapeur d’eau vers la surface au
travers du réseau poreux qu’elles
forment. Avec l’expérience, les
dosages et les caractéristiques des
fibres (diamètre, longueur) ont pu être
précisés (cf. “Compléments au guide
du comportement au feu”, publiés par
le CETU le 30 mars 2011).
Actuellement, en France, deux tranchées couvertes ont été réalisées à
l’aide de béton additionné de fibres de
polypropylène : la tranchée couverte
d’Angers et la couverture de la RN 314
à la Défense.
Dans le cas de la RN 314, une formulation de béton avec ajout de 2 kg/m3
de fibres de polypropylène a été
étudiée. Après avoir montré que le
béton choisi répondait à toutes les
autres exigences du cahier des
charges, sa tenue au feu vis-à-vis de
l’écaillage a été testée.
Deux essais ont été réalisés :
• Le premier essai, facultatif (appelé
“essai de vérification”), permet de
se rassurer sur la formule choisie
grâce à un essai HCM 2 heures.
A ce stade du projet, le béton utilisé
pour l'essai ne peut être identique à
526
celui qui sera utilisé sur chantier
(changements d'approvisionnement
par exemple) ; on teste un élément
représentatif de la mi-travée de la
couverture et de son chargement
avec la formule étudiée. Un écaillage superficiel de 2,5 cm a été
mesuré après refroidissement, ne
mettant pas en cause la stabilité de
la poutre. À l’issue de cet essai, la
résistance au feu de la travée de
l’ouvrage est assurée, la formule
validée et imposée à l’entreprise
chargée des travaux comme béton
à composition prescrite.
• Lors des travaux, un deuxième essai
représentatif des sections d’appuis
est réalisé avec le béton du chantier.
La surface chauffée est donc comprimée, ce qui favorise l’écaillage.
Cet essai de convenance est obligatoire pour justifier la tenue au feu du
béton. Si l’essai échoue, les parties
d’ouvrage déjà réalisées devront
être protégées. L’écaillage obtenu,
atteignant par endroit 7 cm, a été
beaucoup plus important que prévu
mais l’élément représentatif de l'ouvrage n’ayant pas rompu, la stabilité
de l’ouvrage a tout de même pu être
justifiée, ce qui n'aurait pu se faire
par le calcul seul. Cet essai montre
l’importance du chargement sur
le phénomène d’écaillage et illustre
le fait que l’ajout de fibres de polypropylène n’élimine pas systématiquement la problématique de
l’écaillage.
Une deuxième solution consiste à
chercher une formule optimale. En
effet, si les fibres sont la meilleure
garantie pour réduire l’écaillage, d’autres paramètres de formulation peuvent être étudiés : dosage, nature et
dimensions des fibres, nature du
ciment, ajout d’un agent entraîneur
d’air, etc. La nature des granulats peut
également influer significativement
sur l’écaillage, mais le choix du site
d’approvisionnement est en général
limité et conditionné par le transport.
To date, the risk of spalling cannot be
apprehended by means of calculation
or modelling; the only solution is to
resort to testing. However, concrete
formulas may be adapted in order to
give the test every chance of success.
One such solution is to add polypropylene fibres. To date, this has proved
to be the most effective means of
combating spalling. The effect is
attributed to the fibres melting and
vaporising. This facilitates migration
of water vapour towards the surface,
through the porous network left
behind. With experience, fibre doses
and characteristics (such as their
length and diameter) have been refined (cf. “Compléments au guide du
comportement au feu”, “Supplements
to the fire behaviour guide”, published
by CETU on March 30, 2011).
To date in France, two covered
trenches have been built using
concrete with added polypropylene
fibre: the Angers covered trench and
the covered section of RN 314 at La
Défense.
For the RN 314, a concrete formula
containing 2 kg/m3 of polypropylene
fibre was examined. After having
demonstrated that this type of
concrete fulfilled all the other requirements of the specifications, its fire
resistance in terms of spalling was
tested.
Two tests were conducted :
• The first, non-mandatory test,
known as a “verification test”, allowed the formula used to be confirmed by means of a two-hour HCM
test. At this stage of the project, the
concrete used for the test could not
be identical to that used on the
worksite (for instance, due to potential changes in supply). A representative element from the centre of
the covering was tested, with its
load, using the formula being studied. Superficial spalling of 2.5 cm
was measured after cooling, small
enough not to compromise the stability of the beam. Following this
test, which demonstrated fire resistance for the structure’s span, the
validated formula was made binding on the contractor in charge of
the works, as ‘concrete with prescribed composition’.
• During works, a second test, representative of supporting sections,
was carried out using the concrete
used on the worksite. The heated
surface was compressed, encouraging spalling. This suitability test
was mandatory to demonstrate the
fire resistance of the concrete. If the
test was negative, those parts of the
structure that had been completed
would have had to be protected. The
resulting spalling was as deep as
7 cm in some places, much larger
than expected, but the representative component of the structure did
not fail, so the stability of the structure was nonetheless demonstrated. This could not have been
achieved by means of calculations
alone. This test shows the importance of load considerations in spalling and illustrates the fact that the
addition of polypropylene fibres
does not systematically resolve the
issue of spalling.
An alternative solution involves finding
the optimum formula. Indeed, while
fibres are the best means of minimising spalling, other formulation parameters may also be explored: the
dose, nature and dimensions of fibres,
the type of cement, addition of an airentraining agent, etc. The type of
aggregate can also have a major
impact on spalling, but selection of
the supply site is generally limited and
determined by transport considerations.
This process requires a longer period
of study, relating to several formulas.
After testing, the formula that per-
TECHNIQUE/TECHNICAL
Les dimensions des fours permettant
de tester 6 petites dalles lors d’un
même essai, 6 formulations ont été
étudiées. Contrairement aux 5 variantes,
la formulation de référence ne contenait ni fibres de polypropylène, ni
entraîneur d’air. L’essai comparatif a
été instructif car, bien que relativement résistante (57 MPa), la formule
de référence n'a pas écaillé et il n'a
pas été observé d'effet favorable
sensible des ajouts envisagés (fibres
polypropylène et entraîneur d'air).
Ceci est très avantageux pour le projet
car la formule de référence peut être
conservée. Une économie conséquente est ainsi réalisée sur la fourniture des 27 000 m3 béton (de l'ordre
de 40 €/m3, soit environ 20 % du prix
du matériau). Cet essai a donc permis
de choisir une formule économique.
On retiendra également que les
granulats calcaires ainsi que le ciment
au laitier peuvent constituer une piste
de formulation d'un béton résistant
au feu.
L’essai de convenance représentatif
de la structure sur appui a été réalisé
plus tard dans le cadre du marché de
travaux avec la formule du chantier.
L’écaillage moyen obtenu sous courbe
HCM a été de 2,8 cm ou 4,2 cm selon
l'aire de la dalle considérée. Les
calculs de structures sont en cours
afin de déterminer si des protections
passives sont nécessaires.
Que l’on cherche à optimiser la formule ou que l’on choisisse forfaitairement un fort dosage en fibres de
polypropylène, il est possible lors de
la conception de tunnels neufs d’avoir
recours à des formules de béton qui
n’écaillent pas ou peu. Un essai représentatif de l’ouvrage est cependant
indispensable pour s’assurer du
comportement du béton choisi vis-àvis de l’écaillage. Le chargement, les
dimensions et les matériaux de l'élément testé doivent être représentatifs
de l'ouvrage. C'est pourquoi ces
essais au feu nécessitent des fours
de grandes dimensions. Trois laboratoires agréés en France possèdent
aujourd’hui de tels fours : le CERIB,
le CSTB et EFECTIS France.
7 - Prise en comptecroissante du développementdurable : perspectives devalorisation des matériauxd’excavation en granulatspour bétonTant pour les tunnels de montagne
que pour ceux situés en zones très
urbanisées, on peut avoir affaire à de
difficiles problèmes d'environnement.
Les carrières ou emprunts d'agrégats
s'épuisent ou rencontrent de fortes
oppositions à leur ouverture, les
emplacements de dépôt des déblais
sont limités, surtout pour les ouvrages
longs. Ces deux phénomènes incitent
les constructeurs à réemployer, autant
que possible, les déblais extraits du
tunnel, en particulier pour son revêtement en béton.
Cette méthode, qui était utilisée autrefois pour raison d'économie (tunnel
ferroviaire de Ste Marie aux Mines
forms the best, i.e. the one that offers
the best compromise between the
spalling measured and production
cost, is adopted. This was the
approach taken by the Marseille L2
ring road project owner for the La
Fourragère covered trench, now
managed by DREAL PACA. The
schedule allowed enough time for this
formulation study to be carried out
and add the selected formula to the
final specifications. In this way it could
be specified to the successful bidder
as a “concrete with prescribed composition”.
Furnace dimensions made it possible
to test six small slabs in a single test,
so six formulas were tested. Unlike
the five alternatives, the control formula did not contain polypropylene
fibres or an air-entraining agent. The
comparative test proved to be highly
instructive. Even though it was relatively strong (57 MPa), the control formula did not spall, and the potential
additions of polypropylene fibre or airentraining agents did not actually offer
any significant favourable benefit.
This was an extremely worthwhile
exercise for the project since it allowed the control formula to be used.
This led to major savings, for the supply of 27,000 m3 of concrete, of some
€40/m3 i-e approximately 20% of the
cost of the material. The test thus
made it possible to choose a more
economic formula. Limestone aggregates and slag cement may also offer
interesting avenues for formulating
fire-resistant concrete.
The representative test of suitability
for the supported structure was carried out later as part of the contract
of works, using the worksite formulation. The mean spalling on the Modified Hydrocarbon Curve was 2.8 cm
or 4.2 cm depending on the surface
area of the slab in question. Structural
design calculations are underway to
establish whether or not passive
protection measures are required.
When designing new tunnels, it is now
possible to use concrete formulas that
are subject to little or no spalling,
whether by optimising the formula or
directly choosing to have a high dose
of polypropylene fibres. A representative test for the structure is nonetheless vital to verify how the selected
concrete behaves with regard to spalling. Load, dimensions and materials
used for the element under test must
be representative of the structure as
a whole. This is why fire tests require
large furnaces. There are three approved laboratories in France with large
enough furnaces: CERIB, CSTB and
EFECTIS France.
7 - The increasinglyimportant issue of sustainable development:recovery of excavatedmaterial for use asconcrete aggregatesSignificant environmental issues may
arise for tunnels everywhere, whether
they are located in mountains or in
highly built-up areas. Quarries and
aggregate sources are becoming
exhausted; the opening of new
sources is encountering strong
opposition; and there are limited
numbers of locations for depositing
muck, especially for longer tunnels.
These phenomena have encouraged
construction firms to re-use muck
excavated from the tunnel, especially
for the tunnel lining.
This method, previously used for
reasons of economy (e.g. the Saint
Marie aux Mines rail tunnel, between
1932 and 1936, and various masonry
tunnels) is now coming back into
vogue. Two examples are the Lötschberg and Gotthard tunnels. In
the light of all the issues discussed
M
Cette démarche nécessite un délai
d’étude plus long, portant sur
plusieurs formules. Après essai, la
formule la plus performante, c’est-àdire celle qui présente le meilleur
compromis entre l’écaillage mesuré
et le coût de production, est choisie.
C’est la démarche suivie par le maître
d’ouvrage de la rocade L2 à Marseille,
pour la tranchée couverte de la Fourragère, aujourd’hui rattachée à la
DREAL PACA. Le planning permettait
de procéder à cette étude de formulation et d'introduire la formule retenue lors de la finalisation du cahier
des charges, afin d’être spécifiée au
titulaire du marché de travaux comme
un béton à composition prescrite.
527
entre 1932 et 1936 et divers tunnels
en maçonnerie), a tendance à être
réutilisée ; ce fut le cas pour les
tunnels du Lötschberg et du Gothard.
Compte tenu de toutes les contraintes
évoquées par ailleurs (performances
mécaniques, alcali-réaction, résistance au cycles de gel-dégel), la
démarche est délicate et demande
une grande vigilance lorsque la géologie du terrain encaissant est changeante. Soulignons que le Groupe de
travail 35 de l’AFTES, a déjà publié en
2007 des recommandations sur ce
sujet et a récemment entrepris de les
mettre à jour.
Cas des tunnels du
Lyon-Turin Ferroviaire
La partie transfrontalière de la future
liaison ferroviaire entre Lyon et Turin,
dont le promoteur est la société LTF,
filiale du Réseau Ferré de France
(RFF) et du Réseau Ferré d’Italie (RFI),
comportera un tunnel bi-tube d’environ 57 km et 2 galeries d’interconnexion de 2 km. Les chantiers
génèreront 16 millions de m3 de
déblais et la société LTF souhaite en
valoriser un maximum.
528
chantiers, sur quelques kilomètres
dans le secteur des installations
souterraines de Modane/VillarodinBourget, par rapport aux granulats
utilisés dans la fabrication des bétons
réside dans leur teneur en sulfates.
En effet, ils contiennent une quantité
de sulfates variant de 1,6 à 4,3 %
(exprimée en SO3) présente sous
forme de gypse et d’anhydrite. Dans
un béton, les sulfates sont susceptibles de réagir avec certains composants du ciment pour donner
naissance à des produits expansifs
(ettringite, thaumasite) générant
alors une détérioration du matériau
par gonflement/fissuration. Afin
d’éviter ces réactions, des normes
limitent la teneur en sulfates pour les
différents constituants du béton
(granulats, ciment, eau). En particulier, la norme NF EN 12620-1 intitulée
“Granulats pour béton” restreint la
quantité de sulfates dans les granulats à 0,2 % en SO3 pour les bétons
de structure de génie civil.
D’après l’ensemble des études réalisées jusqu’à ce jour, 25 % à 35 %
des déblais pourraient être transformés en granulats à béton pour le
revêtement du tunnel. Cette solution
serait mise en place dans le cadre
d’une démarche de développement
durable. Elle permettrait :
• d’éviter l’excavation de nouvelles
carrières favorisant ainsi une
gestion économe et durable des
ressources naturelles,
• de limiter la mise en dépôt définitive des déblais et leur transport
par route, réduisant ainsi l’émission de gaz à effet de serre.
• Les recherches entreprises
A la demande de LTF (LYON TURIN
FERROVIAIRE) et l’IFSTTAR (Institut
Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux) a été mené un
programme de recherche en collaboration avec les sociétés HOLCIM,
VICAT et le LERM. Des études ont été
réalisées afin de mieux comprendre
les risques de relargage des sulfates
dans les bétons en termes de quantité et de cinétique ainsi qu’en fonction des caractéristiques du milieu
(composition chimique, pH, température…). Un autre objectif de cette
recherche a été d’étudier le comportement de liants susceptibles d’être
adaptés à ce type de granulats afin
d’éviter toute altération du béton par
une réaction sulfatique.
• Les difficultés liées à la
qualité des matériaux excavés
Une particularité de ces déblais de
• Les solutions en perspective
Les premiers résultats de cette recherche montrent que trois solutions
elsewhere (mechanical performance,
alkali-aggregate reaction, and resistance to freezing/thawing), this is a
delicate process and must be very
carefully supervised when the surrounding geology is not uniform. It
should be noted that AFTES Working
Group GT35 published recommendations on this topic in 2007 and has
recently started work to update these.
The Lyon-Turin rail tunnels
The cross-border section of the future
rail link between Lyon and Turin being
developed by LTF (a subsidiary of
Réseau Ferré de France (RFF) and the
Italian rail network operator RFI) will
comprise a twin-tube tunnel some
57 km long, with two interconnecting
galleries 2 km long. The worksite will
generate 16 million cubic metres of
muck, of which LTF is seeking to
reuse as much as possible.
Research conducted to date indicates
that between 25 and 35 percent of
the muck could be used as concrete
aggregate for the tunnel lining. This
solution would form part of a sustainable development policy. The solution would achieve the following
results:
• not having to excavate new quarries, thereby promoting sustainable
management of natural resources,
• minimising the final disposal of
muck and the related road transport, with a corresponding reduction
in greenhouse gas emissions.
• Difficulties relating to the
quality of excavated materials
One of the distinctive features of this
site muck, for an underground
section several kilometres long in the
vicinity of Modane/Villarodin-Bourget,
and in terms of the aggregates used
to make concrete, is their sulphate
content. The sulphate content
(expressed in terms of SO3) varies
between 1.6 and 4.3 percent, present
in the form of gypsum and anhydrite.
In concrete, sulphates are liable to
react with certain components of the
cement and result in expanding minerals (ettringite and thaumasite) that
then damage the material through
swelling and cracking. To minimise
these reactions, standards restrict the
sulphate content of various components of concrete (aggregates,
cement and water). In particular, standard NF EN 12620-1, 'Aggregates for
Concrete' limits sulphate quantity in
aggregates to 0.2 percent of SO3 for
civil engineering structural concrete.
• Research
At the request of LTF (LYON TURIN
FERROVIAIRE) and IFSTTAR (French
Institute of Science and Technology
for Transport, Development and Networks, Institut Français des Sciences
et Technologies des Transports, de
l’Aménagement et des Réseaux) has
conducted a research programme in
collaboration with HOLCIM, VICAT and
LERM. Research has been conducted
to better apprehend the risk of sulphate release in concrete in terms of
quantity and behaviour, as well as in
terms of the characteristics of the
medium (chemical composition, pH,
temperature, etc.). Another purpose
of this research has been to study the
behaviour of binders that could be
appropriate for this type of aggregate
in order to prevent the concrete being
damaged due to a sulphate reaction.
• Potential solutions
Initial results of this research indicate
that three innovative solutions involving concrete could allow this muck
to be recycled as concrete aggregate.
- Sorting and/or washing muck
It appears that the sulphates are located principally in the fines of excavated materials (0/0.315 mm). This
means that sorting would make it
possible to decrease the sulphate
content of the concrete aggregates
significantly. Moreover, the sulphate
TECHNIQUE/TECHNICAL
- Tri et/ou lavage des déblais
Il apparaît que les sulfates sont principalement localisés dans la fraction
fine (0/0,315 mm) des matériaux
d’excavation de sorte qu’un tri sélectif permettrait de diminuer fortement
la teneur en sulfates dans les granulats à béton. Par ailleurs, la cinétique
de lixiviation des sulfates est rapide.
Une solution pourrait donc consister
à laver ces déblais puisqu’environ
50 % des sulfates sont éliminés lors
d’un lavage pendant environ 7
heures.
- Utilisation d’un ciment approprié
Le comportement de différentes
compositions de mortier a été étudié
afin de réduire ou de supprimer le
risque de dégradation par les sulfates. Après 6 mois d’exposition
dans des conditions de vieillissement
accéléré, les mortiers formulés avec
un ciment Portland de type CEM I
ayant une teneur en C3A inférieure à
1 % et avec un ciment sursulfaté ne
présentent aucune expansion.
Ces premiers résultats sont encourageants. Le bon comportement du
ciment sursulfaté peut s’expliquer
par le fait qu’il s’agit d’un liant
comportant environ 80 % de laitier
de haut fourneau activé par du
gypse. Dans ces conditions, les
sulfates contenus dans les granulats
participent également à l’activation
de ce liant.
- Utilisation des sulfates contenus
dans les granulats pour le gypsage
du ciment
Cette étude a été réalisée à partir de
mortiers formulés avec un ciment au
laitier de haut fourneau de type CEM
III/B n’ayant pas fait l’objet d’un
gypsage par le cimentier. Le gypsage
a alors été effectué par l’apport des
sulfates contenus dans la fraction
sable des granulats. Les propriétés
rhéologiques et mécaniques obte-
nues sont similaires à celles
d’un mortier formulé avec un ciment
CEM III/B gypsé normalement par le
cimentier. Au bout de 6 mois, aucun
phénomène d’expansion résultant
d’une réaction sulfatique n’a été
observé.
Cas du tunnel de Saint Béat
La raréfaction de la ressource en
granulats alluvionnaires dans certaines régions de France et les
impacts sur les milieux naturels
conduisent à s’interroger plus que
jamais sur la valorisation des matériaux d’excavation issus du creusement des ouvrages souterrains. Un
approvisionnement “direct” permet
également de limiter les impacts liés
au transport.
La valorisation sur site, y compris
dans les bétons, constitue donc le
choix opéré par la DREAL Midi Pyrénées, Maître d’Ouvrage du projet de
déviation du village de Saint Béat.
Situé en Haute Garonne sur la RN
125, ce projet d’un peu plus de 2000
m comprend un tunnel creusé à l’explosif de 1018 m. L’ensemble des
bétons de l’ouvrage, hormis le béton
projeté utilisé pour le soutènement et
le béton de fondation du revêtement,
seront réalisés avec des granulats
élaborés sur le site à partir des matériaux issus du creusement.
La motivation du Maître d’Ouvrage
assisté de son Maître d’œuvre, la DIR
Sud-Ouest, vise d’une part, à limiter
les nuisances liées à un approvisionnement en granulats alluvionnaires
provenant de la vallée de la Garonne
à une soixantaine de kilomètres,
d’autre part à limiter celles liées à
l’évacuation et donc au transport et
au stockage des matériaux issus du
creusement. La valorisation sur site
permet donc de répondre aux
exigences du Grenelle de l’environnement en réduisant les coûts
leaching is very rapid. One solution
could therefore consist in washing the
muck: some 50 percent of the sulphates are removed by washing for a
period of some seven hours.
- Use of appropriate cement
The behaviour of mortars with various
compositions has been studied with a
view to reducing or eliminating the
risk of damage from sulphates. After
six months’ exposure in accelerated
ageing conditions, mortars formulated
with CEM I type Portland cement with
C3A content of less than one percent
and a supersulphated cement show
no signs of expansion. These initial
results are encouraging. The good
performance of the supersulphated
cement may be attributed to the fact
that it is a binder containing some 80
percent of blast furnace slag, activated by gypsum. In these conditions, the
sulphates contained in aggregates also
play a role in activating the binder.
- Use of sulphates in aggregates to
add gypsum to cement
This research was conducted using
mortars formulated with CEM III/B
type blast furnace slag cement that
had not had any gypsum added by the
cement manufacturer. Instead, this
was carried out by adding the sulphates contained in the sandy part of
the aggregates. The rheological and
mechanical properties obtained were
similar to those of a CEM III/B type
mortar to which gypsum had been
added in the usual manner by the
cement manufacturer. After six
months, no expansion due to a sulphate reaction was observed.
The Saint Béat tunnel
The dwindling availability of alluvial
aggregates in some regions of France
and the related impact on natural
environments have resulted in the
issue of using materials from the
excavation of underground works
being examined as never before.
‘Direct’ supply also makes it possible
to minimise the impacts relating to
transport.
Recycling on site, including for use in
concrete, was thus adopted by DREAL
Midi Pyrénées, Project Owner for a
bypass round the village of Saint Béat.
Located in Haute Garonne on road RN
125, this project, just over 2000
metres long, includes a 1018-metrelong tunnel excavated using explosives. All the concrete used for the
structure, apart from the sprayed
concrete used for the support walls
and the lining foundation concrete,
will be built using aggregates manufactured on site using materials from
the excavation.
The thinking of the Project Owner and
the Project Manager, DIR Sud-Ouest,
is to minimise disturbance relating to
the supply of alluvial aggregate from
the Garonne valley, some sixty kilometres away, and that relating to removal
(and thus transport and storage) of
excavated materials. On-site recycling
makes it possible to comply with the
requirements of the Grenelle environmental summit by bringing down the
‘environmental’ costs, whilst at the
same time bringing down financial
costs (with little or no use of disposal
sites, less transport of materials, and
so on.). This involves studying the
amortization of worksite installations
(crushing equipment, worksite
concrete plant, etc.) and optimising
these for the scale of the bypass project. Indeed, bearing in mind that
only 15 % of the extracted materials
can be used to make concrete for
the tunnel, other forms of recycling
have been sought, including the
more traditional solution of recycling the muck to form the structure
of the roadway. Excess materials
may also be stored temporarily for
future projects.
The project's technical feasibility was
also examined ahead of time by the
M
novatrices dans le domaine des
bétons pourraient permettre de valoriser ces déblais en granulats à
béton.
529
“environnementaux”, tout en réduisant les coûts financiers (réduction
voire suppression de la mise en
décharge, réduction du transport de
matériaux, etc.). Pour cela, l’amortissement des installations de chantier
(installation de concassage, centrale
de chantier, etc.) doit être étudié et
optimisé à l’échelle du projet de
déviation. En effet, sachant qu’au
mieux seulement 15% des matériaux extraits peuvent être utilisés
à la fabrication des bétons du tunnel, d’autres pistes de valorisation
ont été recherchées comme celle
plus classique de la valorisation en
structure de chaussée. S’il y a lieu,
les matériaux excédentaires peuvent
être stockés provisoirement pour des
projets futurs.
La faisabilité technique du projet a
été étudiée en amont par le Département Laboratoire de ClermontFerrand (DLCF) du CETE de Lyon sur
la base des sondages et des caractérisations réalisés par le Département Laboratoire de Toulouse (DLT)
du CETE Sud-Ouest. Le tunnel sera
creusé dans la zone interne métamorphique des Pyrénées. Il s'agit de
formations constituées de calcaires
métamorphisés. La géologie est donc
apparue favorable avec des matériaux non gélifs, ne nécessitant a
priori pas de retraitement avant valorisation dans des bétons. La seule
inquiétude portait sur la valeur du
coefficient Los Angeles (LA) qui semblait un peu élevée au regard de la
réglementation et compte tenu des
spécifications liées aux bétons, ces
dernières ayant dû être affinées pour
favoriser au mieux l’utilisation des
matériaux extraits en tant que granulats pour bétons. Des matériaux
ont donc été prélevés à proximité du
site et le DLCF a procédé à une étude
des bétons du revêtement les plus
pointus. Les résultats se sont avérés
satisfaisants en termes d’ouvrabilité
et de résistances mécaniques malgré
530
une valeur particulièrement défavorable du LA.
La partie “bétons coulés” du Cahier
des Clauses Techniques Particulières
(CCTP) du tunnel a été rédigée par le
CETU et le DLCF. L’option prise a été
de produire des granulats respectant
les normes granulats (NF EN 12620 et
XP P 18-545) afin de rester dans le
cadre de la norme béton (NF EN 2061). Une approche performantielle est
cependant possible au regard de la
tenue au gel/dégel en présence de
sels de déverglaçage (cas des bétons
de revêtement à proximité des têtes).
De nombreuses questions liées à
l’élaboration de granulats sur site,
d’ordre technique ont dû être abordées : matériel nécessaire, aires de
stockage provisoire du marin, procédure de tri rapide, procédures de
contrôle des granulats élaborés sur
site, étude de la possible pollution
des granulats par les résidus d’explosif, etc. Enfin, la logistique et le
planning doivent être analysés de
près afin de ne pas compromettre la
réalisation du projet (démarches
administratives très en amont pour
les aires de stockage et les installations). Ainsi, même si cette approche
est encore peu développée en
France, les expériences étrangères
et notamment suisses, ou celles
acquises en matière d’élaboration de
granulats à partir de roches massives, ont permis de rédiger le CCTP.
Le tunnel de Saint Béat : la valorisation dans les bétons en quelques
chiffres :
• Volume de matériaux en place
excavés : 110 000 m3
• Volume des bétons (hors béton
projeté et béton de fondation du
revêtement) : 24 000 m3
• Quantité de granulats élaborés sur
site pour les bétons : 42 000 t
(16 800 m3 soit environ 15 % des
matériaux extraits)
Lyon CETE's Clermont-Ferrand Laboratory Department (DLCF) on the basis
of surveys and characterisations carried out by the South-West CETE's
Toulouse Laboratory (DLT). The tunnel
will be excavated in the inner metamorphic area of the Pyrenees. The
formations consist of metamorphic
limestone. The geology thus appeared
favourable, with materials that are not
frost-riven and that should not require
retreatment prior to being recycled in
concrete. The only concern relates to
the Los Angeles Coefficient (LAC).This
appears to be somewhat high compared to regulations and in the light of
the specifications relating to concrete;
these have had to be clarified to
encourage as much use as possible
of extracted material as concrete
aggregate. Samples were taken close
to the site; DLCF carried out a study
of the most sophisticated types of
lining concrete. The results have proved to be satisfactory in terms of workability and mechanical strength,
despite a particularly unfavourable
LAC.
The “poured concrete” section of the
Particular Technical Specifications for
the tunnel was drafted by the Tunnels
Study Centre CETU, along with DLCF.
The decision was taken to produce
aggregate complying with aggregate
standards NF EN 12620 and XP P 18545 so as to remain within the scope
of concrete standard NF EN 206-1. A
performance-based approach is
nonetheless possible, taking into
consideration the freezing/thawing
behaviour where de-icing is carried
out (for lining concrete near the tunnel
heads).
A large number of technical questions
regarding the manufacture of aggregates on site had to be examined:
these dealt with issues including the
plant required; temporary muck storage areas; rapid sorting procedure;
inspection procedures for aggregates
produced on site; and the potential
pollution of aggregates by explosive
residues. Finally, logistics and planning must be closely analysed in order
not to compromise completion of the
project (administrative procedures to
be carried out well ahead of time for
storage areas and other installations).
Even though this approach is as yet
little used in France, experiences from
other countries, more especially
Switzerland, and experience gained
in manufacturing aggregates from
massive rocks, made it possible to
draw up the Particular Technical
Specifications.
Saint Béat tunnel: key figures on
concrete re-use:
• Total volume of material excavated
on site: 110,000 m3
• Total volume of concrete (excluding
sprayed concrete and lining foundation concrete): 24,000 m3
• Total amount of aggregate produced on site for concrete: 42,000 t
(16,800 m3, equivalent to 15 percent of extracted material).
TECHNIQUE/TECHNICAL
8 - Conclusion-
8 - Conclusion-
Les bétons utilisés en ouvrages souterrains ont des spécificités particulières. Cependant, ils bénéficient des progrès réalisés dans les
bétons de toute nature pour progresser dans toutes les directions de
commodité de réalisation, de durabilité, de résistance au feu et de
performances mécaniques. t
The types of concrete used in underground works have some highly
specific characteristics. However, they have benefited from advances
in all types of concrete, thus progressing in many ways, including ease
of manufacture, durability, fire resistance, and their mechanical
properties. t
Références / ReferencesAFTES Recommendations (http://www.aftes.asso.fr/publications_recommandations.html)
• La technologie et la mise en oeuvre du béton projeté renforcé de fibres (Technology for using fibre-reinforced sprayed concrete) GT6R3F1- 1994 –
TOS no.126SP 99
• La méthode de construction des tunnels avec soutènement immédiat par béton projeté et boulonnage (Tunnel construction methods with immediate
support by means of sprayed concrete and bolting) GT6R2F1 - 1979
• Réflexions sur les méthodes usuelles de calcul du revêtement des souterrains GT7R2F1 - 1976 TOS no. 14SP 93
Considerations on the usual methods of tunnel lining design GT7R2A1 - TOS 1993 - SP 93
• L’utilisation du béton non armé en tunnel GT7R5F1 - 1998 – TOS no.149HS4
The use of plain concrete in tunnels GT7R5A1 - 2000 – TOS no. 158
• Conception et dimensionnement du béton projeté utilisé en travaux souterrains GT20R1F1 - 2001 – TOS no. 164
Design of sprayed concrete for underground support GT20R1A1 - TOS 2002
• Compatibilité des recommandations AFTES relatives aux revêtements des tunnels en béton avec les Eurocodes (Compatibility of AFTES recommendations
on concrete tunnel linings with Eurocodes) GT29R2F12007 – TOS no. 204 HS4
• L’utilisation des règles et normes générales de conception et de dimensionnement pour les revêtements de tunnel en béton armé et non armé
(Use of general design rules and standards for reinforced and plain concrete) GT29R1F1 - 2001 – TOS no. 165HS4
• La gestion et la valorisation des matériaux d’excavation (Management and reuse of excavated materials) GT35R1F1 - 2007 – TOS no. 199
• Géométrie, béton, coffrage et bétonnage des revêtements de tunnels GT36R1F1 - 2007 – TOS no. 202 HS4
Geometry, concrete mixes, formwork and concrete pouring practice GT36R1A1- 2000 - TOS no. 202 HS4
• Géométrie, béton, coffrage et bétonnage des revêtements de tunnels GT36R1F1 - Annexe 1 : Défauts de réalisation – 2012 – TES 233
Geometry, concrete mixes, formwork and concrete pouring practice GT36R1A1 - Appendix & : Construction defects – 2012 – TES 233
• Tunnels routiers : Résistance au feu (Fire resistance of road tunnels) GT37R1F1 - 2008 – TOS no. 205
CETU pilot project file (http://www.cetu.developpement-durable.gouv.fr/)
Section 4: Procédés de creusement et de soutènement (Excavation and support procedures) - July 1998
Section 5: Etanchement et revêtement (Waterproofing and lining) – July 1998
ASQUAPRO technical memoranda (http://www.asquapro.com/)
Mise en œuvre des bétons projetés (Use of sprayed concrete)
Utilisation des fibres pour le renforcement des bétons projetés de soutènement provisoire des tunnels
(Use of fibres to reinforce sprayed concrete for provisional tunnel support)
M
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