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M
TECHNIQUE
Trends of Future Tunnel Projects and their Impact on the Design of TBMs ] M 490
Orientations des futurs projets
de tunnels et leur incidence sur
la conception des tunneliers
M
Thomas CAMUS
NFM Technologies
G. FONTANILLE
NFM Technologies
1 - Introduction-
2 - Rappels historiques2.1 - Tunnels sous-marins
Le tunnel sous-marin le plus emblématique - du
moins en Europe - est le Tunnel sous la Manche qui
fait partie de l’histoire. Il n’est pas surprenant que
cet ouvrage quasi mythique ait été réalisé avec des
TBM et qu’ainsi le passage en revue des projets
de tunnels sous-marins ne puisse que commencer
par cette réalisation majeure.
tunnelier facile mais dangereux : bien que les
pressions réellement enregistrées n’excédèrent pas
6.3 bars [1], ce sont des pressions jusqu’à 8 bars
qui étaient attendues au front des 4 tunneliers à
pression de terre qui forèrent les deux tubes de 7.7
mètres de diamètre intérieur.
1988-1991 - Le tunnel sous la Manche
Le tunnel est constitué de deux tubes de 7,6 m de
diamètre. Les travaux commencèrent avec le forage
d’un tunnel-pilote. Au total, 5 tunneliers à pression
de terre (EPB) furent mis en œuvre côté français,
avec, par endroits, des pressions de 7 bars à 70
mètres sous le niveau de la mer. Le sol, constitué
essentiellement de craie bleue avec quelques passages de craies à silex (côté français) et de marnes
calcaires (côté britannique), est très homogène et
il fut à l’époque considéré comme parfaitement
adapté aux TBM. Aujourd’hui, il est probable que
seulement 1 ou 2 tunneliers à pression de terre
seraient mis en œuvre pour forer un tunnel unique
à deux niveaux de circulation et qu’un tunnel-pilote
ne serait pas jugé nécessaire
1990-1994 - Storebaelt
Ce célèbre projet de franchissement du « Great
Belt » comprend un pont routier et un tunnel ferroviaire qui descend jusqu’à 100 mètres sous le
niveau de la mer. Les deux tiers du tunnel furent
forés dans la marne homogène sous-jacente et le
reste dans des dépôts morainiques très abrasifs.
Ce contexte géologique rendit le creusement au
1993 - BPNL (Boulevard Périphérique
Nord de Lyon)
Ce tunnel routier sous la Saône est souvent considéré comme le premier tunnel foré au TBM dans
des conditions géologiques difficiles, caractérisées
essentiellement par une grande variété d’horizons
allant du gneiss très dur (plus de 300 MPa de
résistance en compression simple) à des alluvions
glaciaires. Un seul tunnelier de 11 m de diamètre
fora les deux tubes de 3 250 mètres de longueur
sous une pression atteignant 4 bars. Bien qu’il ait
été considéré en 1992 comme un défi majeur et
qu’il reste aujourd’hui une réussite incontestable,
ce type de projet est aujourd’hui devenu classique
par exemple à Hong-Kong ou à Singapour et dans
toutes les villes où les tunnels de métros sont forés
à l’interface alluvions/rocher ; ces situations de front
mixte sont devenues classiques pour le creusement
au tunnelier.
1989-1997 - Tokyo Bay
L’Aqua Line tunnel est constitué de deux tubes
parallèles de 9,5 km de longueur (alors record
mondial pour un tunnel routier sous-marin) situés
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
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L’ingénierie a toujours été un domaine de dépassement des limites et de records mondiaux et le secteur
des tunnels ne fait pas exception à la règle. Régulièrement, est annoncé un nouveau record de tunnel à
construire, le plus profond, le plus long, le plus
grand… et, le plus souvent, le projet se réalise avec
succès, repoussant encore plus loin ces limites.
Plusieurs méthodes de construction de tunnels sont
en compétition, chacune présentant ses avantages
et ses inconvénients. Ici comme ailleurs, la compétition favorise l’innovation ; il en résulte que les
tunneliers (TBM) ont progressivement surmonté les
défauts de leurs débuts et qu’ils sont aujourd’hui
utilisés pour des projets de plus en plus exigeants.
Dans le même temps, les ingénieurs de travaux
publics et les constructeurs de tunnels prennent
confiance dans la technologie et les capacités
accrues des TBM et alimentent ainsi cette recherche
vers une polyvalence et des performances encore
plus élevées.
Dans cet article, nous examinerons la situation et les
orientations actuelles ainsi que les développements
prévus dans le domaine des TBM afin de relever les
défis que poseront les futurs projets de tunnels.
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[ Orientations des futurs projets de tunnels et leur incidence sur la conception des tunneliers
à 60 mètres de profondeur sous la Baie de Tokyo.
Les huit tunneliers à pression de boue utilisés
étaient conçus pour supporter jusqu’à 9 bars. Les
principales difficultés furent dues plus au très grand
diamètre des machines (14,1 m) et au système de
revêtement anti-sismique spécifique à ce projet
qu’à la géologie des terrains traversés, relativement
« faciles », constitués de sables et d’argiles limoneuses.
2008 -… - Bosphore
La traversée du détroit du Bosphore fait actuellement l’objet de plusieurs projets impliquant des
TBM : le tunnel hydraulique du Grand Melen ; le
tunnel ferroviaire de Marmaray avec une partie
immergée reliée à la surface par des tubes forés ; et,
encore à l’état de projet, un tunnel routier de 3,3 km
de longueur, avec un TBM de 12,86 m de diamètre,
situé 80 à 90 mètres sous la surface.
2.2 - Tunnels en site terrestre
2003 - (en construction) - Ligne 9 du
Métro de Barcelone
Le creusement des deux tubes de 12 m de diamètre
sous le centre-ville de Barcelone a été réalisé par
deux tunneliers mixtes (mode ouvert/ pression de
terre). Une variété impressionnante de conditions
géologiques fut rencontrée sur toute la longueur de
7 km du tracé : socle granitique avec de grandes
zones d’altération à sa surface et ardoises. Il en
résulta des problèmes sans précédent d’usure
d’outils et de disques ; des variations de géologie
inattendues nécessitèrent deux modifications et
changements de la roue de coupe. Bien que la pression soit restée inférieure à une valeur raisonnable
de 2,5 bars, ce tunnel se situe parmi les projets les
plus difficiles du début des années 2000.
2.3 - Tunnels de montagne
L’histoire des tunnels de montagne ne s’inscrit pas
du tout dans le thème de cet article. Cependant, un
regard sur quelques projets de tunnels européens
récents (tunnel de base du Gothard, tunnel de
Pajares, tunnel de base du Brenner ainsi que le projet du Lyon-Turin) montre qu’ils ont entre eux des
points communs : diamètre voisin de 10 mètres,
longueur au-delà de 25 voire 50 km et des couvertures de plus en plus grandes, jusqu’à 2300
mètres.
2.4 - Vue générale
Les caractéristiques principales des tunnels immergés
et terrestres précédents sont indiquées sur le diagramme ci-dessous (fig 1). La position verticale des
cercles indique leur profondeur (pour les tunnels
immergés, en bleu) ou la charge hydraulique maximale (pour les tunnels terrestres, en marron) tandis
que le diamètre des cercles est proportionnel à la
difficulté géologique. La tendance en fonction du
temps apparaît clairement de gauche à droite :
cercles plus grands, charges hydrauliques ou
profondeurs plus grandes.
tunnels mono-tube (de 14 à 17 mètres de diamètre).
Il est probable que ce seront là les diamètres standard
des futurs tunneliers dont nous parlons ci-après,
bien qu’il y aura toujours des exceptions pour certains
projets de plus grandes dimensions.
3.2 - Profondeur des tunnels
Le changement majeur qui caractérise les nouveaux projets de tunnels forés au tunnelier est clairement un accroissement de leur profondeur. Pour
les tunnels immergés forés dans des sols perméables, cela signifie une augmentation importante de
la pression hydraulique. Pour certains projets
majeurs (traversée du Bosphore à - 90 m ; détroit
de Gibraltar avec des profondeurs de 420 à 620
mètres sous la mer sur 28km), des pressions de
20 bars devront être supportées, non pas seulement en pointe mais en continu.
• Conception des structures
Le creusement à plus grande profondeur implique
une pression de terre plus grande sur la tête et le
bouclier du tunnelier. A avancement égal, cela
signifie une poussée du tunnelier proportionnelle-
2005 - (en construction) - Hallandsås
Ce tunnel ferroviaire est connu pour son historique
compliqué. Commencé en méthode traditionnelle,
le projet fut arrêté et repris en tunnel foré de 10,6 m
de diamètre. Sa construction se heurte à une géologie complexe avec un rocher totalement altéré et
une pression d’eau très élevée.
Figure 1 - Vue générale de l’historique de tunnels « difficiles ».
3 - Exigences nouvellesen matière de tunneliers3.1 - Diamètre des tunnels
2006 - (en construction) - Tunnel Niagara
Ce tunnel hydroélectrique de 10,1 km de longueur
est aussi un cauchemar géologique, avec d’énormes
éboulements qui réduisent constamment l’avance
du tunnelier de 14,4 m de diamètre.
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Les exigences en matière de diamètre de tunnel
semblent s’être approchées d’une limite, non pour
des raisons techniques mais parce que la plupart
des configurations de tunnels routiers ou ferroviaires peuvent aujourd’hui être satisfaites avec des
M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
ment accrue. L’augmentation de la pression dans
la chambre de travail signifie aussi que le broyage
des matériaux extraits nécessite un couple plus
important. La poussée et le couple étant respectivement proportionnels au carré et au cube du diamètre,
ils sont fortement impactés par l’augmentation du
diamètre du tunnelier. Ceci implique de redimensionner complètement les principaux composants
du TBM : sa structure, afin d’obtenir la raideur
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Orientations des futurs projets de tunnels et leur incidence sur la conception des tunneliers
• Etanchéité
La motorisation et son roulement sont les éléments
cruciaux du tunnelier mais ce sont aussi ceux qui
supportent les plus fortes contraintes. La fiabilité
étant ici un facteur essentiel, il est donc nécessaire
d’assurer une protection efficace de cette partie du
TBM contre toute contamination extérieure qui
conduirait à une panne catastrophique. De l’extérieur vers l’intérieur, l’étanchéité est assurée par
une série de chicanes et un jeu de joints à lèvres ;
des mastics et/ou des graisses sont injectés dans
les chicanes et entre les joints adjacents, ce qui
réduit la pression exercée sur chaque joint. On
considère que ce dispositif est applicable pour des
pressions jusqu’à 10 bars. Etendre ce système à
des valeurs de pression supérieures – en ajoutant
un ou plusieurs joints à lèvres- conduit à augmenter
le porte-à-faux sur le roulement et à accroître les
efforts sur la structure ; à un moment, on peut s’attendre à ce que cette approche devienne inapplicable. De nouveaux matériaux actuellement en
cours de développement offrent des perspectives
vers de nouveaux systèmes d’étanchéité ; également, des outils modernes de modélisation permettent une analyse en profondeur du comportement
des joints dans des configurations variées et sur
une large plage de conditions de fonctionnement,
conduisant ainsi à des conceptions de joints plus
sûrs. Ainsi, de nouvelles approches devraient-elles
être recherchées, utilisant peut-être un concept
totalement différent.
Les mêmes considérations s’appliquent pour le joint
de queue, généralement constitué d’une série de
brosses entre lesquelles un mastic spécial est
injecté en continu avec l’avancement du tunnelier.
Ici encore, l’addition de brosses, accompagnée
d’une plus grande consommation de mastic, est
une solution à l’augmentation de la pression, mais
il est peu probable que ce système supporterait une
pression continue de 20 bars.
• Revêtement du tunnel
Bien que le revêtement sorte du sujet « tunnelier »
proprement dit, il doit aussi être adapté à l’accrois-
sement de la pression du terrain et les tunneliers
devront en tenir compte. La conception du revêtement devra être modifiée car il doit à la fois garantir
l’étanchéité globale du tunnel et participer à l’étanchéité de l’interface tunnel/tunnelier. Le revêtement
sera également redimensionné non seulement à
cause de l’augmentation de la pression extérieure
mais surtout parce qu’il devra résister à l’accroissement de poussée du TBM. La nécessité de remplir le vide annulaire et la méthode pour y parvenir
pourront aussi changer radicalement, imposant
ainsi des contraintes et des exigences nouvelles
pour le tunnelier.
3.3 - Caractéristiques géologiques
des sites de tunnels
• Adaptabilité des tunneliers
Il est communément admis aujourd’hui que l’utilisation des tunneliers n’est pas limitée au cas de
creusement facile dans des terrains homogènes.
Plusieurs expériences de tunnels « difficiles » ont
démontré le potentiel des TBM et, bien que des problèmes aient été rencontrés dans plusieurs cas, les
ingénieurs surent trouver des solutions et développer des méthodes et procédures qui ont conduit à
accorder aujourd’hui de plus en plus confiance à
cette technologie. L’augmentation de longueur des
tunnels accroît aussi la probabilité d’avoir à traverser des formations géologiques plus hétérogènes
sur un tracé donné.
Ce dont nous aurons besoin demain, c’est d’un
TBM capable à la fois de forer dans des terrains
meubles, de passer des blocs, de creuser dans le
rocher et traverser des terrains très abrasifs sur
de longues distances. La diversité de terrains
qu’un TBM aura à traverser pour un même tunnel
peut être telle qu’en théorie il faudrait utiliser plusieurs types de machines, mais les entreprises
sont de plus en plus tentées d’utiliser les tunneliers multi-modes et/ou reconfigurables afin de
réduire les coûts élevés d’investissement et éviter
les opérations difficiles et risquées telles que le
démontage d’un TBM à l’intérieur d’un tunnel. Une
reconfiguration (par exemple un changement de
type d’outils mais aussi un changement de mode
de travail tel que passage du mode ouvert au
mode à pression de boue ou même du mode pression de terre au mode pression de boue et viceversa) doit toujours être prévue et programmée
pour être effectuée en des points précis du tracé
du tunnel.
• Prévisions géologiques en cours de creusement
Le creusement de tunnels de plus en plus profonds
pose de nouveaux problèmes aux géologues qui ont
plus de difficultés pour atteindre et sonder les
terrains sur le tracé des ouvrages. Les études
préliminaires coûteront plus cher et il est probable
qu’au final, les données recueillies pour participer
au pilotage du tunnelier seront insuffisantes ou
moins précises. Le creusement de tunnels de plus
en plus difficiles implique un niveau plus élevé de
risques liés à la géologie et aux changements de
faciès. Le besoin de données géologiques précises
va ainsi certainement augmenter et la production
de ces données sera alors transférée au niveau du
tunnelier, avec une exigence de données fiables en
temps réel, même à échelle « microscopique ».
Des systèmes d’analyse géologique utilisables
en travaux de tunnel sont disponibles dans le
commerce et on en connaît l’étendue et les limites
d’application. La plupart d’entre eux exigent une
grande expérience pour l’interprétation en direct
des données fournies. D’autres systèmes sont à
l’étude, basés sur des approches et des techniques
de détection diverses (électriques, sismiques, radar) ;
il reste à réaliser, sur la base de ces nouvelles techniques, des instruments de mesure pouvant être
effectivement intégrés dans les tunneliers et rester
fiables dans des tunnels revêtus. Mais, contrairement à ce qui se passe en recherche médicale
(techniques d’imagerie) ou en exploration pétrolière,
les enjeux sont ici insuffisants pour obtenir des
financements appropriés ; un effort plus global est
nécessaire si l’on veut que ces systèmes soient
prêts en temps voulu.
• Traitement et amélioration des sols
Maintenir stables le front de taille et le terrain autour
et au-dessus de la zone excavée est l’un des impératifs de base de la construction de tunnels. Face
à un faciès géologique complexe, un traitement des
sols sera généralement nécessaire et le tunnelier
doit alors être équipé des outils de perforation et
d’injection permettant ce traitement. L’amélioration
des sols devra être conduite en mode continu, afin
de réduire les venues d’eau et/ou réduire la pression appliquée sur le tunnelier.
3.4 - Longueur des tunnels
Les tunneliers n’ont qu’une portée limitée de l’ordre
de 10 km en mode fermé ou de 15 km en mode
ouvert et cela pose un problème pour certains
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nécessaire ; le roulement principal de la motorisation,
afin de résister à la poussée et au couple très importants qui s’exercent sur la tête de coupe. Il en
résulte un accroissement considérable du poids du
tunnelier et donc de densité apparente susceptible
d’entraîner des problèmes de conduite.
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[ Orientations des futurs projets de tunnels et leur incidence sur la conception des tunneliers
nouveaux projets de très longs tunnels actuellement
à l’étude. Ainsi, forer sur plus de 20 km avec des
machines à pression de boue ou de terre signifie
qu’à un moment, de très gros travaux de maintenance seront nécessaires, éventuellement sous
charge d’eau ; cette contrainte doit être prise en
compte dès la conception même du tunnelier pour
de tels tunnels de grande longueur (par exemple le
tunnel de plus de 100 km sous le Détroit de Bering).
Toutefois, il est probable qu’il existe chez les
passagers, même voyageant en train, une « barrière
psychologique » contre les très longs tunnels, ce
qui pourrait bien bloquer les projets « extrêmes »
au stade de la planche à dessin…
3.5 - Type de tunnelier
A part les sections de tunnels purement rocheuses
où le creusement est possible en mode ouvert, ce
qui précède montre que les tunneliers nécessaires
aux nouveaux grands projets seront évidemment à
mode fermé, ce qui nous ramène à la question :
pression de terre ou pression de boue ? Jusqu’à
présent, le débat était centré sur les caractéristiques du terrain et le choix était surtout basé sur
la granulométrie des sols, à savoir : pression de
terre quand le pourcentage de fines était élevé,
pression de boue quand ce pourcentage était faible.
En outre, un pourcentage élevé de graviers excluait
l’utilisation d’un TBM à pression de terre [2] (cf.
figure A). Toutefois, avec le développement de techniques et de produits de traitement de terrains, cette
limite est devenue plus floue pour les niveaux classiques de profondeur et de pression [3] (cf figure B).
Aujourd’hui, le choix est plus basé sur les montants
des investissements et les coûts opérationnels, ainsi
que sur des considérations d’impact environnemental qui favorisent les tunneliers à pression de
terre.
L’utilisation d’un TBM sous haute pression
constante conduit à transporter les matériaux excavés
sous un différentiel de pression de 20 bars. A cet
égard, le concept entièrement hydraulique du
tunnelier à pression de boue présente beaucoup
d’avantages sur celui du tunnelier à pression de
terre. Bien que de très longues vis d’extraction puissent être conçues et aient même été déjà utilisées,
il n’existe pas à ce jour de cas d’utilisation sous
d’aussi hautes pressions. Les vis d’extraction sont
sujettes à une usure intense et cela est encore
aggravé sous de fortes pressions. Les vis présentent aussi le risque d’écoulement direct qui n’existe
pas avec le système à pression de boue. Au total,
les tunneliers à pression de boue permettent un
meilleur contrôle du front de taille, ce qui limite
beaucoup les risques lors des opérations de maintenance, lesquels risques sont tout simplement
inacceptables sous des pressions de 20 bars ; ainsi,
les tunneliers à pression de boue sont-ils sans
doute les meilleurs candidats pour le creusement
de tunnels profonds sous des conditions difficiles.
Toutefois, ces machines devront aussi permettrepour les zones de rocher - un creusement en mode
ouvert qui offre une avance plus rapide avec une
usure moindre.
3.6 - Prise en compte des risques
A : ref. [2]
B : ref. [3]
Figure 2 - Choix du tunnelier
(EPB ou Boue) en fonction
de la granulométrie Améliorations obtenues par
les traitements de sols.
Les risques sont présents dans tous les aspects du
creusement de tunnels et les fortes pressions de
terre les rendent encore plus critiques. Ces risques
concernent les personnes qui travaillent dans le
tunnel, les constructions en surface et les équipements. Le défaut de maîtrise de ces risques peut
entraîner des accidents mais aussi des retards du
projet et des surcoûts considérables.
Concentrons-nous ici sur le tunnel proprement dit
et plus particulièrement sur le tunnelier. Un premier
niveau de risque est lié à la géologie pouvant entraîner,
pour n’en nommer que quelques uns, des accidents
tels que débourrage d’eau ou de terrain, effondrement
du front de taille, coincement du tunnelier, etc. La
plupart des autres risques sont relatifs aux interventions humaines dans des zones exposées telles
que l’avant de la roue de coupe ou la zone de manutention des voussoirs. Nous indiquons ci-après les
concepts à développer pour les futurs projets de
tunnels.
• Durée de vie des outils et
des parties exposées
La plupart des opérations de maintenance sur les
tunneliers sont dues à l’usure ou à la casse de
pièces mécaniques, parmi lesquelles la tête et les
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Orientations des futurs projets de tunnels et leur incidence sur la conception des tunneliers
outils de coupe qui sont le plus exposés. L’augmentation de la durée de vie de ces pièces permettra
de diminuer le nombre d’interventions humaines.
• Outils de prévision de maintenance
Les interventions de maintenance peuvent être soit
planifiées soit effectuées chaque fois qu’un problème est détecté tel que l’usure ou la casse d’un
élément (par exemple outils de coupe). La mise en
œuvre de systèmes de mesure et de prévision
d’usure permettra une meilleure planification des
interventions humaines et réduira le nombre d’opérations dans les zones à risques.
3.7 - Validation des concepts
La validation du concept est une étape critique dans
tout processus d’innovation mais les spécificités
propres au creusement de tunnels, s’ajoutant aux
niveaux d’innovation et de risque, rendent la nécessité de validation encore plus critique. Tester un
tunnelier dans les conditions réelles d’utilisation est
évidemment impossible en usine et il faut donc
trouver des alternatives pour tester séparément les
sous-ensembles. Les outils de simulation sont
]
essentiels à cet égard. Un modèle géomécanique
devra être intégré au modèle de la structure mécanique, ce qui permettra de réaliser des essais
virtuels sur le comportement du tunnelier dans son
terrain encaissant, en simulant des cas réels basés
sur des données géologiques disponibles et des
expériences antérieures de creusement de tunnel.
Une attention particulière devra être portée sur les
tests d’endurance des principaux composants des
tunneliers.
4 - Conclusion --Regards vers le futur-
• Sécurité relative à la maintenance
La mise en œuvre de pièces résistant à l’usure et
de systèmes de prévision d’usure réduira - sans
l’éliminer complètement - le besoin de maintenance. Un soin particulier devra ainsi être porté sur
la conception de la tête de coupe afin d’offrir la
meilleure protection aux ouvriers chargés de la
maintenance. Les outils de coupe devront être facilement remplaçables. Les opérations hyperbares
devront être prévues et planifiées ; les équipements
de plongée et de décompression devront être installés dans le tunnelier et à terre.
Le creusement de tunnels est toujours une opération à risques, mais ce n’est pas un cas unique.
Dans d’autres secteurs, on a observé que l’homme était en permanence à la recherche de solutions
pour rendre sa vie plus facile et plus sûre ; on peut penser que ce sera également le cas dans
le domaine des tunnels. Les risques aussi ont un coût et une meilleure efficacité en matière de
coût -ou une rentabilité accrue- est également un levier pour la mise en place de méthodes
de réduction des risques.
Faire appel aux services de plongeurs a longtemps été le seul moyen de réaliser des travaux
off-shore à grande profondeur ; aujourd’hui, à des profondeurs dépassant 50 mètres, ces travaux
sont le plus souvent exécutés par des robots autonomes et des dispositifs télécommandés.
Pour les hommes, cette approche réduit les risques liés aux pressions (par exemple les accidents
de décompression) mais, également, elle élimine les limites relatives au temps de travail supportable à pression élevée. Des exemples similaires existent dans les domaines de l’exploration
spatiale et de l’industrie nucléaire [4]. Ainsi, sur la base de telles expériences réussies, nous
pouvons envisager que l’industrie des tunneliers, à son tour, introduise et utilise de plus en plus
l’automatisation et la robotique.
Nous sommes convaincus que les tunneliers sauront affronter les défis à venir et confirmeront
qu’ils représentent la méthode la plus efficace pour le creusement de tunnels. Mais cela ne
sera possible qu’au prix d’efforts communs et de coopération entre les fabricants de tunneliers
et les entreprises, ainsi qu’avec l’appui de la communauté scientifique. Ces conditions étant
réunies, nul doute que nous réussirons tous ensemble et que nous saurons proposer des solutions
innovantes : les tunnels profonds et longs sont une nécessité, ils deviendront réalité. t
MMM-Références• [1] J. Holzhäuser, S.W. Hunt, C. Mayer, Global Experience with Soft Ground and Weak Rock Tunneling
under Very High Groundwater Heads, North American Tunneling 2006, Taylor & Francis, pp. 277-289,
2006
• [2] U. Maidl, Active confinement pressure control with foam - A comparison between slurry and
earth pressure balanced shields, 2001
• [3] M. Thewes, TBM tunnelling challenges – Redefining the state of the art, World Tunnel Congress
2007, Taylor & Francis, 2007
• [4] L. Parker, J. Draper, Robotics applications in maintenance and repair, in: Handbook of Industrial
Robotics (ed. S. Nof), Wiley, 1999
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier A. Richard et
R.Kastner pour leur aimable contribution à la préparation de cet article, ainsi que M.Guillaud (AFTES)
pour sa traduction.
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
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• Prévisions géologiques
Comme il est dit plus haut (para 3.3), la mise en
œuvre d’outils de prévisions géologiques contribue
à diminuer les risques. De même, la détection et la
localisation d’obstacles (failles, blocs, restes de
constructions anciennes, etc.) à l’avant et autour
du front de taille permettront d’éviter le risque de
dommages matériels au tunnelier qui entraîneraient
des opérations périlleuses pour sa réparation.
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NFM Technologies
1 - IntroductionEngineering has always been an area pushing
boundaries and of world record breaking, and
tunnelling is no exception. Periodically we assist to
a new record announcement – the deepest, longest,
largest tunnel to be constructed. More often than
not, the project develops and succeeds, effectively
pushing the limits further.
Several tunnel construction methods are opposed
in a competition, each with its advantages and
drawbacks. Here also, competition fosters innovation. As a result, Tunnel Boring Machines have
progressively overcome their initial flaws and are
currently put at work in increasingly demanding
projects. Civil engineers and tunnel builders simultaneously gain confidence in the technology and the
extended capacity of TBMs, and actively fuel this
search for higher performance and versatility.
In this paper we examine the situation and current
trends, and discuss the developments that are
expected on the TBM side in order to meet the
challenges future tunnel projects will set.
2 - Historical background2.1 - Underwater tunnels
The most emblematic underwater tunnel – at least
in Europe – is the Channel Tunnel, which is history
490
in itself. It is no surprise that this almost mythical
piece of work was made using TBMs, and a review
of underwater TBM tunnel projects can only start
with this masterpiece.
1988-1991 - Channel Tunnel
This tunnel comprises two tubes of 7.6 metres in
diameter. The works started with the boring of a
pilot tunnel. Altogether five EPB TBMs were used
(on the French side), occasionally meeting 7 bars
of ground pressure at 70 metres below sea level.
The ground, mainly clayey chalks, with sections in
flinty chalks (French side) and calcareous marls (British side) is very homogeneous and was considered
as perfectly suited for TBMs. Today it is likely that
only one or two large EPBs would be used, boring
a single tube housing two levels of traffic, and that
a pilot tube would not be seen as necessary.
1990-1994 - Storebaelt
This famous road bridge and railway tunnel across
the “Great Belt” strait reaches 100 metres down
below sea level. Two thirds of the drive was bored
in the homogenous underlying marl, and the rest in
very abrasive glacial till. This context made it an
easy but dangerous site for TBM tunnelling. Pressures of up to 8 bars were expected by the 4 EPBs
that bored the two 7.7-metre internal diameter tubes,
although the maximum recorded was 6.3 bar [1].
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1993 - BPNL (Ring road around Lyon)
This road tunnel under the Saone River is often
considered as the first “geologically” difficult TBMbored tunnel. It is mainly characterised by the
variety of grounds – ranging from very hard gneiss
(above 300 MPa uniaxial compressive strength) to
glacial alluvia. A single 11-metre EPB bored the
two tubes (2 x 3,250 m in length), with a pressure
reaching 4 bars. Seen as a major challenge back
in 1992, this project remains an unquestionable
achievement, yet this type of job is now common
practice in areas such as Hong-Kong, Singapore,
and other cities where metro lines are bored at the
bedrock/residual soil interface. These problematic
mixed faces have become usual situations in TBM
tunnelling.
1989-1997 - Tokyo Bay
Once the world’s largest underwater road tunnel,
the Aqua Line tunnel runs 60 metres below the
Tokyo Bay as two parallel tubes of 9.5 km in
length. The eight slurry TBMs that were used were
designed to withstand pressures of up to 9 bar.
The main difficulties came from the very large
machine diameter (14.1 m) and from the specifically designed earthquake-proof lining scheme,
rather than from the geology which was fairly
“easy” ground, mainly silty and sandy clay, and
sand.
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TECHNICAL
Trends of Future Tunnel Projects and their Impact on the Design of TBMs
2008 and beyond - Bosphorus
2.4 - Overview
The Bosphorus strait is currently the scene of
several tunnel projects involving TBMs: the Melen
River water tunnel; the Marmaray railway tunnel
with an immersed tunnel section connected to
the surface by bored tubes; and a still to be
constructed highway tunnel (3.3 km long, 12.86 m
diameter TBM, running 80 to 90 m below the
surface).
The main characteristics of the underwater and
underground tunnels listed above are shown on the
following diagram. The vertical position of the bubbles indicate the depth (underwater tunnels in blue)
or maximum pressure (underground tunnels in
brown) while the size of the bubbles is proportional
to the geological difficulty.
The trend (larger bubbles, higher depth/pressure)
from left to right is clearly shown.
]
depending on selected profile, 28 km under the
sea), pressures of 20 bars should be handled – not
as peaks but in a continuous mode.
• Structure design
Operating at increased depths means an increased
soil pressure exerted on the TBM face and shield.
Assuming an unchanged penetration rate, this in
turn implies that the required TBM thrust must also
2.2 - Land tunnels
2003 - (under construction) - Barcelona
Metro Line 9
Boring these two tubes (12 m diameter) in downtown Barcelona was performed by two dual mode
(open/EPB) TBMs. An impressive mix of difficult
geological conditions was met all along the 7-km
way: granitic bedrock with important surface weathering, and shale. This resulted in unprecedented
problems of tools and disc cutters wear; unexpected
changes in the geology were handled with two
cutter head redesigns and exchanges. Although the
pressure remained below a reasonable 2.5 bar, this
tunnel is among the most difficult projects in the
early 2000’s.
This train tunnel is well-known for its tortuous
history. Started as a drill and blast job, the project
was stopped and restarted as a bored tunnel
(10.6 m in diameter). Construction is plagued by
complex geology, with completely weathered rock
and very high groundwater pressure.
2006 - (under construction) Niagara Tunnel
This hydroelectric tunnel is also a geological nightmare, with huge over-breaks that have constantly
slowed down the 14.4 m diameter TBM progress
in its 10.1 km drive.
2.3 - Mountain tunnels
The history of mountain tunnels is far beyond the
scope of this paper. However, looking at recent
European bored tunnel projects (Gothard base,
Pajares, Brenner base, and the planned Lyon-Turin)
shows that they have common features: a diameter
around 10 m; increasingly long tubes, exceeding
25 or even 50 km; and increasingly high overburdens, up to 2300 m).
Figure 1 - Overview of “difficult” tunnels history
3 - New requirementson TBM design3.1 - Tunnel diameter
Requirements on tunnel diameter seem to have
come close to a limit, not because of technological
reasons, but because the most demanding road
or railway configurations can now be satisfied with
single tube tunnels (diameter in the range of 14 to
17 metres). This is likely to be the standard size of
the future TBMs we are discussing hereafter,
although there will as always be exceptions to this,
with larger sizes projects.
3.2 - Tunnel depth
The main change in the new TBM-bored tunnel
projects is obviously an increase in tunnel depth.
For underwater tunnels in permeable soils, this
means a significant increase in water pressure.
Looking at some key projects (Bosphorus highway:
-90 m, Gibraltar strait: between -420 m and -620 m
increase in the same proportion. Increasing the
pressure inside the chamber means that mixing the
extracted material will require an increased torque.
Thrust and torque are also directly impacted by the
increase in diameter D, respectively varying as D2
and D3.
Consequences are a complete re-dimensioning of
the main TBM elements: structure, to obtain the
required stiffness; drive unit bearing, in order to
withstand the huge force and torque on the cutter
head. The result is a considerably increased weight
and therefore of apparent density, which poses
potential problems of steering.
• Sealing
The drive unit and its bearing are the most crucial
elements in the TBM, but are also the ones exposed
to the highest stress. Reliability is the key subject
here, and therefore this area requires highly efficient
protection against contamination by external material, which would result in a catastrophic failure.
From outside to inside, sealing is ensured by a
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
M
2005 - (under construction) - Hallandsås
491
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TECHNICAL
M
[ Trends of Future Tunnel Projects and their Impact on the Design of TBMs
labyrinth and a set of lip seals; compounds and/or
lubricants are injected in the labyrinth and in the
chambers in between adjacent lip seals, which
reduces the differential pressure exerted on each
seal. This scheme is considered to be applicable for
pressures up to 10 bars. Extending it above this
value, by adding one or more lip seals, leads to additional overhang on the bearing, and additional
efforts on the structure. At some point, it is expected
that this approach would reveal itself inapplicable.
New materials are being developed that open perspectives for innovative sealing devices; advanced
modelling tools allow in-depth analysis of the seals
behaviour in varied configurations and over a wide
range of environmental parameters, resulting in
safer designs. Better approaches should therefore
be looked for, possibly using a totally different
concept.
The same considerations apply to tail shield sealing,
which is traditionally designed as a series of brushes
inside which a special compound is injected in a
continuous manner while the TBM advances. Here
also a possible answer to the increased pressure is
the addition of brushes, with an extra consumption
of compound but it is unlikely this would withstand
20 bars continuously.
• Tunnel lining
Although outside the scope of TBMs in a strict
sense, tunnel lining is also bound to adapt to the
ground pressure increase and TBMs will have to
follow suit. The design of lining will change, because
it guarantees the overall tunnel water-tightness, and
participates in sealing the TBM-tunnel interface.
Lining will also be re-dimensioned in order to cope
with the higher ground pressure, but even more
because it is directly submitted to the TBM increased thrust. The need for filling the annular void,
and the related process, will also possibly change
radically, imposing new constraints and requirements to the TBM side.
3.3 - Geological configuration of
tunnel site
• TBM versatility
It is nowadays commonly accepted that TBMs are
not restricted to easy tunnelling through a uniform
type of ground. Several attempts at “difficult”
tunnels have shown the potential of TBMs, and even
though problems were encountered in many of
them, engineers found solutions and developed
492
methods and procedures that have given more and
more confidence in the technology. Increasing
tunnel length also increases the probability of dealing with a more varied geology along a given drive.
What will be needed tomorrow is a TBM capable of
boring into soft soil, cope with boulders, go through
rock masses, and handle extremely abrasive ground
over long distances.
The variety of grounds that a TBM will face within
a same tunnel can be such that theoretically different types of machine should be used. But contractors are more and more tempted by multi-mode and
(re)configurable TBMs, in order to save huge investment costs and the consequences of difficult and
risky operations such as dismantling a TBM inside
a tunnel. Reconfiguration (i.e. changing tools from
one type to another, but also from one operation
mode to another, e.g. open mode to slurry, or even
EPB to slurry and vice-versa) must be anticipated,
and will be performed at programmed points along
the tunnel.
• On-board geological prediction
Boring deeper tunnels generates new problems for
geologists, who have greater difficulty in accessing
and probing the ground where the tunnel wills be
built. Preliminary studies will cost more, and it is
likely that in the end insufficient data – or less accurate data – will be made available to support the
actual TBM operation.
Boring more demanding tunnels incorporates an
inherently increased level of risks, which are partly
related to geology and its local changes. The need
for accurate local geological data is therefore bound
to increase, and consequently the production of
such data will be shifted to the TBM side, with requirements for real-time and reliable information, even
at a microscopic scale.
Geological analysis systems that can be used in
tunnelling are available commercially, with known
ranges of application and obvious limitations. Most
require highly skilled expertise for the on-line analysis of the produced data. Further developments
are under way, using various approaches and
detection technologies (electrical, seismic, radar).
These techniques need to be turned into actual instruments that can be effectively implemented onboard TBMs, and operate reliably in segment-lined
tunnels. As opposed to medical research (imaging
technology) and oil/gas extraction, the stakes are
obviously insufficient to raise adequate funding. A
M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
more global effort is required if this part of the system is to be ready in due time.
• Ground improvement and stabilisation
Maintaining a stable face and surrounding
ground above and around the tunnel is one of the
basic requirements in tunnelling. When faced
with complex geology, ground stabilisation is
likely to be required and the TBM must incorporate adequate drilling and grout injection equipment. Ground improvement will be necessary in
a continuous mode, in order to reduce water
inrush and/or reduce the nominal operating
ground pressure.
3.4 - Tunnel length
TBMs can only operate over a limited span of
approximately 10 km (closed mode) or 15 km (open
mode), and this poses a problem when tackling
some of the very long tunnels which are envisaged.
Consequently, boring tubes of over 20 km with pressurized machines means that at some point very
heavy maintenance work will be required, possibly
under water courses. This requirement must be
incorporated in the machine concept from the start
if tunnels such as the Bering Strait crossing (over
100 km) are to be bored.
However, it is likely that paying passengers have a
psychological barrier to using extremely long tunnels, even when traveling by train, which may very
well imply that the most extreme projects could
never get past the drawing board.
3.5 - TBM operation mode
Apart from pure rock sections of the tunnels, where
boring can be made in open mode, the previous
discussion demonstrates that the required TBMs
are obviously of a closed type. The issue therefore
takes us one step back to the question: EPB or
slurry?
This debate used to be focused on soil characteristics, and the choice was basically made based
on an expected grain size distribution, as follows:
EBP when the percentage of fines was high, slurry
when this percentage was low. In addition, a high
percentage of coarse gravel precluded the use of
EPBs [2], see figure 2A. However, thanks to improved products and techniques for ground treatment
and conditioning, this limit has become blurred
when considering standard depths and pressure
levels [3], see figure 2B. The choice is now made
more on investment cost and operational costs,
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TECHNICAL
Trends of Future Tunnel Projects and their Impact on the Design of TBMs
]
• Lifetime of tools and exposed parts
Most of the TBM maintenance activities are due to
wear and failure of mechanical parts, among which
the cutter head and its tools are the most exposed.
Increasing the lifetime of these parts will reduce the
requirements for human intervention.
A : ref. [2]
Figure 2 - Choice of EPB or slurry
TBM based on grain size distribution
- Improvements achieved through
soil conditioning
B : ref. [3]
• Predictive maintenance tools
Maintenance interventions can be either planned
or initiated upon the detection of a problem such
as a worn out or damaged part (e.g. tool, disc cutters). Implementing wear measurement or wear
prediction systems will allow for a better planning
of human interventions and reduce the total number
of operations inside the risky areas.
• Geological prediction
As described in paragraph 3.3, implementing local
geological prediction instruments contributes to risk
mitigation. Detecting and locating obstacles (faults,
boulders, former construction remains) ahead and
to the sides of the tunnel face will avoid potential
material damage that could entail risky maintenance operations.
required for sections where boring is done in the
bedrock, yielding faster advance, and reduced wear.
3.6 - Designing for risks
Risks are present in many aspects of tunnelling, and
high ground pressure makes most of them even more
critical. Risks concern the people working inside the
tunnel, buildings at the surface, and tunnelling equipment. Unmanaged risks potentially turn into casualties but also into project delays and huge costs.
We will focus here on the tunnel area and more
specifically on the TBM. A first level of risk is due to
geology, generating accidents such as sudden
ground or water ingress, collapse of face, TBM jamming, to name a few. Most of the remaining risks
are related to human interventions in exposed areas
such as the TBM cutter head and chamber, and in
the segment handling zone.
Following are the concepts that need to be further developed in order to address future tunnel
projects.
3.7 - Validation of concepts
Concept validation is a critical phase in any innovation process, but the specificities of tunnelling
add up with the levels of required innovation and of
risk to make this even more critical.
Testing a TBM in actual operational conditions is
virtually impossible in the factory, therefore alternatives are needed to test subsystems independently.
Simulation tools are vital in this process. Geomechanical modelling should be integrated into structural mechanics modelling, which will allow virtual
testing of the TBM behaviour within its surrounding
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
M
together with considerations for the environmental
impact that usually favours the EPB solution.
Operating a TBM in a continuous high-pressure
condition produces excavated material that has to
be transported across a 20-bar pressure difference.
With regards to this, the fully hydraulic design of
Slurry TBMs offers many advantages over the EPB
concept. Although very long screws can be designed and have indeed been implemented, there is
currently no experience at so high pressures.
Screws are prone to intense wear, and this will be
exacerbated at high pressures. Screws also present
a risk of going into a flow-through situation that cannot occur on slurry systems. Altogether slurry
machines offer better face control, which greatly
limits the risks when performing maintenance operations. Such risks are simply not acceptable with
pressures of 20 bars, and a slurry machine is
without a doubt the best candidate for deep tunneling in difficult conditions. However, these machines
should also offer operation in open mode, which is
• Safety in maintenance
Implementing wear resistant parts and wear prediction features will reduce – but not fully eliminate
– the need for maintenance. Special care must therefore be given to the design of the cutter head in
order to offer protection to maintenance operators.
Tools and disc cutters should be made easily replaceable.
Hyperbaric operations must be expected and planned for, and the related saturation diving equipment
must be incorporated, both inside the TBM and at
the surface.
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[ Trends of Future Tunnel Projects and their Impact on the Design of TBMs
ground, using real life cases based on available
geotechnical data and previous tunnelling experience.
Special attention needs to be given to endurance
testing of key components.
4 - Conclusion - Looking intothe futureTunnelling is a risky operation, but is not
unique in this respect. In other sectors, we
have witnessed that man was constantly
searching for solutions that would make his
life easier and safer, and we can anticipate
that this will also be the case in tunnelling.
Risks also have a cost, and increasing the
cost effectiveness – or business profitability
– is another driver towards risk mitigation.
Calling upon the services of deep sea divers
used to be the only possible way of handling
underwater offshore work. At depths above
50 metres this type of work is now widely
done by robots and through teleoperation.
This approach does reduce human risks related to the pressure level (e.g. decompression
accidents), but also abolishes the limitation
on the working time that humans can sustain
in such conditions. Similar examples can be
found in the space exploration sector and in
the nuclear industry [4].
Based on such successful experiences, we
can anticipate that the tunnelling industry will
in turn introduce and progressively rely on
increased automation and robotics.
We believe that TBMs will face the coming
challenges and keep up with their promise
of being the most efficient method for tunnelling. This can only be achieved through a
common effort and cooperative work between
the TBM manufacturers and contractors, and
support from the scientific community. We
have no doubt that on this condition we will
all succeed and come up with innovative solutions: deep and difficult tunnels are a necessity and will become reality. t
MMM-References• [1] J. Holzhäuser, S.W. Hunt, C. Mayer, Global Experience with Soft Ground and Weak Rock Tunneling
under Very High Groundwater Heads, North American Tunneling 2006, Taylor & Francis, pp. 277-289,
2006
• [2] U. Maidl, Active confinement pressure control with foam - A comparison between slurry and
earth pressure balanced shields, 2001
• [3] M. Thewes, TBM tunnelling challenges - Redefining the state of the art, World Tunnel Congress
2007, Taylor & Francis, 2007
• [4] L. Parker, J. Draper, Robotics applications in maintenance and repair, in: Handbook of Industrial
Robotics (ed. S. Nof), Wiley, 1999
Acknowledgements
The authors wish to thank M. A. Richard and M. R. Kastner, for their kind and helpful support in preparing this paper.
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