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L'ENDOMMAGEMENT DES TUNNELS DE
MONTAGNE EN LIAISON
AVEC LES CHAMPS DE FAILLES ACTIVES
L'ENDOMMAGEMENT
DES TUNNELS DE MONTAGNE EN LIAISON
AVEC LES CHAMPS DE FAILLES ACTIVES
L'analyse des dégâts survenus aux
tunnels de montagne dans la région
de Kobé lors du séisme nistorique
de janvier 1998 (7,3 de magnitude)
confirme que les ouvrages souterrains se comportent mieux que les
autres ouvrages. Elle conduit à préconiser d'armer les revêtements
dans les zones taillées à risque sisroique.
Shunsuke SAKURAI
Professeur à l'Université de Kobe
Président de la
Société Internationale
de Mécanique des Roches
NI
DAMAGE TO
WWELS
IM CONNECT1ON WITH ACTIVE
F&ULTHEWS
analjrsis of damage occu/mg sa
tunnels oftae Kobe région
duriag Japsn's Mstoric carthqaake
of Fanuary 199S (7.2 magnitude)
coo/irms thst underground structures are œore résistant thm others.
fhis bas led to U& recommandation
that payement surfaces in cracked
carthquake-proae zones should be
reinforced,
ous assistons, et nous assisterons vraisemblablement encore
plus dans les prochaines décennies, au développement d'ouvrages
souterrains pour assurer ou abriter différentes activités économiques :
• de transport (tunnels, parkings ...),
• de production d'énergie (centrales
souterraines..,),
• de stockage : hydrocarbures, déchets...
L'utilisation de l'espace souterrain présente de nombreux avantages en matière d'aménagement du territoire et de protection de l'environnement, mais elle comporte également certains risques pour les personnes et l'environnement si ces ouvrages sont affectés par des phénomènes qui modifient dangereusement l'intégrité de leur confinement.
De plus, l'investissement qu'Os représentent le plus souvent amène à rechercher, pour ces ouvrages, une longue durée de
vie et une grande sûreté de fonctionnement.
Dans l'évaluation des risques auxquels sont soumis les ouvrages souterrains, leur sensibilité à l'aléa sismique doit être évaluée avec soin.
Il est généralement admis que les ouvrages souterrains sont moins sensibles aux séismes que les ouvrages de surface. De
nombreux exemples existent décrivant l'absence de conséquences de tremblements de terre sur des travaux miniers profonds situés dans des zones où la surface a été sérieusement affectée par le séisme. Les ouvrages souterrains à plus faible
profondeur sont aussi généralement peu atteints par les séismes, à l'exception toutefois de zones qui sont proches de certaines failles ou entourées de terrains meubles ou déformables.
Pour prévoir le comportement de ces ouvrages sous l'influence d'un séisme, on peut certes penser à utiliser les outils scientifiques de modélisation approchant la physique du phénomène, mais cette approche est difficile, en particulier pour intégrer l'aléa sismique dans les modèles. Une autre voie consiste à utiliser une méthode plus empirique basée sur le retour
d'expérience des comportements effectivement mesurés ou observés lors de séismes.
C'est cette approche que propose Shinsuke Sakurai qui s'est livré à une investigation systématique de nombreux tunnels situés dans la région de Kobe après le grand séisme historique de magnitude 7,2 qui survint en janvier 1995.
Les enseignements tirés de cette étude sur l'influence de certains champs de faille sont importants à connaître par tous ceux
qui ont à évaluer les risques auxquels sont exposés les ouvrages et à proposer des moyens de les limiter.
Cette problématique a d'ailleurs amené récemment l'APTES et l'AFPS* à créer un groupe de travail commun qui puisse rassembler les connaissances acquises et les communiquer aux maîtres d'ouvrage, maîtres d'œuvre, bureaux d'étude et organismes de sécurité, afin de leur fournir les éléments susceptibles d'adapter au mieux les ouvrages au milieu dans lequel ils
sont creusés et aux sollicitations dynamiques auxquelles ils sont susceptibles d'être exposés.
Jean-François RAFFOUX
Directeur Scientifique
de l'INERISQ)
Francis WOJTKOWIAK
Délégué aux Risques Géotechniques
Direction Scientifique
de l'INERIS®
Coordinateur du groupe de travail
APTES -AFPS*
*AFPS : Association Française du Génie Parasismique
(I) INERIS: Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques
TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS — N° 144 — NOVEMBRE/DECEMBRE 1997
373
sur une longueur d'une dizaine
de kilomètres, avec un rejet
3
ô
s
[1] Faille de Nojima
[2] Faille de Kariya
10 15 PI Faille du large
de Suma
maximal 1,7m (horizontal) et
1,3 m (vertical) D'après la distribution focale des répliques,
l'extension totale est d'une trentaine de kilomètres M (Fig.2pî).
Si le mouvement du système de
failles de Rokkô est bien la
cause du séisme, la question se
pose de savoir comment ont résisté les nombreux tunnels qui
existent dans cette zone.
Figure 2 - Distribution focale des répliques (du 17
janvier au 14 février 1995'K
SW
1 - SITUATION
GEOGRAPHIQUE DES
FAILLES ACTIVES ET
DES TUNNELS
20
10
Foyer sismique
Le séisme de magnitude 7,2 qui a affecté le sud de la préfecture de
Hyôgo en janvier 1995 et dont le
foyer a été localisé à 15 km sous la
partie septentrionale de l'île d'Awaji
(34,6° N, 135,0° E) serait la consé-
Figure 1 - Analyse des enregistrements
sismiques'"
quence du déplacement vers le NE
de trois failles actives (Fig.l) !1). En
particulier, la faille de Nojima qui suit
l'axe du piedmont littoral NO d'Awaji
serait à l'origine de l'apparition en
surface d'un décrochement dextre,
Le massif montagneux de Rokkô est
émaillé d'une multitude de failles actives -Nojima, mont Yokoo, Suma, mont
Ege, NunobiM, mont Suwa, Gojobashi',
ÔtsuM, Ashiya, Uzugarnori, Kôyô... qui constituent le « système de failles
de Rokkô ». Ce système est recoupé
par de nombreux tunnels ferroviaires, routiers, aquifères (réseaux
de distribution et d'évacuation
d'eau), fluviaux. Notre enquête a
porté sur les tunnels en zone de
Tunnel de N
Faille du mont
Takatori';
Tunnels
Figure 3 - Situation des tunnels de montagne en relation avec le système de 'failles de Rokkô
(en tramé :zone de concentration des dommages) f" complété).
374
TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS — N° 144 — NOVEMBRE/DECEMBRE 19971
montagne. La Fig,3 en présente la situation géographique en relation
avec le réseau de failles actives.
NORD
SUD
1.1 - LE TUNNEL DE MAIKO
Tunnel en construction sur la rive
Honshû du grand pont qui enjambe
le détroit d'Akashi (région proche du
foyer sismique). Sans se situer à proprement parler dans une zone
faillée, il mérite l'attention en raison
de sa grande section (il abrite une
route à trois voies) et de sa mince
couverture de terrain peu cohérent
(groupe d'Osaka).
1.2-LE TUNNEL DE
DERIVATION DE LA
SHIOYATANI
Tunnel de 1,4 km construit par la
Nouvelle Méthode Autrichienne
(NATM) et acheminant les eaux de
dérivation de la rivière Shioyatani. Il
est traversé en son milieu par la faille
du mont Yokoo, une faille inverse de
4 km, à peu près rectiligne, orientée
NNE, marquant la frontière géologique entre le groupe de Kôbe au
NO et la formation granitique de
RokkôauSE(Fig.4).
1.3 - LES TUNNELS DES
MONTS EGE ET HIGASHI
(2 FERROVIAIRES, 1 FLUVIAL)
Dans la zone qui jouxte la faille du
mont Ege, la ligne électrifiée de
Kôbe est jalonnée de deux tunnels à
deux voies traversant l'un le mont
Higashi (longueur 140 m), l'autre le
mont Ege (670 m) avec une trajectoire à peu près parallèle à la faille.
Sous la ligne passe en outre le tunnel
hydraulique d'Ege acheminant d'est
en ouest les eaux de la rivière
Shinminato, (aménagement de la
Minato). Les deux tunnels ferroviaires sont des ouvrages maçonnés
en blocs de béton achevés en 1991,
le tunnel fluvial un ouvrage maçonné
en briques datant de 1961.
1.4-LES TUNNELS DE
NUNOBIKI ET DE SHINKOBE
Tunnels routiers à deux voies, propriétés de la Régie municipale du réseau routier de Kôbe. Situés en terrain granitique, tous deux croisent la
faille de Nunobiki.
1.5 - LE TUNNEL FERROVIAIRE
DE HOKUSHIN
Tunnel ferroviaire à deux voies. La
tête nord est traversée par la faille
de Yamada.
Figure 4 - Coupe géologique en long du tunnel de dérivation de la Shioyatani.
1.6 - LE TUNNEL DE KARATO
Tunnel routier à deux voies construit
par la Régie municipale du réseau
routier de Kôbe par une méthode
conventionnelle. La tête sud coïncide
avec la fin de la ligne tectonique
Arima-Takatsuki.
1.7 - LE TUNNEL SHINKANSEN
DE ROKKO
Tunnel de 16 km, à peu près parallèle à la faille d'ÔtsuM et croisant un
grand nombre de failles dont celle
de Gojobashi.
1.8 - LE TUNNEL HYDRAULIQUE
DE NISHIOKAMOTO
Tunnel de 2 m de diamètre, situé sur
le prolongement de la faille d'Ashiya.
Les documents établis lors de l'excavation font état d'une géologie très
défavorable, marquée par de nombreux points d'argilisation. La couverture atteint 70 à 80 m.
1.9 - LE TUNNEL DE BANTAKF
Tunnel routier à deux voies, propriété de la Régie municipale du réseau routier de Kôbe, construit par la
méthode NATM voici environ trois
ans. Il croise une faille considérée
comme la conjuguée de celle de
Gojobashi.
2 - ETAT D'ENDOMMAGEMENT DES TUNNELS
2.1 - LE TUNNEL DE MAIKO
Ce tunnel en cours de travaux de
grande section, de faible couverture
en terrain peu cohérent (formation
d'Osaka) a pourtant à peine souffert.
Le béton des revêtements internes
montre bien quelques dégâts au niveau de la partie centrale et des piedroits, mais qui sont assez superficiels pour ne pas poser problème.
Pourtant, d'après les relevés de la
largeur des fractures, le revêtement
des piédroits a dû supporter des déplacements horizontaux excédant la
dizaine de centimètres. Il semble
donc que le tunnel ait particulièrement bien résisté au séisme, d'autant
qu'en surface, un bâtiment de cinq
étages en béton armé situé au droit
du tunnel a vu dans le même temps
son rez-de-chaussée totalement détruit.
2.2 - LE TUNNEL DE
DERIVATION DE LA
SHIOYATANI
Ce tunnel hydraulique de 1442 m de
long et de 50 m8 de section, creusé
par la méthode NATM, a présenté
des détériorations (Fig.5) accompagnées de fissures (Fig.6) tant en
amont (nord) qu'en aval (sud) de la
faille du mont Yokoo qu'il croise
dans sa partie médiane. L'exploration de surface pratiquée le long de
la faille du mont Yokoo indique une
concentration des dommages sur
une ligne étroitement corrélée avec
la position de la faille ra. Les fractures
apparues en surface et l'ampleur de
leur mouvement suggèrent que l'on
a affaire à un décrochement dextre à
soulèvement NO représentant un déplacement allant de quelques centimètres à 10cmra.
Les résultats de cette exploration de
surface sont en accord avec la direction et l'amplitude des déplacements
dans le tunnel. Ainsi, tout porte à
croire que la faille du mont Yokoo est
une faille sismique.
2.3 - LES TUNNELS DES
MONTS EGE ET HIGASHI
On a dénombré dans le tunnel du
mont Ege un total de 5 fissures horizontales axiales localisées en clé, sur
la ligne des naissances et dans la
partie intermédiaire de la voûte.
Mais les dégâts les plus importants
ont été observés dans le tunnel du
mont Higashi : la Fig.7 présente la topographie de ce tunnel, la Fig.8 son
profil de fissuration, la Fig.9 le levé
géologique réalisé près de la tête est
TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS — N° 144 — NOVEMBRE/DECEMBRE 1997
37S
Vue développée de la voûte du piédroit
Décalage par ci
de 80 mm vêts l'est
Rancest
Flanc ouest
Flanc ooesi
\
2.5 - LE TUNNEL FERROVIAIRE
DE HOKUSHIN
Vue en plan du radier
•— Profil avant te séisme
Profil après le séisme
Figure 5 - Déformation transversale du tunnel de
dérivation de la Shioyatani
Figure 6 - Profil de fissuration du revêtement du tunnel de
dérivation de la Shioyatani.
(côté Minato). Ce tunnel a montré,
outre plusieurs fissures transversales en anneau d'une dizaine de
millimètres visibles à l'œil nu près
des deux têtes, de profondes fissures horizontales en clé de voûte au
niveau de l'épaulement sud sur toute
la longueur du tunnel, qui s'expliqueraient par l'application d'un écart
de pression depuis le flanc sud. Dans
les deux tunnels, les voies n'ont pas
subi la moindre déformation.
logues à celles qui ont touché le
béton de revêtement du tunnel de
Bantaki (voir plus loin).
2.4 - LES TUNNELS DE
NUNOBIKI ET DE SHINKÔBE
Les deux tunnels ne montrent aucune
trace de rupture consécutive aux
mouvements de faille. Par contre, le
tunnel de Nunobiki présente, vers la
tête est (côté urbain), d'abondantes
venues d'eau à travers les joints de
béîonnage de la chaussée.
On a aussi relevé, près de la ligne
des naissances, des ruptures ana-
La tête nord du tunnel a bénéficié
d'un revêtement en béton armé, en
prévision de la construction ultérieure de l'autoroute Osaka-Kôbe.
Cette précaution n'ayant pas été
étendue à l'ensemble du tronçon
contrôlé par la faille de Yamada, les
parties de tunnel non armées ont
montré des signes d'endommagement sismique. Pour autant, aucune
trace de rupture n'a été décelée tout
au long du tunnel. C'est ainsi que si
les revêtements non armés se sont
légèrement fissurés dans la région
faûlée sous l'effet des larges ébranlements sismiques, les parties en
béton armé n'ont eu à souffrir
d'aucun phénomène de ce genre. La
leçon que l'on peut en tirer pour
l'avenir est que le choix du béton
armé s'impose pour le revêtement
des tronçons traversant des zones
de failles actives.
2.6 - LE TUNNEL DE KARATO
La seule atteinte observée est la formation de petites fissures transversales dans le béton de revêtement
de la tête sud du tunnel, sans doute
imputable là encore à la proximité
du champ de failles et aux larges
ébranlements qui en ont résulté.
2.7 - LE TUNNEL SHINKANSEN
DE ROKKO
L'examen des parties remaniées du
revêtement bétonné n'a révélé au-
Résidence
universitaire
Sondage A
Sondage B
"Valeurs S.P.T.(N)°
0. 50
0, , . 50
-0,4
-03
-3,0
10m
-8,0
-9,6
Figure 7 - Situation du tunnel du mont Higashi.
Prise de jeu
10-18mm
3-6mm
des blocs
Décollement Fissuration
des blocs
des blocs
-5,9
-132
7-17mm
|
)
:
'
-14,9
-7,8
-9,9m
., , ,
^^
)
-16,9
-19,0
-20,5 •! . . . .
m
141,43m
Figure 8 - Profil de fissuration du tunnel du mont Higashi.
376
S.P.T. (Valeurs N) = Standard Pénétration Test
Figure 9 - Profil stratigraphique de la tête
«Minato» du tunnel du mont Higashi.
TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS — N° 144 —'NOVEMBRE/DECEMBRE 1997,
cune trace de rupture liée
aux failles L'auscultation du
tunnel demande néanmoins
a être poursuivie
zone
d'altération
zone
d'âiténiboQ
développement
defiactares
2.8 - LE TUNNEL
AQUIFERE DE
NISHIOKAMOTO
Le tunnel montre une profonde fissuration du béton de
revêtement qui est à rapprocher des dommages observes en surface, 70 à 80 m
plus haut (importantes crevasses, ruine de certaines
habitations) et qu'il doit à
l'évidence à son inscription
presque complète dans une
zone faillée et aux larges deplacements qu'il a dû subir
maigre son profond enfouissement
zone de
gnmite
fracturé
zone de
gnnutc
Rappelons qu'il s'agit d'un tunnel de
1766 m, datant de quatre ans et
construit par la méthode NATM La
Fig 10 en décrit le contexte géologique A la croisée d une faille considérée comme la conjuguée de la
faille de Gojobashi, la tête
«Nishmomiya» du tunnel est une région qui a beaucoup souffert (effondrements d'habitations ) vers
Takarazuka, au NNE de l'ouvrage
En ce qui concerne le tunnel luimême, les dommages sont concentrés dans la zone de faille occupant
sa partie médiane, et prennent la
forme d'un décollement partiel du
revêtement secondaire de béton
armé et d'une mise à nu des armatures qui ont elles-mêmes flambé
(Photo 1) A signaler également des
signes de microfissuration transversale près de cette zone, et le relèvement d'une quinzaine de centimètres
d'un joint de la couche de fondation
en béton de la chaussée En revanche, aucune anomalie n'a été détectée au niveau du radier Ces
constatations militent en faveur d'une
détérioration de la couche de fondation par les chocs verticaux
^3mte
Notre enquête a permis de faire un
constat -les tunnels ont a l'évidence
mieux résiste au tremblement de
terre que les constructions de
surface- et de tirer quelques enseignements
graaite
fracturé
fimcmrâ
(argileux)
Figure 10- Coupe géologique en long du tunnel de Bantaia
(1) Les zones faillees ont été un
cadre privilégié de l'endommagement des tunnels Le moindre mouvement des failles a suffi à provoquer la rupture locale de l'ouvrage
(voir par exemple le tunnel de dérivation de la Shioyatam) Et même si
les failles n'ont pas bougé les zones
faillees offraient un module élastique
assez bas pour imposer à l'ouvrage
des déplacements de grande amplitude
(2) Les revêtements secondaires en
béton armé ont résisté efficacement
aux sollicitations sismiques II
convient, pour les projets de tunnel
futurs, d'examiner la possibilité
d armer les bétons de revêtement
dans les zones faillees
(3) Les tunnels des monts Higashi et
Ege (1991 maçonnerie de béton)
aussi bien que le tunnel fluvial du
mont Ege (1961, maçonnerie de
briques) n'ont subi pratiquement
aucun décollement de leurs éléments de maçonnerie (blocs de
béton ou briques)
Remerciements
4 - CONCLUSION
zoœ de granœ
zone de
granité
granité
(argileux)
2.9 - LE TUNNEL DE
BANTAKI
zone
d'altération
Le Professeur Y Kitamura et son assistant S Akutagawa de la Kobe
University, Faculty of Engineering,
Department of Civi Engineering, ont
apporte une aide précieuse a la réalisation et au dépouillement de l'enquête qui a sous-tendu cette étude
Qu'ils en soient vivement remercies
BIBLIOGRAPHIE
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terre survenu au sud de la préfecture de Hyôgo le 17 janvier 1995»,
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City Umversitv «Hanshin Daishmsai»
Gakuiutsu Chôsadan mars 1995, pp
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1995 Hanshm-Awaji Gréât Earthquake Research report Construction
Engineering Research Institute pp
73-79(11)795) •
TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS — N° 144 — NOVEMBRE/DECEMBRE 1997
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