Les principaux facteurs géologiques affectant l'efficacité d'excavation des TBM

La résistance à la compression uniaxiale (UCS) de la roche est un indicateur clé pour évaluer l'applicabilité des tunneliers (TBM) et prédire l'efficacité de la progression, bien qu'elle ne soit pas le seul facteur déterminant.

Dans les projets de tunnelisation par tunneliers, des investigations géologiques complètes sont essentielles. Celles-ci constituent la base de la sélection et de la conception scientifiques des équipements. De plus, la phase de construction doit être soutenue par des systèmes de sondage avancés robustes et des stratégies de réponse flexibles pour finalement assurer l'avancement sûr et efficace du tunnelier.

La résistance à la compression uniaxiale des roches est l'un des facteurs géologiques critiques déterminant l'efficacité de conduite des TBM. En général, les TBM atteignent des performances optimales dans les roches dures avec une RCU allant de 30 à 150 MPa. Lorsque la résistance de la roche dépasse 150 MPa et que le massif rocheux est intact avec des joints peu développés, une baisse significative du taux de pénétration se produit, accompagnée d'une série de problèmes : usure exacerbée des outils de coupe, vibrations anormales de la tête de coupe, usure accélérée et même fissuration des soudures. Ces conditions augmentent considérablement le temps d'arrêt pour le remplacement des outils de coupe et la maintenance des équipements. Par conséquent, l'impact de ce facteur doit être pleinement pris en compte lors de la planification du projet.

Le degré de développement des discontinuités au sein du massif rocheux (y compris les joints, les lits, le feuilletage, les failles mineures, etc.), c'est-à-dire le degré de fracturation ou d'intégrité du massif rocheux, est un autre facteur géologique crucial influençant l'efficacité de la conduite de tunneliers. Même si les roches ont une résistance à la compression uniaxiale (UCS), une dureté et une abrasivité similaires, le taux de pénétration (profondeur de coupe par révolution) et le taux de progression nette d'un tunnelier peuvent varier considérablement si le degré de développement des discontinuités diffère.

Des paramètres tels que le Coefficient d'Intégrité du Massif Rocheux (Kv), le Nombre Volumétrique de Joints (Jv) ou le Rock Quality Designation (RQD) sont couramment utilisés pour quantifier le développement des discontinuités. Généralement, un taux de progression nette plus élevé est obtenu dans les massifs rocheux d'une bonne intégrité et avec des discontinuités relativement rapprochées, car des discontinuités modérées facilitent la rupture de la roche et réduisent la résistance à la coupe.

Cependant, la situation s'inverse lorsque le massif rocheux est intensément fracturé (par exemple, une densité de joints extrêmement élevée entraînant une valeur Kv inférieure à 0,25). Dans de tels cas, le massif rocheux devient brisé ou même lâche, sa résistance globale diminue considérablement et il manque de capacité d'auto-support. Bien que les outils de la TBM puissent atteindre une plus grande pénétration (c'est-à-dire un découpage plus facile) dans cette roche fracturée, le sol environnant très instable est sujet à l'effondrement ou à la déformation de convergence. Cela nécessite un investissement de temps significatif pour des mesures de soutien temporaires (par exemple, l'installation d'arcs en acier, le béton projeté, le boulonnage de roche) afin d'assurer la sécurité de la construction et la stabilité des parois du tunnel. Ces opérations de soutien supplémentaires consomment considérablement le temps d'avancement, entraînant finalement une diminution du taux de progression net de la TBM dans ces sections. Par conséquent, des discontinuités excessivement développées, tout en réduisant la résistance intacte de la roche, deviennent une contrainte sur l'avancement efficace de la TBM en raison de la demande de soutien considérablement accrue.

La dureté de la roche est un facteur essentiel déterminant son abrasivité. Généralement, plus la dureté de la roche est élevée, plus son abrasivité est grande, ce qui accélère directement l'usure des molettes de tunneliers (Tunnel Boring Machine). Il en résulte une consommation plus rapide des molettes, ce qui non seulement augmente les coûts de construction, mais entraîne également des temps d'arrêt plus fréquents pour le remplacement des molettes, réduisant ainsi le taux d'avancement global.

L'abrasivité de la roche est significativement influencée par sa composition minérale, en particulier la teneur et la granulométrie des minéraux durs tels que le quartz. Une teneur plus élevée et une granulométrie plus importante de ces matériaux abrasifs entraînent une usure accrue des molettes.

Afin d'évaluer objectivement le potentiel d'usure de la roche, le test d'abrasivité CERCHAR est adopté internationalement pour déterminer l'indice d'abrasivité CERCHAR (CAI). La valeur du CAI est devenue un indicateur important pour quantifier l'abrasivité de la roche et prédire son impact sur l'usure des molettes et l'efficacité de la conduite des tunneliers.

Lorsque l'angle entre la direction des discontinuités majeures dans la masse rocheuse (par exemple, les joints, les strates) et l'axe du tunnel est inférieur à 45°, associé à un angle de pente doux (inférieur à 30°), des blocs instables en forme de coin ont tendance à se former dans la roche environnante au-dessus des renforts du tunnel et dans la zone de la voûte. Cette combinaison structurelle défavorable rend ces coins très susceptibles de se desserrer, de tomber ou même de s'effondrer à grande échelle, ce qui perturbe gravement les opérations normales de la TBM et réduit l'efficacité, tout en posant des menaces directes à la sécurité des équipements et du personnel.

Il convient de noter qu'un angle compris entre 50 et 70 degrés entre les discontinuités majeures et l'axe du tunnel est généralement le plus propice à l'obtention de taux d'avancement plus élevés.

Par conséquent, une étude pré-construction précise des orientations des discontinuités de la masse rocheuse est cruciale pour prédire et prévenir de tels risques, garantissant ainsi une construction de tunneliers sûre et efficace.