Discuter:Tunnel
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Dans le monde d’aujourd’hui les communications et les transports jouent un rôle économique et politique important. (Politiques étrangères favorables, tourisme, etc..) La route étant l’un des moyens les plus utilisés pour le déplacement des personnes et des marchandises, il est donc important que le réseau routier ne soit pas arrêté par les frontières naturelles. Les tunnels sont donc des constructions visant à faciliter les voies de communications entre deux régions, deux pays. (Exemple : tunnel du Mont Blanc et le tunnel sous la manche). Ces édifices creusés dans diverses roches sont très coûteux et difficiles à construire. Nous nous sommes posés les questions : « Comment cela marche-t-il ? » et « Comment cela ne s’effondre pas ? ». Mais ce qui nous intéressait le plus était de savoir pourquoi les tunnels ont-ils une forme semi-cylindrique ? Pour répondre à cette problématique nous avons décidé dans un premier temps de voir si d’autres formes étaient envisageables pour construire des tunnels. Nous avons donc réalisé une série d’expérience ou nous avons construit des maquettes différentes de tunnels et nous les avons soumises à des conditions semblables à celles des vrais tunnels pour voir laquelle serait la meilleure. Nous avons observé ce qu’il se passait et tiré des conclusions. Dans la seconde partie nous avons recherché dans diverses bases de données pour expliquer pourquoi certaines maquettes se sont effondrées et pourquoi certaines ont mieux résisté. Nous avons aussi repéré la forme la plus adaptée pour un tunnel et avons donc expliqué pourquoi celle-ci était optimale.
PARTIE 1 : Expériences
Les différentes expériences
1) la meilleure forme pour un tunnel
Nous avons menés diverses expériences, afin de savoir lequel de ces 3 formes résiste le mieux au poids de la terre : - le rectangle
- le triangle - le cylindre
Le matériel utilisé était : - du carton fin pour la construction des formes - du sable et du gravier pour remplacer la terre - du cellophane autour du carton pour l’étanchéité des formes - de l’eau car c’est l’élément le plus lourd dans le poids de la terre - des petits bocaux en verre afin de voir à travers - une caméra - stylos, ciseaux etc. Nous avons essayé au maximum de mettre le même poids sur chaque forme. Notre hypothèse était que c’était la forme cylindrique qui résisterait le mieux car c’est la plus utilisée. Le tableau ci-dessous montre les différents résultats obtenus :
Formes : Rectangulaire Triangulaire Semi-Cylindrique
SABLE Le rectangle s’est effondré sur sa partie supérieure, où la majorité du sable se tenait. Le triangle s’est écrasé sur ses côtés Le semi-cylindre a bien résisté à la force du poids du sable. Il n’a pas beaucoup bougé de sa position initiale.
SABLE+ EAU L’eau l’a complètement détruit. Carnage !! L’eau a amplifié la force sur ses côtés et l’a complètement détruit. Même après l’ajout de l’eau, le cylindre a contenu ce poids. Il a quand même subi un léger aplatissement du dessus.
En conclusion : le semi-cylindre est la meilleure forme pour la construction d’un tunnel par le fait qu’elle résiste le mieux au poids de la terre et de l’eau. La force s’est répartie sur toute la surface du cylindre.
Remarque : on a observé quand même que le rectangle a mieux résister que le triangle car le triangle n’est que résistant sur son sommet, tandis que pour le rectangle c’est sur ses côtés droit et gauche que repose l’appui. Le cylindre, lui ,est résistant sur toute sa surface. On peut donc établir la relation suivante : cylindre > rectangle > triangle.
2) le meilleur arc :
Dans l’expérience précédente, nous avons conclu que c’était forme cylindrique la meilleure. Maintenant il s’agit de savoir quel le meilleur arc. Après quelques recherche, on a vu qu il existait 3 sortes d’arcs :
Nous avons utilisé le même matériel que pour la première expérience. Le tableau ci-dessous indique les résultats de ces expérience.
FORME : ARC 1 ARC 2 ARC 3 SABLE + GRAVIER Le tunnel ne bouge pas. Aucne modification. Le tunnel ne bouge pas. Il semble bien résister. Le sable le déforme et semble le pousser par en dessous pour finalement soulever le tunnel. Il le tord AJOUT D’EAU L’arc semble parfait, l’ajout d’eau n’a rien changé Le dessus commence par s’onduler puis s’aplati un peu. Il y a infiltration d’eau. Cela n’arrange guère sa déformation. Cet arc comprend le plus de défaut.
CONCLUSION : C’est le premier arc qui est le meilleur et le plus résistant. Le second est pas mal non plus mais il subit quelques modifications. Le troisième est le pire. Cela peut s’expliquer par le fait que l’arc 1 est un peu plus aplati que l’arc 2 donc de ce fait, le sable est mieux réparti sur la surface du tunnel que l’autre. Le poids sur chaque point de la surface du tunnel est plus faible. ( Les explications des forces qui s’appliquent sur les formes et les différents arcs se trouvent sur le DVD, le flash et dans la partie suivante)
PARTIE 2 : Explications
I résistance
Pour que le tunnel puisse soutenir le poids des roches sans qu il s écroule, il faut donc qu il y ait une force R, dite de résistance, supérieure à la force exercée par les roches.
Les deux points les plus importants dans le tunnel sont les bases. Ceux ci sont les piliers du tunnel. En effet, ceux sont les seules parties du tunnel qui sont en contact avec le sol, ainsi il y a une force de résistance qui est transmise sur l’ensemble de la structure du tunnel (vu d’une coupe de face). Comme la plus grosse des résistances vient de ces deux parties, on renforce les deux bases par des blocs de béton : Comme le schéma ci-dessous.
Un autre point important dans la construction d’un tunnel est la clef de voûte, claveau central, qui bloque les autres pierres dans la position voulue. Cette pièce sert donc à faire tenir toute les autres. C’est aussi la plus dur à placer, car c’est la dernière pièce mise lors d’une construction de tunnel. En fait c’est elle qui subit la plus grande partie des forces de compression de sa position centrale dans un tunnel. Les bloques constituant l’arc du tunnel sont aussi soumis a des forces de tous coté
La définition géométrique du profil en travers excavé résulte de la recherche de la forme optimale permettant de satisfaire les exigences relatives : • Aux dispositions constructives induites par le respect du parti fonctionnel ; • aux conditions de stabilité imposées par la qualité géo mécanique du terrain encaissant ; dans un terrain très déformable ou soumis à des contraintes importantes (faible valeur du module de déformabilité, très importante épaisseur de couverture, terrain gonflant, comportement différé très marqué, charge d'eau importante, etc...) il sera recherché la forme la plus circulaire possible ; alors que dans un terrain où l'excavation au rocher est auto stable, il pourra être adopté un profil en travers en voûte surbaissée à plusieurs rayons ; • au procédé d'exécution : l'emploi d'un tunnelier implique un profil circulaire alors que dans le cas de tranchées couvertes réalisées depuis la surface, le profil en travers est quasiment toujours rectangulaire. Pour des raisons d'économie et d'esthétique, il convient d'adopter un profil, le plus uniforme possible, tout au long de l'ouvrage ; en particulier, dans les cas où un profil circulaire ne s'impose que sur une longueur assez courte, il vaudra souvent mieux renforcer très fortement (augmenter l'épaisseur du revêtement, ferrailler le béton, le profil courant non circulaire, plutôt que d'appliquer sur toute la longueur de l'ouvrage la forme circulaire.
La résistance du tunnel doit soutenir les forces qui lui appuient dessus. Ainsi, le facteur de la forme du tunnel n’est plus la seul cause de la grande quantité de résistance aux roches et a l’eau, mais c’est en partie grâce aux différents types de matériaux utilisés lors de la construction du tunnel. II matériaux
Dans cette partie nous allons parler de matériaux utilisés pour la construction des tunnels, mais aussi de la manière de construire selon la nature des roches.
a) matériaux du tunnel
La conception et la réalisation de grands ouvrages souterrains doivent s'accommoder d'un nombre élevé de données incertaines liées aux conditions géologiques, à leur traduction en choix constructifs et aux travaux d'avancement eux-mêmes. Pour la construction du tunnel, on peut voir plusieurs couches de matériaux selon l’âge du tunnel. Pour les tunnels peu âgés, on fait en premier lieu, dès que le tunnelier creuse dans la roche, une projection de béton pour éviter que des roches se détachent et s’effritent, risquant d’ensevelir les ouvriers et le tunnelier mais aussi de détruire le tunnel. Puis on ajoute les briques, les canalisations, le plancher en goudron ou béton. Ce sont les briques qui sont la structure originelle du tunnel, car formée à partir d’argile, elles sont très résistantes à la compression. De plus elles ne sont pas chères, donc économiques pour la construction. Leur seul défaut est qu’elles sont lourdes à transporter et qu’il en faut une multitude. Puis on rajoute parfois encore du béton sur les briques pour le renforcer et ainsi résister mieux à la compression. En fin de compte, c’est le tunnelier créer la forme du tunnel, donc son arc et son angle.
Schéma des différentes couches pour un tunnel un peu âgé :
Pour la construction de tunnels modernes, on utilise la même technique de projection de béton ( 11 à 20 cm) pour protéger le tunnel et les ouvriers lors du forage dans la roche grâce au tunnelier. Par contre à la place des briques, on met une armature de béton armé (environ 40 cm), avec des fibres en acier pour le rendre plus résistant. Le béton armé est d’ailleurs l’un des matériaux le plus résistant à la compression. C’est un peu plus cher que les briques mais plus rapide à poser. C’est d’ailleurs cette technique que l’on utilise le plus aujourd’hui.
Schéma des différentes couches pour un tunnel moderne :
Afin de connaître la stabilité du revêtement, on utilise la formule suivante: (R+h) Cos(alpha)> R Avec R rayon entre le milieu de la distance entre les deux bases jusqu’au revêtement, h l’épaisseur du revêtement et alpha l’angle entre le sol à partir du milieu jusqu'à la partie du revêtement étudié.
b) nature des roches:
Selon le type de roches que l’on va creuser, on utilise une technique de forage bien particulière pour que cela ait le plus de réussite mais aussi le plus sécurisé. Cela dépend de la longueur du tunnel à creuser, la densité, la dureté, la structure et la qualité des roches. Mais aussi pour le forage du meilleur arc et les matériaux à utiliser, bien que ce soit le béton armé qui est le plus souvent utilisé.
Tout cela est résumé dans le tableau ci-dessous, pour chacune des caractéristiques précédentes, on a une technique de forage particulière :
La longueur du tunnel à réaliser est-elle importante ? La roche à excaver est-elle dure et de bonne qualité ? Méthode d'excavation probable Oui Oui Excavation au tunnelier ou à l'explosif Partiellement, par endroit Méthode mixte explosif/haveuse Non Excavation à la haveuse Non Oui Excavation à l'explosif Partiellement, par endroit Méthode mixte explosif/haveuse Non Excavation à la haveuse ( la haveuse est une machine un peu comme le tunnelier, qui abat le minérale en pratiquant une saignée le long de la taille)
Par exemple : Si la roche à excaver est de mauvaise qualité (roche marneuse friable, gonflante à l'eau, etc.) le tunnelier est vraisemblablement écarté. La structure de cette roche ne convient pas au tunnelier. L'emploi d'explosifs sera vraisemblablement également proscrit. Si par contre la roche est de nature calcaire, ou tout autre roche dure, l'emploi d'un tunnelier ou de l'explosif peut être envisagé. Remarque : On essaye quand même d’éviter de creuser dans de la roche de mauvaise qualité, lorsque cela est possible.
Pour le poids qu’exerce la roche sur le tunnel, cela dépend surtout de la nature de la roche. Mais c’est avant tout l’eau qui s’écoule, circule entre les roches, qui exerce une force considérable sur le tunnel. Une roche perméable, retient l’eau en elle, ce qui la rend plus lourde, tout comme la terre. Le terrain est gonflant et très déformable. Ainsi certaines zones du tunnel sont plus renforcées que d’autres, par plus de béton armé à un endroit par exemple. Il est donc nécessaire de construire des canalisations le long du tunnel afin de préserver sa structure en diminuant le volume d’eau qui s’exerce sur le tunnel. La construction d’un tunnel de nos jours est fait avec des matériaux solides, résistants à la compression comme le béton armé allié avec d’autres matériaux. Cette construction dépend de la nature des roches et de leurs qualités.
III Sécurité
Pour qu’un tunnel soit fiable il faut qu’il dispose d’un bon système de canalisation de l’eau. L’eau exerce une force considérable sur le tunnel, et celle-ci doit être interceptée dans des tuyaux afin qu’elle soit canalisée et qu’elle passe « à travers le tunnel » en appuyant dessus le moins possible. Aussi, le tunnel dispose de systemes de ventilation et pour certains de puits d’aération afin que personne ne meure étouffé dedans. Des sorties et des postes pour appeler les secours et les services d’urgences des compagnies qui possèdent le tunnel sont situes a intervalles réguliers. Tous les câbles électriques passent par le plafond et servent à alimenter les panneaux de signalisation, etc.… Des caméras sont situes à intervalles réguliers pour surveiller la circulation à l’intérieur du tunnel. Tous ces dispositifs doivent être étudiés pour être contenus dans le tunnel et ce, pendant la construction.
CONCLUSION :
Les tunnels sont soumis à une multitude de forces de compression incroyable. A chaque terrain correspond un type de tunnel bien particulier. Aussi selon l’argent disponible, les tunnels peuvent être plus ou moins bien construits. En général ce sont plutôt les matériaux qui diffèrent d’un tunnel à l’autre. L ‘architecture de base reste la même : la forme semi-cylindrique. En fonction du terrain, la forme de l’arc varie peu. Les matériaux utilisés sont tous forts en compression, notamment la clef de voûte qui supporte une partie importante des forces. Les blocs en béton de chaque cote de l’arc empêchent l’arc de s’affaisser, de s’écarter et le font résister aux tremblements de terre. Nous avons donc compris que la forme semi-cylindrique permettait entre autre de repartir les forces sur l’ensemble de l’arc et donc de le faire résister aux pressions énormes qui s’exercent sur lui.
- Bon, çà ressemble fort à un "projet" d'école d'ingénieur.. Et s'il n'est pas déjà publié, ce serait une pub super pour son ou ses auteurs.
- De toutes façons, il est beaucoup trop long pour être intégré.
- Et tout çà pour conclure savamment « que la forme semi-cylindrique permettait entre autre [c'est moi qui souligne] de repartir les forces sur l’ensemble de l’arc et donc de le faire résister aux pressions énormes qui s’exercent sur lui. » - ce que tous les constructeurs d'églises notamment savent depuis environ dix siècles, à ceci près que la forme semi-cylindrique n'est pas la meilleure (les voûtes en arcs ne sont pas semi-cylindriques), mais la plus pratique à mettre en oeuvre avec nos machines modernes, ce qui n'est quand même pas la même chose, messieurs les théoriciens!
- Intérêt nul -- Fr.Latreille 16 mai 2007 à 00:29 (CEST)
