Actuellement en cours à Aulnay-sous-Bois, le projet de recherche TULIP vise à mieux caractériser l’impact du creusement d’un tunnelier sur les fondations profondes des ouvrages situés à proximité. Une étape clé de cette étude vient d’être franchie avec le passage du tunnelier Armelle sous l’emprise accueillant ce dispositif destiné à capter le moindre mouvement venu des profondeurs.

Dispositif du projet TULIP à Aulnay-sous-Bois
Deux des trois amas d'acier qui constituent le dispositif du projet de recherche TULIP et qui récréent artificiellement le poids d'un immeuble.

Au plus près du tunnelier

Malgré son nom printanier, le projet TULIP ne s’intéresse pas à ce qui se passe au-dessus du sol, mais bien à ce qui se passe en-dessous, à plus de 15 mètres de profondeur. Conjointement mené par la Société du Grand Paris, l’Ecole Nationale des Travaux Publics (ENTPE), le Centre d’Etudes des Tunnels (CETU) et l’Université Gustave Eiffel (UGE), TULIP – Tunneliers et Limitation des Impacts sur les Pieux – est un projet de recherche dont l’objectif principal est d’optimiser la prévision de l’impact du creusement du tunnelier sur les fondations profondes des bâtiments situés à proximité immédiate des chantiers.

Savoir avec précision ce qui se produit sous terre pendant le passage d’un tunnelier reste une problématique techniquement complexe, les procédés de surveillance du bâti utilisés pendant et après les travaux s’appuyant uniquement sur des instruments placés en surface. Innovant, le projet TULIP repose sur un système de mesure très précis, directement ancré en souterrain. Son enseignement pourra ainsi compléter les techniques d’auscultation terrestre par théodolites et l’interférométrie, méthode de surveillance des déformations de sol par satellites.

Théodolite, instrument de mesure topographique
Théodolite, instrument de mesure topographique

Expérimentation en vraie grandeur

En surface, le projet TULIP prend la forme de trois grands amas d’acier de 240 tonnes chacun qui reproduisent artificiellement le poids d’un immeuble de plusieurs étages. Ils ont été édifiés sur un chantier situé à proximité de celui de la future gare Aulnay, qui sera desservie par la ligne 16 du Grand Paris Express. Uniquement dédié à cette expérimentation, ce site a récemment été traversé par le tunnelier Armelle qui, parti du puits Braque à Aulnay-sous-Bois, creuse un tunnel de 3,3 km en direction de l’ouvrage Hugo au Blanc-Mesnil.

Chaque amas de poutres métalliques repose sur un pieu en béton de 50 cm de diamètre, descendu à une profondeur comprise entre 15 et 21 m, au-dessus et en bordure immédiate de la cote du tunnel. Ces trois éléments de fondation verticaux sont chacun équipés sur toute leur longueur de quatre fibres optiques et de 32 cordes vibrantes qui renseignent sur leur déformation et leur déplacement quand le tunnelier passe à proximité. Ce dispositif est agrémenté de 50 cibles topographiques placées en surface, le long de l’axe du tunnel, et de nombreux capteurs implantés dans le sol, à 30 m de profondeur, autour des pieux. Chargés de mesurer les variations de la nappe phréatique et les déformations du sol, ils sont complétés par des accéléromètres verticaux et 3D, installés en surface, mais aussi dans le tunnelier, qui enregistrent les vibrations.

Capteur de vibrations installé en surface
Installé en surface, l'accéléromètre capte les vibrations du sol.

Etat zéro

Le projet TULIP est récemment entré dans sa phase active avec le passage du tunnelier Armelle sous ce dispositif. Avec une cadence de creusement journalière de l’ordre de 10 m, le train-usine a mis environ sept jours pour traverser les 4 860 m² de superficie de cette emprise expérimentale. Pendant cette phase sensible, qui débute généralement 10 à 15 m avant l’arrivée du tunnelier et qui s’achève quelques heures après l’excavation, une fois les voussoirs posés et solidarisés au terrain, les chercheurs ont enregistré l’ensemble des paramètres mesurés grâce à l’instrumentation mise en place, de façon à quantifier les éventuelles déformations et contraintes induites par le creusement.

Mais le travail sur le terrain n’est pas fini pour autant. Pour exploiter au mieux les données récoltées pendant le passage du tunnelier, des mesures sont aussi effectuées 30 à 40 jours avant et après. Pour ce faire, le dispositif a été mis en place quelques mois avant l’arrivée d’Armelle, de façon à identifier les éventuelles mesures parasites et instaurer un état zéro de référence juste avant le creusement, les variations de température et d’ensoleillement pouvant par exemple provoquer des déplacements dans les capteurs de surface. La période d’observation se poursuit un mois après l’excavation pour surveiller le retour à un régime d’équilibre.

Pieu en béton et son vérin soutenant un amas d'acier de 240 tonnes
Tête de l'un des trois pieux en béton, surmontée d'un vérin qui supporte un amas de 240 tonnes de poutres métalliques.

La ligne 16, un choix stratégique

Cette phase d’acquisition et d’analyse de données sera suivie par des travaux de modélisation qui permettront une meilleure compréhension des conséquences du passage d’un tunnelier sur le bâti en surface et le développement d’un outil de prévision numérique applicable à plus grande échelle, à commencer par les lignes 15 Est, 15 Ouest et 17 du Grand Paris Express.

Car la ligne 16, qui accueille ce projet TULIP, n’a pas été choisie par hasard. Si la temporalité des travaux permettait la mise en place de cette instrumentation conséquente sur son tracé, la nature des sols sous le site est aussi représentative de ce qu’on peut trouver sur un grand linéaire de la ligne. Marne et calcaire de Saint-Ouen, sable argileux de l’horizon de Beauchamp constituent le sous-sol de ce chantier. Une certaine homogénéité étant observée à l’échelle du bassin parisien, un enseignement satisfaisant pour les autres lignes pourra être tiré grâce aux informations recueillies.

L’intérêt de la ligne 16, c’est aussi qu’elle dessert des quartiers urbains particulièrement denses : 3 400 avoisinants se trouvent dans sa zone d’influence géotechnique, 300 bâtiments ont des fondations profondes et 60 d’entre eux sont situés en plan à moins de 10 m de l’axe du tunnel du nouveau métro. Une caractéristique essentielle pour mieux cerner les interactions potentielles entre les fondations des ouvrages existants et le processus de réalisation des tunnels.
 
En effet, pour optimiser à la fois les coûts et le fonctionnement de l’infrastructure, il est nécessaire que les ouvrages soient construits à des profondeurs limitées. A l’inverse, la préservation du bâti avoisinant impose d’enfouir suffisamment l’infrastructure pour limiter l’impact du creusement du tunnelier et maîtriser le risque d’endommagement du bâti. Expérimenté dans un environnement très urbanisé, le projet TULIP constituera donc un support privilégié pour l’étude de la phénoménologie d’interaction entre le tunnelier, le terrain et les pieux de fondation.
 
Dispositif du projet TULIP photographié par un drône
Le dispositif du projet TULIP photographié par un drône