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May 15, 2023

Innovations de conception et de construction pour le projet Pawtucket

Figure 1 – Carte de la zone du projet par Irwan S. Halim, Vojtech Ernst Gall et Stephane

Figure 1 – Carte de la zone du projet

Par Irwan S. Halim, Vojtech Ernst Gall et Stéphane Polycarpe

Le projet de tunnel de Pawtucket est la première phase du programme de débordement d'égouts combinés (CSO) Phase III de la Commission de la baie de Narragansett (NBC) conçu pour réduire les CSO des communautés de Pawtucket et de Central Falls dans le Rhode Island. Les phases I et II du programme étaient axées sur la région de Providence et ont été achevées en 2008 et 2015, respectivement.

Le tunnel de Pawtucket devrait avoir un diamètre intérieur fini minimum de 30 pieds et une longueur d'environ 11 700 pieds. Le tunnel sera un tunnel rocheux avec une profondeur d'inversion allant de 115 à 155 pieds. Le tunnel sera creusé à l'aide d'un tunnelier et doublé en même temps que des segments en béton préfabriqué avec joints. Ce projet est mis en œuvre à l'aide d'un processus de conception-construction. L'entrepreneur de conception-construction consiste en une coentreprise de CBNA et Barletta (CBNA-Barletta JV); également connu sous le nom de CB3A. Le concepteur principal est AECOM. GEI Consultants assiste AECOM dans le domaine de l'ingénierie géotechnique et de l'assistance sur le terrain. Les sous-consultants en conception comprennent Gall Zeidler Consultants, Mueser Rutledge Consulting Engineers et BETA Group.

La construction du projet de tunnel Pawtucket comprend un tunnel principal de transport et de stockage ; un puits de lancement et un puits de réception de tunnelier (TBM); station de pompage du tunnel ; puits de descente et de ventilation et galeries de raccordement. L'excavation du tunnel se fera avec un tunnelier hybride, capable de fonctionner en mode d'équilibre de pression de terre (EPB) à face pressurisée, ouvert ou fermé, si les conditions le justifient.

Au fur et à mesure de l'avancement du tunnelier, le tunnel sera revêtu de segments préfabriqués en béton armé de fibres d'acier. L'emplacement du projet est illustré à la figure 1 ci-dessous. Le puits de lancement du tunnelier a un diamètre de 60 pieds et une profondeur d'environ 150 pieds et est situé à proximité du puits de la station de pompage du tunnel (TPS) dans l'alignement du tunnel. Lors de la phase de conception de l'appel d'offres en tant que concept technique alternatif (ATC), le TPS et les puits de lancement ont été déplacés pour éviter une zone de cisaillement connue et rapprochés. L'arbre de lancement sera connecté à l'arbre TPS avec un tunnel collecteur d'aspiration de 10 pieds de diamètre. Un tunnel de queue TBM est fourni ainsi qu'un tunnel de départ TBM pré-excavé. Il y a quatre emplacements supplémentaires de puits de descente sur l'alignement du tunnel. Le puits de réception mesure 36 pieds de diamètre et 130 pieds de profondeur.

Toute la longueur du tunnel sera construite dans le substrat rocheux siliciclastique de la formation de Rhode Island recouverte de dépôts de till glaciaire et d'autres matériaux de remblai et sera située sous la nappe phréatique. Un système d'anneau conique universel à sept segments a été adopté, comme illustré à la figure 2. L'anneau de revêtement du tunnel mesure 14 pouces. d'épaisseur, 30 pieds, 2 pouces. de diamètre interne, et 6 pieds, 7 pouces. de longueur, et se compose de quatre segments réguliers de géométrie rectangulaire, de deux segments de contre-clé de géométrie trapézoïdale droite et d'un segment de clé en forme de coin. Tous les segments seront décalés pour éviter de créer des joints cruciformes qui pourraient causer des fuites et des dommages structurels en raison de la concentration des contraintes. Comme le segment de clé ne peut pas toujours être installé au sommet du tunnel, le tunnelier devra être en mesure de maintenir les segments en place lors de l'assemblage de l'anneau à l'aide d'un système d'érecteur et de rouleaux de support. La longueur de l'anneau a été choisie en équilibrant les facteurs de constructibilité (facilité de transport, d'assemblage et capacité à négocier les courbes) et les facteurs d'utilité (limitation du nombre de joints pour réduire les fuites et les coûts de production et pour augmenter le taux d'avancement du tunnel).

Figure 2 – Géométrie du revêtement du tunnel

Le bloc de clé en forme de coin est souvent conçu comme une pièce de plus petite taille que les autres segments car les segments plus petits sont faciles à manipuler. Dernièrement, un grand segment clé est de plus en plus accepté dans l'industrie. Notre conception a adopté des segments de taille similaire. Les longueurs de corde à l'axe sont d'environ 14,1 pieds pour les segments réguliers, 14,0 pieds pour les segments de contre-clé et 14,3 pieds pour le segment clé. Il est avantageux de rendre tous les segments de taille aussi similaire que possible pour des raisons structurelles et de constructibilité. Les joints longitudinaux régulièrement espacés à l'intérieur de l'anneau permettent d'augmenter la capacité de charge et de réduire les déformations de l'anneau. Le segment de clé plus grand peut également réduire la taille des segments réguliers (et donc le nombre de joints longitudinaux). Les segments ne seront pas boulonnés les uns aux autres au niveau des joints longitudinaux. Cela aidera à augmenter le taux d'avancement du tunnel car certains boulons sont éliminés. Les anneaux seront connectés les uns aux autres au niveau des joints annulaires à l'aide de 14 goujons équidistants (SOF FAST 110). De plus, 14 paires de connecteurs de cisaillement équidistants, c'est-à-dire des bicônes de cisaillement avec une âme en acier (Optimas Sofrasar F500), ont été spécifiées aux joints annulaires à des fins de centrage et de récupération de cisaillement aux ouvertures des galeries du tunnel, comme décrit plus loin.

À des fins d'étanchéité, un profil de joint de compression tout autour en éthylène propylène diène monomère (EPDM) (Datwyler M389 33 "Doha") a été spécifié à l'origine, mais l'entrepreneur a choisi d'utiliser un autre joint Algaher DV9 IS. Le joint de compression devrait résister jusqu'à 25 bars de pression hydrostatique dans le scénario de compression de conception et de décalage admissible, ce qui était suffisant pour résister à la pression maximale prévue des eaux souterraines de 5 bars. Les segments typiques seront renforcés par des fibres d'acier (pas moins de 60 livres par mètre cube de Dramix 4D 80/60). La résistance minimale requise à 28 jours adoptée pour la conception était f_c^'=6 500 psi de la résistance à la compression caractéristique et f_150^'D=700 psi de résistance à la flexion résiduelle à 3,5 mm de déplacement de l'ouverture de la fissure (CMOD). L'épaisseur du segment a été choisie pour résister à tous les cas de charge et conditions de service à court et à long terme. Pour atteindre la durée de vie souhaitée de 100 ans, l'épaisseur de segment sélectionnée (14 po) comprend jusqu'à 2,35 po de couche de béton sacrificielle pour protéger le revêtement du tunnel de la dégradation du béton due au gaz de sulfure d'hydrogène (H2S) de l'eau CSO. Le revêtement du tunnel a été conçu là où la perte de la couche sacrificielle n'a pas d'incidence sur l'intégrité structurelle de 100 ans du système de revêtement.

Figure 3 – Vérifications de la conception du revêtement du tunnel

Pour démontrer l'adéquation de la conception de revêtement de tunnel adoptée, la contrainte et la déformation du revêtement de tunnel ont été évaluées à l'aide d'analyses numériques bidimensionnelles (2-D) comme le montre la figure 3. Un total de cinq sections d'analyse ont été sélectionnées comme représentatives des variations. dans les profondeurs de mort-terrain et les conditions prévues du sol et des eaux souterraines. Parmi les cinq sections d'analyse, la section qui a été coupée à la station 118 + 00 s'est avérée régir la conception en raison de la présence d'une couche de schiste graphitique mou et faible intensément fracturée qui traversait l'alignement du tunnel. La couche de schiste graphitique est une couche subhorizontale d'environ 20 pieds d'épaisseur incrustée dans le substrat rocheux. Au cours de la phase de conception de l'appel d'offres en tant qu'ATC, l'alignement vertical du tunnel a été relevé de 25 pieds, ce qui a entraîné une réduction de l'épaisseur du revêtement de 15 pouces à 14 pouces et la suppression de l'exigence de segments hybrides renforcés (fibres et barres d'armature) pour la zone de schistes graphitiques.

L'analyse a été effectuée par étapes pour évaluer les forces de revêtement et les déformations sous diverses conditions de chargement prévues pendant la construction et tout au long de sa durée de vie. Ceux-ci comprennent la variation des niveaux d'eau souterraine prévus, l'assèchement des eaux souterraines pendant la construction et la traversée d'une zone de faille intensément fracturée. L'analyse a montré que le revêtement du tunnel sera capable de supporter les charges prévues et de répondre à l'exigence de distorsion annulaire pour toutes ces conditions. Une analyse sismique a été réalisée pour évaluer les effets des ondes sismiques se propageant verticalement perpendiculairement à l'axe du tunnel. Une analyse de soutirage transversal a été réalisée pour quantifier les déformations du soutirage et leurs effets sur le revêtement du tunnel. L'analyse a été effectuée à l'aide du même modèle FLAC recadré autour de l'ouverture du tunnel pour inclure les matériaux rocheux uniquement sans les matériaux de la couche arable.

La conception du segment a été vérifiée par rapport aux scénarios de chargement de la construction temporaire, y compris le décapage et la manutention d'une résistance minimale du béton de 1 800 psi, le stockage et le transport, le montage et les vérins de poussée du tunnelier poussant contre les segments, pendant le remblai et les injections de contact, et pour la charge et le segment du portique du tunnelier. chargeur immédiatement derrière le monteur.

La conception du joint de segment consistait à vérifier la capacité du système de goujons circonférentiels à maintenir les segments ensemble pendant le montage et à maintenir la compression du joint pour sceller adéquatement la pression hydrostatique de conception.

Le tunnel de Pawtucket est relié à quatre puits de descente par des galeries de tunnel le long de son alignement, trois des galeries sont illustrées schématiquement dans la figure 4 ci-dessus. Deux galeries sont prévues pour être construites par des méthodes d'excavation séquentielles (SEM) et la troisième sera construite par microtunnelage.

Figure 4 – Galeries reliées au tunnel foré

Les galeries du tunnel SEM seront construites à partir du tunnel principal par forage et dynamitage, comme illustré à la figure 5, avec une exploitation minière vers l'extérieur vers la base des structures de puits de descente. La troisième galerie construite par microtunnelage commencera à partir de l'emplacement du puits de descente et sera enfoncée dans le tunnel principal. La connexion finale entre le revêtement du tunnel principal et les galeries d'accès sera réalisée en installant un collier monolithique en béton coulé sur place (CIP) autour des coupes de segment, comme indiqué sur la figure.

Figure 5 – Galerie SEM à partir de l'anneau du tunnel coupé avec le collet final en béton coulé sur place et le revêtement de la galerie.

Aux emplacements des galeries d'accès dans le tunnel, des segments seront coupés et enlevés. À ces endroits, le tunnel nécessite un contreventement supplémentaire pour supporter les forces temporaires dues à l'ouverture de la paroi du tunnel à ces endroits. Plutôt que de concevoir le cadre de contreventement externe habituel à ces endroits, l'ouverture sera temporairement soutenue par des anneaux de segment modifiés installés pendant la construction du tunnel. Ces anneaux ont des éléments de renforcement et de cisaillement supplémentaires inclus dans les segments de tunnel spécialement conçus installés le long des quatre anneaux immédiatement adjacents à l'ouverture. Alors que la conception standard du revêtement le long de l'alignement est en béton renforcé de fibres d'acier pur (SFRC) avec deux goujons de cisaillement installés à chaque patin de butée, les segments spécialement renforcés comportent une cage d'armature lourde en plus du SFRC ainsi que deux cisaillement haute capacité supplémentaires. cônes par segment joint annulaire installé au milieu des patins de butée entre les goujons de cisaillement. La géométrie des segments spécialement renforcés est équivalente à celle des segments typiques. Un modèle d'éléments finis (FE) par étapes a été développé pour l'analyse structurelle du revêtement et du collier aux emplacements des tunnels TBM qui prend en compte tous les problèmes de conception critiques, par exemple, les pressions au sol in situ, les charges temporaires et permanentes des eaux souterraines, l'action de support (ou son absence) de frottement entre les anneaux, la durabilité du béton de revêtement et les non-linéarités de tous les matériaux impliqués. Une image du modèle est illustrée à la figure 6 ci-dessous.

Figure 6 – Modèle de raccords de galerie : a) collerette de galerie ; b) vue isométrique de l'anneau de revêtement segmentaire.

L'analyse structurale indique que, comme prévu, le cas le plus critique pour la conception est le chargement temporaire des segments immédiatement après la coupe et l'enlèvement du revêtement et avant l'installation du collier en béton CIP. Plus précisément, l'analyse indique que les contraintes de traction sont trop élevées pour être supportées par les seules fibres d'acier, ce qui a entraîné la nécessité d'un renforcement circonférentiel supplémentaire des barres d'armature et des cônes de cisaillement dans ces segments spéciaux.

CB3A a sélectionné un tunnelier hybride Herrenknecht. L'équipe de projet avec Herrenknecht s'est mise d'accord sur un tunnelier hybride avec des capacités de mode EPB ouvert/fermé qui présente l'avantage de contrôler la gestion des déblais, de minimiser la maintenance et d'optimiser le temps de production. La livraison du tunnelier s'est achevée fin juin 2022.

Le tunnelier de 33,8 pieds de diamètre d'alésage a un bouclier de 46 pieds de long et un back-up de 300 pieds de long, composé de quatre portiques pour alimenter le bouclier et connecter les services publics et la logistique.

Le bouclier est composé de trois sections principales avec une articulation active. Cela lui permettra d'atteindre la courbure minimale requise de 1 000 pieds de rayon. La structure et les joints sont conçus pour une pression de 72 psi (5 bar).

La tête de coupe de 33,8 pieds de diamètre est conçue pour la roche dure et protégée contre l'usure. Il est équipé de soixante-quatre 19 pouces. fraises à disque pour une efficacité et une fiabilité élevées dans les conditions prévues.

La machine est équipée d'un convoyeur à bande en mode ouvert et d'un convoyeur à vis en mode EPB pour déplacer le fumier de la chambre de coupe au tunnel du convoyeur à fumier qui transportera le matériau vers le puits. Le visage peut être fermé en moins de 10 minutes si nécessaire.

Le mode double présente un réel avantage sur le projet car il réduira considérablement le besoin de forage par sonde et de pré-injection qu'un seul tunnelier à mode ouvert nécessiterait. Le tunnelier sélectionné est illustré à la figure 7.

Figure 7 - TBM à l'usine Herrenknecht en janvier 2022

Le tunnelier sera lancé et exploité à partir du puits de lancement situé sur le site principal à l'extrémité sud du projet. Il mesure 62 pieds de diamètre et 155 pieds de profondeur, creusé dans la partie du sol à l'intérieur d'un mur de soutènement d'excavation constitué de pieux sécants et dans la roche à l'aide de la méthode de forage et de dynamitage. Lorsque l'excavation du puits atteint le niveau du tunnel à une profondeur de 120 pieds, un tunnel de départ de 230 pieds de long et un tunnel de queue de 60 pieds de long ont été creusés par SEM en deux étapes, tête supérieure et banc. Le reste du puits a ensuite été achevé après l'excavation du tunnel de départ et du tunnel de queue. Le fond du puits a été remblayé et une tranchée a été conservée sous le radier du tunnel pour installer la partie inférieure du convoyeur vertical, comme illustré à la figure 8.

Figure 8 - L'installation du puits de lancement pendant le fonctionnement du tunnelier

Le tunnelier a été pré-assemblé en surface. La machine de 1 665 tonnes a été livrée en 82 colis. Le pré-assemblage en surface a permis d'abaisser de plus grandes sections de TBM assemblés dans le puits pesant jusqu'à 375 tonnes, comme illustré à la figure 9.

Figure 9 - Bouclier avant du TBM de 375 tonnes abaissé avec la grue sur chenilles de 600 tonnes dans le puits de lancement

Le site principal est mis en place pour fournir le soutien logistique nécessaire à l'exploitation du tunnelier. Une grue sur chenilles d'une capacité de 350 tonnes gère les segments et les services à l'intérieur du puits de lancement. Il y a suffisamment d'espace au sommet du puits pour stocker jusqu'à 60 anneaux, soit plus d'une semaine de production prévue pour le tunnelier.

Le fumier du tunnelier est transporté du tunnelier par une chaîne de convoyeurs à une cadence de 1 250 tonnes par heure. La boue est soulevée dans le puits à l'aide d'un convoyeur à godets vertical, comme illustré à la figure 10.

Figure 10 – Système de convoyeurs de déblais dans le tunnel et le puits

En surface, la boue est larguée par un empileur radial dans un tas accumulant 15 000 verges cubes, la quantité hebdomadaire moyenne prévue excavée par le tunnelier.

Le reste de l'installation de surface comprend une usine de coulis, une distribution électrique, une station d'épuration, des bureaux, un stockage de matériel et un atelier. Le site de lancement principal est illustré à la figure 11.

Figure 11 - Photo aérienne du site principal lors de l'assemblage du tunnelier

Début septembre 2022, le tunnelier a été installé dans le tunnel de démarrage et devrait être lancé dans la seconde moitié du mois. Afin de minimiser la longueur du creusement du tunnel de départ, seuls trois portiques sont installés initialement, le quatrième portique avec les services non essentiels sera descendu dans le tunnel une fois le tunnelier avancé. Le transport des voussoirs dans le tunnel est assuré par deux véhicules multiservices (VMS) illustrés à la Figure 12 pouvant contenir un anneau complet composé de sept voussoirs et un ensemble de services temporaires qui seront installés dans le tunnel pour assurer les fluides, la ventilation et alimentation au tunnelier.

Figure 12 – Véhicule Multi Service (VMS) pour les segments de transport en tunnel

Le tunnelage a commencé en septembre 2022 et devrait être achevé d'ici la fin de 2023.

VP – Ingénierie des tunnels et souterrainsAECOM

Le Dr Halim est l'ingénieur en chef d'AECOM pour les tunnels d'eau et possède plus de 31 ans d'expérience dans des projets géotechniques et souterrains aux États-Unis, au Canada et à l'étranger. Il a fourni des services d'ingénierie et de conception à d'importantes agences d'eau/eaux usées ainsi qu'à des agences de transport en commun à travers l'Amérique du Nord. L'expertise d'Irwan comprend la conception et la construction de tunnels exploités et à ciel ouvert dans le sol meuble et la roche dure ; Excavations au tunnelier, au forage et au dynamitage et au SEM ; Analyses des interactions sol/roche-structure ; et génie des fondations. Les expériences passées d'Irwan incluent de grands SEM, de grands tunnels pilotés par TBM et des tunnels à travers des conditions de sol complexes et à faces mixtes.

Ingénieur tunnel principalGall Zeidler ConsultantsNew York, NY

Bio : Le Dr Vojtech Ernst Gall a été impliqué dans des projets nationaux et internationaux de tunnels ferroviaires, routiers, miniers et hydroélectriques allant des tunnels profonds en milieu alpin aux tunnels peu profonds en milieu urbain dense. Il a de l'expérience dans la construction de TBM et de NATM/SEM pour des projets à petite et grande échelle. Les intérêts particuliers du Dr Gall résident dans la conception et la planification assistées par ordinateur des tunnels pilotés par TBM, allant de la planification et de la gestion de projet soutenues par la technologie BIM à la modélisation numérique et structurelle. En plus de son expertise technique, le Dr Gall a participé activement à l'organisation de nombreux séminaires et événements techniques. Le Dr Gall est président du groupe de jeunes membres de l'Association pour la construction souterraine de la Society for Mining, Metallurgy & Exploration (UCA of SME), est président du groupe de travail UCA of SME "" Information Modeling in Tunnelling "et est un actif contributeur au groupe de travail 22 "Information Modeling in Tunnelling" de l'International Tunneling Association (ITA).

Responsable IngénierieCBNA

Stéphane Polycarpe a plus de 33 ans d'expérience mondiale et multidisciplinaire dans la construction de tunnels et les grands travaux de génie civil commencés au tunnel sous la Manche. Ses connaissances en matière de TBM couvrent la variété des plénums d'air, de l'équilibre de la pression de la terre (EPB) et des machines à bouclier de mélange de boue ainsi que des machines à roche dure. Son expérience dans la construction de tunnels en sols mous, durs et mixtes comprend la voûte de la canopée et l'injection, les coupes en bois, le gel du sol, le forage et le dynamitage, les excavations SEM dans le sol/la roche et possède une expérience dans le démantèlement de tunnels. En 2020, Stéphane a rejoint le CBNA. en tant que directeur de l'ingénierie pour le projet Pawtucket Tunnel.