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Soutenance de thèse de Juliette MICHALON – le 5/12/2025 : Stabilité souterraine et mécanismes induits lors de la dépose de voussoirs

Rendez-vous le vendredi 5 décembre 2025 à 14h00

Lieu :  ENTPE – 3 rue Maurice Audin, 69120 Vaulx-en-Velin – salle A113 

Stabilité souterraine et mécanismes induits lors de la dépose de voussoirs dans les tunnels à grande profondeur

Underground stability and induced mechanisms during the removal of lining segments in deep tunnels

 

 

Composition du jury proposé :

  • M. Claude BOUTIN - Ingénieur en chef des travaux publics de l'État, -ENTPE / LTDS - Directeur de thèse
  • Mme Daniéla BOLDINI - Professeure associée, Università di Roma - La Sapienza - Rapporteure
  • M. Jean VAUNAT - Professeur, Universitat Politècnica de Catalunya - Rapporteur
  • M. Jianfu SHAO - Professeur, Université de Lille / Laboratoire de Mécanique, Multiphysique, Multiéchelle (LaMcube) - Examinateur
  • M. Siavash GHABEZLOO - Directeur de recherche, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées / Laboratoire Navier - Examinateur
  • M. Benoît PARDOEN - Chargé de recherche, ENTPE / LTDS - Co-directeur de thèse

Résumé

En France, l’Andra étudie l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) – une roche sédimentaire indurée, anisotrope et quasi-fragile – en tant que formation hôte potentielle pour le stockage géologique profond. L’Andra a débuté depuis 2000 la construction du Laboratoire Souterrain de recherche de Meuse/Haute-Marne (LSMHM), composé d’un réseau de galeries, afin de démontrer la faisabilité du stockage géologique. Les observations in-situ révèlent que le processus d’excavation entraine la formation d’une zone fracturée induite en périphérie des galeries dont l’extension est influencée par l’état de contraintes géostatiques anisotrope et par l’anisotropie structurelle de la roche. La zone fracturée pourrait introduire des chemins préférentiels d’écoulement d’eau et altérer les propriétés de confinement de la roche hôte. Il convient aussi d’étudier l’évolution de la zone fracturée induite par l’excavation lors de la dépose partielle du revêtement de galeries composé de voussoirs. Cette opération est nécessaire pour assurer le contact entre l’argilite du COx et le noyau de bentonite gonflante utilisé lors du scellement d’alvéoles de stockage, dans le cadre du futur projet Cigéo. Lors de ce second déchargement mécanique, un risque d’instabilité de la zone fracturée induite par l’excavation existe dans le champ proche de la paroi de la galerie et la redistribution des contraintes pourrait conduire à la reprise des déformations du massif rocheux et à une réactivation de la fracturation. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes induits par l’opération de dépose de voussoirs en s’appuyant sur une expérimentation réalisée par l’Andra et sur le développement d’un modèle numérique purement mécanique. Pour simuler numériquement la phénoménologie observée lors de cette opération, le modèle doit pouvoir reproduire l’état du massif rocheux avant l’opération de dépose. Par conséquent, l’accent sera mis sur la modélisation de la zone fracturée induite par l’excavation. Les mécanismes induits par l’opération de dépose conduite dans l’une des galeries du LSMHM sont évalués à partir de l’analyse des mesures collectées quotidiennement durant l’expérimentation. L’évolution de l’extension de la zone fracturée induite par l’excavation et le report d’effort dans le revêtement adjacent à la zone de dépose ont été particulièrement examinés. Parallèlement, un modèle numérique tridimensionnel basé sur la méthode des éléments discrets a été développé. Cette méthode est particulièrement adaptée pour modéliser les discontinuités de déplacement au sein d’un matériau nécessaires à la modélisation réaliste du comportement de la zone fracturée induite par l’excavation. Deux méthodes considérant l’anisotropie structurelle de l’argilite du COx ont été développées et comparées à l’échelle de l’échantillon et des galeries, puis validées par confrontation avec les mesures expérimentales et in-situ. Les deux méthodes considèrent l’anisotropie structurelle de l’argilite du COx en introduisant une orientation préférentielle des trajectoires potentielles de fissuration induite, sachant que les plans de stratification correspondent à des plans de faiblesse. Ce travail présente l’originalité de reproduire numériquement le mécanisme de rupture au sein de l’argilite du COx, en prenant en compte des trajectoires de fissuration tridimensionnelles ainsi que son anisotropie structurelle, grâce au modèle GBM. Le modèle développé reproduit de manière satisfaisante le processus de fracturation autour des galeries, de l’initiation des fissures en proche paroi jusqu’au développement de fractures macroscopiques s’étendant en profondeur dans le massif. Le modèle reproduit aussi l’influence de l’anisotropie structurelle et de l’état de contraintes initial anisotrope sur l’extension de la zone fracturée induite par l’excavation. Les résultats numériques confirment que la déformation du massif rocheux autour des galeries est gouvernée par la zone fracturée induite par l’excavation.

Abstract

The French national radioactive waste management agency (Andra) investigates the Callovo-Oxfordian (COx) claystone – an indurated, anisotropic, quasi-brittle sedimentary rock – as a potential host rock for deep geological disposal. Andra began, in 2000, the construction of the Meuse/Haute-Marne Underground Research Laboratory (M/HM URL), composed of a horizontal network of experimental drifts, in order to demonstrate the feasibility of a geological repository in the COx claystone. In-situ observations highlight that the excavation process leads to the formation of an excavation-induced fractured zone, at the drift wall vicinity, whose extent is influenced by both the initial anisotropic stress state and the COx claystone structural anisotropy. The fractured zone might introduce preferential water flow paths and consequently altered the host rock confinement properties. The evolution of the excavation-induced fractured zone must also be investigated during the segmental lining removal operation required to ensure contact in between the rock mass and the swelling bentonite core used for drift sealing in the framework of the future Industrial Centre for Geological Disposal (Cigéo) project. During this second mechanical unloading, there may be a risk of instability of the excavation-induced fractured zone in the near field of the drift wall and the stress redistribution may lead to re-initiate deformations of the rock mass and reactivate fracturing. In this context, the objective of the present thesis is to investigate the mechanisms induced by the lining removal operation, based, on the one hand, on the exploitation of a full-scale experiment carried out by Andra at the M/HM URL, and, on the other hand, on the development of a purely mechanical numerical model. In order to numerically simulate the phenomenology observed during this operation, the model must be capable of reproducing the state of the rock mass prior to the removal operation. Consequently, particular attention is given to the modelling of the excavation-induced fractured zone. The mechanisms induced by the segmental lining removal operation in one of the drifts of the M/HM URL are assessed by the analysis of daily measurement data acquired during the full-scale experiment. In particular, the evolution of the fractured zone extent and the stress redistribution in the lining adjacent to the removal zone are investigated. In parallel, a three-dimensional numerical model based on the discrete element method has been developed. This method is particularly suited to capture displacement discontinuities within a material essential to realistically model the excavation-induced fractured zone behaviour. Two methods for addressing the COx claystone structural anisotropy have been developed and compared at both the sample scale and the large scale, and validated through comparison with experimental and in-situ measurements. Both methods considered COx claystone structural anisotropy by introducing a preferential orientation of the potential development of induced cracking paths, given that the bedding planes characteristic of the material stratification correspond to weakness planes as evidenced experimentally. This research work presents the novelty to reproduce numerically the failure mechanism within the COx claystone considering three-dimensional cracking paths and its structural anisotropy using the Grain-Based Model (GBM). The developed model satisfactorily reproduces the fracturing process around drifts, from the initiation of cracks near the drift wall to the subsequent development of macroscopic fractures extending deeper into the rock mass. The model also captures the influence of the structural anisotropy and the initial anisotropic stress state on the extent of the excavation-induced fractured zone. Finally, the numerical results confirm that the rock mass deformation around drifts is governed by the excavation-induced fractured zone.

Mots clés :

Stabilité souterraine et mécanismes induits lors de la dépose de voussoirs dans les tunnels à grande profondeur

Keywords:

Underground stability and induced mechanisms during the removal of lining segments in deep tunnels
Date de publication : 28/11/2025

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