Le soulèvement des voussoirs de tunnel est un problème mondial qui tourmente le secteur de la construction de tunnels par tunnelier depuis près d’un siècle. Aujourd’hui, ce défi a été relevé avec succès dans le projet du tronçon nord de la ligne est du métro léger de Macao : la première solution mondiale d’injection de béton mousse nanométrique pour tunnelier a été officiellement mise en œuvre, permettant un « soulèvement nul » du tunnel, une réduction de 73,6 % de la poussée d’Archimède sur les voussoirs et une économie de 44,8 % sur les coûts d’injection.

Pourquoi les voussoirs de tunnel « flottent-ils » ?

Dans la construction de tunnels par tunnelier, après l’assemblage des voussoirs, une injection de mortier derrière le revêtement est nécessaire immédiatement pour combler l’espace entre les voussoirs et le terrain, assurant ainsi la stabilité et l’étanchéité du tunnel. Cependant, les matériaux d’injection traditionnels, denses et lourds, exercent une force de soulèvement importante sur les voussoirs avant la prise du mortier, provoquant des déplacements, des déformations, voire des fissures des voussoirs déjà en place. Ce problème de « soulèvement des voussoirs » est l’un des défis de qualité et de sécurité les plus épineux dans les projets de tunnels réalisés au tunnelier.

Selon les statistiques, les accidents de qualité liés au soulèvement des voussoirs dans les tunnels entraînent chaque année des pertes économiques et des retards de chantier se chiffrant en centaines de millions d’euros à l’échelle mondiale. Les solutions traditionnelles sacrifient soit la résistance du mortier pour obtenir une faible densité, soit recourent à des mesures complexes d’ancrage anti-soulèvement qui augmentent les coûts du projet, sans jamais offrir une solution idéale alliant « légèreté » et « haute résistance ».

Le béton mousse stabilisé par nanoparticules pour une « légèreté et haute résistance »

Récemment, la première solution mondiale d’injection de béton mousse nanométrique pour tunnelier a été appliquée avec succès dans le projet du tronçon nord de la ligne est du métro léger de Macao, réalisé en coopération par China Civil Engineering Construction Corporation (CCECC), Nam Kwong Property et China Railway 16th Bureau Group.

Cette solution technologique est le fruit de la transformation des résultats clés du projet de recherche « Conception légère anti-soulèvement et durabilité des matériaux d’injection simultanée pour le tunnel du tronçon nord de la ligne est du métro léger de Macao », financé par le Fonds pour le Développement des Sciences et de la Technologie (FDCT) et mené en collaboration entre l’Université de Macao, CCECC et le bureau de représentation de China Railway 16th Bureau Group à Macao.

Premier béton mousse stabilisé par nanoparticules commercialisé au monde

L’équipe de recherche de l’Université de Macao avait déjà développé le premier béton mousse stabilisé par nanoparticules commercialisé au monde, permettant une réduction de poids et de coût des matériaux allant jusqu’à 40 % pour une résistance équivalente. Cette technologie a été appliquée avec succès à de grands projets tels que le viaduc d’accès du « Pont de Macao ».

L’innovation clé de cette technologie réside dans l’utilisation de nanoparticules comme stabilisateurs de mousse, remplaçant les grosses bulles instables et sujettes à l’éclatement du béton mousse traditionnel. Les nanoparticules forment une structure « d’armure » dense à la surface des bulles, conférant à la mousse une stabilité extrêmement élevée, lui permettant de rester uniformément répartie dans le coulis sans éclater ni s’agglomérer pendant une longue période.

Résoudre le problème du soulèvement des voussoirs à la source

L’application de ce béton mousse nanométrique pour l’injection simultanée dans la section d’essai du puits EAP du tronçon nord de la ligne est du métro léger constitue la première utilisation mondiale de béton mousse stabilisé par nanoparticules dans un projet réel d’injection de tunnelier.

Cette solution, tout en satisfaisant aux exigences de résistance du mortier d’injection, adopte une conception légère anti-soulèvement innovante, réalisant trois percées majeures :

Réduction de 73,6 % de la poussée d’Archimède sur les voussoirs, résolvant à la source le problème industriel du soulèvement des voussoirs causé par les matériaux d’injection traditionnels à haute densité

Réalisation d’un « soulèvement nul » du tunnel, avec une précision de mise en place des voussoirs atteignant un niveau sans précédent

Économie de 44,8 % sur les coûts d’injection, tout en améliorant considérablement la sécurité structurelle du tunnel

Validation sur le terrain par plus de dix institutions du secteur

Le 3 juillet, le FDCT a organisé une visite sur le site du projet pour les représentants de plus de dix institutions du secteur, notamment la Direction des Services de Solos, Obras Públicas e Transportes (DSSOPT), l’Institut de Développement et de Qualité de Macao, le Laboratoire d’Ingénierie Civile de Macao, la Macau Urban Renewal Limited, la Société du Métro Léger de Macao, l’Association des Conseillers en Ingénierie de Macao, l’Association des Promoteurs et Propriétaires de Macao, l’Association des Constructeurs de Macao, l’Association des Machines et Équipements de Construction de Macao et l’Université de Macao. Les représentants ont inspecté la section d’essai et vérifié sur place les indicateurs de performance clés tels que l’effet anti-soulèvement et la densité du mortier d’injection.

Du tunnel au tunnelier aux ouvrages souterrains plus vastes

« Équipement standard » des projets de tunnels au tunnelier

L’application réussie de cette technologie offre un nouveau paradigme technique pour les projets de tunnels au tunnelier dans le monde entier. En particulier dans les scénarios exigeant un contrôle rigoureux du soulèvement des voussoirs, comme les tunnels sous-marins, les tunnels sous-fluviaux et les creusements au tunnelier en zones urbaines denses, la technologie d’injection de béton mousse nanométrique présente des avantages irremplaçables.

Avec la poursuite du développement des infrastructures de transport urbain, des galeries techniques souterraines et des passages transmaritimes à l’échelle mondiale, cette technologie est appelée à devenir « l’équipement standard » de la construction de tunnels au tunnelier.

De Macao à toute la Chine et au monde

China Civil Engineering Construction Corporation (CCECC) a déclaré qu’elle continuerait à approfondir la collaboration technique avec ses partenaires, à accélérer la promotion et l’application des nouvelles technologies et procédés, et à renforcer le soutien technique pour l’optimisation ultérieure de la technologie, l’établissement de normes, l’application à grande échelle et la diffusion.

L’application réussie de cette technologie marque le passage de la Chine d’un statut de « suiveur » à celui de « leader » dans le domaine des matériaux d’injection pour tunnels au tunnelier. Avec l’établissement de normes techniques et la promotion d’une application à grande échelle, la technologie d’injection de béton mousse nanométrique pour tunnelier devrait rayonner de Macao vers toute la Chine et le monde.

« Moteur technologique » de la construction de la Grande Baie

La ligne est du métro léger de Macao est une composante importante du réseau de transport ferroviaire de la région de la Grande Baie Guangdong-Hong Kong-Macao. L’application réussie de cette technologie fournit non seulement un soutien technique clé pour la construction du métro léger de Macao, mais contribue également à la construction d’ouvrages souterrains dans la Grande Baie et dans toute la Chine avec la « sagesse de Macao » et la « solution chinoise ».

CCECC a indiqué que ce résultat « écrira un nouveau chapitre pour la réalisation d’un développement de haute qualité de l’entreprise et pour soutenir la construction de la Grande Baie ».

De la « construction empirique » à l’« injection scientifique »

La valeur profonde de cette technologie réside dans le fait qu’elle fait passer l’injection pour tunnelier d’une approche « empirique » à une approche « scientifique ». Les solutions d’injection traditionnelles reposent sur l’expérience du chantier et sont souvent un compromis. En revanche, la technologie d’injection de béton mousse nanométrique, grâce à l’innovation en science des matériaux, réalise l’unification de la légèreté et de la haute résistance, résolvant à la source le problème du soulèvement des voussoirs qui a tourmenté l’industrie pendant près d’un siècle.

Trois jalons majeurs :

Innovation technologique : première application mondiale de béton mousse stabilisé par nanoparticules dans un projet réel d’injection de tunnelier

Résultats significatifs : réduction de 73,6 % de la poussée d’Archimède sur les voussoirs, « soulèvement nul » réalisé, économie de 44,8 % des coûts

Reproductible et diffusable : validation sur un projet réel achevée, conditions réunies pour une application à grande échelle

Lorsque le tunnelier progresse sous terre, que les voussoirs ne « dérivent » plus et que la précision de mise en place du tunnel atteint un niveau sans précédent, c’est non seulement une victoire de la science des matériaux, mais aussi une nouvelle preuve de la capacité de la Chine à atteindre un niveau mondial de premier plan dans la construction d’ouvrages souterrains.