Cette étude présente les travaux bibliographiques des premiers six mois du déroulement de la thèse. Il contient différentes parties comme suit :

• Partie I : rédigée par les membres 1 du comité du suivi de la thèse, elle met en évidence le contexte, les objectifs et le déroulement de la thèse ;
• Partie II : rédigée par le doctorant 2, elle explique les méthodes du travail de recherche dans le cadre de la thèse ainsi que le point d’avancement actuel de la démarche scientifique ;
• Partie III : rédigée aussi par le doctorant, elle contient des études bibliographiques détaillées des différents disciplines du sujet :
  • évaluation de l’espace de vie urbain (les méthodes d’évaluation au sens du développement durable (DD), les outils méthodologiques et logiciels d’évaluation environnementale) ;
  • évaluation du souterrain urbain (introduction historique, typologies des ouvrages souterrain et les aménagements du sous-sol et les aménagements urbains) ;
  • enfin des pratiques nationales et internationales concernant les constructions souterraines ;
• Partie IV : rédigée par le doctorant et les membres du comité du suivi, elle illustre des réflexions perspectives possibles et un programme envisagé pour la suite de la thèse ;
• Partie V : elle est la dernière partie, elle comprend les références bibliographiques utilisées dans ce travail, ainsi que les annexes qui comprennent les abréviations, le questionnaire réalisé par le doctorant, les indicateurs du DD adaptés au bâtiment et des extraits du code de l’urbanisme.

L’objectif de cette recherche était d’étudier les phénomènes d’interaction sol-structure mis en œuvre lorsqu’un ouvrage bâti est sollicité par des mouvements de terrain d’origine variée : affaissement miniers ou mouvements liés au creusement de tunnel en particulier.

Dans un premier temps, l’objectif est de développer des modèles d’interaction sol-structure analytiques, basés sur une modélisation simplifiée du comportement du terrain et des structures, afin d’évaluer le taux de transmission des mouvements du sol aux ouvrages.

Les phénomènes d’interaction sol-structure (ISS) correspondent à une influence réciproque entre le bâtiment et le sol, liée au différences de comportement (raideur et résistance) de chacun. Le cadre de cette thèse se limite à l’étude des phénomènes d’ISS associés à des mouvements de terrain de type affaissement minier ou associés au creusement d’une cavité souterraine (tunnel par exemple). Ces mouvements sont caractérisés par une courbure, une déformation horizontale, et une mise en pente du terrain.

Le niveau de dommages d’une structure dépend de l’amplitude des mouvements du terrain, de la position de la structure par rapport à la cuvette d’affaissement et de la typologie de la structure : martiaux, architecture et forme. L’évaluation de ce dommage peut se faire par différentes méthodes : empiriques, analytiques ou numériques.

Les méthodes empiriques consistent à définir des valeurs seuils des mouvements admissibles (National Coal Board 1975, Wagner et Shumman 1991, Yu et al. 1988, Kwiatek 1998, Dzegeniuk et Hejmanowski 2000). Les seuils utilisés s’appliquent généralement aux mouvements du terrain en champ libre (i.e. sans prise en compte de l’ISS).

Les méthodes analytiques sont basées sur la modélisation des structures par des poutres élastiques (Timoshenko, 1957) afin de calculer des valeurs maximales des déformations principales dans l’ouvrage. Des valeurs seuils sont alors de nouveau utilisées pour quantifier le dommage. Pour ces méthodes, l’évaluation finale des mouvements du bâti, en fonction des mouvements du terrain en champ libre et compte tenu des phénomènes d’ISS, s’avère donc nécessaire.

Un des objectifs de cette thèse est de continuer de développer un modèle analytique pour mieux estimer le tassement différentiel final d’un bâtiment situé dans une région de mouvement de terrain, de prendre en compte l’interaction sol structure et la différence de rigidité entre le bâti et le terrain, et trouver les paramètres de modèle de terrain utilisé.

Cette étude présente les travaux préparatoires menés pour la réalisation d’une Analyse du Cycle de Vie (ACV) de la valorisation de matériaux d’excavation (MEX) issus de projets d’ouvrages souterrains. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du thème « Environnement », l’Axe de travail « Conception environnementale des ouvrages et valorisation des ressources offertes par les aménagements souterrains » et l’Action « Réutilisation des matériaux extraits du sous-sol dans un souci d’économie globale et de valorisation des ressources ».

L’ACV porte sur la gestion des MEX et l’étude du bénéfice environnemental de leur réutilisation relativement à l’impact de leur transport et de leur traitement. Elle se base sur un projet réel. Trois sites ont été envisagés pour le cas d’étude : le tunnel ‘mode doux’ de la Croix Rousse construit par le Grand Lyon, un projet à définir sur le site d’Epamarne ou le tram de Nice. En définitive, le tunnel ‘mode doux’ de la Croix Rousse a été défini comme projet de référence pour l’étude ACV.

L’ACV s’étend sur les tranches 1 et 2 de Ville10D. Ce livrable a été remis au terme de la tranche 1 et expose les travaux préparatoires à la réalisation de l’analyse proprement dite, à savoir la définition des objectifs et du champ de l’étude. On y trouve notamment les objectifs que l’étude se propose de remplir, les scénarios qui seront étudiés et les indicateurs environnementaux retenus.

Les changements climatiques peuvent entraîner un manque des ressources en eau comme celles de la Seine et le Canal de l’Ourcq, cela est une des raisons qu’ont motivée Eau de Paris à alimenter le réseau d’eau non potable de la ville à partir de ressources alternatives telle que l’eau d’exhaure. À la fin de l’année 2014 sera mise en place un projet expérimental de réinjection des eaux d’exhaure produites par le Parking Meyerbeer, localisé au 9ème arrondissement, dans le réseau d’eau non potable. Le but du stage est ainsi d’estimer l’impact sur la qualité des eaux du sous-réseau Bas Ourcq et les probables conséquences pour les usagers de cette eau.

Pour identifier les producteurs des eaux d’exhaure dans la ville de Paris, des cartes thématiques ont été faites avec les principales caractéristiques des eaux d’exhaure. Aujourd’hui la majorité d’entre eux injecte ces eaux dans le réseau d’assainissement, cependant après les résultats de cette première expérimentation d’autres projets d’intégration de ces eaux au RENP pourraient être envisagés.

Afin d’analyser cet impact, une modélisation hydraulique a été faite à l’aide du logiciel EPANET, et des analyses de la qualité des eaux d’exhaure du Parking ont été réalisées. Les résultats d’analyse montrent que la concentration de sulfates, la conductivité et la dureté sont très élevées et que les eaux d’exhaure ne sont pas exemptes de contamination pathogène. Les simulations avec EPANET montrent que la zone la plus impactée (SO4> 250mg/l, conductivité > 1000 μS/cm) par le parking Meyerbeer se situe entre Opéra et les jardins des Tuileries, sur une superficie d’environ un hectare et demi.

Lorsque surviennent des risques naturels, les dommages aux systèmes urbains représentent habituellement des conséquences économiques et sociales importantes. Parmi eux, les systèmes de transport guidé restent aujourd’hui particulièrement vulnérables notamment face au risque inondation. Par ailleurs, le concept de résilience connait d’importants développements dans le domaine de la gestion des risques naturels. La résilience peut se définir comme la capacité d’un système à absorber une perturbation et à récupérer ses fonctions à la suite de celle-ci. L’objectif de la thèse est d’étudier la vulnérabilité et la résilience des systèmes de transport guidé face au risque inondation à partir d’une analyse des mécanismes de défaillance. Ces systèmes sont assimilables à des systèmes hautement compliqués avec de multiples interdépendances entre les éléments. Etudier ces interdépendances, dans le cas d’une inondation, permet une approche comparative des trois configurations traditionnelles d’implantation d’un système de transport guidé~: en souterrain, en surface et en aérien.Cette démarche qualitative est combinée à une modélisation probabiliste, basée sur l’utilisation des réseaux bayésiens, du système soumis à un risque inondation. La thèse présente la démarche construite qui rend possible~: l’élaboration d’une approche globale c’est-à-dire de l’occurrence de l’aléa avec ses caractéristiques données d’intensité~; l’identification des dommages matériels directs~; l’identification des dommages matériels indirects c’est-à-dire ceux occasionnés par des effets domino~; la déduction des conséquences fonctionnelles c’est-à-dire les modes de fonctionnement dégradé du système relatif à son exploitation.

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Ce travail a pour objectifs d’apporter un éclaircissement sur le statut des matériaux excavés et d’expliquer les modalités de leur gestion hors et sur site. Il s’agit également de faire un état de l’art sur la valorisation de ces matériaux en portant une attention particulière au béton, comme piste de valorisation.

Ce rapport est scindé en trois parties :

• La première partie est dédiée au statut juridique des matériaux d’excavation.
• La deuxième partie présente les procédés de gestion de matériaux d’excavation sur et hors site. Pour la gestion sur site, un retour d’expérience sur des projets réels est présenté.
• La troisième partie traite de la valorisation des matériaux excavés. Dans un premier temps des exemples de valorisation de ces matériaux en technique routière et projets d’aménagement sont présentés. Le rapport se focalise ensuite sur la valorisation des matériaux issus de constructions de tunnels dans les bétons. Trois pathologies sont plus particulièrement mises en avant : la formation d’ettringite secondaire, la formation de thaumasite et l’alcali-réaction des granulats. Le développement de ces pathologies dépend cependant de la composition des granulats incorporés.

Initié par l’Autriche au début des années 2000, l’intégration d’échangeurs géothermiques à l’architecture des infrastructures souterraines urbaines (comme dans les parois moulées du métro de Vienne) est une solution intéressante de mutualisation des coûts de construction visant à combiner transport et production d’énergie renouvelable.

De nombreuses solutions sont possibles pour activer thermiquement les infrastructures, quelle que soit la méthode de construction. Leur mise en œuvre est technologiquement très simple mais nécessite une réflexion en amont du projet pour concevoir et dimensionner de façon optimale les aménagements de l’infrastructure.

C’est une technique encore jeune : les projets existants sont peu nombreux et le retour d’expérience assez maigre en raison d’un seuil de rentabilité d’une quinzaine d’années, pour des ouvrages dont les durées de service sont de l’ordre de cinquante ans. L’estimation exacte du potentiel énergétique et des retombées économiques est encore délicate car le sujet est à la fois complexe et peu documenté à ce jour.

Avec une vision à long terme et une synergie forte entre savoir-faire technologique et volonté politique, les géostructures énergétiques peuvent toutefois offrir des opportunités intéressantes pour le mix énergétique dans une ville soucieuse de développer les énergies renouvelables dans le cadre de projets d’extension ou de rénovation de quartier.

Le thème 2 aborde les interactions de l’aménagement souterrain avec son environnement. Il s’agit de préciser les enjeux de l’utilisation du sous‐sol propres à cette thématique dans une politique d’aménagement durable de la ville. Le développement et la croissance des grandes agglomérations interrogent sur notre capacité à faire cohabiter habitat, activités, transport et logistique, dans un tissu urbain aménagé pour l’homme et son épanouissement. Avec la densification croissante des villes, les marges de manœuvre se réduisent et obligent à une réflexion plus approfondie sur l’organisation de l’espace et la meilleure utilisation de toutes les potentialités disponibles.

Pilier essentiel à une approche de la ville durable, le volet environnement se propose d’apporter des éléments de compréhension, d’évaluation, voire de démonstration sur les apports du souterrain d’une part, et sur l’intérêt d’une meilleure articulation entre surface et souterrain d’autre part.

Ces éléments doivent être appréhendés à plusieurs échelles, chacune des échelles pouvant conduire à renforcer ou relativiser les conclusions tirées à d’autres échelles.

• A l’échelle de l’aménagement, de la construction et de son environnement proche, le thème s’attache à l’étude des apports et impacts de proximité.
• A l’échelle de l’agglomération urbaine le thème 2 s’intéresse à la politique d’aménagement, au schéma directeur, à la cartographie des ressources et des potentiels souterrains.

L’objectif de ce thème est de répondre aux besoins en outils et méthodes à chacune des échelles.

La prise en considération du potentiel du sous‐sol en termes d’aménagement se heurte, comme cela a déjà été souligné, à une méconnaissance du sous‐sol, ainsi qu’à la difficulté pour aujourd’hui concevoir et évaluer un projet global cohérent mettant à contribution la dimension souterraine. Elle se heurte aussi à un certain nombre d’idées reçues sur le souterrain, trop souvent perçu de façon très limitative comme le lieu où enfouir et exiler ce qui ne doit pas être vu en surface.

Sur le thème de l’environnement, les travaux d’aménagements souterrains en ville s’accompagnent généralement de chantiers importants et de longue durée, surtout si tout ou partie de ces travaux sont réalisés dans des tranchées à ciel ouvert. La réduction des impacts en phase chantier est ainsi un enjeu essentiel qui renvoie à l’organisation du chantier, au mode d’approvisionnement, aux incidences des choix des techniques de creusement, à l’évacuation des matériaux extraits, aux circulations d’engins, …

Cette préoccupation de réduction des nuisances est également très présente en phase exploitation. Même si l’aménagement souterrain a l’immense avantage de préserver la surface et ses activités, il peut être également source de nuisances, le plus souvent locales par effet de concentration d’émissions (bruit, vibrations par exemple) ou par rejets dans l’eau ou dans l’air, certaines de ces nuisances étant aujourd’hui mal évaluées et sujettes à discussion avec les riverains des aménagements.

A une échelle plus globale, les aménagements souterrains n’ont pas donné lieu à des travaux d’évaluation globale susceptibles d’en caractériser les atouts et handicaps pour la construction d’une ville durable. Des éléments objectifs d’évaluation et de comparaison avec d’autres types d’aménagement doivent être apportés. A titre d’illustration on peut évoquer la remarque de Jean Louis Borloo, alors ministre de l’écologie, qui, interrogé à ce propos en septembre 2008 à l’occasion du congrès de l’AFTES à Monaco, a confirmé que le sous‐sol disposait de réels atouts, mais a aussi souligné que la réalisation de grandes infrastructures souterraines n’était pas neutre au plan écologique, et qu’une approche au cas par cas était indispensable pour démontrer le bien fondé de chaque projet.

Ce travail s’intéresse à l’amélioration des conditions de résilience urbaine. L’objectif était la production d’une méthodologie d’évaluation de résilience des infrastructures critique vis-à-vis du changement climatique en prenant en compte le sous-sol comme un des critères étudiés dans le cadre de cette évaluation. Après un rappel des enjeux liés au changement climatique traduits en termes de risques, une fois le concept de résilience analysé et défini dans le cadre de cette recherche et un cadre conceptuel d’évaluation de la résilience des infrastructures critiques proposé, une méthodologie d’évaluation de la résilience des réseaux technique est proposée en deux temps :

• Une méthodologie basée sur l’évaluation de la performance des infrastructures critiques analysée indépendamment;
• Une méthodologie et un outil pour évaluer la résilience de ces infrastructures interdépendantes, en effet, les retours d’expériences montrent toujours des effets en cascades, dès lors qu’une infrastructure dysfonctionne.

Ainsi une approche originale est proposée pour prendre en compte cet aspect : cette approche s’appuie sur l’évaluation de la performance individuelle des infrastructures où les aspects liés au sous sol (environnement de l’infrastructure : flux de charges, flux hydrauliques,…) entrent en considération, pour se focaliser ensuite sur les relations existantes entre les infrastructures critiques enterrées et de surface.

Le contexte du développement urbain dans un contexte de changement climatique et de pression foncière est rappelé en première partie, ainsi que le caractéristiques attendues d’un ville résiliente. La partie suivante s’attache à présenter la méthode d’évaluation. Deux sous parties sont alors développées : la première permet de comprendre le contexte de la gestion patrimoniale des infrastructures critiques pour développer une évaluation de la résilience des infrastructures, infrastructure par infrastructure, au plus proche des pratiques professionnelles. La deuxième sous partie propose une méthode d’évaluation qui prend en compte l’interdépendance des infrastructures critiques puisque les retours d’expériences montrent que ces systèmes sont tous connectés et qu’en termes de risques, la gestion sectorielle ne fonctionne pas.

Le présent rapport présente les travaux préparatoires menés par Cycleco pour la réalisation d’une Analyse du Cycle de Vie (ACV) de la valorisation de matériaux d’excavation (MEX) issus de projets d’ouvrages souterrain. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet national Ville10D qui vise à développer une recherche appliquée sur la contribution du sous-sol au développement urbain durable. Plus particulièrement la présente ACV est réalisée sous le Thème « Environnement », l’Axe de travail « Conception environnementale des ouvrages et valorisation des ressources offertes par les aménagements souterrains » et l’Action « Réutilisation des matériaux extraits du sous-sol dans un souci d’économie globale et de valorisation des ressources ».

L’ACV porte sur la gestion des MEX et l’étude du bénéfice environnemental de leur réutilisation relativement à l’impact de leur transport et de leur traitement. Elle se base sur un projet réel. Trois sites ont été envisagés pour le cas d’étude : le tunnel ‘mode doux’ de la Croix Rousse construit par le Grand Lyon, un projet à définir sur le site d’Epamarne ou le tram de Nice. Une rencontre a été proposée et éventuellement réalisée entre le CETU, Cycleco et les Maitre d’Ouvrages (MOA) des différents sites pour échanger sur les motivations. En définitive, le tunnel ‘mode doux’ de la Croix Rousse a été défini comme projet de référence pour l’étude ACV menée par Cycleco.

L’ACV s’étend sur les tranches 1 et 2 de Ville10D. Ce livrable a été remis au terme de la tranche 1 et expose les travaux préparatoires à la réalisation de l’analyse proprement dite, à savoir la définition des objectifs et du champ de l’étude. On y trouve notamment les objectifs que l’étude se propose de remplir, les scénarios qui seront étudiés et les indicateurs environnementaux retenus.

Cette thèse a pour objectif de développer une méthodologie d’évaluation au sens du développement durable des aménagements souterrains, afin de mettre en évidence leurs spécificités. La construction et l’exploitation des aménagements souterrains ont de forts impacts sur l’environnement et représentent un investissement financier conséquent le plus souvent déterminant dans le processus décisionnel. Or, ces aménagements offrent de nombreux avantages pour la ville, et pour leurs usagers. Cette méthodologie, qui propose une évaluation complète d’aménagements souterrains, prend en compte les différents volets : environnemental, social et économique. La dimension « gouvernance » est intégrée en balayant les normes et les textes réglementaires liés à chaque étape du travail. La première partie du mémoire comprend une étude approfondie de types de projets souterrains permettant d’étudier leur fonctionnalité et de mettre en évidence la place du souterrain dans la ville durable. Dans les parties suivantes, une évaluation environnementale menée par la méthode d’analyse du cycle de vie (ACV) et une évaluation au sens du développement durable se basant sur la méthode Haute Qualité Environnementale (HQE) sont présentées. L’objectif est d’évaluer tous les aspects du développement durable en s’appuyant sur un système de notation avantages/inconvénients construit spécifiquement pour le souterrain. La méthodologie appliquée à un cas d’étude de tunnel urbain est capable d’évaluer plusieurs variantes et de proposer un système de hiérarchisation des résultats d’indicateurs. Grâce à la méthodologie développée, les différentes variantes proposées peuvent être classées en choisissant les plus avantageuses au sens du développement durable.

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