Combination of statistical and mechanical methods for collapse risk assessment of underground masonry structures : Case study of cover stream tunnels in the Cévenol mining heritage

Les ruisseaux couverts sont d’anciens tunnels maçonnés à vocation hydraulique, recouverts de stériles miniers au-dessus desquels différentes infrastructures ont été construites. De récents effondrements posent aujourd’hui la problématique de l’estimation du risque d’effondrement de ces ouvrages. Dans cette thèse, nous avons tenté de proposer une méthodologie permettant de répondre à cette problématique. Du fait de l’intensité du phénomène étudié, l’étude s’est concentrée sur la détermination de la probabilité d’occurrence et sur les enjeux.L’utilisation de la méthode multicritère AHP a permis de proposer une note de risque à partir des enjeux et des désordres en présence. Du fait de l’incapacité du modèle à estimer rétroactivement les effondrements relevés sur 28 ouvrages, l’étude s’est par la suite concentrée sur l’estimation de la probabilité d’occurrence des effondrements.Une analyse statistique a permis d’estimer que les effondrements rencontrés dans ces ouvrages étaient liés à l’effondrement des piédroits (83% des cas) et à l’effondrement de la sortie des ouvrages (17% des cas). L’utilisation de la méthode de la régression logistique a permis, à partir de paramètres géométriques et de désordres observés, d’estimer rétroactivement et avec un F1-score moyen de 84% la probabilité d’occurrence de ces deux types d’effondrement.Afin de prendre en compte la dégradation des propriétés mécaniques des maçonneries, nous avons proposé un méta-modèle d’estimation du coefficient de sécurité des piédroits à partir de modèles numériques. L’approche a été évaluée rétroactivement et a permis d’obtenir un F1-score de 82%.Une combinaison des approches a ensuite été utilisée pour estimer le risque effondrement de 28 ouvrages découpés virtuellement en 180 tronçons. La méthodologie développée et les résultats obtenus pourront permettre de prioriser des actions préventives (réparations d’ouvrages, sécurisations de zones potentielles d’effondrement et mise en sécurité des personnes).Covered stream tunnels are old masonry hydraulic tunnels, covered with tailings, over which various infrastructures were constructed. Recent and unforeseen collapses have raised the issue of the lack of knowledge on the risk assessment of these tunnel collapses. In this thesis, we have proposed a methodology to tackle such an issue. Because of the intensity of the phenomenon, the study focused on determining the probability of occurrence of this identified hazard and the stake value.The application of the multi-criteria analysis enabled to propose a risk-scoring model based on the issues and the disorders involved. As the model fails to retroactively predict the collapses observed on 28 structures, the study then focused on estimating the probability of the collapse occurrence.A statistical analysis has enabled us to estimate that the collapses encountered in these tunnels were related to the collapse of the sidewalls (83% of the total number of collapses) and the tunnel exit collapse (17% of the total number of collapses). The application of the logistic regression method, by using the geometrical features and the disorders observed in-situ, enabled to evaluate retroactively, with an average F1-score of 84 %, the probability of occurrence of these two types of collapses.In order to consider the degradation of the mechanical properties of masonry, we have proposed a meta-model that could estimate a safety coefficient of the sidewalls from numerical models. The approach was evaluated retroactively and resulted in an F1 score of 82%.All of these approaches were then aggregated and used to assess the collapse risk of 28 underground tunnels virtually divided into 180 sections. The methodology developed and the results obtained will enable us to prioritize preventive actions (structural repairs, securing potential areas of collapse and securing people)