Guide technique pour les souscripteurs 2 Fouilles en terrain aquifère
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Münchener Rück Munich Re Group
En ville, les constructions modernes impliquent souvent des fouilles profondes et vastes. Celles-ci sont nécessaires à l’exécution des fondations profondes des immeubles de grande hauteur à plusieurs soussols de parkings souterrains et de voies de communication, tels les tunnels routiers ou les galeries de métro construits à ciel ouvert. En général, le rabattement de nappe phréatique n’est pas autorisé par la loi sur l’environnement. De plus, la densité de construction urbaine ne cessant d’augmenter, le risque de tassement qu’il recèle l’interdit aussi. L’exécution de fouilles étanches revêt donc une importance accrue.
1 Blindage de fouille Il existe diverses techniques fiables et efficaces d’exécution et d’étanchement des fouilles. Citons les plus pratiquées: parois moulées dans le sol, écrans en pieux forés, rideaux de palplanches métalliques. Le procédé retenu est fonction de la profondeur d’excavation, du niveau de la nappe, de la charge exercée par les immeubles riverains existants, la circulation et la logistique du chantier.
2 Rabattement de la nappe phréatique L’abaissement artificiel du niveau de la nappe souterraine se fait par des puits filtrants installés hors de l’enceinte de la fouille. Celle-ci peut être exécutée en talus ou, faute de place, sous forme d’un blindage non étanche (par ex. paroi berlinoise). La profondeur de la fouille et la perméabilité à l’eau des couches du terrain déterminent le type et le nombre de puits requis.
La mise en service des puits provoque, du fait de la chute de pression hydraulique, un «cône de dépression» dont le sommet peut être établi juste au-dessous du fond de fouille. Il faut mesurer avec soin, au moyen de tubes de niveau, la hauteur d’eau à l’intérieur et à l’extérieur de la fouille. Cela permet de prendre des mesures – tel le branchement de puits filtrants supplémentaires – aptes à empêcher une élévation du niveau d’eau dans la fouille. Une fois les parois de l’ouvrage achevées et étanches, le système de puits est stoppé et récupéré. La nappe reprend alors son niveau initial. Un tel rabattement a de vastes répercussions négatives sur les couches de terrain concernées. L’épuisement du sol recèle pour la sécurité de gros risques liés à la tenue au tassement du sol de fondation et aux déformations qui en résultent pour les constructions voisines. Aussi, le rabattement classique de nappe phréatique est-il de moins en moins pratiqué.
1 Rabattement de la nappe souterraine. 1
2 Le sommet du cône de dépression s’établit juste au-dessous du fond de fouille prévu. 1 Système de puits 2 Tirant d’ancrage
3 Radiers De nouveaux modes d’exécution de radiers étanches ont été mis au point ces dernières années. Ils autorisent la confection, même dans des conditions difficiles, d’un cuvelage étanche sans rabattement de l’eau souterraine hors de la fouille. 3.1 Étanchement naturel du fond de fouille Si les conditions géologiques sont favorables, l’étanchéité du fond de fouille peut être réalisée par un procédé «naturel», peu coûteux et inoffensif pour l’eau souterraine. Pour cela, le terrain sous-jacent au fond de fouille prévu doit être cohérent et imperméable (limon ou marne) et donc former un écran naturel contre l’eau souterraine. Après exécution des parois périphériques de la fouille, l’eau emprisonnée dans celle-ci est pompée par des puits installés préalablement. Après cela, l’excavation peut commencer. Une fois la profondeur finale de fouille atteinte, un système d’«épuisement libre» est nécessaire: un drainage circulaire et des puisards d’aspiration disposés au bord de la fouille collectent et évacuent par pompage l’eau de ruissellement ou d’infiltration.
Il importe là que l’encastrement des parois dans l’écran naturel imperméable soit étanche. Un vice d’exécution provoquerait l’affouillement des parois en raison de la différence de pression hydrostatique entre la nappe d’eau naturelle extérieure et la nappe rabattue dans la fouille. L’érosion de la structure granuleuse du sol due à l’affouillement finirait par causer une «rupture hydraulique de sol» (renard) et, par suite, dans le pire des cas, l’éboulement de la fouille. Dès lors, la mise en place, par vibrofonçage, des palplanches métalliques exige une extrême prudence.
2 Étanchement naturel.
3.2 Bétonnage immergé de radier
3 Ancrage des parois de la fouille.
Si le sol de fondation ne comporte pas de couches compactes pouvant faire office d’assise étanche, force est de couler un radier d’étanchéité. La confection sous l’eau de radiers en béton a fait ses preuves, notamment dans la construction, à ciel ouvert, de métros exigeant de très longues tranchées de section étroite. La fouille est d’abord ceinturée par une paroi formant un blindage étanche. Après une excavation partielle est pratiquée quasi jusqu’à fleur de l’eau souterraine. Ensuite un premier soutènement ou un ancrage est mis en place. Alors, l’excavation sous l’eau est entreprise à partir d’un ponton. Selon la profondeur de fouille, la nature du terrain et le niveau de la nappe, il est indispensable d’ancrer le radier par en-dessous contre la poussée hydrostatique. L’ancrage est réalisé, lui aussi, à partir du ponton. Viennent enfin la mise en œuvre du béton sous l’eau, puis, en fonction des calculs de stabilité, la pose de nappes d’armature ou – pratique récente – de fibres d’acier. Quand le radier est achevé, l’eau restante est pompée, et la construction proprement dite de l’ouvrage peut débuter.
4 Excavation à partir d’un ponton.
Le bétonnage sous l’eau est un travail de grande précision, qui exige une surveillance minutieuse et un contrôle rigoureux de la qualité du béton. Pendant les travaux, des plongeurs surveillent l’observation scrupuleuse des prescriptions d’exécution, notamment la conformité
5 Mise en place des tirants d’ancrage pour le radier bétonné.
– de l’épaisseur du radier et – du raccordement radier/parois verticales. 3.3 Radier injectés Si, pour une fouille de très grande dimension et de forme irrégulière, le terrain sous-jacent n’est pas naturellement imperméable et que le bétonnage immergé n’est pas envisageable, le radier est réalisé par injection. Là, le choix du procédé approprié implique la reconnaissance préalable du terrain. Un sol meuble permet l’emploi de techniques d’injection classiques, qui sont cependant à proscrire si le sol n’est pas homogène. Un sol non homogène appelle une méthode adaptée, tel le «jet grouting», consistant à injecteur un coulis de ciment sous pression. Il ne s’agit pas d’une injection de remplissage classique visant à combler les pores du terrain, mais du remplacement complet du sol par confection d’une membrane étanche.
6 Bétonnage du radier. 1 1 Pompe à béton 2 Radier
2
Déroulement des opérations: réalisation de la paroi verticale, puis du radier et, enfin, excavation de la fouille.
7 Radier injecté profond.
Il existe deux modes d’exécution: – Si le radier injecté est profond, il agit comme une membrane étanche, vu que le poids propre du sol et de l’eau qui le charge suffit à annuler la poussée verticale. – Si le radier injecté est peu profond (partie supérieure au niveau de l’excavation finale), comme le radier bétonné sous l’eau, il doit être ancré par des tirants contre les sous-pressions. 3.3.1 Radiers injectés de façon classique L’injection classique a toujours pour but de combler totalement les pores du sol avec un produit approprié. Celui-ci doit pouvoir pénétrer facilement dans la structure granuleuse du sol et prendre, après un certain temps, la résistance et l’imperméabilité voulues. Les produits injectés sont, entre autres, des coulis de mélanges naturels bentonite/ciment, des solutions chimiques comme le gel de silicate, ou encore des résines artificielles.
8 Radier injecté peu profond.
Pour l’injection classique de radier, il faut forer des trous selon une maille carrée de 1,3 m. On y descend des tubes en plastique, que l’on noie dans un liquide plastique pour les rendre stables. Au niveau du futur radier, le produit d’injection s’écoule dans le terrain par des trous pratiqués d’avance dans les tubes en fonction de l’épaisseur de radier voulue. Selon les exigences hydrostatiques, les radiers réalisés ainsi ont généralement de 1 à 1,5 m d’épaisseur. L’injection classique implique une parfaite maîtrise de la qualité. Il s’agit là non seulement d’apporter un maximum de soin à chaque phase du travail, mais il est important aussi de vérifier et d’enregistrer les profondeurs de forage, la composition des matériaux employés et la pression d’injection.
C’est la taille des grains du terrain qui dicte le choix du procédé d’injection. Les sols de sable fin et les limons, insuffisamment imperméables, excluent la consolidation par injection classique, car leur porosité ne leur permet pas d’absorber le produit injecté. Force est alors d’opter pour un jet grouting.
3.3.2 Radiers injectés par jet grouting Le jet grouting commence par la destruction contrôlée de la structure du sol à l’aide d’un jet d’eau en rotation sous pression très élevée. Les constituants du sol sont ensuite mélangés à une suspension d’étanchement. Le mélange obtenu forme un «mortier de sol», ou liant naturel, dont la perméabilité – 10–8 m/s environ – convient à l’étanchement et équivaut à celle d’une couche de terrain naturel imperméable. Les opérations débutent par le fonçage, jusqu’à la profondeur requise, d’un tube à buses latérales. Retiré ensuite progressivement, le tube est mis en rotation pendant que l’on injecte, sous très forte pression, une suspension à base de ciment. Il se constitue ainsi un liant naturel, qui durcit dans le forage pour former un pieu ayant l’imperméabilité voulue. L’entrecroisement de tels pieux, d’un diamètre maximal de 1,5 m selon la nature du sol, est effectuée en quadrillage sur toute la superficie de la fouille. Pour pouvoir résister aux sous-pressions, les radiers réalisés suivant cette technique spéciale doivent être d’une épaisseur allant de 0,5 à 1,0 m. Là encore, la stricte observation de tous les critères de contrôle qualitatif est décisive. En effet, le jet grouting est d’une réalisation bien plus exigeante que l’injection classique, et le matériel requis réclame une grande vigilance sur le plan technique.
Retiré progressivement, le tube est mis en rotation pendant que l’on injecte, sous très forte pression, une suspension à base de ciment.
9 Radier injecté par jet grouting.
4 Assurance 4.1 Rabattement de la nappe phréatique Si, malgré toutes les restrictions citées, un rabattement de nappe est prévu, l’assureur doit surtout faire attention au risque de tassement lié à la nature du sol sur le site. Le tassement peut entraîner la fissuration, voire l’effondrement des bâtiments avoisinants. Généralement, ce genre d’accident donne lieu à des demandes en dommages-intérêts substantielles. La transparence du risque encouru repose sur une appréciation fondée des aléas établie avant le début des travaux. Cela implique de dresser des constats d’état des lieux pour les bâtiments et ouvrages voisins du site et de fixer des plafonds de garantie et des franchises d’un pourcentage approprié. 4.2 Étanchement naturel Pour l’estimation des risques propres à l’étanchement naturel du fond de fouille, il importe de prêter une attention particulière au type de paroi verticale envisagé. Les techniques – telles que les parois moulées dans le sol et les écrans étanches en pieux forés – générant peu de vibrations limitent le risque de raccordement défectueux entre la paroi et le fond de fouille naturel. Elles évitent donc le risque de renard pouvant provoquer, dans le pire des cas, l’éboulement de la fouille.
Avant l’excavation de la fouille, un bon nombre de sondages devraient être faits pour vérifier si la couche de terrain d’étanchement est assez forte sur tout le site. Cette reconnaissance préalable permet d’éviter un défaut d’étanchéité de la fouille risquant de causer un renard. 4.3 Bétonnage sous l’eau Sur le plan technique, le bétonnage immergé correct d’un radier très profond est un véritable défi pour l’entrepreneur. Dès lors, l’expérience de celui-ci, quant à l’exécution de tels travaux, est un facteur majeur d’appréciation du risque. L’exécution d’une fouille à radier bétonné sous l’eau, implique inévitablement la formation sur le site d’un vaste plan d’eau à ciel ouvert. Cela appelle des précautions appropriées pour la sécurité du personnel et des tiers. Les visites de chantier, entre autres de la part de l’assureur, sont de nature à promouvoir de façon non négligeable le respect des règles de sécurité.
4.4 Radiers injectés L’injection de radiers relève des techniques de fondations spéciales. Elle exige non seulement des matériels et engins d’un haut niveau technique, mais aussi une solide expérience du personnel de conduite. Aussi l’assureur devra-t-il porter une attention particulière, dans son appréciation du risque, à la qualification des entreprises chargées des travaux. Les règles de souscription et clauses, telle l’exclusion des pertes accidentelles de bentonite, généralement applicables aux opérations d’injection valent aussi pour les travaux de fouille comportant un étanchement par injection. Concernant les injections chimiques, les atteintes à l’environnement – pollution des eaux souterraines et autres dégradations comparables – devraient être exclues de la garantie d’assurance.
10 Bétonnage sous l’eau d’un radier.
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