GT19R2F1 Tunnels Monitoring

ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS ET DE L’ESPACE SOUTERRAIN Organisation nationale adhérente à l’AITES

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Recommandati ons de l ’AFTES Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains GT19R2F1

Recommandations de l’ AFTES relatives aux

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains Texte présenté par Jean PIRAUD (ANTEA), Animateur du groupe de travail " Auscultation " (GT N° 19) Assisté de Bernard PINCENT (ARCADIS), vice-animateur avec la collaboration de : François BERTRAND (Chantiers Modernes), Lucien BERTRAND (ANTEA), Jean-Louis BORDES (Coyne & Bellier), Franck BOUCHÉ (Chantiers Modernes), Jean-Pierre CHIARELLI (VINCI-Construction), Christian CHOQUET (CETu), Stéphane DUFLOS (SPIE), Bernard GAUDIN (Scetauroute), Hubert GILLAN (SNCF), Yves GUERPILLON (Scetauroute), Jean-Ghislain LA FONTA (Sol Data). Une relecture critique du texte a été assurée par : Jacques CHEZE (CRECEP), Pascal DUBOIS (MISOA), Jean-Louis GIAFFERI (EDF) et Jean LAUNAY (VINCI-Construction). Cette recommandation a été approuvée par le Comité technique de l’AFTES le 19 janvier 2005 L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.

SOMMAIRE Pages

Pages

PRÉAMBULE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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1. LES PARAMÈTRES À MESURER - - - - - - - - - - - - - - - 1.1. Objectifs des constructeurs et paramètres 13 à mesurer - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1.2. Paramètres et types d’ouvrages - - - - - - - - - - - - - -

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2. RECOMMANDATIONS GÉNÉRALES - - - - - - - - - - - - - 2.1. Plan d’auscultation - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2.2. Contrôle-qualité et maintenance du système - - - 2.3. Périodicité des mesures - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2.4. Automatisation des mesures - - - - - - - - - - - - - - - 2.5. Traitement et interprétation des mesures - - - - - - 2.6. Avertissements, alertes et alarmes - - - - - - - - - - - -

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3. COÛT DE L’AUSCULTATION - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3.1. Composantes du coût de l’auscultation - - - - - - - 3.2. Estimation globale du coût de l’auscultation - - - - 3.3. Remarque sur les fabricants de matériel - - - - - - - -

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4. PRÉSENTATION DES MÉTHODES DE MESURE - - - - - 4.1. Principes physiques de la mesure - - - - - - - - - - - 4.2. Présentation des fiches techniques par méthode 4.3. Comparaison des méthodes d’auscultation - - - - - - - -

18 18 18 18

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5. BIBLIOGRAPHIE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5.1. Bibliographie générale - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5.2. Mesure des paramètres géométriques - - - - - - - - 5.3. Mesure des paramètres mécaniques - - - - - - - - - 5.4. Mesure des paramètres hydrauliques - - - - - - - - - 5.5. Automatisation des mesures et divers - - - - - - - - -

21 21 21 22 22 22

ANNEXES : FICHES TECHNIQUES PAR METHODES - - - - -

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ANNEXE A – TECHNIQUES COMMUNES DE BASE - - - - - -

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ANNEXE B – MESURE DES DEPLACEMENTS EN SURFACE

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ANNEXE C – MESURE DES DEPLACEMENTS EN FORAGE

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ANNEXE D – MESURE DES DEPLACEMENTS A LA PAROI

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ANNEXE E – MESURE DES PARAMETRES MECANIQUES -

40

ANNEXE F – MESURE DES PARAMETRES HYDRAULIQUES

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TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER /FÉVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

PRÉAMBULE

L

Projet de génie civil Avant-projet Projet

Sous-projet "Auscultation" Phase A : - Conception générale de l'auscultation, compte tenu des difficultés particulières du projet et des intentions du maître d’ouvrage Phase B : - Organisation pratique de l'auscultation (types et nombre d'appareils, budget, personnel, procédures…) - Cahier des charges de l'auscultation (établi par le maître d’œuvre ) Phase C : - Rédaction du "PAQ Auscultation" (par le prestataire de mesures) - Installation du système de mesure Phase D : - Mesures pendant les travaux ("auscultation opérationnelle") Phase E : - Interprétation des mesures et actions sur le génie civil Phase F : - Reconfiguration du système de mesure pour l’exploitation - Bilan des 2-3 premières années, puis suivi à long terme

FT

DCE Construction de l'ouvrage

ES

e présent document fait suite à une première recommandation de l’AFTES sur " l’organisation de l’auscultation des tunnels ", rédigée en 1998 par le même groupe de travail et publié dans le n° 149 de la revue Tunnels et Ouvrages Souterrains. Comme son titre l’indique, ce premier texte portait principalement sur la manière d’organiser l’auscultation, sur sa programmation et sur son cadre contractuel. Il y était annexé un aide-mémoire pour la rédaction du PAQ-Auscultation, ainsi qu’un glossaire de métrologie franco-anglais. Les recommandations de 1998 insistaient particulièrement sur la nécessité d’une bonne concordance entre l’avancement du projet de génie civil et celui du " sous-projet Auscultation " (cf. tableau 1), lequel comprend idéalement 6 phases :

Exploitation de l'ouvrage

Tableau 1 - Correspondance entre les phases du génie civil et celles de l'auscultation

A

La place de l’auscultation en tant que partie intégrante du processus de construction ne peut que se renforcer à l’avenir, car elle est en accord avec trois grandes tendances que l’on constate aujourd’hui dans les travaux souterrains : • exigence d’une sécurité maximum pour le personnel du chantier, • exigences croissantes des riverains en matière de limitation des désordres, ce d’autant plus que des techniques existent aujourd’hui pour les prévenir, • développements métrologiques et informatiques permettant une auscultation en temps réel, voire une prévision de l’évolution des paramètres mesurés en fonction des dispositions constructives envisagées (exemple : injections de compensation). Les présentes recommandations portent sur les méthodes et techniques d’auscultation proprement dites ; elles comprennent deux grandes parties :

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

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ES


A droite : Double extensomètre à corde vibrante pour mesure des efforts dans un cintre

FT

A gauche : Cellule hydraulique de pression totale avec capteur électrique pour mesure de contrainte au contact béton-rocher

A

1) un texte de présentation générale des méthodes utilisées, avec des commentaires sur les paramètres à mesurer, le choix des composants, la fréquence et l’automatisation des mesures, et l’ordre de grandeur des dépenses à prévoir ; 2) en annexe, une quarantaine de fiches techniques par méthode, qui décrivent chacune les caractéristiques, avantages et inconvénients des principales méthodes utilisées, en insistant en particulier sur leurs limites et difficultés d’application ; on n’a pas cherché à être exhaustif, ni à présenter les toutes dernières innovations. La présente recommandation n’a donc pas l’ambition de constituer un " guide " pour la conception d’un système

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d’auscultation adapté à chaque type d’ouvrage ou de terrain ; elle se veut plutôt une récapitulation critique, dans un même document, de l’essentiel de la " panoplie " disponible en matière d’auscultation. La 1ère partie du document vise principalement l’auscultation des travaux neufs. D’une certaine manière, elle constitue le pendant, pour ce qui est des travaux neufs, du chapitre " Auscultation " des Recommandations de l’AFTES sur les Méthodes de diagnostic des tunnels revêtus (cf. revue TOS, n° 131, 1995). Mais la plupart des méthodes décrites dans les fiches en annexe peuvent être utilisées aussi bien pour l’auscultation de tunnels neufs que pour celle des ouvrages en service (cf. tableau 2).



1 - LES PARAMÈTRES À MESURER

1.1 - Objectifs des constructeurs et paramètres à mesurer

A

FT

ES

La liste des paramètres à mesurer pendant la construction d’un ouvrage souterrain doit refléter les préoccupations principales du maître d’ouvrage et de l’entreprise, à savoir : • assurer la stabilité de l’ouvrage à court terme (en particulier la sécurité du chantier), • adapter et optimiser les méthodes d’exécution, • vérifier l’impact des travaux sur l’environnement, notamment sur le bâti existant, • garantir la pérennité de l’ouvrage à long terme. A ces préoccupations peuvent être associés quatre objectifs majeurs de l’auscultation : • alerte en cas de mise en cause de la sécurité, • suivi du bon comportement des ouvrages et compréhension des mécanismes en jeu, • prévision de l’évolution du paramètre mesuré, mais aussi d’autres paramètres qui ne le sont pas ou pas encore (grâce à l’ajustement possible des modèles de calcul), • prévisions quant au comportement et à la gestion de l’ouvrage définitif. Plus précisément, la règle d’or énoncée par J. Dunicliff (1993) est que tout appareil de mesure installé sur un chantier, donc tout paramètre mesuré, doit répondre à une question précise, comme par exemple : • la vitesse de convergence commence-t-elle à diminuer ? • le tassement de tel bâtiment dépasse-t-il le seuil contractuel ? • la contrainte tangentielle dans le soutènement tend-elle vers une valeur admissible ? • à telle distance du front, les déformations du massif et du soutènement sont-elles stabilisées ? Il convient donc de ne pas traiter le problème à l’envers (en choisissant d’abord une panoplie rassurante d’appareils de mesure, comme on le voit trop souvent), mais plutôt de : (a) lister les objectifs de mesure, en les hiérarchisant vis-à-vis de la conduite des travaux, (b) en déduire les grandeurs physiques à mesurer et les lieux où elles doivent l’être, (c) choisir des appareils, un rythme de mesure et un système d’acquisition appropriés, (d) vérifier que l’ensemble n’entraînera pas de contraintes techniques ni de dépenses prohibitives eu égard au coût de l’ouvrage (cf. § 3).

tunnel sous la mer), tandis que les tassements en surface sont essentiels pour un ouvrage urbain. Cependant, quel que soit l’ouvrage, l’objectif premier de l’auscultation est de maîtriser les risques d’instabilité ou de tassements à court terme, d’où il résulte presque toujours les priorités suivantes : • 1ère priorité : évolution des déplacements en souterrain et en surface, • 2ème priorité : contrôle de l’état de contrainte (à partir des déformations), • 3ème priorité : suivi des conditions hydrauliques. A titre d’exemple, nous avons examiné quatre configurations types de tunnels très fréquentes dans la pratique, pour lesquelles nous avons listé les paramètres qu’il est en général le plus important de mesurer (tableau 2) ; on notera que l’appréciation portée sur l'intérêt de ces paramètres ne préjuge en rien de leur plus ou moins grande facilité d'acquisition, qui sera examinée par ailleurs. Ce tableau est donné à titre indicatif, afin de souligner les paramètres importants, à ne jamais oublier ; ceci dit, certains paramètres réputés secondaires, voire non mentionnés dans le tableau, peuvent se révéler décisifs dans certains cas. En tête du tableau, c’est à dessein que nous avons mentionné l’observation visuelle du front et de la paroi excavée, avant les divers paramètres à mesurer. Cette tâche est en effet irremplaçable, car elle seule permet de saisir certains indices inaccessibles aux instruments ; c’est souvent la répétition des levés successifs, de préférence par une même personne, qui permet de déceler une évolution dangereuse ou imprévue. Du point de vue de la sécurité, c’est l’inspection visuelle associée à l’auscultation qui constitue la vraie prévention. Dans le cas d’une galerie de reconnaissance, la mesure des paramètres de déformabilité prend une importance particulière car l’un des objectifs d’une telle galerie est de caler la loi de comportement du massif, qui servira de base aux calculs de dimensionnement.

1.2 - Paramètres et types d’ouvrages L’importance relative des divers paramètres à mesurer varie selon le type d’ouvrage, la méthode d’exécution et la nature du terrain : ainsi, l’état de contrainte dans le terrain est sans grand intérêt pour un tunnel sous-fluvial (mais peut l’être pour un


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● ● ❍ ❍ ● ❍ x

● ● ❍ ❍

Tunnel en service, en terrain fluant, H ≈ 100 m ●

●

x

x ● ● ❍

x ● ● ●

x

● ❍ ●

x ❍ ❍

● ❍ ● ❍

❍ x ● x

ES

0. OBSERVATIONS VISUELLES (front et parois) 1. PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES . Abscisse du front . Tassement en surface . Rotation en surface . Déplacement en forage (extenso, inclino) . Convergence de la paroi . Evolution des fissures du soutènement . Déformation du revêtement définitif 2. PARAMÈTRES MÉCANIQUES . Force (pied de cintre, tirant, boulon...) . Contrainte dans le terrain . Contrainte dans le sout./revet. 3. PARAMÈTRES HYDRAULIQUES . Débit d'exhaure . Pluviométrie de surface . Piézométrie du terrain . Température des venues d’eau 4. PARAMÈTRES DIVERS . Température du terrain . Température de l'air du tunnel . Pression de l'air du tunnel . Hygrométrie du tunnel . Le temps (date, heure) . Vibrations dues aux tirs

Méthode Tunnelier Tunnelier conventionnelle à confinement, "roches dures" dans des marnes terrain meuble H ≈ 20 m et aquifère ● ●

●

❍

FT

❍ x ●

Légende :

x = paramètre en général secondaire ● = paramètre indispensable, à mesurer dans tous les cas.

x ● ●

●

❍ x x ●

● ● x ❍ ● x

x

❍ ●

❍ = paramètre souvent important H = hauteur de recouvrement au-dessus de l’ouvrage

A

Tableau 2 - Principaux paramètres à mesurer pour quatre configurations types de tunnels : • Tunnel dans des marnes, creusement conventionnel (H ≈X 20 m), • Tunnelier à confinement, en terrain meuble et aquifère (site urbain), • Tunnelier au rocher sous forte couverture (σc / γH < 4), • Tunnel en service, dans un terrain à comportement différé (H ≈ 100 m).

2 - RECOMMANDATIONS GÉNÉRALES

2.1 - Plan d’auscultation 1.1.1. Choix des points de mesure

La répartition des points de mesure doit être guidée par trois objectifs : • avoir des points représentatifs de chacun des principaux sousensembles géotechniques de l’ouvrage (cf. Recommandations sur la Caractérisation des massifs rocheux, Revue TOS, n° 177, juin 2003), afin de pouvoir en extrapoler les résultats ; • équiper les points singuliers susceptibles d’avoir un comportement particulier et éventuellement dangereux ;

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• ausculter rapidement et de façon détaillée les parties d’ouvrage à réaliser en début du chantier, afin de vérifier dès que possible les hypothèses des études et de donner le temps à l’entreprise d’optimiser ses méthodes. Dans les tunnels, il est recommandé d’installer régulièrement des sections de mesure courantes (" profils de convergence "), par exemple tous les 20 à 30 m selon l’hétérogénéité des terrains. Cette approche systématique, qui permet d’avoir un profil longitudinal de déformation relié aux terrains rencontrés, est importante pour la sécurité d’ensemble du tunnel ; elle n’exclut pas des sections de mesures complémentaires en cas de difficultés ou de variation rapide des faciès.



De plus, il ne faut pas hésiter à créer une certaine redondance entre méthodes de mesure, en particulier pour les mesures délicates, afin d’améliorer la fiabilité de la moyenne des mesures et de pallier d’éventuelles défaillances des appareils. Il est également prudent de prévoir et de budgéter un ensemble de points de mesure supérieur à ce qui est strictement nécessaire, afin de faire face à la destruction inopinée de certains d’appareils, ou à une réalité plus complexe que prévu. Quoi qu’il en soit, l’avis d’un spécialiste devrait toujours être requis avant de valider un programme d’auscultation.

ES

2.1.1 - Choix des capteurs Le choix d’un capteur doit tenir compte de la grandeur physique à mesurer, de la précision recherchée, de l’environnement dans lequel il sera placé et du budget disponible. Quelques recommandations générales peuvent être formulées à ce sujet : • Privilégier la mesure directe de la grandeur recherchée plutôt que les mesures indirectes, qui nécessitent la connaissance d’autres paramètres pour être interprétées et diminuent de ce fait la fiabilité du résultat ; • Pour les paramètres géométriques, choisir si possible des capteurs " à base longue ", afin de lisser la dispersion locale qui est d’autant plus grande que la base de mesure est petite ; • Veiller attentivement aux capacités de résistance des matériels à l’environnement : humidité, chaleur, gel, vibrations, chocs, etc. (cf. Recommandation de 1998, TOS n° 149, p. 413) ; • Pour chaque appareil (capteur et unité d’acquisition), rechercher un compromis entre résolution et étendue de mesure, qualités qui varient toujours en sens contraire. Un bon capteur devrait avoir une résolution meilleure que 5.10-4 fois son étendue de mesure ; • Choisir des capteurs dont la dérive soit très faible au cours de la durée d’utilisation prévue, ou dont la dérive puisse être corrigée (mesures en opposition par retournement, capteurs étalonnables…) ; • Préférer des appareillages et câblages aussi visibles que possible et étudier avec soin des dispositifs de protection, les risques de destruction involontaire étant très grands dans un espace confiné ; • Veiller à l’homogénéité et la compatibilité des différents matériels d’une chaîne de mesure. Enfin, le choix des appareils ne sera pas le même selon qu’il s’agisse de capteurs mis en place à l’avance, et que l’on pourra tester à loisir, et de capteurs à installer près du front, ce qui est le cas le plus fréquent ; la mise en place de ces derniers se fera sous la " pression " du chantier, avec une exigence de fonctionnement immédiat.

Les ingénieurs en charge du génie civil pourront ainsi concentrer toute leur attention : • à l’amont, sur les objectifs et la conception du système de mesure, • à l’aval, sur l’interprétation des résultats et l’adaptation corrélative du projet. Pour ces tâches d’auscultation, dont le coût est toujours faible eu égard à celui du génie civil, le choix d’équipes expérimentées s’impose fortement : les erreurs, maladresses et mesures manquées sont irrattrapables une fois que l’excavation a progressé, et leurs conséquences sur le coût des travaux sont sans commune mesure avec l’économie espérée.

2.2 - Contrôle-qualité et maintenance du système

A

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Les procédures de contrôle de l’auscultation doivent bien sûr respecter les principes de l’Assurance-qualité (cf. TOS n° 149, p. 405). Elles interviennent dès la réception du matériel envoyé par le fabricant, puis au moment de son installation, ensuite en régime courant lors des relevés, enfin pour la maintenance. Il est fortement recommandé de s’astreindre à respecter ces procédures, qui au-delà du " papier " qu’elles engendrent doivent être mises en œuvre par du personnel compétent ; leur coût est minime en regard de celui d’un appareil qui tombe en panne, ou qui donne des indications douteuses nécessitant de nouveaux contrôles à faire d’urgence. Les principaux documents à établir sont les suivants : • fiches signalétiques des capteurs et appareils de mesure, • instructions d’installation de chaque élément du système, • instructions d’utilisation et de maintenance, • procédures d’étalonnage et de vérification de l’état du matériel, • modèles de fiches de suivi (" fiches de vie "), de contrôle et d’anomalie. La maintenance des appareils doit faire l’objet d’un programme et d’un calendrier, et être bien entendu budgétée, au même titre que pour tout autre matériel. Quelques recommandations en la matière : • chaque fois que possible, reporter en surface (plutôt qu’en profondeur) la mesure proprement dite, c’est-à-dire le capteur et l’électronique, • privilégier les systèmes facilement accessibles, permettant de démonter, réparer ou changer les éléments les plus fragiles sans perte d’information, • utiliser des capteurs, câbles et logiciels standardisés, • au niveau des logiciels de traitement, prévoir une évolution possible du système de mesure (nombre et type de capteurs, remplacement éventuel). On sait que pour une chaîne de mesure automatisée, la notion de fiabilité s’applique à chaque maillon de la chaîne : capteurs – câbles – centrale d’acquisition – local de traitement. A titre indicatif, pour un système d’auscultation courant comprenant une centaine d’appareils (convergences, déformations, contraintes…), on exige généralement que le taux de défaillance définitive reste inférieur à 5 %. Il faut là aussi hiérarchiser les types de mesures et faire en sorte que la fiabilité des mesures de haute priorité soit maximale.

2.1.2. Choix du prestataire de mesures L’évolution des techniques, en particulier l’automatisation croissante des mesures et du traitement des données, font que l’auscultation devient de plus en plus un métier de spécialistes. L’intérêt du chantier est que cette tâche soit confiée à de tels spécialistes – qu’ils soient internes ou externes aux principaux intervenants – afin que la partie " matériel et logiciel " pose le moins de problèmes possible (cf. TOS n° 149, p. 410).


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2.3 - Périodicité des mesures

2.5 - Traitement et interprétation des mesures La phase de traitement des données comprend les tâches suivantes : • transformation de la grandeur mesurée (ex. tension électrique) en une grandeur physique pertinente (ex. allongement), • validation des données, après suppression des valeurs aberrantes, • calcul des évolutions par rapport à la mesure origine, • prise en compte des grandeurs d’influence perturbant les mesures (surtout la température), et correction des mesures brutes si une bonne corrélation est mise en évidence, • confrontation des mesures entre elles (d’un même type dans différentes sections, ou de plusieurs types dans une même section), • représentation des résultats sous formes de graphiques clairs, qui seuls permettront de pointer les évolutions importantes. On rappellera que la transmission ou le stockage de fichiers informatiques restent des opérations vaines si chaque fichier n’est pas accompagné de l’identification claire et complète de toutes les données qu’il contient (lieu, date, heure, unité, qualité, formule de conversion, etc.). L’interprétation de l’auscultation en termes de comportement de l’ouvrage est d’une importance primordiale en phase travaux. C’est une opération distincte du traitement des mesures, qu’elle doit suivre dans les plus brefs délais ; le résultat de cette interprétation doit être transmis immédiatement au responsable des travaux, sous forme d’un document clair, concis et directement lisible par un ingénieur non spécialisé en métrologie. L’interprétation consiste essentiellement à confronter les résultats de mesures à d’autres informations, telles que : • avancement du front, du stross et autres données relatives au déroulement des travaux, • variations géologiques rencontrées, • évolutions pluviométriques et piézométriques, • variations de température, lorsque aucune correction systématique n’a pu être faite (tout ouvrage, par sa dilatation, est d’abord une sorte de thermomètre), • déformations prévues dans les calculs de dimensionnement de l’ouvrage. Dans certains cas, l’interprétation de l’auscultation nécessitera d’acquérir des données complémentaires sur les caractéristiques du terrain (déformabilité du terrain, par exemple, pour bien comprendre les convergences mesurées). Même si le système de mesure, voire de traitement des données, peut être entièrement automatisé, l’interprétation ne le sera jamais ; au contraire, la masse de données recueillies demandera toujours l’intervention d’un spécialiste, au moins dans la

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ES

Elle doit être adaptée aux trois phases qui marquent la vie d’un système de mesure : • phase d’installation des appareils, • phase des mesures initiales (y compris la " mesure zéro "), • phase des mesures courantes. Pendant l’installation des appareils, il importe de bien relever le sens d’évolution des capteurs, de vérifier la numérotation des points et voies de mesure, et de déceler les dysfonctionnements. Cette période de tests est d’autant plus importante que le système de mesure est complexe ; elle mérite d’être planifiée si l’on veut être sûr d’être prêt le jour où il faudra mesurer les évolutions dues à l’ouvrage. Dans la phase des mesures initiales, il est extrêmement utile de multiplier les mesures, à la fois pour mieux asseoir la valeur de la " mesure-origine ", pour améliorer progressivement la précision des mesures, pour valider dès que possible les hypothèses des études, enfin et surtout pour s’assurer de la stabilisation des mouvements. En phase courante, la fréquence des mesures doit être adaptée à l’évolution présumée de la grandeur mesurée, et être périodiquement adaptée aux résultats observés ; elle sera bien sûr différente s’il s’agit de donner une alerte ou de suivre l’évolution d’un ouvrage dans le temps. La prudence incite à considérer que les phénomènes importants voire dangereux seront peut-être beaucoup plus rapides que prévu... Quoi qu’il en soit, le bordereau des prix doit mentionner de façon explicite cette périodicité et prévoir l’incidence de ses variations en plus ou en moins. Pour l’auscultation de tunnels en service, il importe de programmer à la fois : • le rythme initial des mesures, en fonction notamment du cycle des saisons qui influe toujours sur les résultats (une mesure tous les 2 ou 3 mois paraît un minimum en début de programme pour déceler les variations saisonnières) ; • des bilans périodiques entre maître d’ouvrage et opérateur de mesure (tous les 2 à 3 ans, au moins), afin d’examiner les résultats et d’adapter la nature et la périodicité des mesures ultérieures.

• suivi précis des effets de la température, et possibilité de les corriger automatiquement, • rapidité d’obtention des résultats, permettant une adaptation du projet en temps réel, ce qui peut conduire à des économies sur le génie civil sans commune mesure avec l’investissement consenti dans l’auscultation.

2.4 - Automatisation des mesures

A

Si les mesures sont automatisées, un rythme d’acquisition assez soutenu est conseillé (de l’ordre d’une mesure par heure) ; on peut ainsi mettre en évidence des phénomènes qui resteraient autrement insoupçonnés. Le problème se déplace alors vers la capacité d’enregistrement du système, et surtout vers la capacité des opérateurs à traiter, visualiser et interpréter en temps utile une masse considérable de données ; il faut donc se donner les moyens de traiter et stocker commodément cette information au fur et à mesure, faute de quoi le système d’auscultation deviendrait inexploitable. Certes, l’automatisation comporte un surcoût initial par rapport aux mesures manuelles ; mais elle entraîne un saut qualitatif qui la rend difficilement comparable à celles-ci : • faculté d’augmenter à volonté et sans surcoût la fréquence des mesures (possibilité d’effets de loupe), • possibilité de mettre en évidence un bruit de fond, et éventuellement de le corriger,

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phase initiale. Celui-ci dégagera les grandes lignes du comportement de l’ouvrage après prise en compte des effets parasites ; l’interprétation peut ensuite être poursuivie par l’exploitant, jusqu’à l’occurrence d’un nouveau phénomène inattendu.

2.6 - Avertissements, alertes et alarmes

ES

En matière d’alarmes, la plus grande prudence s’impose eu égard aux incertitudes qui caractérisent toujours le sous-sol – contrairement au cas des processus industriels. La définition précise de seuils demande un très long apprentissage dans le

même terrain ; aussi est-il préférable de considérer une série de seuils correspondant à des degrés croissants de vigilance, tels que seuils d’attention, d’avertissement et d’alarme. Dans tout ce processus de traitement et d’interprétation, et a fortiori en cas d’alarme, il est absolument essentiel que soient bien définis à l’avance : • le cheminement de l’information, • les responsabilités des différents acteurs, • les délais de transmission ou de décision attendus de chacun, • enfin et surtout, une panoplie de dispositions constructives propres à faire face aux diverses évolutions possibles de l’ouvrage.

3 - COÛT DE L’AUSCULTATION

3.1 - Composantes du coût de l’auscultation

3.2 - Estimation globale du coût de l’auscultation

A

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Insistons d’abord sur le fait que le coût de l’auscultation ne se limite pas au coût des fournitures, ni des matériels et logiciels associés. Il y a d’abord un coût pour la conception de l’auscultation, la rédaction des spécifications et la consultation des fournisseurs. Vient ensuite le prix d’achat des appareils, qui, sous prétexte qu’il est bien connu, ne doit pas occulter le coût de leur mise en place, en général bien supérieur quoique plus difficile à évaluer. De plus, cette mise en place nécessite de la part de l’entreprise une assistance et des aménagements (forages, niches…) qui perturbent l’avancement du chantier et ont aussi un coût, qui sera supporté in fine par le maître d’ouvrage. Enfin, une fois installé, un appareil engendre obligatoirement une activité de mesure, traitement des données et maintenance dont le coût réel peut dépasser largement celui de l’appareil en place, bien que cette activité soit difficile à isoler des autres tâches du chantier. C’est pourquoi la recherche d’économies sur les seules fournitures est souvent illusoire et peut se révéler contre-productive : c’est la qualité qui doit primer, du fait des surcoûts ou, pire encore, des pertes d’information qu’entraîne toujours la non-qualité. Parmi les facteurs qui influent le plus sur le coût de l’auscultation, on peut citer : • la précision requise des mesures, qui augmente bien sûr leur coût ; on veillera en particulier à ne pas formuler d’exigences excessives dans le cahier des charges : celles-ci pourraient imposer l’acquisition d’appareils non courants ou de prototypes, avec toutes les sujétions qui en résultent en matière d’étalonnage et de résistance à l’environnement ; • la résistance requise aux agressions, en particulier le degré de protection recherché contre la foudre (les composants électroniques y sont très sensibles). Plus généralement, la durée de vie escomptée des appareils devra être soigneusement étudiée pour le choix de l’instrumentation d’un ouvrage en service : rares sont les capteurs ou centrales d’acquisition dont le fonctionnement peut être garanti audelà de 5 ans…

• la proximité de la surface, qui nécessite un suivi précis des tassements éventuels, surtout en ville et en particulier au voisinage des têtes : celles-ci sont en général les parties d’ouvrage les plus délicates et par suite les plus instrumentées ; • l’automatisation des mesures, dont le surcoût initial est d’autant mieux amorti que le nombre de capteurs et la fréquence de mesures sont élevés.

a) Cas des ouvrages hydroélectriques Dans ce secteur, un chiffre souvent avancé pour l’auscultation est de 1 à 3 % du coût du génie civil, mais avec des disparités considérables selon le type et la complexité de l’ouvrage (tunnel, centrale souterraine…) ; ce ratio, qui ne comprend pas l’exploitation du système, est du même ordre que pour les barrages en béton. Plus précisément, on peut distinguer : • le coût des fournitures (capteurs, câbles, boîtiers de jonction, systèmes informatiques…), qui dépasse rarement 0,5 % du prix de l’ouvrage. A noter que pour un tunnel de grande longueur ausculté à distance, le prix des câbles classiques peut dépasser largement celui des appareils de mesure ; mais ce n’est plus vrai en cas de transmission des données par " bus " numérique ; • le coût de la pose (y compris forages, niches et sujétions diverses imposées à l’entreprise), qui serait de 2 à 3 fois le prix d’achat du matériel mis en place ; • enfin, le coût d’exploitation et de maintenance du système, qui s’étalera sur des décennies et peut atteindre un ordre de grandeur de 50 000 E/an, soit, en valeur actualisée, une somme proche de celle investie au départ pour le matériel et sa mise en place. b) Cas des tunnels routiers et ferroviaires Le tableau 3 donne quelques exemples de chantiers de tunnels où le coût de l’auscultation a pu être isolé. Ces coûts, qui reflètent les prix des années 1990-95, incorporent toutes les dépenses à la charge du prestataire de mesure (fourniture, installation et exploitation du système d’auscultation), ainsi


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Ouvrage

Longueur

RN 20 – Tunnel du Puymorens A 8 – 2ème tube Rosti (1) A 40 – 2ème tube Chamoise Traversée de Toulon (1er tube) Métro Lyon, D sous Fourvière Station RER Magenta (Paris) Projet LHC (CERN, Genève) Métro d’Amsterdam (Centre)

4 800 m 200 m 3 300 m 1 800 m 1567 m 225 m Cavernes Atlas

Coût des travaux de Coût de l’ausculta- Ratio auscultation / génie civil tion (hors taxes) travaux GC

102 ME

1,2 ME

77 ME 49 ME (2) 17 ME 150 ME 35 ME

0,8 ME 1,4 ME (3) 0,2 ME 4,1 ME 0,5 ME (4)

1,2 % 2,6 % 1,0 % 2,8 % 1,2 % 2,7 % 1,3 %

13 ME (5)

env. 1,5 %

4400 m + 4 stations

(4) Fourniture et mise en place du système seulement (5) Pour 6 ans d’auscultation des bâtiments et du sol au-dessus du projet, avec 74 stations motorisés.

ES

(1) Tunnel court sous versant instable (2) Estimation initiale (3) Dont 0,6 ME pour le contrôle des tassements en surface

-

Tableau 3 – Comparaison entre le coût de l’auscultation et celui du génie civil

pour les tournées de mesures. Si le nombre d’appareils justifie un équipement d’acquisition automatique, il faut envisager un investissement initial beaucoup plus élevé, auquel s’ajoutera un coût d’exploitation de l’ordre de 10 à 20 000 e/an.

3.3 - Remarque sur les fabricants de matériel

Les matériels d’auscultation utilisés en génie civil (capteurs et câbles) doivent être définis et commandés longtemps à l’avance, car les délais de livraison sont en général assez longs : souvent plus de 3 mois. Il s’agit en effet d’un marché très étroit (moins de 100 ME à l’échelle mondiale), avec peu de fournisseurs, peu de stocks, des séries de fabrication courtes et une durée de vie commerciale des capteurs très longue. Il en résulte que le développement et la validation de nouvelles techniques – comme les fibres optiques – sont très lents et dépendent souvent de maîtres d’ouvrage " mécènes ", ou de rares chantiers à budget important.

FT

que l’assistance fournie par l’entreprise ; il n’inclut pas les forages nécessaires aux appareils, ni les arrêts de chantier, ni le coût de l’interprétation par le maître d’œuvre. Ce tableau montre que le coût moyen de l’auscultation – tel que défini ci-dessus – varie en général entre 1 et 3 % du coût des travaux de génie civil. Il n’est pas surprenant que ce ratio soit plus élevé pour un tunnel en site urbain (type Toulon), ou pour un tunnel court en terrain difficile (type Rosti) ; en effet, une faible longueur de tunnel augmente le poids relatif du creusement des têtes et celui du rodage de l’avancement, phases qui font toujours l’objet d’une auscultation plus intensive. c) Cas des tunnels anciens Le coût de l’équipement d’un tunnel ancien pour le suivi périodique des déformations varie fortement selon son état de dégradation. A titre indicatif, on peut avancer un coût de l’ordre de 10 000 E pour l’équipement minimal d’un tunnel de quelques centaines de mètres en dispositifs manuels de mesure, sans oublier de rajouter chaque année la moitié de cette somme

4 - PRÉSENTATION DES MÉTHODES DE MESURE

A

4.1 - Principes physiques de la mesure

Depuis le temps de la règle et de l’équerre – symboles des métiers de la construction, auxquels il faudrait rajouter le fil à plomb et le niveau à bulle – les principes de base de la mesure ont relativement peu évolué. Certes, la technologie a modifié l’apparence des appareils, la précision et la rapidité des mesures a considérablement augmenté, mais on verra que ces principes restent, pour l’essentiel, les mêmes. Dans tous les cas, on cherche d’abord à mesurer avec la meilleure précision possible d’une part la position des points ou leur déplacement (donc les déformations), d’autre part la pression de l’eau. De plus, bien que ce soient les déplacements qui créent le risque, l’ingénieur souhaitera toujours mesurer les contraintes, car il a appris à raisonner sur la base de comporte-

18

ments en contrainte-déformation ; malheureusement, on ne sait toujours pas mesurer correctement l’état de contrainte dans le terrain. La mesure en travaux souterrains a beaucoup emprunté aux autres disciplines (topographie, astronomie, cartographie, art du géomètre et du mécanicien…), mais elle a dû inventer des techniques spécifiques en raison de conditions de mesure très particulières, que l’on rencontre rarement dans le monde industriel : • obligation de réaliser des mesures dans le terrain ou en forage, c’est-à-dire dans un milieu hostile et fermé, • difficultés d’accès à certains points de mesure, en particulier dans les grandes voûtes, • conditions d’environnement très sévères (humidité particulièrement),



fiche descriptive que l’on trouvera dans les annexes B à F ciaprès. Ces fiches sont en effet classées en 5 catégories, selon la nature du paramètre recherché : Annexe B – Mesure des paramètres géométriques (tassements et rotations en surface), Annexe C – Mesure des paramètres géométriques (déplacements en forage), Annexe D – Mesure des paramètres géométriques (déplacements et déformations à la paroi), Annexe E – Mesure des paramètres mécaniques (efforts, contraintes et vibrations), Annexe F – Mesure des paramètres hydrauliques (pression et débit). Le contenu de ces fiches est volontairement succinct et ne dispense pas de consulter les notices techniques des fournisseurs, auxquelles il faudra toujours se reporter lors de la mise en place des appareils, ni les diverses publications qui rendent compte de l’expérience des utilisateurs (cf. Bibliographie). L’objectif de ces fiches est de présenter et expliquer les méthodes de mesure aux non spécialistes, sans entrer dans les détails, mais en insistant particulièrement sur tout ce que l’on ne trouve pas ou rarement dans les notices : inconvénients de la méthode, fragilité des appareils, limites d’utilisation, coûts directs et induits... Chaque fiche comprend ainsi les rubriques suivantes : • objectifs de la méthode et principe de base utilisé, • caractéristiques principales des appareils, • précision et limites d’utilisation, • difficultés de mise en œuvre et robustesse, • coûts, durée de mise en œuvre, temps de mesure, • possibilités de télémesure. Les éléments de coût, donnés à titre indicatif, concernent principalement le prix d’achat des appareils, sachant que celui-ci est souvent faible comparé au coût de mis en œuvre et d’exploitation du système, notamment pour les méthodes les plus récentes (cf. § 3.1) ; de plus, une estimation du coût d’installation est donnée sous forme de journées de technicien supérieur. Enfin, le parti a été pris de ne jamais citer les fabricants de matériel, hormis quelques exceptions (lorsqu’il s’agit de l’inventeur de l’appareil, par exemple).

A

FT

ES

• pérennité nécessaire des appareils pendant plusieurs années, voire dizaines d’années, alors même qu’il est très difficile de les réparer ou de les remplacer, • haute précision requise pour certains paramètres (un mm de convergence sur un diamètre de tunnel de 10 m exige une précision relative de 10-4). Ces difficultés ont écarté du champ habituel de l’auscultation un certain nombre de capteurs industriels (jauges de déformation, capteurs électriques ou électroniques) pour cause de mauvaise tenue dans le temps. En revanche, elles ont fait naître des procédés de mesure particuliers comme le distancemètre à fil invar, la corde vibrante ou les appareils à contre-pression. A partir des années 1990, l’amélioration rapide de certains dispositifs de mesure, de leur capacité de résistance aux agressions et de leur environnement informatique, a fait émerger des procédés nouveaux, issus de l’industrie civile ou militaire, tels que : • la topographie optique de précision, qui supplante de plus en plus le fil invar pour les mesures de convergence, en dépit d’une moindre précision ; • les extensomètres à fibre optique, qui concurrenceront les appareils à corde vibrante ou les extensomètres de forage lorsque les prix des composants diminueront ; • le suivi ultrasonique de l’évolution des contraintes dans les boulons d’ancrage ; • de nouvelles techniques de traitement des signaux acoustiques émis au voisinage des travaux miniers ; • l’automatisation complète des mesures, qui entraîne un saut qualitatif en permettant de multiplier les mesures au moindre coût ; • enfin, plus récemment, les mesures topographiques de précision en surface : théodolite motorisé, GPS, interférométrie radar… Aujourd’hui, les techniques de base auxquelles font appel les méthodes de mesure utilisées en travaux souterrains peuvent être rangées en six catégories, soit des plus anciennes aux plus récentes : • les mesures mécaniques, • les mesures optiques de précision, • les capteurs à corde vibrante, • les appareils pneumatiques, • les capteurs électriques de déplacement, • les capteurs à fibre optique. Chacune de ces techniques de base fait l’objet d’une fiche descriptive en annexe A. Celles auxquelles il est fait le plus souvent appel aujourd’hui pour l’auscultation des tunnels (mais aussi pour la géotechnique en général) sont les mesures optiques et électriques, et accessoirement les cordes vibrantes.

4.2 - Présentation des fiches techniques par méthode Dans le présent document, on entend par " méthode de mesure " l’ensemble constitué par un appareil de mesure, son mode opératoire et la chaîne d’acquisition associée. Une quarantaine de méthodes d’auscultation, choisies parmi les plus courantes, ont ainsi été sélectionnées, et font l’objet d’une

4.3 - Comparaison des méthodes d’auscultation A l’image de ce qu’avait fait le groupe de travail n° 14 de l’AFTES pour les Méthodes de diagnostic des tunnels revêtus (cf. TOS, n° 131, 1995), il nous a paru intéressant de porter un jugement comparatif sur les différentes méthodes d’auscultation – et ce en dépit des difficultés de l’exercice… Cette notation des méthodes figure à titre indicatif sur le tableau 4. Chaque méthode de mesure y est notée vis-à-vis de quatre critères principaux considérés de manière indépendante ; les notes vont de 1 à 4, la valeur 4 correspondant à la situation la plus favorable. Les critères pris en compte sont les suivants : • efficacité de la méthode : lorsqu’un paramètre à mesurer a été retenu, la méthode qui possède la meilleure note doit être


19


considérée en priorité (c’est celle qui est la mieux adaptée techniquement aux objectifs poursuivis) ; • facilité d’installation : si la note 4 indique une installation facile, les notes 2 et surtout 1 demandent impérativement l’intervention d’un spécialiste ayant des références dans la mise en œuvre de la technique considérée ; • facilité de mesure : cet indicateur concerne à la fois la mesure proprement dite et le traitement des résultats

-BDéplacements et rotations en surface

-C-

-D-

Déplacements et déformations à la paroi

A

-E-

Paramètres mécaniques

-F-

Paramètres hydrauliques

Efficacité

Facilité Facilité d’installation d’utilisation

Nivellement topographique classique Mesures optiques sur bâtiments Téléniveau hydraulique Nivelle à vis micrométrique

4 4 3 3

3 2 2 4

3 2 3 4

3 2 2 4

B5 B6 B7

Electronivelle Inclinomètre à servo-accéléromètre Position d’un point par GPS

1 3 2

3 3 2

3 3 2

2 3 2

C1 C2 C3 C4

Extensomètre manuel à tiges Extensomètre à tiges avec capteurs Extensomètre à capteurs inductifs Chaîne inclinométrique en place

4 4 4 2

2 2 2 2

3 3 3 3

3 2 2 2

C5 C6 C7

Extensomètre démontable Sonde inclino. (à servo-accélérom.) Tassomètre magnétique

4 4 3

2 2 2

3 2 3

2 3 3

D1 D2 D3

Convergence optique Distancemètre à fil invar Extensomètre à corde vibrante

4 4 3

3 3 3

2 3 4

2 3 3

D4 D5 D6

Fissuromètre à corde vibrante Fisuromètre à capteur électrique Fissuromètre mécanique

3 3 4

3 3 4

4 4 4

3 3 4

E1 E2 E3 -

Dynamomètre (boulon, pied de cintre) Jauge de contrainte sur corps en acier Cellule hydraulique à corde vibrante Extensomètre à corde vibrante (p.m.)

4 4 2 4

3 2 2 3

4 3 4 4

3 3 2 3

E4 E5 E6 E7 E8

Cellule hydraulique de pression totale Mesure de contraintes par surcarottage Borehole-slotter Vérin plat Mesure des vibrations

1 3 3 3 4

2 1 1 2 2

4 2 2 3 3

2 1 1 1 3

F1 F2 F3 F4 F5

Tube piézométrique ouvert, ponctuel Piézomètre fermé (à corde vibrante) Mesure de débit en canal ouvert Débitmètre électro-magnétique (tube) Débitmètre ultrasonique (sur tube)

3 4 3 3 3

3 2 2 3 3

4 4 3 3 3

3 2 2 2 2

Tableau 4 – Notation comparative des principales méthodes d’auscultation (la note 4 indique la situation la plus favorable)

20

Coût

B1 B2 B3 B4

FT

Déplacements en forage

Méthodes de mesure

ES

Familles de paramètres N° de à mesurer fiche

(cf. phases D1 et D2 des Recommandations de 1998, TOS n° 149, p. 403) ; les notes 1 et 2 indiquent des mesures délicates, nécessitant des précautions particulières ; • coût : il s’agit ici d’un indicateur relatif (vis-à-vis des autres méthodes), pour une situation standard ; il inclut l’installation des appareils et le traitement des mesures. Attention : la note 4 correspond au coût le plus faible !



5 - BIBLIOGRAPHIE

5.1 - Bibliographie générale

ES

a) Généralités sur l’auscultation • AFTES – Recommandations relatives à l’organisation de l’auscultation des tunnels. Revue Tunnels et ouvrages souterrains, n° 149, sept.-oct. 1998. • BORDES, J.L. – Les aspects économiques de l’auscultation. Formation continue ENPC " Surveillance et auscultation des sites et des ouvrages ", Paris, 4-5 déc. 1990. • BOUVARD, A., COLOMBET, G. & ESTEULLE, F. – Ouvrages souterrains : conception, réalisation, entretien. Chapitre 9 : Auscultation. Presses de l’ENPC, Paris, 2ème édition, 1992. • CIRIA – The Observational Method in ground engineering : principles and application - Report 185, 1999, London [ §7 – Tunnel applications]. • DUNICLIFF, J. – Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance. J. Wiley & Sons, New York, 1993. • HANNA, T.H. – Field Instrumentation in Geotechnical Engineering. Trans Tech Publication, 1985. • PINCENT, B. – Auscultation : de la traduction des objectifs à l’interprétation des mesures. Formation ENPC " Maîtrise des déformations des ouvrages en géotechnique ", Paris, juin 1997. • SAIVE, F., PARKIN, R. – Auscultation des ouvrages souterrains du lot n° 1 du CERN (projet LHC). Revue Tunnels et ouvrages souterrains, n° 163, janv.-fév. 2001. • VIDAL-FONT, J. – Auscultation du tunnel du Cadi (Pyrénées espagnoles). Tunnels et ouvrages souterrains, n° 70, juil.-août 1985. b) Comptes-rendus de congrès spécialisés • ASCE Geotechnical Congress, Boulder, 1991 – Session 9A " Geotechnical Instrumentation, New Developments ". • Commission int. des Grands Barrages : - Bulletin n° 56 : Auscultation des barrages et de leurs fondations, la technique actuelle, 1989 ; - Bulletin n° 60 : Auscultation des barrages – considérations générales ", 1988 ; - Bulletin n° 87 : Amélioration de l’auscultation des barrages existants – Recommandations et exemples, 1992 ; - Bulletin n° 118 : Systèmes d’auscultation automatique des barrages – Recommandations et exemples, 2000. • 20ème Congrès int. des Grands barrages - Question 78 : Auscultation des barrages et de leurs fondations – Pékin, 2000. • Actes du symposium " Geotechnical Measurements and Modelling ", Karlsruhe, 23-25 sept. 2003. Ed. O. NATAU et al., Balkema. • Actes des symposiums internationaux " Field Measurements in Geomechanics ", Balkema :

- 1 st Symp. Zurich, sept. 1983, Ed. KOVARI, K., ISBN 906191 500 7 ; - 2 nd Symp. Kobe, avril 1987, Ed. SAKURAI, S., ISBN 906191 7786 ; - 3rd Symp. Oslo, sept. 1991, Ed. SORUM, G., ISBN 90 5410 025 7 ; - 5th Symp. Singapour, déc. 1999, Ed. LEUNG, C.F. , ISBN 90 5809 066 3 ; - 6th Symp. Oslo, sept. 2003, Ed. MYRVOLL, F., ISBN 90 5809 602 5.

c) Auscultation de tunnels en service

A

FT

• CETMEF – Tunnels canaux – Série " Les Repères ", Béthune, janvier 2002 : - Fascicule 1 – Surveillance, entretien et réparation - Fascicule 2 – Pathologie • CETU – Guide pour la surveillance, l’entretien, la conservation des tunnels routiers. Document établi par A. JULIEN, 1998. • CHOQUET, Ch. – Méthodes usuelles de surveillance et d’investigation. Formation ENPC sur la maintenance et la réparation des tunnels, Paris, 31 mars-1er avril 1993. • HAACK A., SCHREYER J., JACKEL G. – State of the art Non-destructive Testing Methods for determining the state of Tunnel Lining - ITA Report : Maintenance and repair of tunnels – Tunnelling and Underground Space Technology – Vol 10 n° 4 (1995) pp 413-431. • Instruction technique pour la surveillance et l’entretien des ouvrages d’art (Min. des Transports, 19/10/79), 2ème partie - Fascicule 01 : dossier d’ouvrages (2000) - Fascicule 02 : généralités sur la surveillance (2002) - Fascicule 40 : tunnels, tranchées couvertes, galeries de protection (1980).

5.2 - Mesure des paramètres géométriques • AFNOR – Norme NF 94-156 – Sols : reconnaissances et essais. Mesures à l’inclinomètre. Oct. 1995. • BASSET, R.H – An automated electrolevel deformation monitoring system for tunnels ". Geotechnical Engineering – Proceedings of the Institution of Civil Engineers – July 1999, n° 137, pp 117-125. • BONDIL, R. & MAHIEU, B. – Un exemple de construction pilotée par l’instrumentation : le doublement du tunnel de Rosti (Alpes-Maritimes). Tunnels et ouvrages souterrains, n° 71, sept.-oct. 1985. • CAUSSIGNAC, J. M. et al. – Les fibres optiques, un nouvel outil pour le génie civil. Bull. des labo. des Ponts et chaussées, n° 223, 1999, pp. 93-104.


21


5.3 - Mesure des paramètres mécaniques

• AYESTARAN, L . & al. – Layered Reservoir Testing. Middle West Well Evaluation Review, Reservoir Eng. Supplement, Revised Edition 1991. • DARCY, J., DELOUVRIER, J., THUT, A. – Analyse en temps réel des données hydrogéologiques et géotechniques. Tunnels et ouvrages souterrains, n° 147, mai-juin 1998. • KENTER, S. & al. – Measurement of the Hydraulic Properties of Low Permeability Rock. National Water Resources Institute, May 1996. • LAVANCHY, J.M. & al. – Hydrogéologie de la zone de la Piora. Symp. ALPTRANSIT, ETH Zurich, 1999. • BOISSON, J.Y. et al. – Mesure des très faibles perméabilités in situ et en laboratoire sur les argilites de Tournemire (Aveyron). Bull. Soc. Géol. France,1998, tome 169, pp. 595604.

ES

• FERDINAND P. – La surveillance des structures par fibres optiques. Opto 70, 1993, pp. 26-36. • FERDINAND P. – Mine operating accurate stability control with optical fiber sensing and Bragg grating technology. SPIE Proceedings, Vol 2360, 1994, pp. 162-166. • KAISER, P. K. - Deformation Monitoring for Stability Assessment of Underground Openings. In : Comprehensive Rock Engineering (ed : HUDSON), Pergamon Press, 1993, vol. 4, pp. 607-630. • McRAE, J.B. & SIMMONDS, T. – Long Term Stability of Vibrating Wire Instruments : one Manufacturer’s Perspective. CR du congrès " Field Measurements in Geotechnics ", Oslo, 1991, Balkema ed. • QUIRION, M., BALLIVY G. – Application des capteurs à fibre optique Fabry-Perot pour le suivi à long terme des structures en béton. Bull. des Laboratoires des Ponts et Chaussées, N° 225, 2000, pp. 75-88. • VUILLET, L. et al. – Development of fiber optic extensometers. Actes du Congrès de Mécanique des sols de Hambourg (ISSMGE 97), 1997.

• BAILLY, J.C. et al. – Le tunnel de la bretelle de Monaco : le système SATAN (Suivi automatique des tunnels autoroutiers de Nice). Tunnels et ouvrages souterrains, n° 110, mars-avril 1992. • HAYWARD, D. – On the alert for settlement. Tunnel & Tunnelling Int., déc. 2001, pp. 43-45. • GASTINE, E. – Evolution des techniques de monitoring en temps réel sur les chantiers de percement de tunnels urbains. Tunnels & Ouvrages souterrains, n° 172, juil. 2002, pp. 221224. • GAUTRAIS, B. – Le tunnel de Lefortovo. Tunnels & Ouvrages souterrains, n°177, mai 2003, pp. 131-137. • LA FONTA, J.G. et PERSON, T. – Porto-Rico : contrôle en temps réel de l’injection de compensation par le système CYCLOPS. Tunnels et ouvrages souterrains, n° 149, sept.-oct. 1998, pp. 423-427. • Projet national ITELOS – Télésurveillance des ouvrages d’art et des sites. Editions Kirk, Maisons-Alfort, 1994. • SCHWARTZMANN, R. – Surveillance et télésurveillance d’ouvrages souterrains. Tunnels et ouvrages souterrains, n° 82, juil.-août 1987. • PINCENT, B., LAGARDE, Y, DAVID, L. & MELINE, D. – Remote controlled monitoring of two tunnels of the Regional Express Transit System in Paris. In “Field Measurements in Geomechanics”, 4th Int. Symp., April 1995, Bergamo.

A

FT

• AFNOR – Norme FD p94-447-1 " Roches – Guide pour le mesurage des vibrations transmises par le terrain lors de travaux géotechniques – Partie 1 : vibrations provoquées par les tirs à l’explosif " - (juin 2003) • BRIGLIA, P., BURLET, D. et PIRAUD, J. – La mesure des contraintes naturelles appliquée au génie civil. Tunnels et ouvrages souterrains, n° 123, mai-juin 1984. • FRITZ, P. & KOVARI, K. – A Method for Monitoring Rib and Lining Pressure. In : Comprehensive Rock Mechanics (HUDSON ed.), 1993, vol. 4, pp. 671-694. • LEGER, B., ROUSSEL, J.C., GUERPILLON, Y. et ALLAGANT, D. – Dix ans de mesures géotechniques sur les marnes du tunnel de Chamoise. CR du Congrès international de Mécanique des roches, Tokyo, 1995, vol. 3, pp. 1309-1312. • BERTRAND, L. – Les mesures de contraintes in situ. Colloque " La mesure et sa représentativité en sciences de la Terre ", Sénat, Paris, 7 nov. 2000.

5.5 - Automatisation des mesures et divers

5.4 - Mesure des paramètres hydrauliques • AFNOR – Norme NF 94-157 – Sols : reconnaissances et essais. Mesures piézométriques. 1er et 2 mars 1996.

22



ANNEXES FICHES TECHNIQUES PAR MÉTHODES SOMMAIRE DES ANNEXES Pages

Pages

23

D - MESURE DES DÉPLACEMENTS À LA PAROI - - - - - - -

37

Fiche A1 - Mesures mécaniques - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche A2 - Mesures optiques de précision - - - - - - - - - - - - - - Fiche A3 - Capteurs à corde vibrante - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche A4 - Mesures pneumatiques ou à contre-pression - - - Fiche A5 - Capteurs électriques de déplacement - - - - - - - - - Fiche A6 - Capteurs à fibre optique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

24 24 24 25 25 25

Fiche D1 - Convergence optique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche D2 - Distancemètre à fil invar - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche D3 - Extensomètre à corde vibrante - - - - - - - - - - - - - - Fiche D4 - Fissuromètre à corde vibrante - - - - - - - - - - - - - - - Fiche D5 - Fissuromètre à capteur électrique - - - - - - - - - - - - Fiche D6 - Fissuromètre mécanique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

37 38 39 39 39 40

B - MESURE DES DÉPLACEMENTS EN SURFACE - - - - - -

27

E - MESURE DES PARAMÈTRES MÉCANIQUES - - - - - - -

40

Fiche B1 - Nivellement topographique classique - - - - - - - - - Fiche B2 - Mesures optiques sur bâtiments - - - - - - - - - - - - - Fiche B3 - Téléniveau hydraulique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche B4 - Nivelle à vis micrométrique - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche B5 - Electronivelle - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche B6 - Inclinomètre à servo-accéléromètre - - - - - - - - - - - Fiche B7 - Position d’un point par GPS - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche B8 - Comparaison des méthodes de mesure

27 28 28 29 29 29 30

Fiche E1 - Dynamomètre - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche E2 - Jauge de contrainte sur corps en acier - - - - - - - - Fiche E3 - Cellule hydraulique à corde vibrante - - - - - - - - - - - Fiche E4 - Cellule hydraulique de pression totale - - - - - - - - - Fiche E5 - Mesure des contraintes par surcarottage - - - - - - - Fiche E6 - Mesure des contraintes au Borehole Slotter - - - - - Fiche E7 - Mesure des contraintes au vérin plat - - - - - - - - - - - - - - Fiche E8 - Mesure des vibrations - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

41 41 42 42 43 43 44 44

du déplacement des structures - - - - - - - - - - - - - -

30

F - MESURE DES PARAMÈTRES HYDRAULIQUES - - - - - -

45

C - MESURE DES DÉPLACEMENTS EN FORAGE - - - - - -

32

Fiche C1 - Extensomètre manuel à tiges - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche C2 - Extensomètre à tiges avec capteurs - - - - - - - - - - Fiche C3 - Extensomètre à capteurs inductifs - - - - - - - - - - - - Fiche C4 - Chaîne inclinométrique en place - - - - - - - - - - - - - Fiche C5 - Extensomètre démontable - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche C6 - Sonde inclinométrique à servo-accéléromètre - - - Fiche C7 - Tassomètre magnétique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

32 33 33 34 35 36 36

Fiche F1 - Piézomètre ouvert - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche F2 - Piézomètre fermé - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Fiche F3 - Mesure de débit en canal ouvert - - - - - - - - - - - - - Fiche F4 - Débitmètre électromagnétique sur conduite noyée Fiche F5 - Débitmètre ultrasonique sur conduite noyée - - - - -

45 46 46 47 47

A

FT

ES

A - TECHNIQUES COMMUNES DE BASE - - - - - - - - - - - -

Sciage d’une saignée transversale pour mesure de contrainte au vérin plat


23


ANNEXE A TECHNIQUES COMMUNES DE BASE Fiche A1 - Mesures mécaniques Applications aux mesures en souterrain : • Fissuromètre mécanique (cf. fiche D7), • distancemètre absolu à fils invar (cf. fiche D2), • extensomètre ou tassomètre de forage à comparateur (cf. fiche C1), etc.

ES

Les mesures " mécaniques " utilisent le principe ancestral de la règle graduée, avec ses nombreuses variantes : câble gradué, pied à coulisse, palmer, comparateur à aiguille, etc., tous ces appareils servant classiquement aux mesures de précision pratiquées dans les diverses branches de la mécanique. On peut aussi y inclure les manomètres à tube de Bourdon, où la déformation liée à une variation de pression est transmise mécaniquement à une aiguille.

Fiche A2 - Mesures optiques de précision

instantanément les calculs de position. Ces appareils sont de plus en plus utilisés en surveillance continue des déplacements, tant en surface (cf. fiche B2) qu’en profondeur (fiche D1). La technique du nivellement de précision, principalement utilisée en surface pour la surveillance des tassements, s’est considérablement améliorée avec l’apparition des niveaux numériques – non pas tant en précision, qui reste excellente, mais en facilité de mise en œuvre. Ceux-ci lisent automatiquement les graduations de la mire, qui sont codées sous forme de codes barres (cf. fiche B1). L’incertitude de mesure de ces niveaux entièrement numériques, qui ne demandent donc plus d’expérience dans la lecture des mires, est de +/- 0,3 mm en déplacement. Comme précédemment, les points visés doivent être matérialisés (fixation de repères dans le terrain), et fixés de façon à être le plus indépendant possible des variations d’humidité ou de température qui agissent sur les terrains ou les structures. Applications : mesure des tassements en surface (nivellement), des déplacements et rotations d’ouvrages influencés, et des déplacements absolus en X,Y,Z des parois d’un tunnel (dont on peut déduire des convergences).

A

FT

En topographie, ce sont surtout les besoins de productivité ressentis par les entreprises pour repérer des points, positionner des éléments d'ouvrages ou guider des engins (comme les tunneliers) qui ont le plus fortement stimulé les progrès des techniques, jusqu’à l’apparition d’appareils de mesure appelés " stations totales ". Ces stations comportent un distancemètre électro-optique qui mesure la distance entre l’appareil et une cible, constituée d’une simple surface réfléchissante pour les mesures courantes, ou d’un prisme triple pour les mesures de précision. La résolution de ces distancemètres est de 0,1 mm ; associés à un théodolite de précision, ils peuvent mesurer des convergences avec une incertitude de +/- 0,5 mm lorsque les conditions sont bonnes, et ce pour des visées de l’ordre de 30 m. Dans tous les cas, les points visés doivent être matérialisés par des cibles d’excellente qualité, et les appareils fixés sur des embases stables. La difficulté en tunnel est de disposer de points de référence, sachant qu’on peut aussi introduire dans le réseau des distances de référence (règle). Il existe des stations à visée automatique, appelées " stations totales motorisées " parce qu'elles mesurent seules, une fois programmées, à la fois les angles et les distances, et effectuent

Fiche A3 - Capteurs à corde vibrante

Le principe est simple : un fil d’acier tendu entre deux points est excité ; il vibre alors avec une fréquence qui dépend de sa masse et de ses caractéristiques mécaniques (supposées constantes), mais aussi de la tension appliquée au fil. Si celle-ci varie, la fréquence de résonance aussi, car elle est proportionnelle à la racine carrée de la déformation du fil. On excite donc cette " corde vibrante " par un électro-aimant, et on mesure sa fréquence de résonance avec un fréquencemètre, grâce à un dispositif de type microphone électromagnétique qui traduit la vibration mécanique en signal électrique. On sait que la fréquence d’un signal périodique n’est pratique-

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ment pas altérable et que sa mesure électronique est très précise. Une corde vibrante permet donc une mesure très fiable du paramètre qui agit sur sa tension, même s’il y a plusieurs centaines de mètres entre le capteur et le poste de mesure. Bien entendu, la corde vibrante en acier est sensible à la température, et sa fréquence de résonance aussi ; mais ces variations sont bien connues et assez faciles à corriger. La précision de ces capteurs et leur répétabilité sont donc remarquables. Mais leurs dispositifs d’étalonnage, quasi inexistants pour les extensomètres, ne sont pas aujourd’hui à la hauteur des qualités de ces capteurs.



Applications : plusieurs types d’appareils munis de capteurs à corde vibrante sont utilisés en génie civil, notamment : • l’extensomètre : la déformation d’un support rigide décimétrique est transmise à la corde vibrante par un corps métallique de faible rigidité (cf. fiche D4) ; une variante est le fissuromètre à corde vibrante (cf. fiche D5) ;

• la cellule de pression interstitielle (cf. fiche F2) : une corde vibrante est fixée à son extrémité à une membrane métallique soumise à la pression extérieure : toute variation de celle-ci est directement transmise à la corde vibrante ; • le cellule hydraulique (cf. fiche E3), qui permet de mesurer des efforts.

Fiche A4 - Mesures pneumatiques ou à contre-pression L’appareil de mesure est donc composé d’un système de mise en pression, d’un dispositif de mesure de la pression et d’un débitmètre, ce qui le rend complexe, lourd et peu transportable, sans que la précision soit excellente ; de plus, un tel appareil est difficilement automatisable. Applications : en dépit de ces défauts, le principe de la contrepression est beaucoup utilisé pour les piézomètres, les capteurs de force et surtout les cellules hydrauliques de pression totale, pour la mesure des contraintes (cf. fiche E4).

ES

La pression extérieure appliquée au capteur déforme une membrane, qui vient fermer un orifice dans une chambre. Si on envoie de l’huile ou un gaz dans la chambre à l’arrière de la membrane, et si on augmente ensuite la pression du fluide, la membrane va se déformer dans l’autre sens et libérer l’orifice lorsque la pression à l’intérieur de la chambre équilibrera la pression extérieure. Le fluide s’échappe alors par l’orifice en direction d’un appareil qui détecte cet échappement (débitmètre).

Fiche A5 - Capteurs électriques de déplacement

Transducer), très utilisés dans l’industrie. Une bobine alimentée par une tension alternative crée un champ magnétique mesuré par une seconde bobine ; un noyau métallique qui se déplace modifiera ce champ et par suite la tension mesurée dans la seconde bobine. Ici encore, le déplacement mécanique est transformé en une variation de tension électrique.

FT

A5.1 - Capteurs à variation de résistance Ce principe utilise la loi bien connue d’Ohm (U = RI), appliquée le plus souvent à un montage potentiométrique, avec un élément résistant (linéaire ou circulaire) sur lequel glisse un curseur ; la tension entre le curseur et l’une des extrémités de l’élément varie avec la position du curseur : un déplacement est ainsi transformé en variation de tension électrique. Une autre façon d’utiliser la loi d’Ohm est de modifier la résistivité, donc la résistance de l’élément, par une action sur cet élément ; ainsi, la résistivité d’un matériau diminue avec sa température : on dispose donc d’un thermomètre (la " sonde platine " par exemple). La résistance varie aussi avec la géométrie du corps, la section du fil par exemple ; en déformant le fil par allongement, sa résistance augmente : c’est le principe utilisé pour les jauges de déformation électriques collées sur les échantillons de roches testés au laboratoire (cf. fiche E2).

A

A5.2 - Capteurs à variation des caractéristiques magnétiques Deux bobines électriques placées l’une près de l’autre réagissent en fonction de leur position et des propriétés électromagnétiques du système. C’est sur ce principe que fonctionnent les capteurs inductifs LVDT (Linear Variable Displacement

Une variante de ce principe utilise les propriétés d’un circuit résonant constitué d’un circuit magnétique et d’un condensateur ; on mesure alors la variation de la fréquence de résonance du circuit grâce à un fréquencemètre. L’intérêt majeur de ce dispositif est d’utiliser comme signal de sortie une fréquence, grandeur difficilement altérable lors de sa transmission (à la position près des éléments constituant le circuit résonant). Applications : • fissuromètres automatiques (fiche D6), mesure des petits déplacements, • extensomètres à tiges en forage (cf. fiche C2), • extensomètres sans tiges à capteurs inductifs (cf. fiche C3), tassomètres, • capteurs de débit (cf. fiche F3), de pression, de température, etc.

Fiche A6 - Capteurs à fibre optique

Si la technologie des fibres optiques est déjà ancienne, son application au génie civil est plus récente. Les capteurs de déformation à fibre optique sont les plus souvent cités car la fibre optique est bien adaptée à la mesure des déplacements de très faible amplitude ; ses principales applications à l’auscultation des ouvrages concernent les extensomètres, les mesures de

déformations à base longue et les mesures de température. Les capteurs à fibre optique fonctionnent soit en transmission, soit en réflexion-rétrodiffusion. Ils utilisent plusieurs principes de mesure, que nous avons détaillés dans le tableau et les figures suivante, car ils sont encore mal connus.


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Principe de mesure

1 Micro-courbures 2 Ecrasement

Action physique

Effet optique

Fonctionnement

Déformation mécanique de la fibre Atténuation Déformation mécanique de la fibre Polarisation

3 Déformation longitudinale Allongement mécanique

Transmission Transmission

Modification du spectre de fréquence

Transmission

(réseau de Bragg) 4 Longueur de la cavité

Déplacement fibre/micromiroir

Modification de franges

Réflexion

(interféromètre Fabry-Perot) 5 Longueur de trajet

Allongement mécanique

Modification de franges Réflexion (interféromètre Michelson ou Mach-Zender)

ES

Tableau A6.1 – Différents principes de mesure utilisés par les capteurs à fibre optique

Des extensomètres ont été développés en utilisant les principes 3 et 5. On notera que le principe de fonctionnement des réseaux de Bragg permet de monter plusieurs réseaux en série sur la même fibre. Il suffit de caler tous les réseaux sur des fréquences différentes pour disposer d'un capteur multipoints, ne nécessitant qu’un seul analyseur. Les capteurs à fibre optique présentent des avantages intéressants (insensibilité aux perturbations électromagnétiques

et très faibles dimensions), mais aussi quelques difficultés d'application : • sensibilité à la température, souvent compensée par un capteur spécifique ou une fibre de référence inactive, • difficulté de multiplexage optique (à l’exception des réseaux de Bragg), • difficulté d'étalonnage pour les capteurs de type 1 et 2, • coût des éléments sensibles et des appareils de mesure.

A

FT

1) Capteur fibre optique à mesure par transmission

2) Capteur fibre optique à mesure par réflexion et rétrodiffusion Des extensomètres basés sur ce principe ont été utilisés avec succès pour mesurer les déformation du front sur le premier tube du tunnel routier de Toulon. 3) Capteur fibre optique à réseau de Bragg. L’allongement de la fibre provoque l’écartement des tranches gravées dans le cœur de la fibre : une raie de longueur d’onde se déplace dans le spectre

4) Capteur fibre optique à interféromètre Fabry-Perot. Le déplacement du miroir qui renvoie la lumière dans la fibre modifie les franges interférométriques dans l'analyseur, et donne le déplacement.

5) Capteur fibre optique à interféromètre Michelson. Le déplacement du miroir de la fibre optique active, qui renvoie la lumière vers le récepteur au travers d'un coupleur, modifie les franges interféromètriques dans l'analyseur et donne le déplacement.

Figure A6.2 – Les cinq principes de capteurs à fibre optique 26



ANNEXE B MESURE DES DÉPLACEMENTS EN SURFACE

de niveau (cf. fiche B3) ou des rotations (cf. fiche B4 à B6), avec une précision bien meilleure que les mesures topographiques ; • Les mesures par satellite, encore au stade expérimental mais qui permettent un suivi pluriannuel soit de points isolés munis de capteurs GPS (cf. fiche B7), soit de très grandes surfaces où l’on a pu identifier des réflecteurs permanents (interférométrie radar, non traitée ici). Pour tous ces types de mesure, il importe de bien veiller à la qualité du support des capteurs et à leut fixation.

ES

Les mesures des mouvements provoqués en surface par les travaux souterrains peuvent être classées en trois grandes catégories : • Les mesures topographiques (ou optiques), qui relèvent la position de repères passifs fixés sur les structures (cf. fiches B1 et B2) ; l’automatisation récente des appareils de mesure leur permet désormais de relever à grande fréquence un très grand nombre de points ; • Les mesures de mouvements ponctuels par des capteurs fixés sur les structures et reliés à une centrale d’acquisition ; elles permettent par exemple de suivre en continu des variations

Fiche B1 - Nivellement topographique classique

A noter que la précision du système est également déterminée par le type de mire, pour lequel il y a trois facteurs de choix : précision à atteindre, longueur transportée (1 à 3 m), type de matériau (bois, aluminium, fibre de verre, invar). En pratique, avec un niveau automatique numérique et une mire à codes barres en invar, le dixième de millimètre est apprécié et la fermeture d’un cheminement se réalise au millimètre. Limites d'utilisation • Nécessité d'une visibilité dégagée. • Difficulté des mesures de nuit avec les niveaux automatiques numériques. • Conditions météorologiques : par grand vent, le niveau numérique calcule néanmoins une valeur moyenne avec un écart type. • Absence de vibrations.

FT

Le nivellement topographique est devenu au cours des années 1990 la méthode de référence pour suivre les mouvements de terrain en surface au droit du tracé d'un tunnel. Deux types de niveaux sont généralement utilisés : niveau automatique (réglage automatique du plan de visée) et niveau automatique numérique, ce dernier permettant la lecture électronique de la mire.

Intérêt du niveau automatique numérique Les mesures (lecture de la mire et enregistrement des données) sont entièrement automatiques : confort de mesure (absence d'erreur de lecture de la mire et d'erreur d'écriture), fiabilité et précision des données. De plus, la possibilité de programmes intégrés et le chargement automatique des données sur PC permettent d'associer la qualité et la sécurité de l'information, avec un rendement élevé.

A

Précision Les nivellements se classent suivant le degré de précision requis :

Mise en œuvre et robustesse

Mobilisation nécessaire d'un géomètre et de son aide pour effectuer les mesures. L’appareil est adapté aux conditions de chantier, mais nécessite une révision annuelle. Coût et cadence de mesure

Ordre

I

II

III

IV

Précision (mm/km)

0,1 - 0,5

0,5 - 1,0

1,0 - 1,5

1,5 - 2,0

• Fourniture : < 1800 e pour un niveau automatique ; de 3500 à 7000 e pour un niveau automatique numérique. • Cadence : de l'ordre de 5 secondes par mesure avec un niveau automatique numérique.


27


Fiche B2 - Mesures optiques sur bâtiments

Principe et objectifs

ES

Rayons de visée d’un Cyclops vers le bâtiment

nombre limité de stations motorisées, que l’on peut d’ailleurs déplacer avec l’avancement des travaux. Toutes les stations sont reliées à un ordinateur central par un bus numérique ; chacune peut faire une " ronde " d’environ 50 points en 15 minutes environ. Pour des chantiers de grande ampleur (ligne de métro de plusieurs km, par exemple), et lorsque les mouvements du sol se prolongent longtemps après le creusement, on en arrive à mobiliser simultanément des dizaines de stations totales qui visent des milliers de repères, et dont les résultats sont corrélés entre elles ; on dispose ainsi en permanence d’un véritable réseau topographique dont la mise en jour est effectuée en temps réel. Précision et conditions d’utilisation La précision est de 1 mm environ pour une distance de 100 m entre la cible et la station totale. Le choix de sites haut perchés, qui soient à la fois panoramiques et à l’abri du vandalisme, est bien sûr essentiel pour pouvoir stationner dans de bonnes conditions. L’étendue de mesure de chaque station peut atteindre plusieurs km, mais est en général comprise entre quelques dizaines et centaines de m pour les applications urbaines. Les repères visés sont soit des cibles réfléchissantes, soit des prismes ; leur implantation en hauteur n’est pas toujours facile et demande des démarches et du temps. Coût Les tachéomètres motorisés sont bien sûr coûteux (environ 25 000 e), mais ils sont mis en œuvre par des prestataires de mesure spécialisés qui les déplacent de chantier en chantier ; il en est de même pour la centrale de commande avec ses logiciels, qui est commune à plusieurs stations motorisées et coûte environ 15 000 e. Le coût d’installation d’une station, y compris protection et câblage, est d’environ 5 000 e, et celui des prismes réfléchissants 150 e/pièce. Soulignons cependant que pour une opération d’envergure mobilisant un grand nombre de stations totales, le coût du matériel devient secondaire eu égard aux prestations de conception, installation, interprétation et contrôle de l’ensemble du système, et à la rémunération du savoir-faire correspondant.

A

FT

L’objectif est de mesurer les mouvements subis par des bâtiments du fait de travaux souterrains exécutés à leur aplomb. Classiquement, on suivait les tassements en surface en nivelant des piges implantées dans le sol, au moyen de niveaux motorisés ou non (cf. fiche B1). C’est le développement récent des tachéomètres de précision qui a révolutionné les mesures topographiques en surface, comme ce fut le cas pour les convergences en galerie (cf. fiche D1) ; ces appareils, encore appelés " stations totales " car ils mesurent à la fois les distances et les angles, permettent en effet : • de mesurer le tassement de repères installés en hauteur sur des immeubles, ce qui évite la gêne constante que constituaient pour le topographe les piétons, véhicules en stationnement et autres obstacles ; • d’effectuer des mesures en XYZ, donc de mesurer la rotation d’immeubles qui auraient tendance à basculer ; ces mesures peuvent être faites soit avec un théodolite manuel stationné au sol, soit avec un théodolite motorisé implanté en hauteur et permettant de viser un grand nombre de repères. On peut alors calculer les coordonnées absolues des repères visés en relevant aussi, lors de chaque " ronde de mesure ", les coordonnées d’un certain nombre de points réputés fixes (non affectés par les travaux). Ainsi, le suivi des effets en surface d’un chantier souterrain en site urbain dense peut se faire automatiquement, avec un

Fiche B3 - Téléniveau hydraulique

Principe

L’objectif est de mesurer les mouvements verticaux (soulèvements et tassements) de structures influencées par des travaux souterrains. La méthode du téléniveau est basée sur le principe des vases communicants, qui permettent de détecter des variations de niveau entre deux ou plusieurs points. Plusieurs pots de nivellement reliés par une tubulure sont calés sur une même horizontale (± 2 mm) et sont remplis d'un liquide le plus stable possible. Au centre de chaque pot, un capteur permet la mesure du niveau d'eau par détection de la position d'un flotteur.

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Caractéristiques principales • Etendue de mesure : ± 40 mm. • Incertitude de mesure : ± 0,1 mm sur 50 m de distance entre deux pots. • Appareil automatisable. Conclusion • Points forts : précision, surtout entre deux points éloignés. • Points faibles : difficulté de mise en place ; instabilité dans le temps liée aux caractéristiques du liquide (évaporation, etc.) ; problèmes de protection sur le site ; sensibilité à la température (équilibre modifié par la variation de densité du liquide de l’un des pots).



Fiche B4 - Nivelle à vis micrométrique d'un palmer. Pour mesurer de très faibles variations d’inclinaison, on fixe sur la structure, dans une direction donnée, une plaque support de même section que l’embase du niveau à bulle. Lors de la mesure, l'embase est mise en coïncidence avec ce support ; puis la bulle est mise à zéro à l'aide de la vis micrométrique et on mesure ainsi l'angle de la plaque support ; on refait alors une mesure dans la direction opposée, par retournement du niveau. Caractéristiques principales


ES

Nivelle à vis micrométrique

• Etendue de mesure : ± 7°. • Précision : ± 0,02°, avec double mesure par retournement de la nivelle. • Non automatisable. • Coût : embase : 35 e, nivelle : 180e.

Cet appareil permet de mesurer en un point la rotation d’une structure ou de la surface du sol. Il est constitué d'une embase, d'un niveau à bulle tournant autour d'un axe horizontal et

Conclusion • Points forts : faible coût, très grande précision et facilité des mesures. • Points faibles : système non automatisable, qui ne donne qu’une mesure locale (rotation).

Fiche B5 - Electronivelle

tude augmente en s'éloignant du zéro, ainsi qu’avec toute variation de la température ambiante (dérive). • Coût : 150 e avant adaptation mécanique.

A

FT

Principe et objectif Dans son principe, ce capteur est constitué d’un petit tube de verre partiellement rempli d'un liquide conducteur dans lequel trempent deux électrodes. Toute variation du niveau du liquide entre les électrodes entraîne une variation de sa conductivité ; on obtient ainsi directement un signal électrique proportionnel à l’angle de rotation du système, ce qui rend la mesure automatisable. Lorsqu’un capteur isolé est fixé sur une structure, il mesure sa rotation ; une chaîne de capteurs mis bout à bout permet de mesurer un mouvement vertical (tassement ou soulèvement), si la position de l’une des extrémités de la chaîne est fixe ou connue. Caractéristiques principales • Etendue de mesure : ± 3°. • Incertitude de mesure : ± 0,1° (± 1 mm/m). La meilleure précision est obtenue autour du zéro (0,005°), mais l'incerti-

Applications • Tassement de surface : les nivelles sont fixées sur la structure, ou installées sous la structure dans un forage horizontal (chaîne de capteurs en place). • Déformation latérale du sol ou d’une paroi : les nivelles peuvent être installées dans un forage vertical (chaîne de capteurs en place, cf. fiche C4). Conclusion • Points forts : bon marché et automatisable. • Points faibles : précision moyenne de la mesure ; sensibilité aux chocs et aux effets thermiques ; problèmes de dérive.

Fiche B6 - Inclinomètre à servo-accéléromètre

Principe Ce capteur est basé sur le principe d’une balance de force travaillant en boucle fermée. Le cœur du capteur est un détecteur de déplacement ; la force nécessaire pour ramener une masselotte pendulaire à sa position initiale par rapport au détecteur de déplacement est proportionnelle au sinus de l’angle d’inclinaison ; cette force est appliquée à la masselotte par un système électromagnétique, actionné par un courant dont on mesure l’intensité (l’appareil est donc automatisable). L'ensemble est scellé dans une capsule d'huile de silicone, permettant l'amortissement des vibrations et des chocs.

Comme pour l’électronivelle, ce capteur peut être fixé seul pour mesurer une rotation, ou être installé sous forme d’une chaîne de capteurs pour mesurer un mouvement vertical ; mais cette deuxième configuration est rare en raison du coût du capteur.


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Caractéristiques principales • Etendue de mesure : de ± 1° à ± 45°. • Précision : jusqu'à 0,02 % de l'étendue de mesure. Pour ± 1°, l'incertitude est < 2 secondes d'arc (< 0,01 mm/m). • Coût > 1700 e avant adaptation mécanique. Applications • Mesure des rotations et tassements de surface : l’appareil est fixé sur la structure, mais on ne prévoit pas en général de

chaîne de capteurs en raison d’un coût trop élevé. • Déformation latérale dans un forage : l’appareil peut être conditionné sous forme d’une sonde inclinométrique que l’on déplace dans un forage vertical (cf. fiche n°, C6). Conclusion • Points forts : précision, fiabilité et solidité. • Points faibles : coût élevé, et sensibilité aux vibrations.

ES

Fiche B7 - Position d’un point par GPS Principe

Une balise reçoit les signaux émis par une constellation de satellites du Global Positioning System (GPS). A tout moment, au moins cinq de ces satellites sont visibles par la balise en tout point du globe terrestre. A partir des signaux des satellites, qui émettent l’heure et leur position en continu avec une très grande précision, la balise calcule sa position dans l’espace en XYZ. Précision

Coûts Balise monofréquence de précision : 7 000 e Balise bifréquence de précision : 20 000 e (évolution rapide des prix). Télémesure Un système de mesure GPS est automatisable.

FT

La résolution atteinte est le millimètre. En mode différentiel, où on compare la position d’une première balise placée en un point de référence et d’une seconde balise, et avec un logiciel de traitement performant, l’incertitude sur la position est de ± 5 mm en altitude, et de ± 2 mm en X et en Y pour des distances entre balises de 10 km maximum.

Limite d’utilisation Dans les mesures de haute précision, les distances entre balises ne doivent pas dépasser 10 km, et la différence d’altitude entre les deux points doit être faible. Les balises doivent "voir" les satellites ; la précision diminue avec la densité des obstacles : arbres, immeubles, montagnes. Mise en œuvre et robustesse La mise en œuvre d’un système de mesure GPS devient complexe lorsque une haute précision est recherchée. Mais ce sont des appareils qui sont prévus pour fonctionner à l’extérieur dans des conditions difficiles.

Fiche B8 - Comparaison des méthodes de mesure du déplacement des structures

A

B8.1 - Mesure de tassement en forage horizontal (sous la structure)

30

Sonde inclinométrique (30 ml)

Chaîne de capteur en place

Principe de mesure

Inclinomètre 2 axes à servo-accéléromètre

Electronivelle

Coût de fourniture : - Point de mesure - Appareil de lecture

- Tube : 25 e/ml - Sonde : 15 000 e

- Tube : 25 e/ml - Capteurs + acquisition : 1000 e/ml

Coût d'installation

1 heure

4 heures

Coût de mesure/point

- heure

Nul

Points forts

- Détection du tassement avant son influence sur les structures en place - Fiable

Points faibles

- Non automatisable ( mais possibilité de mettre une chaîne de capteurs dans ce forage) - Temps long pour lecture + dépouillement - Plus délicat qu’en forage vertical

- Lecture instantanée - Surveillance permanente - Coût de mesure indépendant du temps - Analyses différées poussées - Investissement lourd au départ



B8.2 - Mesure automatique de rotation en surface Sonde inclinométrique (30 ml) Principe de mesure Coût de fourniture

Electronivelle 1 400

Chaîne de capteur en place

Inclinomètre à servo-accéléromètre

Electronivelles

Inclinomètres à servo-accéléromètre

2 700 e

12 000 e

21 000 e

e

1 heure/capteur


Nul

Coût de mesure - Mesures instantanées - Coût de mesure indépendant du temps - Analyses différées poussées

- Pas trop cher Points faibles

- Précision moyene

- Mesures instantanées - Surveillance permanente - Coût de mesure indépendant du temps - Analyses différées poussées - Mouvement d'ensemble de la structure- Pas trop cher - Précis

ES

Points forts

- Précis - Cher

- Cumul des imprécisions

- Très cher

B8.3 - Mesure manuelle de rotation en surface Nivelle portable

Nivelle à vis micrométrique Inclinomètre 2 axes à servo-accéléromètre - Le site doit être accessible

FT

Principe de mesure

Clinomètre

Sujétion d'emploi

Coût de fourniture : - Point de mesure - Appareil de lecture

- 50 e (plaque) 175 e

- 100 e (plaque) 10 000 e

Capteur fixe relevé par appareil de mesure portable

Electronivelle

- 500 e (capteur) 1700 e

- Sur une structure : - heure/point de mesure - Sur le sol : 1 heure (fabrication du plot de béton)/point de mesure

Coût de mesure/point

2 minutes

Points forts

- Simple à installer et à utiliser - Précis (contrôle possible car double mesure par retournement)

A


Points faibles

- Système robuste - Pas cher

30 secondes, 2 axes

10 secondes

- 1700 e (capteur) 1700 e

10 secondes

- Automatisable - Pas de manipulation du capteur - Mémorisation électronique du résultat

- Lecture digitale - Pas trop cher - Mémorisation du résultat

- Non automatisable - Manipulation du capteur (incertitude) - Cher

Inclinomètre à servo-accéléromètre

- Précision moyenne

- Précis - Cher

NB. Que les mesures soient manuelles ou automatiques, il convient de veiller à ce que l'embase support soit collée sur un plot ancré d'au moins 50 cm dans le sol (problème des effets de surface)


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ANNEXE C MESURE DES DÉPLACEMENTS EN FORAGE • soit en mesurant directement les mouvements en profondeur grâce à des capteurs fixes, implantés en divers points du forage (cf. fiches C3 et C4) ; • soit en mesurant les mouvements grâce à une sonde mobile qui parcourt le forage en mesurant des distances et/ou des inclinaisons dans des intervalles déterminés (cf. fiches C5, C6 et C7).

ES

La mesure des mouvements à l’intérieur du massif au voisinage d’ouvrages souterrains nécessite de disposer de forages. Ceux-ci sont équipés de bagues ou de tubes spéciaux scellés au terrain dont ils suivent les mouvements ; on mesure alors les déplacements de ces bagues de trois manières : • soit en ramenant les translations vers la tête du forage (en surface ou en souterrain) où elles sont mesurées par le biais de tiges rigides, comme dans les extensomètres classiques (cf. fiches C1 et C2) ;

Fiche C1 - Extensomètre manuel à tiges

FT

Tête extensomètre manuel à tiges

• les extensomètres de profondeur, mis en place depuis le tunnel dans des forages radiaux (souvent 3 dans une même section droite du tunnel, orientés par exemple à 30°, 90° et 150° par rapport à l’horizontale) ; ils mesurent la différence de convergence entre la paroi et les points d’ancrage des tiges, éloignés de 2 à 10 m, voire 20 m lorsqu’on veut un point d’ancrage certainement fixe. Précision La mesure se fait au comparateur entre l’extrémité de chaque tige et une platine solidaire du terrain au débouché du forage. La précision est celle du comparateur, soit 0,02 mm. Difficultés ou limites d’utilisation L’étendue de mesure n’est pas limitée (on peut toujours rallonger le comparateur). La profondeur du forage ne constitue pas non plus une limite, mais dans la pratique on ne dépasse guère 50 m en forage vertical. Pour des extensomètres débouchant en calotte, le relevé manuel nécessite une nacelle. La télémesure n’est par définition pas possible, ou alors il faut équiper l’extrémité des tiges de capteurs (cf. fiche C2). Mise en œuvre et robustesse Le scellement de plusieurs tiges à des profondeurs différentes est une opération délicate, surtout dans des forages remontants ; de plus, la technique de scellement doit être bien adaptée au terrain, à la présence d’eau dans les forages descendants, etc. Mais ce sont des appareils très robustes, sous réserve que le scellement des tiges ait été bien fait, et que la tête du forage soit bien protégée contre les chocs (surtout pour les extensomètres débouchant en surface). Coûts et délais Forage : 800 e pour 10 ml Matériel : 400 e par tige de 10 ml Scellement d’une tige : 1 h en forage descendant, 2 h en forage

A

Définition et objectifs C’est un appareil installé en forage et permettant de mesurer, grâce à une tige rigide ancrée dans le terrain en un point donné, la variation de distance entre ce point et le débouché du forage. Un même forage peut comporter 1 à 4 tiges ancrées chacune à une profondeur différente ; les tiges, à l’origine en invar, sont plutôt maintenant en fibre de verre. Cet appareil sert à étudier l’amplitude et l’extension des mouvements du massif autour d’un tunnel. On distingue : • les extensomètres de surface, le plus souvent verticaux ; ce sont les seuls à pouvoir être installés avant le passage du front, et à pouvoir mesurer la convergence totale du massif à quelques décimètres de l’extrados du futur tunnel ;

32



Fiche C2 - Extensomètre à tiges avec capteurs Mise en œuvre et robustesse La principale difficulté reste le scellement de l’ancrage des tiges, comme pour l’extensomètre manuel. Le montage des capteurs sur la tête des tiges est assez simple. Par ailleurs, les renseignements tirés seront d’autant plus intéressants que l’appareillage sera mis en place tôt (au plus près du front). Ce sont des appareils assez robustes. Seuls les capteurs craignent la foudre, mais ils peuvent facilement être remplacés en tête de forage s’ils sont endommagés ; il est cependant nécessaire de réétalonner le dispositif pour assurer la continuité des résultats.

ES

Coûts et délais Pour un extensomètre triple avec tiges ancrées à 1 m, 3 m et 10 m de la paroi, il faut compter, outre le forage lui-même, 800 e pour les tiges et 1000 e pour les capteurs, non compris la centrale d’acquisition toujours commune à plusieurs extensomètres (à partir de 3000 e). L’installation d’une section de mesures avec 3 extensomètres triples remontants, y compris le câblage, est un travail délicat qui demande 2 interventions d’une demi-journée (séparées par le temps nécessaire au durcissement du coulis) pour un technicien confirmé et un aide, forages non compris.

Mise en place d’un extensomètre à tiges dans un forage en paroi

A

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Principe et obectifs Identiques à ceux de l’extensomètre manuel (cf. fiche B1), sauf pour la mesure en tête de forage : le comparateur est remplacé par des capteurs de déplacement (un par tige), ce qui rend l’appareil facilement automatisable. Cependant, si la distance entre la tête de forage et la centrale d’acquisition est trop grande, il faut interposer un système de conditionnement du signal. Précision Celle des capteurs, soit 0,01 mm. Difficultés ou limites d’utilisation Le problème principal est que la course des capteurs de déplacement doit être adaptée à l’amplitude des mouvements différentiels, que justement on ne sait pas bien prévoir dans les sections de mesure justifiant un tel appareillage ; en cas de dépassement de l’amplitude prévue, il faut alors intervenir pour rallonger la tige.

Tête d’extensomètre à capteurs électriques

Fiche C3 - Extensomètre à capteurs inductifs

Définition et objectifs

Les objectifs et la disposition générale sont identiques à ceux des extensomètres à tiges. Mais ici il n’y a qu’une seule tige, ancrée soit en tête soit en fond de forage ; cette tige coulisse dans des bagues qui sont fixées sur des tubes plastiques télescopiques, eux-mêmes solidaires du massif ; il peut y avoir jusqu’à 12 bagues, au droit desquelles se trouvent autant de capteurs de déplacement fixés sur la tige. On utilise des capteurs à induction électromagnétique (qui délivrent une fréquence), dans des forages Ø 80 à 100 mm pouvant atteindre 100 m de longueur et d’orientation quelconque.

Précision Le mouvement relatif de chaque bague le long de chaque capteur peut atteindre 120 mm, tout en gardant pour chaque mesure une précision de 0,1 mm ; cette précision, jointe au grand nombre de points de mesure, constitue l’avantage majeur de cet appareil ; des exemples montrent qu’elle peut être maintenue au-delà de 20 ans. Limites d’utilisation La convergence du massif ne doit pas dépasser la course des capteurs, en particulier pour les points les plus proches de la paroi.


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terrain, avec injections de scellement, et le positionnement correct des capteurs au droit des anneaux compte tenu du sens prévisible des mouvements du terrain. Coûts et délais Forage : 1000 e pour 15 ml ; Matériel (hors centrale d’acquisition) : environ 6000 e pour un appareil à 6 points. Installation : 2 jours (hors forage). Possibilité de télémesure Immédiate, des câbles transmettant facilement à grande distance la fréquence de résonance de chaque circuit oscillant.

ES

Robustesse Ce matériel présente une relative fragilité liée à celle des capteurs, qui intègrent des composants électroniques. Ceux-ci présentent une certaine mortalité, liée à, la conductivité des terrains : la chaîne de mesure est protégée contre la foudre, mais le courant peut être transmis par le sol ; on doit alors démonter la tige et remonter les capteurs pour les réparer. On peut pallier ces faiblesses en ramenant des éléments électroniques en tête de forage, afin de pouvoir les changer facilement sans altérer les caractéristiques des circuits. Il faut aussi faire attention aux problèmes d’étanchéité lors de la mis en place. Difficultés de mise en œuvre La principale difficulté est ici la mise en place, avec deux points décisifs : le bon ancrage des tubes plastiques solidaires du

Fiche C4 - Chaîne inclinométrique en place

Coût Il faut compter 10 000 e pour une chaîne inclinométrique en place de 30 m constituée de 10 capteurs, hors forage, tubage et installation. Mais une fois la chaîne installée, le coût de la mesure est indépendant du pas de temps. Conclusion - Points forts : cette chaîne fournit une mesure automatique des déformations horizontales d’un forage vertical, ou des déformations verticales d’un forage horizontal ; elle est facilement transformable en un outil de mesure temps réel. - Points faibles : coût élevé à l’installation, et problèmes de fidélité des capteurs. Variante : chaîne inclinométrique à capteurs inductifs Une variante moins courante est d’est équiper le forage d’une chaîne de capteurs inductifs, mono- ou bidirectionnels. Le principe de ces capteurs est de détecter les déplacements d’un pendule cible entre deux bobines de détection. Contrairement aux inclinomètres habituels, cette chaîne ne nécessite pas de tubes rainurés. Le capteur inductif a une résolution angulaire de l’ordre de 1 à 5.10–5 radian, et donc une précision de l’ordre de 1 à 5.10–4 radian, suivant l’étendue de mesure de l’appareil. On a pu équiper ainsi un forage de 600 m de profondeur avec 42 points de mesure. Les mesures sont bien sûr facilement automatisables. La sortie en fréquence de ces capteurs facilite son acquisition à grande distance et constitue l’un des avantages principaux de ce système (comme pour les cordes vibrantes).

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Principe et objectifs Un forage est équipé d’une chaîne de capteurs fixes, monodirectionnels (en forages verticaux ou horizontaux) ou bidirectionnels (en forages verticaux seulement). Chaque capteur mesure une variation angulaire ; la technologie du capteur est le plus souvent basée sur l’électronivelle (cf. fiche B5), mais il existe aussi des chaînes inclinométriques en place utilisant des capteurs à corde vibrante, magnéto-résistifs ou capacitifs. Les capteurs sont des éléments de 1, 2 ou 3 m ; placés bout à bout, ils forment une chaîne pouvant atteindre une centaine de mètres ; celle-ci est placée à demeure dans un forage équipé d’un tube rainuré de même nature que celui des sondes inclinométriques (cf. fiche B6). La déformation globale du forage est calculée par intégration des mouvements angulaires relevés par chaque capteur tout au long du forage. Précision Les constructeurs annoncent une fidélité (répétabilité) de ± 0,01 mm/m. Dans la pratique, il faut se méfier de la dérive de ces capteurs et de leur sensibilité aux conditions d’environnement (vibrations, variations de température…). Il est plus raisonnable d’annoncer une fidélité de ± 0,1 mm/m, qui tient compte de toutes les incertitudes et des conditions de chantier. Ainsi, en supposant que le pied d’un forage vertical de 30 m est stable, la position de sa tête sera donnée à ± 3 mm. Il est d’ailleurs recommandé d’installer un forage tubé jumeau pour faire des mesures de contrôle régulières à l’aide d’une sonde inclinométrique à servo-accéléromètre (cf. fiche C6). L’étendue de mesure du capteur est de ± 10°.

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Fiche C5 - Extensomètre démontable

A

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Principe et objectifs L’objectif initial de cet appareil, d’origine suisse, était de mesurer les déplacements axiaux dans un forage. Le principe de base est de découper le forage en tronçons calibrés élémentaires de 1 m, dont on vient mesurer périodiquement les variations de longueur. Du fait de cette conception modulaire, l’appareil peut être aussi bien rallongé que raccourci après son installation initiale, au gré des évolutions de l’ouvrage, sans que soit altérée la référence initiale des mesures. Un modèle courant est le " sliding micrometer ", qui comprend les éléments suivants : • un tubage PVC souple constitué de tronçons indépendants de 1 m de long, scellés au massif dont ils suivent les déformations ; • des bagues en laiton usiné, qui séparent chaque tronçon du tubage ; • une sonde mobile, qui vient mesurer avec une grande précision, tronçon par tronçon, la distance entre bagues contigües, • un train de tige servant à positionner la sonde (avec un treuil au-delà de 30 m). Utilisation au front de taille C’est la modularité de cette méthode qui la rend particulièrement bien adaptée à la mesure des déformations à l’avant du front de taille. L’appareil, installé au front dans un forage horizontal, est parfois nommé " extrusomètre ", car il mesure la déformation longitudinale (ou extrusion) du noyau d’avancement. Tant que l’autre extrémité de l’appareil n’est pas influencée par l’avancement, la somme des allongements des tronçons élémentaires est une mesure de l’extrusion totale du front. A chaque passe d’avancement, un ou plusieurs tronçons sont détruits, mais le système reste opérationnel. Précision Dans la sonde, la variation d’écartement entre bagues contiguës est mesurée par un capteur inductif de déplacement de type LVDT, qui donne une excellente précision, en principe 3 microns pour une base de 1 m ; la course du capteur est de ± 5 mm. Il existe des sondes moins sophistiquées, donc moins coûteuses, qui donnent une précision de 0,03 mm/m (" Sliding Deformeter "). Mise en œuvre En position verticale, la longueur totale du tubage équipé peut atteindre 100 m. En configuration d’extrusomètre, on équipe un forage horizontal dont la longueur est de 2 à 3 fois le diamètre de l’excavation, en tous cas supérieure à celle des boulons longitudinaux ; ceci nécessite une stabilité minimale du forage nu. Si on veut mesurer l’extrusion du front tout au long de l’avancement du tunnel, un nouveau forage doit être équipé dès que des mouvements sont décelés dans le tronçon le plus éloigné du front. De bonnes mesures nécessitent un excellent contact mécanique entre les bagues et la sonde, sans poussière ni dépôt. Robustesse Le dispositif est très robuste et moins perturbé par les grandes déformations que les inclinomètres à tubes rainurés. Il faut

Mise en place d’un extensomètre au fond d’un puits

bien sûr veiller à l’équilibre thermique entre le terrain et la sonde, et étalonner périodiquement la sonde sur un bâti en invar. Pour une utilisation comme extrusomètre, il faut veiller lors de l’excavation du front à bien obturer la partie du forage qui ne sera pas détruite ; en cas d’excavation à l’explosif, il faut positionner les trous du bouchon à plusieurs mètres de l’appareil pour limiter l’endommagement. Coûts et délais Coût du tubage et des bagues pour un Sliding Micrometer : 70 e/ml (hors coût du forage) ; coût de la sonde, des tiges de guidage et du poste de mesure : 25 000 e ; pour un appareillage de type Sliding Deformeter, moins précis, le prix est divisé par deux. Durée de mise en place d’un extensomètre : 6 h avec 2 opérateurs pour 20 ml, y compris mesure à blanc. Durée des mesures pour forage de 20 ml : 2 h avec un seul opérateur. NB. Un nouveau développement du " Sliding micrometer " a été réalisé en équipant la même sonde de deux capteurs d’inclinaison (servo-accéléromètres, cf. fiche B6), disposés dans des directions perpendiculaires. Appliqué à un forage vertical, le dispositif ainsi obtenu devient à la fois un tassomètre et un inclinomètre ; ceci est particulièrement intéressant pour suivre depuis la surface les mouvements du terrain au voisinage de l’extrados d’un tunnel, notamment avant le passage du front. La précision obtenue sur les déplacements transversaux est de ± 0,1 mm.


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Fiche C6 - Sonde inclinométrique à servo-accéléromètre

ES

doit faire attention à l'agressivité chimique du terrain. Les tubes sont rainurés dans deux directions perpendiculaires (les tubes en aluminium ont une meilleure qualité de rainurage et une plus grande déformabilité). La mise en place des tubes, avec les rainures convenablement orientées, est délicate ; en particulier, leur rotation tout au long du tube doit être évitée ; si on ne peut l'éviter, elle est mesurable avec un appareil spécial. Conditions de mise en œuvre Cette mesure a fait l'objet de la norme NF P 94 156, qui précise que l'on doit faire une double mesure en retournant la sonde. En complément à cette norme, on attirera l'attention sur les causes d'erreur qui peuvent être introduites par l'usure et l'instabilité, non de la partie centrale du capteur, mais des éléments annexes comme les roulettes, les axes de ces dernières, les ressorts d'application des roulettes, et le câble qui sert à repérer la profondeur des mesures successives. La profondeur maximale des forages équipés atteint 100 à 120 m. Précision Selon la norme NF, l’intervalle de répétabilité des mesures (à 2 écarts-types) est meilleur que ± 4.10-4 radian ; en fait, pour un forage de 80 m, l’incertitude sur le déplacement est inférieure à 2 mm. Les premiers mouvements mesurés sont souvent dus à la " mise en place " du tube dans son forage. La mesure n'est pas automatisable, mais le processus peut être facilité par des logiciels de saisie et de traitement adaptés, qui évitent toute écriture manuelle et dessinent directement la déformée du forage.

Sonde inclinométrique à servo-accéléromètre

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Principe et objectifs C’est l’inclinomètre de forage le plus largement utilisé. La sonde inclinométrique construite autour d'un servo-accéléromètre est inséparable des tubes rainurés, qui sont scellés au terrain dans des forages verticaux ; elle permet de mesurer les déplacements horizontaux de ces tubes, par intégration des variations angulaires relevées tout au long des tubes. La mesure inclinométrique consiste à mesurer à partir d'une date donnée l'angle de la sonde avec la verticale tous les 0,50 m, en commençant par le fond du forage. Par intégration à partir du fond du forage et par différence avec la mesure initiale tout au long du forage, on obtient les déplacements dans deux directions perpendiculaires. Les tubes inclinométriques sont livrés par longueurs de 3 m, et réunis entre eux par des manchons dits télescopiques. En fait, l'adaptation aux mouvements du terrain des tubes résulte du faible module de déformation des tubes et du coulis de scellement. Les tubes sont en plastique ou en métal, sachant que l’on

Coût et délais Le coût d'un tube inclinométrique est de l'ordre de 25 e/m, pièces annexes comprises. Sa mise en place demande 1 jour pour une longueur de l'ordre de 30 ml. Une sonde inclinométrique bidirectionnelle coûte environ 6 000 e, plus le touret et le poste de lecture (5 000 à 7 000 e). La mesure d’un forage de 30 ml avec retournement (double mesure) prend environ 1/2 heure.

Fiche C7 - Tassomètre magnétique

A

Principe

Le but de cet appareil mis au point par le LCPC est de mesurer les déplacements verticaux tout au long d’un forage vertical. Un tube équipé de bagues magnétiques est placé dans un forage, et l’ensemble est scellé au terrain. Les déplacements verticaux du terrain qui provoquent le déplacement des bagues sont mesurés par une sonde que l’on glisse dans le tube, et qui repère la position précise des bagues par rapport à la surface. Précision et limites d’utilisation Elle dépend de la qualité du scellement et de la précision de la graduation du câble de la sonde : ± 5 mm au mieux pour une profondeur de 30 m. Il n’y a pas a priori de limite de profondeur, mais bien sûr plus la profondeur est grande, plus la précision est faible, comme pour toute diagraphie.

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Mise en œuvre et robustesse La mise en œuvre ne pose pas de difficulté. La procédure de mesure doit être bien établie ; il est fréquent qu’une bague donne une ou plusieurs positions fantômes qu’il faut reconnaître. Mais c’est un appareil de mesure robuste. Coûts et délais • Matériel de mesure : 850 e. Bagues : 50 e/unité. Tube : 50 e pour 3 m. • Durée d’installation : quelques heures, hors durcissement du coulis. • Relevé : 1 h pour un tassomètre de 30 m de profondeur. Télémesure Appareil très difficilement automatisable.



ANNEXE D MESURE DES DÉPLACEMENTS À LA PAROI • les mesures classiques de convergence au fil invar (cf. fiche D2), qui sont plus précises que les mesures optiques, mais malcommodes à exécuter dans des ouvrages en construction ou sous circulation ; elles restent cependant très utilisées pour certains ouvrages en exploitation (où l’on s’intéresse plutôt à des variations millimétriques), ainsi que pour des galeries expérimentales ou de petites dimensions ; • la mesure de l’évolution de fissures ou de joints structurels, réalisée soit avec des capteurs fixes reliés à une centrale d’acquisition (cf. fiches D3 et D4), soit avec un fissuromètre portable que l’on déplace de base en base (cf. fiche D5).

ES

La mesure des mouvements que subissent les parois d’un ouvrage souterrain est plus délicate en profondeur qu’à l’air libre car on manque en général de repères stables, c’est-à-dire non influencés par les travaux ; mais pour des ouvrages en construction, on se contente très souvent de mesures relatives, en particulier à grande profondeur. Trois types de méthodes sont utilisées : • les mesures topographiques sur repères fixés à la paroi, qui sont devenues de plus en plus courantes depuis que les tachéomètres peuvent mesurer à la fois les distances et les angles (cf. fiche D1) ; elles sont très bien adaptées aux travaux neufs, où l’on s’intéresse surtout à des déformations centimétriques voire décimétriques ;

Fiche D1 - Convergence optique

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Repères réfléchissants pour mesure optique de convergence (4 sections de mesure visibles en calotte)

Avantages indirects pour le chantier - Les arrêts de chantier et autres gênes occasionnées par la méthode du fil invar (cf. fiches D2 et D3) sont supprimés. - Les cibles sont utilisables par divers services (topographe du chantier, contrôle extérieur…). Avantages en terme de sécurité - Suppression des risques de blessure liés au fil invar tendu entre piédroits, peu visible. - Plus d’échelle ni de nacelle pour accéder à chaque mesure aux repères en hauteur. - Amélioration des conditions de travail (moindre fatigue physique, pas de contraintes d'horaires, moins de temps d'attente et de temps passé en galerie). Précision de la méthode Elle dépend essentiellement du matériel utilisé, de l'atmosphère du chantier (chaleur, poussière…), de l'opérateur et de l'éloignement du point de mesure. En effet, toutes les mesures optiques sont influencées par l'indice de réfraction de l'air, qui est variable selon la température, l'hygrométrie et la pression. L’incertitude de mesure est de ± 0,5 mm, et de ± 0,3 mm quand les conditions sont très favorables. La distance de mesure compatible avec cette précision va de 5 m à 30 m ; au-delà, les mesures sont toujours possibles mais la précision baisse. Facilité de mise en œuvre et robustesse Les mesures sont faciles sous réserve que l’atmosphère de la galerie soit suffisamment propre et que les cibles soient bien éclairées ; elles nécessitent l’absence de vibrations. De son côté, le tachéomètre est un appareil robuste, qui nécessite cependant une révision annuelle. Coût • Tachéomètre : environ 25 000 e • Cibles bi-réflex : 30 à 60 e selon le type de cible et la quantité commandée.

A

Définition Pendant longtemps, l’auscultation en souterrain par méthodes topographiques en souterrain ne permettait que des mesures de nivellement, au demeurant très précises même avec un simple niveau à bulle. Dans les années 1990, les mesures optiques de convergence se sont imposées grâce aux progrès des appareils topographiques de haute précision (tachéomètres électroniques ou théodolites), avec lesquels on vise des cibles réfléchissantes scellées à la paroi de l'ouvrage. La mesure des distances et des angles permet alors de calculer la position en XYZ de tous les points visés par rapport à un point de référence supposé fixe, ainsi que la valeur des convergences et tassements (absolus ou différentiels). Avantages directs pour le processus de mesure - Cette méthode ne nécessite qu'un seul opérateur en galerie (sauf pour le scellement des cibles qui nécessite une nacelle) ; le travail de mesure proprement dit est généralement rapide, et les mesures faciles. - Les opérations de saisie sont supprimées grâce à l'enregistrement direct des mesures, et le contenu de la mémoire incluse dans l'appareil de visée est transféré sur ordinateur ; l'intervention humaine est donc limitée et les calculs automatisés, ce qui rend le processus très fiable. - La méthode est applicable aussi bien aux grandes voûtes qu'aux petites galeries.


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Fiche D2 - Distancemètre à fil invar

ES

Distancemètre absolu à fil invar

précis arrête la mesure lorsqu’une tension préréglée par le fabricant est atteinte ; un compteur associé au moteur affiche alors la distance résiduelle. Il existe également un autre dispositif à moteur électrique, mais qui n’utilise pas de fils calibrés et ne peut donc mesurer que des variations de longueur entre tournées successives. Dans ce cas, lors de la première mesure, la longueur d’un fil invar unique est ajustée à celle de la corde à mesurer (la course de l’appareil étant de 60 mm), ce fil devant être conservé pour la mesure suivante. Il y a donc autant de fils de mesure que de cordes à mesurer (cependant, on utilise souvent le même fil pour plusieurs cordes de longueur différente, en sertissant sur le fil une olive d’acier à une distance correspondant à la longueur de chaque corde). Si un fil est déformé ou cassé lors d’une manipulation, il doit être remplacé, ce qui interrompt la continuité du suivi des convergences. Coûts • Coût du matériel de mesure : 10 000 e pour le distancemètre mécanique, 15 000 e pour le distancemètre électrique ; plots : 35 e/U ; fil invar : 15 e le ml. • Fourniture et pose pour une section de 5 plots : 500 e. • Prestation de mesure pour un profil à 5 repères : 1 h, avec 2 opérateurs plus le chauffeur de la nacelle. Télémesure Rarement automatisable. Cependant des dispositifs permanents de mesure au fil invar, reliés à une centrale de mesure, sont utilisés pour la surveillance de certains ouvrages souterrains non circulés. NB. Une variante du distancemètre mécanique est le distancemètre à ruban invar. Cet appareil, qui était déjà moins utilisé que le système à fil invar avant l’apparition des méthodes optiques, ne s’en distingue que par les caractères suivants : • mesure de longueur absolue par lecture d’un ruban gradué, • appareil plus lourd et encombrant, difficile à manipuler pour des plots d’accès difficile, • précision moins bonne au-delà de 10 m, car le ruban, sensible aux courants d’air et à son poids, prend une forme de chaînette, • matériel de mesure moins coûteux (2500 e).

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Principe et objectifs On mesure à différentes dates la longueur de cordes (au sens géométrique) joignant des plots scellés dans le parement d’une section de tunnel. L’appareillage comprend, outre les plots et l’appareil de mesure, un jeu de fils calibrés en acier invar, de différentes longueurs, permettant de mesurer toutes les distances souhaitées en les mettant bout à bout (principe du jeu de poids). Ces fils sont tendus entre deux plots par l’intermédiaire d’un appareil mesurant sous tension constante la distance résiduelle. Un " profil de convergence " comprend typiquement 3 (ou 5) plots, dont un en calotte, ce qui permet de mesurer jusqu’à 10 cordes horizontales ou obliques. Précision et limites d’utilisation L’incertitude de mesure est de ± 0,2 mm pour des bases décamétriques, et de ± 0,1 mm pour de petites galeries ou puits (Ø < 5 m) ; elle donc meilleure que celle des mesures optiques, et indépendante de l’atmosphère du tunnel. Cependant, la précision diminue au-delà de 20 m. Bien entendu, il ne faut pas d’obstacle fixe en travers de la galerie, et il faut pouvoir arrêter facilement la circulation des engins. Mise en œuvre et robustesse La mise en œuvre est délicate dans l’embarras des travaux, avec des risques pour le personnel et le matériel du fait des circulations ; ainsi, dans les tunnels en exploitation, chaque mesure requiert un arrêt du trafic ; de plus, une nacelle est nécessaire lorsque la section comprend des repères en voûte. Mais c’est un appareillage robuste, où les chutes sont cependant à éviter. Un étalonnage du matériel est nécessaire pour le suivi à long terme ; il peut être fait sur un banc interférométrique, ou à défaut remplacé par l’utilisation d’une deuxième série de fils calibrés et de bases de référence. Différents types de matériel Il existe des modèles mécaniques et des modèles électriques : • dans les modèles mécaniques (type LRPC), la tension constante du fil est obtenue à l’aide d’une molette manuelle, et la lecture de la distance résiduelle est effectuée sur un vernier : on mesure donc la distance absolue entre deux plots, mesure qui peut être répétée périodiquement sous réserve d’un bon étalonnage des fils. Par ailleurs, ces appareils permettent les mesures subaquatiques ; • dans les modèles électriques, la mise en tension du système est effectuée par un moteur électrique ; un dynamomètre très

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Mesure de convergence au fil invar


Fiche D3 - Extensomètre à corde vibrante tion du capteur : température, fluage du béton, évolution des sollicitations. Cette possibilité est utilisée en particulier pour ausculter à long terme le revêtement de tunnels dans des terrains à comportement différé (marnes, argiles, gypse…). La stabilité de la mesure est certainement la meilleure de l’ensemble des capteurs du génie civil. Limites d’utilisation La partie sensible du capteur, la corde en acier, compense les effets de la température du support en acier et dans une moindre mesure celle du béton. Mais un étalonnage est nécessaire car le coefficient de correction en température du capteur n’est pas parfaitement connu. L’étendue de mesure est limitée en partie haute par le fluage (voire la rupture) de la corde, et en partie basse par sa mauvaise réponse à basse fréquence. Coût • Capteur : 120 à 200 e ; poste de lecture mobile : 3000 e ; centrale de mesure fixe : à partir de 4 000 e. • Temps d’installation : 5 capteurs par heure ; durée d’un relevé : 5 minutes par point. Télémesure Mesures automatisables.

ES

Principe et objectif L’extensomètre à corde vibrante est un appareil à base décimétrique qui mesure la déformation du support dont il est solidaire ; on peut aussi en déduire la variation de l’état de contrainte de ce support, si l’on connaît son module. C’est un appareil très courant pour mesurer les efforts dans un cintre (sur lequel l’extensomètre est soudé), ou au sein d’une voûte en béton coffré (on positionne alors à l’intérieur de la voûte, avant bétonnage, des paires d’extensomètres : l’un à l’extrados, l’autre à l’intrados, voire un 3ème près de la fibre neutre). La déformation de l’extensomètre est mesurée par l’intermédiaire de la variation de fréquence de résonance d’une corde vibrante (cf. fiche A3). Précision C’est un appareil de très grande précision et répétabilité. Le principe de la mesure, celle d’une fréquence, permet d’atteindre aisément une résolution de 0,1 micromètre par mètre, d’où une incertitude habituelle de mesure de ± 3. 10-6. Robustesse C’est un capteur extrêmement robuste, dont la durée de vie est de plusieurs dizaines d’années ; dans ce cas, on peut traiter les résultats annuels par des méthodes statistiques qui permettent de bien séparer les différents facteurs gouvernant la déforma-

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Fiche D4 - Fissuromètre à corde vibrante

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Principe et objectif On mesure les variations d’ouverture d’une fissure par l’intermédiaire de la variation de longueur d’une corde vibrante, dont on mesure la fréquence de résonance (cf. fiche A3). Comme tous les appareils à corde vibrante, c’est un dispositif d’une très grande précision : l’incertitude de mesure est de quelques centièmes de mm. Limite d’utilisation et robustesse Une fois fixé de part et d’autre de la fissure, l’appareil a une course limitée à quelques dixièmes de mm seulement. Mais sa mise en œuvre est aisée et rapide. De plus, c’est un appareil robuste et très fiable ; mais il faut garder à l’esprit qu’une dérive

dans le temps est possible, d’où la nécessité d’un contrôle périodique avec un fissuromètre mécanique.

Coût • Fourniture de l’appareil : 170 e. Poste de lecture : 1700 e. • Temps de mesure: quelques minutes. Télémesure Facilement automatisable, ce qui est intéressant car il y a souvent beaucoup de points de mesure à suivre, difficiles d’accès. Le coût d’une centrale de mesures avec une trentaine de voies est de 7000 e environ.

Fiche D5 - Fissuromètre à capteur électrique

Principe et objectif Fixé à demeure de part et d’autre des lèvres d’une fissure, cet appareil comprend principalement un ou des capteurs électriques de déplacement (inductifs ou résistifs), qui permettent de mesurer les déplacements relatifs des lèvres de la fissure avec une précision de l’ordre de quelques centièmes de mm. Mais par rapport au fissuromètre à corde vibrante, cet appareil a une course beaucoup plus grande (du millimètre au centimètre) ; les modèles tridimensionnels permettent surtout de mesurer les 3 composantes du déplacement relatif d’une fissure (ouverture, rejet et désaffleurement).

Mise en œuvre et robustesse La mise en œuvre d’un fissuromètre est aisée et la lecture rapide. C’est un matériel robuste et très fiable ; il doit cependant être protégé des salissures et de l’humidité. Coût • Fourniture d’un appareil unidirectionnel : de 170 à 250 e ; pour un appareil tridirectionnel, il faut compter de 600 à 900 e. • Temps de lecture : quelques minutes. Télémesure Facilement automatisable. Le coût d’une centrale de mesure avec une trentaine de voies est de 7000 e environ.


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Fiche D6 - Fissuromètre mécanique 40 mm. Les mesures se font avec un palmer ou un pied à coulisse ; la précision est de l’ordre du dixième de mm. Mise en œuvre et robustesse La mise en œuvre est rapide, mais nécessite une nacelle pour les points difficiles d’accès. La seule limitation est la course des appareils qui, une fois la base scellée, ne dépasse pas quelques centimètres ; mais en cas de déformations importantes, l’installation de nouvelles bases est peu coûteuse. Ce sont des dispositifs simples et robustes, ils doivent cependant être protégés des risques de détérioration accidentelle et des salissures par un capot. Pour le long terme, il faut utiliser des dispositifs en alliage inoxydable. Coût et délais • Fourniture d’un appareil tridirectionnel en inox : 600 e. • Temps d’installation d’une base type Vinchon : 1/2 heure ; temps de mesure : quelques minutes. Télémesure Non automatisable par définition.

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Principe et objectif Le principe de cette méthode consiste à matérialiser sur la paroi, de part et d’autre d’une fissure, une base de mesure fixe, et de venir périodiquement la relever avec un appareil portable qui permet de mesurer des longueurs. Les appareils les plus courants sont les suivants : • les fissuromètres unidirectionnels : leur base de mesure comprend deux plots scellés dans la paroi, distants d’environ 100 mm, et munis d’une tête usinée (sphérique ou conique). L’appareil vient se caler sur ces têtes et la distance qui les sépare est mesurée par un comparateur mécanique. Une base de référence indéformable permet de régler le comparateur avant chaque mesure. L’incertitude de mesure est excellente : ± 0,2 mm ; • les fissuromètres tridirectionnels : la base de mesure peut être constituée soit de deux éléments métalliques coudés scellés de part et d’autre de la fissure (type Vinchon), soit comporter une pige centrale (type CETE) ; la disposition de cette base est telle qu’elle permet de mesurer les 3 composantes du déplacement relatif des épontes ; la course permise est de 10 à

ANNEXE E

MESURE DES PARAMÈTRES MÉCANIQUES

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Cette annexe regroupe trois types de mesures très différentes : (a) La mesure des efforts au sein ou à l’extrémité d’éléments de soutènement (cintres ou butons le plus souvent) ; ces mesures peuvent être bien maîtrisées sur les chantiers et donnent des résultats dont l’incertitude est connue ; elles font l’objet des fiches E1 à E3, auxquelles il y aurait lieu de rajouter la fiche D4 (extensomètre à corde vibrante), déjà citée pour la mesure des déplacements mais très souvent utilisée pour mesurer les efforts dans les cintres et les butons ; (b) La mesure des contraintes dans le massif ou le soutènement, objet des fiches E4 à E7 ; contrairement aux premières, ces mesures sont toujours difficiles et approximatives, pour au moins trois raisons : • l’introduction d’un appareil de mesure dans le milieu à tester modifie forcément l’état de contraintes là où on veut le mesurer (sauf dans le cas des extensomètres mis en place dans une voûte avant de couler le béton) ;

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• on ne peut extrapoler valablement l’état de contraintes mesuré dans un volume donné que dans le cas exceptionnel d’un massif non fracturé ; dans les massifs fracturés, on ignore souvent la représentativité des mesures effectuées, qui donnent une information essentiellement ponctuelle dont l’incertitude propre est par ailleurs très élevée ; • les mesures ponctuelles de contrainte en milieu rocheux (surcarottage et borehole slotter) nécessitent de faire des hypothèses supplémentaires quant aux paramètres élastiques du milieu étudié ; ces méthodes sont citées ici par souci d’homogénéité, bien qu’elles soient surtout utilisées dans le cadre de reconnaissances préalables plutôt que pour l’auscultation. Par contre, les mesures de contraintes par fracturation hydraulique n’ont pas été décrites car elles relèvent plus de la reconnaissance géotechnique par forages profonds. c) La mesure des vibrations engendrées par certaines méthodes d’excavation comme le tir à l’explosif, le brise-roche, etc. (fiche E8).



Fiche E1 - Dynamomètre

ES

Précision L’incertitude habituelle de mesure est de ± 5 % de l’étendue de mesure. Limite d’utilisation Les gammes de mesure sont très variables selon les capteurs, mais la mesure des forces faibles est délicate. Les capteurs sont souvent sensibles à l’excentrement de la force appliquée et à la température. Mise en œuvre et robustesse La force appliquée doit être centrée et répartie convenablement sur le capteur. Mais ce sont des appareils robustes – à l’exception des modèles à jauges, réservés au laboratoire. Coût • Capteur : 800 à 1800 e suivant la gamme ; poste de mesure : 2800 e. • Temps d’installation : 5 capteurs par heure. • Mesure : 5 minutes par capteur. Télémesure Capteurs automatisables (sauf pour les modèles à contre pression).

Cale dynamométrique en pied de cintre, avec capteur de pression

Principe et objectifs C’est un capteur qui mesure une force. Il est utilisé le plus souvent pour suivre la tension d’un tirant ou d’un boulon (donc la pression qu’il exerce sur sa plaque d’appui), ou encore la compression exercée par un pied de cintre. Le principe de mesure est le plus souvent la mesure directe de la pression engendrée par cette force, au moyen de capteurs variés : à corde vibrante, à contre pression, à jauge électrique ou encore à manomètre électrique.

FT

Fiche E2 - Jauge de contrainte sur corps en acier

A

Principe Une jauge de contrainte est composée d’un fil ou d’une trame métallique conductrice insérée dans un élément plastique. La jauge est collée directement sur la pièce à tester ou sur un support métallique intermédiaire. La déformation du support entraîne celle du fil métallique, donc une variation de sa résistance électrique, variation qui est mesurée par un dispositif électrique du type pont de Wheastone. Ces jauges, ou des modèles semblables mais à trame semi-conductrice, sont généralement l’élément sensible des capteurs industriels. En génie civil, elles servent à mesurer les efforts dans les cintres ou les butons, plus généralement sur des structures métalliques, rarement sur le béton et jamais dans le terrain. La mesure est ponctuelle, sur la longueur de la jauge qui est habituellement de 6 mm. Pour les milieux poreux ou microfissurés, il faut utiliser des jauges de grande longueur (60 mm ou plus), plus difficiles à mettre en place. Pour les structures, il faut multiplier le nombre de jauges sur une section afin de faire une moyenne ; on en utilise aussi pour suivre l’évolution des efforts dans des boulons instrumentés, où l’on colle des jauges à intervalles réguliers Précision En laboratoire, la résolution est meilleure que un micromètre par mètre. Sur site, en l’absence de dérive, la précision à long terme atteint 10-5. Limites d’utilisation Les variations de résistance mesurées sont très faibles, donc très sensibles aux grandeurs parasites (humidité particulièrement).

Les jauges installées sur site présentent fréquemment des dérives non maîtrisables à long terme. Les jauges, bien que compensées en température pour un type de support (acier ou béton, par exemple), ne le sont effectivement que dans une plage limitée de température, indiquée par le constructeur ; au-delà, la compensation devient une source d’erreur non négligeable. La mesure d’une jauge inactive du site, ou des montages à plusieurs jauges (demi-pont ou pont complet), limitent l’effet de la température sur la mesure. Mise en œuvre et robustesse Le collage ou la soudure des jauges est un travail de spécialiste ; la protection des jauges et des câbles doit être sans faille. Les difficultés de tenue à long terme sur site limitent l’usage de ces jauges à des mesures de courte durée. La mesure elle-même sur le site est délicate car la moindre variation de résistance (au niveau des contacts, par exemple) est vue comme une déformation ! Globalement, la robustesse de jauges, même bien installées et protégées sur site, peut être qualifiée de moyenne ; elles sont très sensibles à l’humidité. Coût • Jauge : 2 à 25 e ; poste de mesure manuel : 2 500 e. • Installation : 0,5 h par point instrumenté. • Mesure : 5 minutes par jauge. Télémesure Mesures automatisables grâce à des conditionneurs spécifiques.


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Fiche E3 - Cellule hydraulique à corde vibrante Définition et objectifs

Difficultés ou limites d’utilisation

ES

Cet appareil, parfois nommée " coussin " ou " soufflet hydraulique ", est surtout utilisé pour mesurer des efforts perpendiculaires à son plan, tels ceux transmis par un cintre ou un buton. Il comprend un soufflet déformable en acier, associé à un capteur à corde vibrante qui mesure la pression du liquide contenu dans le soufflet. Ce capteur est du type de ceux utilisés pour les mesures de pression d’eau (cf. fiche n° F2) ; il faut veiller à ce qu’il soit bien saturé lors du remplissage pour être sûr que la pression mesurée reflète bien l’effort exercé sur le soufflet. La raideur propre du coussin, bien que diminuée par des gorges et autres dispositifs à sa périphérie, nécessite un étalonnage.

Précision La résolution est égale à 5.10–4 de la pleine échelle de mesure, d’où une très grande précision (5. 10–3). Mise en œuvre et robustesse Le plus délicat est d’installer le soufflet contre la plaque destinée à transmettre la force à mesurer, puis de s’assurer qu’il est bien saturé avant la montée en pression. Mais une fois installé et étalonné, cet appareil est très robuste et durable, comme tous les appareils à corde vibrante. Coûts et délais • Prix d’un soufflet : 1300 e ; prix d’une centrale de mesure (qui peut être commune à un grand nombre de capteurs) : 3500 e. • Temps d’installation pour une paire de " coussins " hydrauliques en pieds de cintre : 2 h (avec 2 opérateurs). Possibilité de télémesure Facilement automatisable (contrairement aux cellules de contrainte à pression totale), avec tous les avantages des capteurs à sortie en fréquence.

La qualité de la mesure est liée à celle de l’insertion de l’appareil dans le milieu à ausculter, comme pour les cellules hydrauliques à pression totale (cf. fiche n° E4) ; aussi n’est-il pas recommandé de l’utiliser pour mesurer des contraintes à l’interface entre le soutènement et un terrain moins rigide.

Fiche E4 - Cellule hydraulique de pression totale

FT

Limite d’utilisation Il y a une très forte interaction entre le terrain et la cellule de mesure, puisque le seul fait d’installer le capteur modifie forcément l’état de contrainte que l’on veut mesurer. Par suite, la valeur de pression relevée par le capteur est habituellement assez éloignée de la valeur vraie qu’il est impossible, sauf exception, de mesurer précisément par cette méthode. Mise en œuvre et robustesse La procédure de mise en place doit limiter au maximum les interactions terrain-capteur, par exemple en utilisant des matériaux de scellement de même rigidité que le terrain. Au demeurant, c’est un capteur très robuste. Mais la circulation du fluide qui sert à déterminer la pression dans les tubulures est quelquefois perturbée par des bulles de gaz.

A

Cellule hydraulique de pression totale

Définition, généralités Ce capteur utilise le principe de mesure de la contrepression. Constitué d’une cellule plate remplie d’un liquide, il mesure la pression exercée par le terrain sur la cellule. Cette pression est transmise au liquide puis, par son intermédiaire, à un élément sensible à la pression. Précision Etendue de mesure : 0,3 à 3,5 MPa. L’incertitude est de l’ordre de ± 5 % de l’étendue de mesure.

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Coût - Coût d’un capteur : 450 e plus les tubulures ; poste de lecture : 4000 e (pour une 1/2 douzaine de capteurs). - Durée d’installation : 1 h par capteur, avec surfaçage. Mesure : 5 minutes par capteur. Télémesure Très difficilement automatisable.



Fiche E5 - Mesure des contraintes par surcarottage Conditions d’utilisation Cette méthode a été développée à l’origine – et ne donne de résultats incontestables – que pour des roches homogènes, isotropes et à comportement élastique et linéaire ; tout écart par rapport à ces qualités entraîne des calculs très lourds et des difficultés d’interprétation. La méthode est surtout adaptée aux bétons et aux roches homogènes et non fissurées. Dans tous les cas, les mesures sont complexes et très délicates (en particulier le collage à distance des jauges de contraintes, et la correction de température, impérative) ; elles ne peuvent être réalisées et interprétées que par des spécialistes. Coûts et délais Pour une cellule type CSIRO HI, le coût d’amenée-repli d’un équipement complet (hors machine de forage à mobiliser) peut être estimé à 5 000 e, et celui d’une mesure du tenseur complet par surcarottage à 4 000 e. Une équipe bien rodée de deux personnes mobilisée pendant une semaine peut faire environ 5 essais (non compris l’exécution préalable des trous de gros diamètre jusqu’à la profondeur des essais). Variante du " sous-carottage " Pour éviter certaines difficultés propres au surcarottage (discage des carottes, échauffement, présence d’un câble à l’intérieur du carottier), on a imaginé de libérer les contraintes autour de la sonde positionnée dans le trou-pilote en réalisant un forage de gros diamètre non plus autour mais à côté du trou-pilote. On réalise alors typiquement 3 trous pilotes, orientés à 120° autour du futur gros forage et garnis chacun d’une sonde mesurant les déformations ; puis on réalise le gros trou en Ø 300 à 500 mm. L’interprétation nécessite alors une modélisation intermédiaire, pour savoir comment on peut remonter aux contraintes initiales à partir des variations de contraintes mesurées dans les trous périphériques.

FT

ES

Principe et objectif Cette méthode de mesure est basée sur le relâchement des contraintes dans une carotte lors de son détachement progressif du massif, opération pendant laquelle on mesure simultanément la déformation de la carotte. Les opérations suivent la séquence suivante : • réalisation d’un forage de gros diamètre (Ø 100 à 150 mm) jusqu’à la zone à tester ; • foration d’un trou pilote coaxial Ø 38 mm, de 400 mm de longueur, où l’on place une cellule qui servira ensuite à mesurer les déformations de la roche ; • reprise de la foration en gros diamètre autour du trou pilote, de façon à libérer complètement les contraintes dans la carotte contenant la cellule ; pendant le " surcarottage ", la cellule enregistre les déformations de la carotte ; • mesure au laboratoire des paramètres élastiques (E et ν) de la carotte extraite. Les déformations de la carotte sont mesurées le plus souvent par des rosettes de jauges de contraintes collées soit contre l’extrémité de la carotte (système " Doorstopper "), soit contre les parois du trou-pilote (système CSIRO), avec de nombreuses variantes. On peut alors remonter aux contraintes initiales si l’on connaît la loi de comportement de la roche ; mais pour résoudre le tenseur complet, il faut le plus souvent 2 à 3 forages d’orientation différente, avec si possible plusieurs essais par forages. A noter que la méthode CEJM (cellule extensométrique à jauges multiples) permet de déterminer le tenseur à partir d’un seul forage (cf. Bull. de liaison des LPC, n° 172, 1991).

Fiche E6 - Mesure des contraintes au Borehole Slotter

A

Principe et objectif Le but de cette méthode est de mesurer rapidement la contrainte tangentielle à la paroi d’un forage, en 2D, grâce à une sonde réutilisable capable de faire de nombreuses mesures. Le principe de base est de provoquer le relâchement de cette contrainte au voisinage de la paroi en réalisant une saignée semi-circulaire dans un plan axial ; cette saignée est réalisée par une scie pneumatique rétractable de 90 mm de diamètre, contenue dans la sonde et refroidie à l’eau. La déformation tangentielle (diminution du périmètre du trou) qui résulte du relâchement de la contrainte est mesurée à proximité de la saignée pendant et après le sciage, au moyen d’un déformètre de haute sensibilité, muni de pointes rétractables qui sont plaquées contre la paroi. Un essai comprend classiquement l’exécution de 3 saignées en un point d’un forage, orientées à 120°. Conditions de mise en œuvre Les mesures se font dans un forage Ø 103 mm, jusqu’à 30 m de profondeur, la sonde étant manœuvrée avec des tiges. Pour exécuter chaque saignée, la sonde est bloquée contre les parois

du trou avec des vérins. Cette méthode n’est bien adaptée qu’aux roches dotées d’une résistance suffisante (Rc > 10 MPa), à comportement isotrope et non plastifiées par l’excès de contrainte. Précision et interprétation La mesure de la déformation à la paroi est d’une très grande précision (10-6), mais la résolution du tenseur des contraintes est toujours délicate car elle nécessite à la fois la connaissance des paramètres élastiques de la roche (E et ν), et un nombre suffisant de forages d’orientation différente (au moins 3). De plus, les résultats sont toujours très perturbés par l’existence de fractures à proximité des saignées testées ; par suite, les mesures n’ont de sens que loin des zones affectées par l’excavation. Coûts et délais Le coût d’amenée-repli de la sonde est d’environ 7 000 E ; une détermination complète du tenseur à partir d’essais dans 3 forages orthogonaux est alors facturée 15 000 E. Une fois les forages mis à disposition, et sachant qu’un essai dure environ 10 minutes, une équipe bien entraînée de deux opérateurs peut réaliser et tester 4 saignées à l’heure.


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Fiche E7 - Mesure des contraintes au vérin plat

Vérin plat pour mesure de contrainte dans un pilier de carrière

FT

ES

Principe et objectif Comme pour le borehole-slotter (cf. fiche E6), cette méthode utilise le principe du relâchement des contraintes de part et d’autre d’une saignée ; mais ici la saignée est réalisée à la paroi d’une galerie avec une scie de quelque 50 cm de diamètre, qui pénètre d’un demi rayon dans le terrain. La distance entre les épontes de la saignée est mesurée avec soin, avant et après sciage, grâce à un fissuromètre mécanique qui s’ajuste sur des plots en laiton scellés dans la paroi (cf . fiche D6). On introduit alors dans la saignée un vérin plat que l’on met en pression jusqu’à annulation des déformations de la paroi ; la pression permettant de restituer l’état initial est assimilée à la contrainte naturelle qui régnait normalement à la saignée. Cette méthode permet une excellente évaluation de la contrainte verticale dans des piliers de mine non fissurés ; elle permet aussi de bien évaluer la contrainte tangentielle à la paroi de galeries en terrain massif et bien purgé, ou encore dans des revêtements maçonnées ou bétonnés. Mais si l’on veut accéder

au tenseur complet des contraintes régnant autour d’un tunnel, il faut tester au moins 6 saignées orientées différemment, puis modéliser le comportement du massif en recherchant un tenseur qui coïncide au mieux avec les résultats des mesures. Conditions d’utilisation Cette méthode est applicable à des roches dures à très tendres, sous réserve que les plots encadrant la saignée soient bien scellés. La seule condition est que le comportement de la roche soit réversible (pas forcément linéaire), et qu’il n’y ait pas de fluage après libération des contraintes. De plus, les résultats ne sont pas exploitables s’il existe des fractures à une distance inférieure à 3 fois le diamètre de la saignée – en particulier dans les galeries tirées " brutalement " à l’explosif. A noter qu’un appareil allemand permet d’aller faire une saignée jusqu’à 1,50 m à l’intérieur du parement. Précision Lorsque ces conditions sont réunies, la pression d’annulation des déformations donne avec une précision meilleure que 10% de la contrainte normale à la saignée, quelque soit l’orientation des contraintes principales. Bien que vieille d’un demi siècle et lourde en main d’oeuvre, cette méthode relativement simple reste donc très fiable. Coûts et délais Le coût de la scie et de son bâti, qu’il faut fixer sur la paroi à chaque essai, est d’environ 7 000 e, celui d’un vérin plat 200 e (sous réserve qu’ils soient fabriqués en série). Une équipe bien rodée de deux personnes peut créer et tester 3 à 5 saignées par poste, selon les conditions d’accès au point de mesure.

Fiche E8 - Mesure des vibrations

A

Objectifs Le but est d’enregistrer les caractéristiques des ébranlements provenant de différentes sources de vibrations (explosifs, engins mécaniques puissants…), qui sont engendrées par les travaux de construction ou de confortement d’un ouvrage souterrain, ou bien par des travaux effectués à proximité. Les mesures peuvent porter sur les déplacements, les accélérations ou les vitesses particulaires que subissent les structures ou le terrain au passage de l’ébranlement (il ne s’agit donc pas de mesurer les caractéristiques de propagation de celui-ci, comme en prospection sismique). Ces mesures sont très importantes lors du creusement d’un souterrain pour lequel le maître d’ouvrage impose des seuils de vibrations dans le but de respecter l’environnement, en particulier pour ne pas risquer d’endommager des ouvrages voisins ; elles permettent, lors d’essais préalables, de déterminer des charges d’explosifs et d’optimiser des plans de tir respectant les seuils de vibration imposés. Principe De façon générale, en travaux publics, ce sont les vitesses particulaires qui sont mesurées. Les capteurs de vitesse sont

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des géophones tridirectionnels, mais on utilise parfois des accéléromètres. Le principe de fonctionnement du géophone est basé sur le comportement d’une masse suspendue dans le champ d’une bobine ; lorsque cette masse est soumise à vibration, la mesure de la tension électrique aux bornes de la bobine permet de déterminer la vitesse particulaire en mm/s. L’enregistrement des signaux vibratoires et leur quantification nécessitent un traitement informatique à l’aide d’une chaîne de mesure, qui permet notamment, par transformée de Fourier (FFT), d’obtenir le spectre en fréquences des vibrations. Caractéristiques et mise en oeuvre Les types de géophone sont définis en fonction de leur fréquence propre, qui correspond à la limite inférieure des fréquences directement mesurables par ceux-ci : 1 Hz, 2 Hz ou 4,5 Hz. Les mesures sont pratiquées en général par des laboratoires spécialisés. Coût Le coût d’une journée de mesure avec opérateur (mise en place de la chaîne de mesure, saisie et traitement) est de l’ordre de 3 800 à 6 000 e.



ANNEXE F MESURE DES PARAMÈTRES HYDRAULIQUES Les méthodes de mesure des paramètres hydrauliques utiles pour les travaux souterrains comprennent classiquement trois catégories :

ES

• les mesures de la pression interstitielle régnant au sein du terrain, qu’on la mesure directement au point étudié ou par le biais du niveau hydrostatique d’un forage (cf. fiches F1 et F2),

• les mesures de débit d’un canal d’exhaure, qu’il s’agisse d’un fossé ouvert (fiches F3) ou d’une conduite fermée (fiches F4 et F5), • les mesures de perméabilité du terrain, non traitées ici car elles sont plutôt pratiquées lors des reconnaissances préalables et rarement pendant les travaux.

Fiche F1 - Piézomètre ouvert

• Capteurs de pression piézorésistifs immergés : problèmes de dérive, nécessitant un étalonnage annuel et un nettoyage si nécessaire (dépôts sur la membrane). Sensibilité à la foudre de certains modèles mal protégés. Mise en œuvre Le premier élément est un forage de diamètre excavé 60 à 100 mm, ou plus. La chambre de mesure, longue de un à plusieurs mètres, doit être soutenue en terrain meuble par du gravier propre ; elle est reliée à la surface par un tube ouvert en PVC ou métal, Ø 30 mm minimum. Lorsqu’il y a plusieurs nappes superposées de charge différente, le haut de la chambre de mesure doit être isolé en scellant au terrain le tube ouvert, grâce à un bouchon de ciment. • Précautions de pose : propreté des parois de la chambre et du gravier, et scellement correct de l’annulaire ; l’opération est plus délicate lorsqu’il y a un tubage provisoire du trou, qu’il faut retirer après mise en place du gravier. • Durée de pose : 3 à 4 h pour le nettoyage du trou (profondeur < 30 m), la pose du tube et du gravier, et le scellement de l’annulaire par le foreur. Pour la mise en place et le réglage d’un capteur immergé, et son raccordement à une centrale : 1 h de technicien. Coût • Sonde électrique : 150 à 300 e selon la longueur de câble. Temps de mesure manuelle : 5 minutes. • Capteur piézorésistif immergé : 300 à 600 e selon la classe de précision ; câble : 3 à 5 e/m ; centrale d’acquisition : de 800 e (pour une voie de mesure) à 4 000 e (pour 12 voies). • Bulle à bulle : 800 à 1500 e selon le système d’acquisition intégré. Télémesure Mesures automatisables par raccordement des capteurs à une centrale d’acquisition de données compatible avec ceux-ci.

A

FT

Principe et objectif L’objectif est la mesure du niveau piézométrique en un point d’une nappe ou d’un massif fracturé, au moyen d’un forage ouvert spécialement équipé : il peut s’agir soit d’un tube plastique crépiné au voisinage du point étudié, soit d’un tubage étanche en liaison hydraulique avec une chambre de prise de pression. Les variations de charge hydraulique dans la chambre se traduisent par des variations du niveau d’eau dans le forage, qui sont mesurées. Ce dispositif est bien adapté aux terrains perméables. Les mesures peuvent être : • soit manuelles : sonde électrique avec câble gradué ; • soit automatisées : - par capteur de pression immergé, relié à une centrale d’acquisition de données ; on utilise couramment des capteurs de pression piézorésistifs ; - par transmetteur pneumatique (dit " bulle à bulle "), où le capteur de pression extérieur au forage est relié à une centrale d’acquisition ; - par capteur de niveau de type radar en tête du forage, etc. Précision • Sonde électrique : 0,5 cm à 1 cm jusqu'à une profondeur de 50 m, 1 à 2 cm à 100 m. • Capteurs piézorésistifs : 0,2 à 0,5 % de la pleine échelle ; l’étendue de mesure peut être très variée (quelques dizaines de kPa à 20 MPa ou plus). Limites d’utilisation Profondeur : forages généralement verticaux ou subverticaux de 10 à 100 m de profondeur. Il existe des dispositifs spécialement adaptés pour les forages profonds (câble porteur pour le capteur, capteurs de grande précision, etc.). Robustesse • Sondes électriques : simples et robustes. Mais l’usure des câbles doit être surveillée (mauvais contacts, raccourcissement suite à réparation...) ;


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Fiche F2 - Piézomètre fermé Robustesse Elle dépend du capteur, du soin apporté à son installation et du site (longueur des câbles, exposition à la foudre...). Une longue expérience montre que les capteurs à corde vibrante sont très robustes. Mise en œuvre • Forage : Ø 60 à 100 mm. Chambre de mesure longue de quelques mètres (mesure plus ou moins ponctuelle), et soutenue par du gravier propre. Scellement de la chambre par un bouchon de bentonite, argile ou ciment (exceptionnellement par un obturateur gonflable, ce qui nécessite une étanchéité parfaite). Plusieurs chambres peuvent être superposées dans un même forage. • Précautions de pose : stabilité de la chambre, propreté des parois et du gravier, scellement correct de la chambre, saturation préalable du filtre du capteur. Pose plus délicate lorsque l’opération nécessite la présence d’un tubage provisoire du trou. • Durée de pose : 3 à 4 h pour le nettoyage du trou (profondeur < 30 m), la descente du gravier et du capteur, et le scellement du bouchon, avec un technicien et le foreur si nécessaire. Coût • Fourniture du capteur à corde vibrante : 500 à 1000 e ; câble : 4 à 8 e/m ; poste de lecture : 2500 à 3500 e. • Mesure manuelle : 5 minutes de technicien. Télémesure Mesures automatisables par raccordement des capteurs à une centrale d’acquisition de données compatible avec ceux-ci (mesure d’une fréquence pour les cordes vibrantes).

FT

ES

Principe et objectif L’objectif est la mesure du niveau piézométrique dans un massif, à partir d’une chambre fermée de longueur métrique à plurimétrique, dans laquelle est placé un capteur de pression. Une variation de charge hydraulique du terrain se traduit par une variation de la pression d’eau sur le capteur, sans entraîner (comme avec un piézomètre ouvert) une variation de volume du fluide dans la chambre ; le temps de réponse est plus rapide, ce qui rend ce dispositif est bien adapté aux terrains peu perméables. Le capteur doit être positionné dans le gravier de la chambre ; c’est généralement un capteur de pression absolue à corde vibrante, en raison de sa robustesse, notamment dans le cas où il n’est pas retirable du forage pour étalonnage ou échange. Possibilité de capteurs piézorésistifs (de pression absolue ou relative), ou à contre-pression. Précision • Capteur à corde vibrante : 0,1 à 0,25 % de la pleine échelle. Etendue de mesure : 0-20 m à 0-500 m d’eau. Pour les capteurs de pression absolue à faible étendue de mesure, nécessité de disposer d’un baromètre pour corriger les mesures. • Capteurs piézorésistifs : 0,2 à 0,5 % de la pleine échelle. Etendues de mesure très variées (quelques mètres à plus de 2000 m d’eau). Limites d’utilisation Profondeur maximale de mise en place : 100 à 200 m en génie civil, dans des forages verticaux ou peu à moyennement inclinés (difficultés à mettre en place le gravier et le ciment si l’inclinaison dépasse 45°).

Fiche F3 - Mesure de débit en canal ouvert


A

Le système de mesure comprend un canal de tranquillisation à l’amont, un déversoir de forme normalisée qui impose à l’amont un niveau d’eau fonction du débit, et un appareil de mesure de ce niveau amont. Cet appareil peut être : • un capteur inductif, associé à un flotteur coulissant le long d’un axe vertical, • un capteur à ultrasons, immergé ou extérieur. Précision

La mesure par capteur inductif permet une lecture du niveau d’eau avec une résolution de 1/100 de mm, et une incertitude de mesure de l’ordre de ± 0,1 de mm.

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Robustesse Paradoxalement, le problème principal n’est pas l’appareil de mesure du niveau d’eau, mais l’entretien du canal d’amenée, qui doit faire l’objet d’une surveillance permanente pour éviter tout entraînement de débris ou corps flottants susceptibles d’obturer le déversoir. Coûts et délais Prix du matériel de l’ordre de 3000 e. Installation du canal et du dispositif de mesure : environ 1 jour de technicien. Possibilité de télémesure Les deux variantes citées sont automatisables, sachant que les conditions d’écoulement dans le canal doivent être fréquemment vérifiées de visu.



Fiche F4 - Débitmètre électromagnétique sur conduite noyée

ES

Débimètre électromagnétique sur tuyauterie

Limite d’utilisation • La vitesse du liquide doit être comprise entre 0,1 et 10 m/s. • Il faut que la conduite soit pleine. • Le fluide conducteur doit avoir une résistivité minimale (ρ > 5 µS). Robustesse Le système de mesure est peu sensible à la nature du fluide, même s’il s’agit de fluides chargés. Il n’occasionne pratiquement pas d’obstruction ni de pertes de charge. Mise en œuvre Comme la mesure ne peut être faite que sur une conduite pleine, les fournisseurs recommandent d’installer le dispositif en partie basse d’une conduite, et au milieu d’un tronçon rectiligne de longueur suffisante (pas de turbulences). De plus, il faut procéder à un nettoyage périodique des électrodes, et veiller à ce que la conduite soit raccordée à une masse électrique de bonne qualité. Coût Selon diamètre : 2 000 à 4 000 e pour une conduite Ø 40 à 100 mm. Onéreux pour de plus gros diamètres (les systèmes à insertion sont alors mieux adaptés). Télémesure Le système est prévu pour transmettre des signaux analogiques (boucle de courant pour le débit) ou des impulsions (pour le volume débité) ; il est raccordable à une centrale d’acquisition de données adaptée.

FT

Principe et objectif D’après la loi de Faraday, si un liquide en mouvement, électriquement conducteur, est soumis à un champ magnétique, il apparaît une différence de potentiel (proportionnelle à la vitesse du liquide) entre deux électrodes placées perpendiculairement au mouvement et au champ magnétique. La mesure de la vitesse se résume donc à celle d’une tension électrique. Précision Elle est de 0,2 % à 0,5 % de la pleine échelle de mesure. De plus, le système possède une grande dynamique de mesure (jusqu'à 100).

Fiche F5 - Débitmètre ultrasonique sur conduite noyée

A

Principe Le débit est mesuré par des transducteurs ultrasoniques, placés à l’extérieur ou à l’intérieur de la conduite. Deux principes sont utilisés : • mesure du temps de transit d’impulsions dans le fluide en mouvement : leur vitesse de propagation varie avec celle du fluide ; • effet Doppler : modification, du fait de la vitesse du fluide, de la fréquence d’un signal ultrasonique émis dans l’écoulement. Précision La précision des appareils à temps de transit est de 0,5% à 1% de l’échelle, selon les modèles (fixés à demeure ou portables) ; celle des appareils à effet Doppler est de 3 à 10%. La dynamique de mesure est élevée (jusqu'à 50). Limite d’utilisation • Appareils à effet Doppler : uniquement pour liquides chargés. • Vitesse du fluide comprise généralement entre 0,2 et 10 m/s. • Nécessité d’une conduite pleine dans tous les cas. Robustesse Appareils à transducteurs externes : robustesse excellente (facilement démontables). Pas de pertes de charge induites par la mesure.

Mise en œuvre • Des configurations sont possibles avec plusieurs faisceaux d’ultrasons. • Impérativement sur conduites pleines. Recommandations du fournisseur à respecter pour les parties droites de tuyauterie en amont et en aval. • Nettoyage périodique pour les appareils à transducteurs internes. Coût • Appareils portables à capteurs externes : environ 5 000 e (pour Ø 50 à 500 mm) ; ils intègrent souvent une petite centrale de calcul permettant de rentrer les caractéristiques de la conduite (diamètre et épaisseur). • Appareil fixé à demeure : 4 000 à 5 000 e pour Ø 100 mm, le prix augmentant assez peu avec le diamètre de la conduite. Télémesure Le système est prévu pour transmettre des signaux analogiques (boucle de courant pour le débit) ou des impulsions (pour le volume débité) ; il est raccordable à une centrale d’acquisition de données adaptée.


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