GT28R1F1 Puits Profonds Et Galeries Inclinées

ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS ET DE L’ESPACE SOUTERRAIN Organisation nationale adhérente à l’AITES www.aftes.asso.fr

Recommandations de l’AFTES Puits profonds et galeries inclinées GT28R1F1

Recommandations de l’AFTES n° GT28R1F1

Puits profonds et galeries inclinées

Texte présenté par Pascal GUEDON (ARCADIS) animateur du Groupe de travail GT 28, Assisté de Alain BOCHON (SNCF), Jean ESTIVALET (Geostock), Bernard LASNE (Campenon Régions), André LESAVRE (ANDRA) Etabli avec la participation de : Pilippe AUTUORI (BOUYGUES), Simon BERNARD (BONNA), Rémy BILLANGEON (SBTPCI), Bernard CANEVET (RAZEL), Daniel CHARDIN (SOGEA), Bruno DARDARD (SNCF),Alain GILBERT (TEC), Jean-Claude LARRIBE (SBTPCI), Raymond SUBE Sont remerciés pour leurs apports de relecteurs : Jacques BOTTE (SBI), Jean-Luc PERRIOLLAT (EDF/CIH), Jean PIRAUD (ANTEA)

Version R1F1, approuvée par le Comité technique de l’AFTES le 17 janvier 2008 L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.

SOMMAIRE Pages

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1 - PREAMBULE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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2 - TERMINOLOGIE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2.1 - Définition des différentes catégories d’ouvrages - - 2.1.1 Distinction entre galeries inclinées et puits - - - - - - - 2.1.2 Puits verticaux et sub-verticaux - - - - - - - - - - - - - - 2.1.3 Puits inclinés - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2.1.4 Galeries inclinées et descenderies - - - - - - - - - - - - 2.1.5 Galeries sub-horizontales - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2.2 - Critères de profondeur pour les puits - - - - - - - - - - -

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3 - CHAMP D’APPLICATION DE LA RECOMMANDATION -

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4 - FONCTIONS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4.1 - Fonctions liées aux contraintes d’exploitation d'un ensemble d'ouvrages - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4.2 - Fonctions liées aux contraintes d’exécution de ces ouvrages - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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5 - CRITÈRES ET CONTRAINTES INFLUANT SUR LA CONCEPTION DES PUITS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5.1 - Contraintes réglementaires - - - - - - - - - - - - - - - - - 5.2 - Contraintes géologiques et hydrogéologiques - - - - 5.3 - Contraintes d’exécution - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5.4 - Contraintes d’exploitation - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5.5 - Autres contraintes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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6 - RECONNAISSANCE DU CONTEXTE GÉOLOGIQUE, HYDROGÉOLOGIQUE ET GÉOTECHNIQUE - - - - - - - - - -

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7. CONCEPTION DU PROJET - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7.1 - Section droite - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7.2 - Nature du revêtement - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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8 - PUITS PROFONDS VERTICAUX OU INCLINÉS CREUSÉS EN DESCENDANT - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 99 8.1 - Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 99

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TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008

Recommandations de l’AFTES n° GT28R1F1 Puits profonds et galeries inclinées

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8.2 - Creusement de puits verticaux par méthode traditionnelle - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.2.1 Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.2.2 Domaine d’application - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.2.3 Description du procédé d’exécution - - - - - - - - - - - 8.2.4 Références - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.3 - Forage vertical en grand diamètre - - - - - - - - - - - - 8.3.1 Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.3.2 Domaine d’application - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.3.3 Description du procédé d’exécution - - - - - - - - - - - 8.3.4 Références - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.4 - Forage par élargissement descendant sur avant-trou 8.4.1 Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.4.2 Domaine d’application - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.4.3 Description du procédé d’exécution - - - - - - - - - - - 8.5 - Autres techniques peu utilisées ou à titre expérimental - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.6 - Puits et galeries profonds inclinés creusés en descendant - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.6.1 Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8.6.2 Puits et galeries traditionnels sans avant-trou - - - - - 8.6.3 Puits et galeries inclinés exécutés sur avant-trou - - - 9 - PUITS PROFONDS VERTICAUX OU INCLINÉS CREUSÉS EN REMONTANT - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9.1 - Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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9.2 - Puits verticaux creusés par alésage montant ou “ raise boring ” - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9.2.1 Principe - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9.2.2 Domaine d’application - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9.2.3 Procédé d’exécution - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9.2.4 Contraintes de la méthode - - - - - - - - - - - - - - - - - 9.2.5 Références - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9.3 - Autres techniques de creusement de puits verticaux 9.3.1 Creusement par le procédé ALIMAK - - - - - - - - - - - 9.3.2 Méthode BorPak - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9.4 - Puits et galeries inclinés creusés en montant - - - - 9.4.1 Adaptation des méthodes des puits " verticaux " - - 9.4.2 Tunneliers - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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10 - EVALUATION DES SOLLICITATIONS DANS LES SOUTÈNEMENTS ET REVÊTEMENTS - - - - - - - - - - - - - 10.1 - Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10.2 - Cas de charge à considérer - - - - - - - - - - - - - - - - 10.2.1 Phase de réalisation de l’ouvrage - - - - - - - - - - - - - 10.2.2 Phase d’exploitation de l’ouvrage - - - - - - - - - - - - - -

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11 - AUSCULTATION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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12 - COMPARATIF DES PRINCIPALES MÉTHODES DE RÉALISATION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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1 - PRÉAMBULE

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e texte s’adresse en premier lieu aux différents intervenants (Maîtres d’ouvrage, Maîtres d’œuvre, Bureaux d’études, Entreprises de travaux,...) œuvrant dans la réalisation de puits profonds et de galeries inclinées. Son objectif principal est non seulement d’éviter certaines erreurs de conception en amont du projet, mais également de contribuer à améliorer le savoir-faire dans ce domaine, en s’appuyant sur l’expérience acquise par les praticiens qui l'ont rédigé. La réalisation de puits profonds ou de galeries inclinées trouve ses principaux domaines d’application dans les exploitations minières, les aménagements hydrauliques, les stockages souterrains, ou encore dans les ouvrages d'accès et d'aérage des tunnels profonds. Aujourd’hui, du fait de la raréfaction des ouvertures de mines souterraines et des aménagements hydroélectriques en Europe centrale et occidentale, la réalisation de puits profonds devient une activité ponctuelle et presque confidentielle ; aussi, le savoir-faire, les compétences et la construction de matériel spécifique suivent cette tendance.


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2 - TERMINOLOGIE 2.1 - Définition des différentes catégories d’ouvrages Dans un souci de simplification, nous proposons les définitions suivantes pour les différentes catégories d’ouvrages souterrains.

2.1.4 - Galeries inclinées et descenderies La limite entre ces deux catégories est la pente au-dessus de laquelle la galerie ne peut plus être desservie par des engins autonomes, sur pneus ou sur chenilles, circulant sur un radier (~25%). Les limites de pentes ou rampes (comptées sur l’horizontale) qu’il convient d’admettre pour ces matériels classiquement utilisés en descenderies sont : • engins sur pneus (trackless) < ~ 9° (~ 15%). Certains matériels miniers sur pneus permettent de franchir localement des pentes de 25% ; • engins sur chenilles < ~ 14° (~ 25%) et exceptionnellement 30% sur de courts tronçons. La limite inférieure des descenderies peut être fixée conventionnellement à 7 %.

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2.1.1 - Distinction entre galeries inclinées et puits Nous désignerons sous le vocable " galeries inclinées ", les ouvrages présentant un angle par rapport à l’horizontale inférieur à 45° et sous le vocable " puits " ceux présentant un angle supérieur à 45° par rapport à l’horizontale (cf. figure 1). On notera qu’en pratique, les ouvrages non verticaux mais inclinés d’un angle supérieur à 45° sur l'horizontale sont très rares en dehors du secteur minier.

2.1.3 - Puits inclinés Les puits entrant dans cette catégorie sont ceux dont l’inclinaison ne permet plus l’utilisation de matériel traditionnel (à partir d’une inclinaison sur l’horizontale inférieure à 75°). En attaque descendante, il est alors nécessaire de prévoir une installation particulière pour la remontée des déblais. En attaque montante, il convient de prévoir une plate-forme de travail.

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2.1.2 - Puits verticaux et sub-verticaux Les puits strictement verticaux pourraient constituer à eux seuls une catégorie en soi, car ils permettent une desserte de l'ouvrage par des mobiles uniquement suspendus. Sont considérés comme puits sub-verticaux, ceux qui peuvent être exécutés à l’aide de matériel traditionnel. Leur inclinaison par rapport à l’horizontale est conventionnellement comprise entre 75° et 90°.

Figure 1 Terminologie des puits, galeries inclinées, descenderies et galeries sub-horizontales

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2.1.5 - Galeries sub-horizontales Les galeries entrant dans cette catégorie sont celles dont la pente ou la rampe est comprise entre 0° (0 %) et 4° (7 %). Aux engins sur pneus et sur chenilles, qui sont couramment utilisés pour la réalisation des galeries sub-horizontales, il convient d’ajouter le matériel sur voie ferrée qui est toutefois limité à des pentes et rampes de 2° (~3,5%). Autrefois la dénomination " Puits " était réservée aux excavations réalisées par méthode descendante et la dénomination " Cheminées " à celles utilisant des méthodes montantes. De même, les puits et galeries inclinés excavés en montant étaient appelés " montages ". Ces anciennes terminologies, d’origine minière, n’ont pas été reprises dans la présente recommandation.



2.2 - Critères de profondeur pour les puits

5 - CRITÈRES ET CONTRAINTES INFLUANT SUR LA CONCEPTION DES PUITS 5.1 - Contraintes réglementaires

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On distinguera trois catégories de puits : • Puits superficiels : profondeur < 50 m. • Puits courants : de 50 à 200 m de profondeur. Contrairement aux puits superficiels, ils requièrent l’obligation de guider les charges manutentionnées. • Puits profonds (au sens strict) : au-delà de 200 m. Pour ceuxci, les temps de circulation dans l’ouvrage imposent des vitesses de levage supérieures à celles normalement admises pour les puits courants (à savoir 0,5 m/s pour le personnel et 1 m /s pour le matériel), d’où l’utilisation de matériels spécifiques.

• fonction aéraulique ; • fonction de secours ; • fonction de reconnaissance de terrain ou, plus fréquemment, d'accès à des galeries de reconnaissance.

3 - CHAMP D’APPLICATION DE LA RECOMMANDATION

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Les présentes recommandations traitent exclusivement les cas des puits verticaux, sub-verticaux et des puits et galeries inclinés profonds, à l’exclusion des ouvrages permettant la mise en œuvre des matériels classiques utilisés pour creuser des galeries sub-horizontales. Le texte de la recommandation exclut les puits superficiels, c’està-dire les puits d’une profondeur inférieure à 50 m (selon la section de l’ouvrage), ne nécessitant pas de guidage des charges suspendues.

Nombre de puits sont utilisés pour l’extraction de matériaux ou pour la ventilation d’exploitations souterraines profondes, aussi leur réalisation s’est faite, bien souvent, dans un contexte réglementaire de type minier, défini au niveau national (Règlement général des mines, Règlement général des industries extractives,…). En France, ces textes s'attachaient à donner des règles et des consignes précises à l’exploitant et à son personnel d’exécution (ingénieur, chef-porion, machiniste, receveur, mineur d’about…). Dans le domaine des travaux publics, la réglementation imposée par l'Administration du Travail (CRAM) s’efforce plutôt de s’adapter à chaque projet et répond à l’analyse spécifique des risques qui en est faite pour chacun d’eux, sans intégrer les compétences particulières des différents agents d’exécution (formation spécifique, expérience..). Cette divergence d’approche réglementaire s’exprime également et fortement pour les ouvrages souterrains à réaliser dans des conditions particulières (géologie difficile, risques de fortes venues d'eau, présence de gaz…). En tout état de cause, il y aura lieu de satisfaire notamment – et pour autant qu’il n’y ait pas de contradiction entre elles - à : • une obligation de sécurité en matière de conception, construction, montage, utilisation et maintenance ; • la législation en vigueur dans le pays où est réalisé l’ouvrage ; • les dernières éditions des normes et codes de construction homologués ; • les normes et règles syndicales ; • les règles de l’art.

4 - FONCTIONS

4.1 - Fonctions liées aux contraintes d’exploitation d'un ensemble d'ouvrages

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En phase d’exploitation, les puits et galeries inclinées peuvent être amenés à assurer les fonctions suivantes, complètement dépendantes des objectifs fixés préalablement par le maître d’ouvrage et le maître d’œuvre : • fonction d’accès (ou de conduit permanent) à d’autres ouvrages souterrains (galeries d'exploitation, de secours, de visite, de maintenance, puits de câbles ...) ; • fonction aéraulique (puits de ventilation, de désenfumage, de décompression ...) ; • fonction hydraulique (conduite forcée, galerie de fuite, cheminée d’équilibre, ouvrage d’exhaure, puits de chute ...) ; • fonction de secours (puits pour ascenseurs …) ; • fonction de stockage ou de jet de matériaux.

4.2 - Fonctions liées aux contraintes d’exécution de ces ouvrages Pendant la phase d’exécution des travaux, les puits peuvent être amenés à répondre à certains impératifs de chantier et d’environnement, tels que : • fonction d’accès de chantier (puits d’attaque ou de sortie d’un tunnel, puits d’alimentation en matériaux, marinage des déblais,...)

5.2 - Contraintes géologiques et hydrogéologiques Il convient d’avoir une image la plus fiable possible des conditions géologiques et hydrogéologiques qui seront rencontrées lors de l’exécution des puits et galeries inclinées, en vue d’une bonne maîtrise des risques. A tout instant, la stabilité de l’excavation de ces ouvrages devra être garantie quelle que soit la nature des formations traversées (meuble ou rocheuse) et on n’insistera jamais assez sur l’importance que peuvent avoir les venues d’eau sur les conditions de réalisation. A ce titre, il conviendra de respecter au plus près la règle du Pr. Lugeon, à savoir " pas de fonçage sans traitement préalable dans des terrains de perméabilité supérieure à 1UL (Unité Lugeon)".


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5.3 - Contraintes d’exécution

• fonction aéraulique : cette fonction implique une section minimale et une qualité particulière des revêtements de finition des ouvrages pour garantir le débit d’air requis.

5.5 - Autres contraintes Les contraintes environnementales (risque de mise en communication de différents aquifères,…), d’observation (laboratoire de recherche), ou autres sont à développer par projet et sont à indiquer clairement dans les prescriptions techniques imposées pour la réalisation des ouvrages concernés.

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Si les contraintes géologiques et hydrogéologiques concernent pour beaucoup la phase d’exécution de l’ouvrage, elles peuvent également conditionner sa pérennité, sous des aspects tels que : • le rétablissement à plus ou moins long terme de la pression hydrostatique autour du revêtement ; • le comportement différé de certaines formations (fluage, gonflement …) ; • la résistance aux effets sismiques ; • le comportement par grand froid (transformation des venues d’eau en stalactites de glace pouvant mettre en péril le puits)...

6 - RECONNAISSANCE DU CONTEXTE GÉOLOGIQUE, HYDROGÉOLOGIQUE ET GÉOTECHNIQUE

Dès les premières étapes du projet, il est indispensable d’avoir une bonne connaissance du contexte géologique et hydrogéologique dans lequel ce type d’ouvrage devra s’inscrire, car il influera grandement sur sa conception, intimement liée aux méthodes d’exécution envisageables dans les conditions de site, qui impacteront également, directement ou indirectement, la géométrie de l’ouvrage. Les reconnaissances de sol permettront de révéler, puis de préciser les caractéristiques des terrains qui seront rencontrés au cours du fonçage. La technique de fonçage devra être choisie en tenant compte de leur nature, de leur hétérogénéité, de leur cohésion, de leur résistance et tout particulièrement, de la perméabilité et de la charge des horizons aquifères traversés. Une méconnaissance ou une sous-estimation des difficultés que présentera le fonçage peut amener à choisir une méthode d’exécution inappropriée qui se révélera trop lente, ou même qu’il faudra abandonner pour lui substituer, au prix d’importants surcoûts financiers, un nouveau procédé capable de surmonter les véritables difficultés identifiées trop tardivement. Pour un puits vertical ou assimilé, là il est impératif de prévoir un ou plusieurs sondages carottés sur le site projeté, en y associant tous les essais in situ et de laboratoire indispensables à une bonne caractérisation des formations intéressées par l’ouvrage. Dans le cas d’ouvrages inclinés (puits ou galeries), il pourra être nécessaire d’avoir recours à plusieurs sondages pour collecter suffisamment d’informations pertinentes afin de réduire le domaine d’incertitudes du projet. En règle générale, on aura tout intérêt à implanter ces sondages à quelque distance de l’ouvrage et non dans son axe, car il ne faut pas perdre de vue qu’un sondage mal cimenté risque de mettre certaines formations aquifères en communication. De plus, un sondage, même bien cimenté, peut être détruit par les tirs dans une méthode d’excavation à l’explosif. La définition de ces reconnaissances nécessite l’intervention de géologues et géotechniciens expérimentés.

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Les principales contraintes auxquelles la méthode d’exécution devra être en mesure de répondre sont les suivantes : • les contraintes de site (montagneux ou urbanisé) et les conditions d’accès pour le creusement (par le haut, par le bas ou par les deux extrémités) ; • la logistique et la gestion de l’espace disponible pour les installations de chantier ; • le diamètre de l’ouvrage permettant d’intégrer l’ensemble des sujétions d’exécution (espace requis pour l’accès du personnel, encombrement des matériels d’excavation, encombrement du système de ventilation,…) ; • les moyens d’exécution disponibles (personnel et matériel) pour la réalisation de l’ouvrage, et les risques liés aux méthodes d’exécution ; • les autorisations de rejet des eaux de chantier ; • les conditions de mise en décharge des déblais.

5.4 - Contraintes d’exploitation

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Les contraintes d’exploitation résultent de chacune des fonctions que le puits profond doit assurer pendant sa durée de service. Les principales fonctions, avec leurs contraintes associées, sont les suivantes : • fonction d’accès (aux galeries souterraines, aux chambres de stockage,…) : il faut pouvoir inscrire les gabarits requis par les circulations envisagées et les équipements afférents (escalier, ascenseurs,…) dans la géométrie intérieure de l’ouvrage. Suivant le type d’équipement, il y aura lieu également de concevoir une géométrie permettant la maintenance de cet équipement. A ces contraintes géométriques s’ajoute une contrainte mécanique puisque la structure définitive du puits devra reprendre les charges provenant de ces équipements. La fonction " accès " implique fréquemment des contraintes quant au niveau d’étanchéité à assurer. Des contraintes de finition de parement peuvent également être requises ; • fonction de visite : les puits n’ayant pas de fonction d’accès doivent cependant être visitables. L’installation de l’appareillage de visite peut alors imposer certaines contraintes géométriques ; • fonction hydraulique : cette fonction requiert une qualité particulière des revêtements de finition des ouvrages, pour limiter les pertes de charge mais également pour garantir la reprise de pressions intérieures souvent très élevées ;

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7 - CONCEPTION DU PROJET Nous reviendrons en détail sur les critères de choix du procédé d’exécution de l’ouvrage, qui devra être en mesure de répondre à l’ensemble des contraintes du projet.



l’espace disponible et une optimisation d’implantation des équipements (cf. figure 2). Face aux quelques avantages qu’elle peut apporter, cette solution conduit, en effet, à des ouvrages plus fragiles et parfois plus difficiles à réaliser.

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Une fois ce choix opéré, le concepteur devra s’attacher à la définition complète de toutes les caractéristiques de l’ouvrage. En effet, le fonçage d’un puits est une opération cyclique qui justifie une étude approfondie de l’organisation du travail et du matériel approprié dans ses différentes phases de réalisation, bien avant l’ouverture du chantier. Une fois la méthode et le matériel définis, il est extrêmement lourd – et coûteux - d’en changer. L’implantation des installations extérieures, la définition et la mise en place du matériel nécessaire pour la mise en œuvre du procédé d’exécution retenu, sont de première importance pour que les cadences escomptées soient réellement obtenues et que le planning soit respecté. Il conviendra donc de réserver aux études le temps nécessaire à leur établissement, en insistant notamment sur deux points particulièrement importants : • les problèmes de sécurité qui devront être soigneusement examinés notamment en ce qui concerne le matériel, qui devra comporter les équipements appropriés et bien évidemment réglementaires, et les dispositions à prendre pour faire face à des aléas particuliers : traversée de formations instables, venues d’eau, de gaz, etc. ; • le contrôle de la verticalité ou de l’inclinaison de l’ouvrage qui restera une préoccupation permanente. Par ailleurs, dès lors que se pose le problème de joindre deux points non alignés verticalement, il conviendra de comparer, avec sérieux, les coûts de réalisation du génie civil (creusement, soutènement, revêtement) d’une galerie inclinée et ceux d'un puits vertical associé à une galerie pseudo-horizontale ou à une descenderie permettant encore l’emploi d’un convoyeur à bande pour le marinage des déblais, sous réserve, toutefois, que ces conceptions alternatives répondent également aux autres contraintes du projet. La réalisation de certains types d’ouvrage peut vite s’avérer anti-économique et, de surcroît, compliquer la sécurité du chantier. En effet, un terrain de bonne tenue en puits vertical peut présenter certaines difficultés dès lors que le puits ou la galerie sont inclinés : • risques d’instabilités du terrain liées à l’effet de la pesanteur ; • difficultés de mise en œuvre de cintres lourds en soutènement ; • difficultés de réalisation de traitements de terrain ; • gêne de chantier accrue par les venues d’eau (ruissellements, points d’exhaure,…). Par ailleurs, il convient de rappeler que la réalisation de puits profonds de plus de 200 à 300 m induit d’importantes difficultés de tous ordres et par conséquent des coûts et délais inhérents (directs et indirects).

Figure 2 : Puits d'accès à la grotte de l'Aven d'Orgnac (section en "rectangle elliptique")

7.2 - Nature du revêtement

La nature du revêtement est souvent intimement liée à la technique de fonçage retenue ; chacune d’elles offre un éventail plus ou moins large des procédés de revêtement envisageables : béton coulé en place ou constitué d’éléments préfabriqués, revêtement métallique, revêtement mixte, etc.

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8 - PUITS PROFONDS VERTICAUX OU INCLINÉS CREUSÉS EN DESCENDANT

7.1 - Section droite Généralement, et dès que la profondeur du puits dépasse 100 m, c’est la section circulaire qui sera préférée. On y sera d’ailleurs inévitablement conduit en cas de terrain difficile, de pression d’eau importante ou d’utilisation de machines de foration. Parfois, à titre exceptionnel, il sera tout de même possible de retenir des sections autres que circulaires telles qu’ovales ou rectangulaires, permettant une utilisation plus rationnelle de

8.1 - Généralités Il est ici nécessaire d’attirer l’attention sur le fait que le travail de creusement d’un puits est souvent rendu complexe par le fait que, si une galerie constitue un chantier linéaire, on peut quasiment dire qu’un fonçage de puits représente un chantier ponctuel. Une autre difficulté est que tous les moyens d'avancement doivent rester en permanence suspendus.

8.2 - Creusement de puits verticaux par méthode traditionnelle 8.2.1 - Préambule Les exploitations minières sont à l'origine du développement de cette technique. La nécessité d'atteindre des profondeurs de plus en plus grandes avec des diamètres de plus en plus importants a fait évoluer la technique vers des moyens de plus en plus sophistiqués qui montrent une approche comparable, en terme de matériel, à celle utilisée pour les galeries. Les diamètres réalisés sont souvent compris entre 3 m et 10 m. Quant à la profondeur, elle se situe généralement dans la plage de 100 à 1 000 m.

8.2.2 - Domaine d’application La technique du fonçage traditionnel n’est envisageable qu’en présence de faibles venues d’eau (de l'ordre de 5 à 10 m3/h) après traitement éventuel des formations aquifères ; elle s'applique à un large éventail de terrains tendres à très durs. Une méthode


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" simple " pour déterminer les venues d’eau " acceptables " consiste à calculer à quelle vitesse remonterait le niveau de l’eau dans le puits en l’absence de pompage. En présence de conditions hydrogéologiques défavorables (venues d’eau trop importantes), ce procédé de creusement doit être associé à un traitement préalable des terrains (par injection ou congélation). Il est clair que ce point représente l'aléa majeur de cette technique, particulièrement dans les terrains granulaires (risques de " débourrage "). En cas de grande profondeur, les problèmes principaux sont liés à l'organisation de l'extraction des déblais (poids du câble et capacité de la benne, durée souhaitée pour le cycle,…), de l'exhaure, des conditions de travail (température, ventilation, phénomènes de condensation, ...) et à une productivité minimale requise, notamment pour ce qui concerne la vitesse des mobiles (bennes à matériaux, encore appelées “ cuffats ”, cage ou cabine à personnel). 8.2.3 - Description du procédé d’exécution

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8.2.3.1 - Généralités Le cycle de fonçage d’un puits exécuté par méthode traditionnelle en terrain rocheux est le suivant : " Tir – Marinage des déblais – Purge – Soutènement provisoire – Revêtement définitif ". Comme pour une galerie horizontale, ce cycle élémentaire peut, si nécessaire, être complété par des opérations préalables d’étanchement ou de consolidation des terrains à traverser. Pour répondre à la fois aux objectifs de sécurité, de guidage des mobiles circulant dans le puits, et d’abattage et de marinage des déblais, le procédé nécessite la mise en œuvre d’un plancher (ou plateforme) de travail et de protection à plusieurs étages (figure 3). Toutes les opérations de creusement, marinage, soutènement et revêtement sont conduites à partir de cet appareillage mobile, qui progresse en même temps que l'avancement du puits ; la conception de cet outil, qui est préfabriqué à l'extérieur, doit donc faire l'objet d'une étude minutieuse. Le cycle de fonçage généralement adopté est le suivant : • abattage des terrains ; • chargement et évacuation des déblais ; • pose du soutènement. Dans les bons terrains, le fonçage procède généralement par des phases de creusement d’une dizaine à une vingtaine de mètres, suivies de la mise en place du revêtement par coffrage et bétonnage. C’est ce que l’on appelle la “ méthode alternée ”. Autrefois et pour des puits très profonds, le creusement et le revêtement ont pu être réalisés en même temps (puits du Fréjus, puits n°1 de Sedrun) sous forme de deux chantiers séparés, l’un au-dessus de l’autre ; c’est, par opposition, ce que l’on appelait la “ méthode simultanée ”, qui admettait le travail avec postes superposés : l’atelier de revêtement suivant à une trentaine de mètres l’atelier de creusement. Elle permettait un gain significatif en délais mais serait, aujourd’hui, difficile à mettre en œuvre vis-à-vis du respect des conditions de sécurité.

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Figure 3 : Méthode de fonçage en puits avec pose progressive du revêtement définitif à partir d'un plancher de travail

8.2.3.2 - Description de l’unité de fonçage et de son installation L'unité de fonçage comprend principalement (cf. figure 4) : • des installations fixes en surface (machine d'extraction, treuils, chevalement, planchers de travail fixes) ; • des mobiles suspendus à des câbles (plancher de travail, ascenseurs, cuffat, grappin,…). 8.2.3.2.1 - La machine d’extraction Un élément essentiel de l’installation de fonçage est la machine d’extraction installée en surface ; elle sert à toutes les manutentions de déblais, de matériel et de personnel. Sa conception doit tenir compte des charges maximales à manutentionner et des vitesses de circulation des mobiles. Dans la mesure du possible, on recherchera à équilibrer le mieux possible les charges, de sorte que l’énergie nécessaire à l’extraction n’intéresse plus que sa mise en mouvement et la remontée des charges utiles. 8.2.3.2.2 - Les treuils Un grand nombre de treuils est indispensable à l’installation de chantier : • Treuils de câbles-guides et treuils de plancher : selon le diamètre et au-delà de 50 m de profondeur, les cuffats et le



On attirera l’attention du concepteur sur l’absolue nécessité de maîtriser l’équilibrage de la tension des câbles, qui devient délicate dès que l’on dépasse deux points de suspension.

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8.2.3.2.4 - Les planchers de travail Les planchers de travail comprennent deux ensembles : • un plancher mobile (dit de sécurité), sorte d'ascenseur à plusieurs étages, suspendu par des câbles à des treuils installés en surface (cf. figure 5). Les objectifs de ce plancher sont multiples : - assurer la protection du personnel en puits contre les éventuelles chutes d’objet ; - permettre le guidage des mobiles par ses câbles de suspension ; - supporter le matériel nécessaire au creusement (centrale hydraulique, matériel de marinage suspendu ou “ grappin ”, relais de pompage, albraque) ; - réaliser la pose du revêtement au-dessus du front (soutien et manœuvre du coffrage, bétonnage, injection) ; - permettre l’équipement du puits une fois revêtu (tuyauteries, gaines d’aérage ...) .

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Figure 4 : Coupe d'une unité de fonçage avec les installations de surface et le plancher de travail mobile

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plancher de travail sont toujours guidés par un curseur pouvant coulisser à la fois sur des câbles-guides et sur le câble d’extraction. Ces treuils sont généralement lents (0,1 à 0,2 m/s) mais de forte puissance au crochet ; • Treuil d’extraction et treuil personnel : Ces treuils sont les cordons essentiels qui permettent la réalisation de l’ouvrage. Ce sont des matériels spécifiques et très élaborés pour assurer une sécurité totale des circulations ; ils peuvent atteindre des puissances importantes (1200 kW pour la machine d’extraction du puits Y à Gardanne) ; • Treuils de manutention : au moment des tirs, un certain nombre d’équipements doivent être retirés du voisinage du fond pour les protéger. Ces équipements sont généralement suspendus à des treuils dont le nombre peut être important (treuil pour ventilation, treuil pour tuyauterie air comprimé et eau, treuil de pompe, treuil d’éclairage, treuil de ligne de tir, treuil de descente de ferraillage,…) ; • Treuils de secours : en cas de panne électrique, ces treuils, alimentés par groupe électrogène, sont destinés notamment à remonter le personnel. 8.2.3.2.3 - Les câbles de manutention Il convient d’insister sur le fait que, pour des puits de grande profondeur, le poids du câble entre pour une bonne part dans la charge suspendue. Pour limiter la section de ces câbles qui pénalise le diamètre d’enroulement des treuils, il est possible soit de multiplier le nombre de câbles de suspension, soit de moufler les câbles, voire de combiner ces deux solutions.

Figure 5 : Vue d'un plancher de travail passant à l'intersection d'un puits avec une galerie horizontale

Ce plancher de travail comprend plusieurs étages (jusqu'à 5), chacun dédié à des tâches spécifiques, pour effectuer les différentes opérations de creusement, revêtement et équipement, ce qui conduit, bien évidemment, à des problèmes complexes, inhérents à la suspension d'un équipage aussi lourd ; • un plancher fixe de surface, constitué d’une structure métallique fixe et de plusieurs niveaux ; il est percé de trous obturés par des trappes mobiles (passage des câbles, du cuffat,…) ne s’ouvrant qu’au passage des bennes à matériaux ou cages à personnel. Son rôle est d’obturer en permanence l’orifice du


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puits, pour assurer la sécurité du personnel qui se trouve dans le puits lorsqu’on est amené à procéder à des manutentions à la verticale de l’ouvrage, mais également pour permettre la pose et la reprise de charges lors d’une montée ou d’une descente de celles-ci en puits. Une attention particulière sera portée au dispositif d’évacuation des eaux météoriques vers l’extérieur de la plateforme.

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8.2.3.2.5 - Le chevalement L'ensemble du plancher de travail est associé à un chevalement implanté en tête et dans l’axe du puits (cf. figure 6). Il est destiné à recevoir le châssis à poulies (ou molettes) permettant de ramener tous les câbles à la verticale du puits. Le chevalement est constitué d’une charpente métallique lourde reposant sur des fondations capables d’équilibrer les charges mises en jeu, y compris dynamiques. De plus, pour garantir une circulation aisée aux abords immédiats du puits et une meilleure stabilité, la conception de ces chevalements conduit à retenir des appuis suffisamment écartés de l’ouvrage, avec une implantation des treuils encore plus au large. Cette structure est généralement recouverte d’un bardage pour abriter des intempéries l’activité de chantier dans le puits. Parfois, ce système de chevalement peut être remplacé, selon l’organisation de chantier envisagée, par un portique de fonçage installé également en tête de puits mais permettant de plus un dégagement de l’axe du puits par translation.

Ensuite, l’installation de l’unité de fonçage est poursuivie par la mise en œuvre du dispositif de recette et de culbutage des bennes qui servent à la remontée des déblais, et par le montage des divers treuils et du système de marinage par grappin ou pelle installée sous le plancher de travail ou du système de foration (glissière et marteaux électro-hydrauliques). L’avant-puits est généralement réalisé dans les formations de couverture, souvent meubles et aquifères, où il faut prendre toutes les mesures nécessaires pour maîtriser les venues d’eau et assurer la tenue des terrains. Les techniques d’étanchement, voire de soutènement ou de pré-soutènement, les plus généralement adoptées pour la réalisation de ces avant-puits sont : • le havage ; • les parois moulées ; • les injections ; • le jet-grouting ; • la congélation.

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8.2.3.2.7 - Les techniques d’étanchement et de consolidation pour le creusement du puits Nous ne reviendrons pas ici sur le détail de ces techniques ni sur leurs domaines d’application, en invitant le lecteur à se documenter plus avant, mais plutôt à attirer son attention sur certaines spécificités et retours d’expérience de pré-soutènements et d’étanchements en puits réalisés par injection ou congélation. a) Injections On se réfèrera aux recommandations du GT8 de l'AFTES (cf. revue TOS, n° 194, mars-avril 2006). Dans le cas de terrains injectables, plusieurs techniques de traitement peuvent être envisagées selon la nature et la profondeur des horizons à traiter :

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8.2.3.2.6 - L’installation de l’unité de fonçage Au démarrage du chantier et avant construction du chevalement, il est nécessaire de creuser, par des moyens de génie civil classiques, un avant-puits d’une profondeur voisine de 30 à 40 mètres (voire des profondeurs plus importantes, telles qu’à Sedrun), de manière à pouvoir installer le plancher de travail ; celui-ci sera ensuite manutentionné par un certain nombre de treuils à partir du chevalement de fonçage.

Figure 6 - Installations de surface pour le creusement d’un puits

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• Traitement par passes successives (cf. figure 9) : cette technique est généralement retenue lorsque la longueur de puits à foncer sous la protection de l’injection est trop grande et que l’on choisit d’alterner les phases de traitement de terrain et d’exécution du fonçage proprement dit ; cette technique est généralement réalisée par tronçons de longueur réduite avec faible divergence des forages de traitement, de telle sorte qu’il ne soit pas nécessaire de prévoir une chambre d'injection en surexcavation. Ce traitement est souvent complété par la réalisation d’un bouchon en fond de passe.

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• Traitement systématique depuis la surface (cf. figure 7) : cette technique est applicable lorsque les couches aquifères ou meubles se situent en tête de l’ouvrage ; dans ce cas, on exécute à l’emplacement du puits à creuser, à partir de la surface et sur un périmètre supérieur à celui de l’ouvrage, des forages verticaux (répartis sur une ou plusieurs couronnes) dont il conviendra de contrôler de près la verticalité pour éviter tout risque de lacune de traitement du terrain. Ce traitement devra pénétrer dans la formation sous-jacente " imperméable ". Selon la nature du terrain, l'injection peut être effectuée soit sous un obturateur (par tranches montantes ou descendantes), soit plus généralement après équipement des forages par des tubes à manchettes ; • Traitement systématique en profondeur : si le puits recoupe

Figure 9 : Injection en fond de puits par passes successives

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Figure 7 : Traitement de terrain par injection de surface

en profondeur une formation aquifère nécessitant un traitement sur une faible épaisseur (< 10-20 m), on peut aménager autour du puits un espace annulaire à partir duquel il sera possible de procéder au traitement (cf. figure 8). Compte tenu de la profondeur, on sera généralement amené à maîtriser la charge de la nappe dont le niveau piézométrique se situera souvent au-dessus de la plate-forme de traitement (scellement en tête de forage dans un terrain sus-jacent de qualité suffisante, travail en contre-pression…) ;

Figure 8 : Traitement préalable d'une formation aquifère à partir d'une chambre d'injection aménagée en profondeur


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puits de Holle au Congo congelé sur 290 m de profondeur) avant de pouvoir commencer le fonçage du puits. 8.2.3.3 - Techniques d’abattage des terrains Les techniques de creusement employées sont fonction des caractéristiques des terrains traversés : • l’abattage à la pelle ou au brise-roche Il convient de noter que cette technique, réservée aux terrains tendres et stables, est d'autant plus intéressante qu'elle est associée à un avant-trou débouchant, permettant le dégagement des produits abattus par le bas. • l’abattage à l’explosif Dans le cas des creusements à l’explosif, on a recours de plus en plus à des Jumbos, spécifiquement conçus pour réaliser les forations en puits. Ces matériels sont souvent repliables pour pouvoir passer au travers des trappes du plancher, lorsqu’ils sont remontés entre deux volées (cf. figure 10). Certains Jumbos sont également conçus pour réaliser également la foration des boulons de soutènement des parements du puits (cf. figure 11).

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b) Congélation Cette technique est principalement utilisée pour étancher des terrains de surface, jusqu'à une profondeur qui ne dépasse pas 600 m, du fait de la nécessité de maîtriser le parallélisme des forages de congélation. Sous réserve d'être mise en œuvre par des spécialistes compétents, elle est très efficace pour étancher les terrains. Cependant, quelle que soit la technique de congélation envisagée (saumure ou azote), ce procédé peut présenter un certain nombre de risques qu’il convient de connaître pour mieux les maîtriser : • Risque de déviation des forages pour tubes congélateurs ; compte tenu de leur espacement (de l’ordre de 1 m à 1,50 m), il est essentiel de réduire à leur minimum ces déviations et de les mesurer de façon précise pendant le forage. Il est généralement intéressant d’adapter les paramètres de foration et de choisir les outils adéquats lors d’un premier forage d’essai ; • Risque de mise en traction des congélateurs sur l’épaisseur d’une couche d’argile qui a tendance à gonfler lorsqu’elle est gelée ; un graissage des tubes de congélation leur permettra de glisser plus facilement ; leurs joints devront également être les plus lisses possibles pour pouvoir coulisser le plus librement dans les terrains congelés, voire soudés ; • Risque de non-fermeture de la paroi congelée (conductivité du terrain plus faible, nappe à circulation rapide, teneur en sel plus élevée, …). Pour éliminer ce risque, il est essentiel de réaliser, au centre du futur puits, un forage équipé d’un tube crépiné. Il permettra de s’assurer de la parfaite étanchéité de l’enceinte (ou mur) de glace (le niveau d’eau à l’intérieur de l’enceinte étanche doit monter au fur et à mesure que le mur de glace continue à s’engraisser vers l’intérieur du puits) ; • Risque de mise en flexion et en cisaillement des tubes de congélation par convergence des terrains vers l’excavation lors du fonçage et avant pose du soutènement ; un graissage des tubes associé à une implantation de ces tubes suffisamment à l’écart de la périphérie de l’excavation contribueront à réduire ce risque ; • Risque d’endommagement de tubes congélateurs sous l’effet des tirs à l’explosif ; pour limiter ce risque majeur, une analyse de vibration devra être effectuée pour s’assurer que la vitesse maximale de vibration du terrain au droit des tubes de congélation est compatible avec leur résistance, ce qui conduira à une limitation des quantités d’explosif par retard ; • Risque de ratage de tir de certaines charges, en cas d’abattage à l’explosif, du fait de la température des terrains ; • Risque de décongélation en paroi, sous l’action de la ventilation. Par ailleurs, il conviendra d’utiliser, pour les tubes de congélation, des aciers à haute résilience à basse température, avec des joints à haute étanchéité, sans quoi la congélation ne pourrait être atteinte. Le délai de congélation d’un mur de glace dépendra de l’implantation géographique de ce puits ; ainsi, un procédé de congélation à la saumure dans un pays chaud pourra conduire à des délais parfois très longs (par exemple, 5 à 6 mois pour le

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Figure 10 : Jumbo parapluie à marteaux air comprimé Figure 11 : Jumbo électro-hydraulique (Laboratoire de recherche souterrain de Meuse / Haute-Marne – Andra)

En général, la volée de tir est de l’ordre de 2 à 3 m et fractionnée, d'une part, avec de nombreux retards pour obtenir un bon "rendement" du tir et, d'autre part, avec des charges limitées en périphérie, de manière à limiter les hors-profils en parois du puits. Il convient de rappeler qu’un fond de puits n’est pratiquement jamais sec et qu’il est donc difficile d’assécher les trous de mines. La gamme d’explosifs à retenir doit impérativement tenir compte de cette contrainte, d’autant que certains d’entre eux sont peu sensibles à l’eau et provoquent, lors du tir, moins de fumée que d’autres ; cet avantage peut être déterminant pour la phase de ventilation qui suit le tir.



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a

Figure 12 : Grappin, en puits avec amorce recette

8.2.3.4 - Techniques de marinage

8.2.3.4.1 - Chargement des déblais Plusieurs matériels de chargement des déblais sont couramment utilisés : • Grappin de l'ordre de 0,5 à 1 m3 mû pneumatiquement ou hydrauliquement (cf. figure 12a) ; il peut être constitué d’un bras rotatif fixé à la partie inférieure du plancher de travail (cf. figure 12b) ou bien être fixé au parement par l’intermédiaire d’une grue suspendue depuis le jour (cf. figure 12c). • Pelle-rétro hydro-pneumatique suspendue sous le plancher de travail et capable de débattre toute la section à creuser du puits ou, comme pour le grappin, être fixée au parement du puits (cf. figure 13).

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Une autre contrainte majeure réside dans le fait que le front de taille, contrairement au cas des galeries sub-horizontales, est entièrement recouvert par les déblais après le tir, ce qui nécessite d’être sûr de la qualité des tirs réalisés. En particulier, il faut s’assurer, avant toute nouvelle foration qu’il ne reste pas des cartouches non explosées dans des culots du tir précédent ; une reprise de foration dans ces culots pourrait provoquer un accident majeur. Une analyse fine des conditions de terrain est indispensable pour s’assurer que les trous de foration de mine seront suffisamment stables jusqu’à leur chargement (comportement particulier de certains terrains sous congélation, notamment lors de la progression du mur de glace à l’intérieur du gabarit de creusement du puits au fur et à mesure de l’approfondissement, fermeture partielle des trous à forte profondeur,…). • l’abattage à la machine à attaque ponctuelle Des machines à attaque ponctuelle ont été également utilisées dans certains cas particuliers pour l’abattage de terrains tendres malgré les problèmes liés à l'émission de poussières et à l'évacuation des déblais. Cette technique d’abattage est encore plus intéressante quand elle peut être complétée par une évacuation en continu des déblais (convoyeur à bande vertical), sous réserve d’un comportement adéquat des déblais lors du marinage (risque de collage). Tolérances d’exécution En ce qui concerne la verticalité du puits, celle-ci est parfaitement maîtrisée par correction à l'avancement.

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Figure 13 : Stockage de propane de Lavera - Puits d’accès – Chargement des déblais à la pelle-rétro


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Curseur Arrêt des Curseurs et déversement des Cuffats Mousqueton

Trémie de culbutage

à des soutènements beaucoup plus légers que ceux creusés " en direction ". Ainsi les soutènements varieront généralement, depuis des terrains rocheux sains jusqu’à des terrains très diaclasés ou des traversées d’accidents géologiques, selon la gamme suivante : • un soutènement minimum par grillage à petite maille ancré ; • un simple épinglage par boulons (à expansion ou scellés à la résine) de longueur limitée (< 2 m) associé à un grillage à petite maille, seulement destiné à éviter le détachement de blocs de petite taille ; dans le cas d’emploi d’explosifs, la profondeur d’ancrage de ces boulons devra atteindre une zone non affectée par les tirs ; • une mince couche de béton projeté dans les terrains susceptibles de se déliter au contact de l’air ; • une couche de 10 à 20 cm de béton projeté armé, avec un boulonnage long (L>R) et dense (jusqu’à 1 boulon/m2), sur toute la périphérie du parement ; • un soutènement résistant (cintres lourds, cadres,…) capable de s’opposer aux poussées du terrain encaissant (terrains très diaclasés, accidents géologiques, terrains à comportement visco-plastique). Dans ce dernier cas, la mise en œuvre de profilés métalliques s’accompagne d’un certain nombre de sujétions liées pour l’essentiel à la pesanteur, qui peuvent être surmontées par la mise en place de suspentes accrochées sur chacun des cintres ou cadres. On gardera également à l’esprit que dans des terrains présentant des caractéristiques géomécaniques faibles, une composante verticale de poussée peut affecter le soutènement, et, de ce fait, les suspentes de cintres et cadres devront être largement dimensionnées pour vaincre ces efforts supplémentaires. Ces différents types de soutènement pourront être éventuellement combinés entre eux (ex : grillage + béton projeté).

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8.2.3.4.2 - Evacuation des déblais Les déblais sont évacués, dans la majorité des cas, dans des bennes ou “ cuffats ” de 1 à plusieurs mètres cubes de capacité. Ces bennes sont remontées par des treuils pouvant atteindre des puissances > 1MN. Les vitesses de remontée peuvent varier de 1 à 10 m/s. Les opérations de vidange des bennes se font au niveau du chevalement (cf. figure 14) - ce qui nécessite l’obturation par un plancher de surface - ou par transbordement du cuffat.

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Trappe inclinée

Figure 14 : Vidange du cuffat par culbutage

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On notera que les cadences de marinage des déblais, pour les puits profonds, ne sont pas inversement proportionnelles à la profondeur du puits, du fait de la hauteur de montée à pleine vitesse du cuffat qui compense largement les temps fixes des autres tâches (accrochage du cuffat, montée à vitesse réduite au travers du plancher mobile de sécurité, mise en vitesse maximale, ralentissement en tête de puits, sortie et culbutage du cuffat et nettoyage du fond en fin de cycle). Souvent, un cuffat " montant " est associé à un cuffat " descendant", d’une part, pour réduire la charge à remonter par la machine d’extraction et, d’autre part, pour accélérer le cycle de marinage. 8.2.3.5 - Soutènement provisoire D’une façon générale, les puits posent moins de problèmes de stabilité et, donc, nécessitent moins de soutènement que les galeries sub-horizontales. Toutefois, il sera nécessaire de poser un soutènement provisoire pour assurer la sécurité du personnel ou pour stabiliser les contours de l’excavation. On rappellera que des puits creusés " en travers-bancs " conduisent

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8.2.3.6 - Revêtement définitif Les puits de grand diamètre et de grande profondeur sont généralement pourvus d’un revêtement définitif dont les fonctions peuvent être multiples : • soutènement définitif (blocage des convergences en terrain à comportement visqueux) en particulier à long terme ; • étanchéité (cuvelage) ; à noter qu'un puits étanche peut être (ou non) drainant à l'extrados si l'on veut limiter la pression hydrostatique que doit encaisser le revêtement ; • support de fixation des équipements d’exploitation du puits (échelles, chemins de câbles, tuyauteries, éclairage,…) ; • limitation des pertes de charges hydrauliques ou aérauliques. 8.2.3.6.1 - Revêtement en béton coulé en place Généralement le revêtement est coulé par anneaux successifs de l'ordre de 3 à 5 mètres de hauteur. Les coffrages doivent être conçus pour passer au travers des trappes des différents planchers. Toutefois, on recourt parfois à l’utilisation de coffrages glissants particulièrement bien adaptés aux grandes hauteurs.


bétonnage par passes courtes très près du front. Dans ce cas, le coffrage, soumis aux effets des tirs d’abattage à l’explosif, devra être particulièrement robuste. Il doit être équipé d’un masque d’about et de boîtes de coulées pour le béton. On conçoit que cette technique de revêtement soit réservée à des conditions exceptionnelles car l’aspect et l’étanchéité du revêtement définitif livré risquent de ne pas répondre aux objectifs de qualité requis pour l’ouvrage fini. 8.2.3.6.2 - Revêtement en voussoirs préfabriqués Les voussoirs sont le plus souvent réalisés en béton armé ou encore en fonte ductile, nervurés ou pleins. Bien souvent ce matériau est réservé au traitement de points singuliers (par exemple : création ultérieure d’une amorce de galerie). Avant de retenir ce type de conception par voussoirs, il y aura lieu de considérer l’ensemble des contraintes du projet, notamment en cas de destination de l’ouvrage à des fonctions de conduits hydrauliques ou aérauliques où chaque joint entre anneau, voire entre voussoirs d’un même anneau, peut créer des pertes de charge. Il est clair que pour une telle fonction, l’emploi de voussoirs nervurés est parfaitement proscrit, à moins qu’un deuxième revêtement intérieur en béton soit prévu in fine. Ils sont généralement mis en place de haut en bas, chaque anneau s’accrochant sur le précédent à l’aide de boulons (cf. figure 16). La pose de ces voussoirs est assurée à l’aide d’un treuil positionné sous le plancher de travail.

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Le béton est confectionné à l’extérieur du puits et descendu : • dans des cuffats spéciaux ; • au travers de tuyauteries épaisses de diamètre suffisant (de l’ordre de 150 à 200 mm) dans lesquelles le béton se trouve pratiquement en chute libre ; pour éviter des problèmes de ségrégation, il doit être prévu à la base de la tuyauterie un dispositif particulier destiné à dissiper l’énergie et à permettre au béton de retrouver son homogénéité (remalaxage en pied d’ouvrage). La mise en œuvre du béton derrière le coffrage est réalisée à l’aide de goulottes (voire à la pompe ou au johnny) prévues à demeure sur le plancher mobile. La composition du béton devra être adaptée au mode d’approvisionnement mais également aux épaisseurs de revêtement requises qui, à grande profondeur, peuvent devenir importantes lorsque l’ouvrage est conçu pour résister aux pressions hydrostatiques des horizons aquifères. En l’absence de contraintes d’exploitation particulières, il pourra être intéressant d’optimiser l’épaisseur du revêtement selon que l’on se trouve dans des horizons aquifères (impossibles à drainer) ou, au contraire, dans des horizons à faible perméabilité où le puits peut être légèrement drainant ; dans ce dernier cas, il sera nécessaire d’exécuter, au-dessus des horizons drainés, une " trousse étanche " (pouvant être traitée par injections par exemple), destinée à éviter les circulations d’eau à l’extrados et la mise en pression du revêtement sous-jacent (cf. figure 15). Lorsque la conception du revêtement retenu le permet, il peut être nécessaire, en présence de mauvais terrains, de réaliser le

Figure 15 : Trousse étanche à la base du cuvelage d'un puits foncé en congélation

Figure 16 : Principe de pose de haut en bas du revêtement en voussoirs

Une fois un masque réalisé sur l’anneau le plus bas, l’injection de bourrage au terrain peut être réalisée, plus ou moins différée dans le temps selon les conditions géologiques rencontrées. Une autre technique de pose de ces voussoirs, également employée en fonction du comportement du terrain traversé, consiste à réaliser à intervalles réguliers (compris entre une dizaine et quelques dizaines de mètres environ) des trousses bétonnées en place sur lesquelles les anneaux de voussoirs seront ensuite posés de bas en haut.


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8.2.3.8 - Transport de l’énergie électrique Comme en tunnel, le transport de l’énergie électrique est confronté aux conditions d’humidité de l’ouvrage en phase de réalisation. Ainsi, la conception et la mise en œuvre de l’installation et du matériel associé devront respecter les normes en vigueur (mise à la terre,…) et garantir une redondance du dispositif en cas de panne (installation de secours sur groupe électrogène,…). Une attention particulière devra être portée à la conception de l’éclairage, mais également au dispositif de signalisation et de transmission des informations entre le fond de puits et la surface (existence d’un code de signaux à respecter impérativement).

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8.2.3.6.3 - Revêtement avec blindage par viroles métalliques Dans le cas de puits de conduite forcée sur les aménagements hydro-électriques, et compte tenu des hauteurs de retenue d’eau des barrages, il est souvent indispensable, pour résister aux pressions intérieures et garantir une parfaite étanchéité, de prévoir un blindage par viroles métalliques en acier. Plusieurs conceptions de ce genre de revêtement peuvent être envisagées, en fonction des contraintes d’exploitation et d’environnement spécifiques du site : • Disposition directement en revêtement intérieur de puits, associé à un remplissage en béton du vide annulaire entre son extrados et l’intrados du soutènement ; • Disposition en extrados de revêtement définitif ; il joue alors un rôle de corset métallique étanche associé à un cuvelage de béton intérieur. Ce corset est souvent mis au contact du soutènement initial par un " joint d’asphalte " permettant, in fine, au revêtement définitif de glisser à l’intérieur du soutènement et, par conséquent, d’être moins sensible aux tassements du massif encaissant (par exemple, en cas de risque de tassements miniers ou de déformation de terrains préalablement congelés,…). On rappellera également que le soudage de ce type de blindage impose un environnement quasiment exempt de toute venue d’eau.

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8.2.3.7 - Exhaure On n’insistera jamais assez sur le fait que les venues d’eau représentent le principal ennemi du mineur et plus spécifiquement lors d’un fonçage de puits ; elles conduisent inéluctablement à des baisses de cadences, voire dans certains cas mal maîtrisés, à l’abandon du fonçage par suite du " noyage " du puits. Il est essentiel, pendant la phase de conception du projet, de collecter le maximum d’informations concernant la perméabilité des horizons traversés par l’ouvrage et d’identifier, avec la plus grande fiabilité possible, l’étendue et la charge des horizons aquifères. Dans tous les cas, il y aura lieu de faire une analyse de risques identifiant clairement les dispositions et procédures qui seront mises en œuvre pour réduire ces risques (traitement de terrain à l’avancement, sondages de reconnaissance à l’avancement,…). Jusqu’à des venues d’eau de l’ordre de 1 à 5 m3/h, l’eau d’infiltration du massif pourra être évacuée en même temps que le marinage dans les cuffats, à l’aide de pompes portatives disposées en fond de puits. Au-delà, il sera nécessaire d’avoir recours à des systèmes de pompage, parfois complexes, refoulant jusqu’en surface, soit directement, soit par paliers successifs. Les systèmes de pompage devront être adaptés à la nature des eaux d’exhaure souvent chargées et aux variations de venues d’eau.

8.2.3.9 - Ventilation La ventilation peut avoir à répondre à plusieurs objectifs, tels que : • ventilation sanitaire ; • évacuation des fumées de tir à l’explosif ; • évacuation de dégagements gazeux inhérents à certains horizons géologiques traversés ; • refroidissement de l’atmosphère en terrains " chauds " (horizons salins, gradient géothermique élevé,…) ; • réchauffage de l’atmosphère, notamment en présence de terrains préalablement congelés. La conception de la ventilation (aspirante, soufflante, réversible) devra prendre en compte les spécificités du site et des procédés d’exécution retenus pour le fonçage, ainsi que les implications que pourrait avoir une panne sur les conditions au front. Elle devra être en conformité avec la réglementation et la législation du travail en vigueur. Par ailleurs, toutes dispositions devront être prises pour identifier l’invasion soudaine de l’ouvrage par du gaz, et pour déclencher les mesures de sauvegarde et d’évacuation du personnel appropriées. Cette conception devra être abordée suffisamment tôt dans le projet, de manière à anticiper l’encombrement de ces équipements (canars, gaines souples, ou autres éléments rétractables au moment des tirs à l’explosif), afin de ne pas sous-estimer la section de l’ouvrage à réaliser.

Puits d’aération du tunnel du Fréjus (73) : Puits Yvon Morandat aux Houillères de Gardanne (13) : Puits Z aux Houillères de Gardanne (13) : Puits de La Houve (57) aux Houillères de Lorraine : Puits de stockage de propane de Sennecey-le-Grand (71) : Puits de stockage de propane de Lavera (13) : Puits Ascenseur Aven d’Orgnac (07) Puits du laboratoire de l’Andra à Bure (55) : 108

8.2.4 - Références Le tableau 1, en annexe, fournit les principales références de puits réalisés dans les mines de charbon d’Allemagne de 1950 à 1990 et donne une bonne idée de l’utilisation de la méthode du fonçage traditionnel. On peut noter également les deux puits de Gorleben réalisés plus récemment pour le projet de stockage de déchets nucléaires en Allemagne et qui ont des profondeurs respectives de 950 et 870 m pour un diamètre fini de 7,5 m. En France, on peut citer quelques références significatives : D = 8,4 m D = 11 m D = 7,5 m D = 7,5 à 8,5 m D=3m D = 6,5 m S = 20 m2 D = 4 et 5 m


H = 726 m H = 1109 m H = 879 m H = 522 m H = 170 m H = 172 m H = 125 m H = 510 m

Année 1977-1980 1981-83 1982-83 1987-89 1994-1995 1996-1997 1999 2001-2004


8.3 - Forage vertical en grand diamètre

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8.3.1 - Préambule Le principe de base de cette technique, encore connue sous la dénomination “ big hole ” ou “ shaft drilling ”, est le forage rotary qui, depuis environ une centaine d'années, a été utilisé pour forer des puits de plus en plus gros, de plus en plus profonds et dans des roches de plus en plus dures. Avec cette technique, les diamètres forés sont généralement compris entre 2 et 4 m. Toutefois, ce diamètre peut être augmenté (par exemple, jusqu'à 7,60 m pour le puits Béatrix aux Pays-Bas) en ayant recours à plusieurs passes de forage. Quant à la profondeur, elle a pu atteindre par le passé jusqu’à 1700 m dans le cadre de quelques projets. L'application courante reste toutefois dans la gamme de profondeur comprise entre 100 et 400 mètres.

Pour des puits très profonds, cette garniture peut être munie d'un moteur autonome qui prend appui par des patins sur les parois du forage ; elle n'est reliée à la surface que par des câbles et des circuits hydrauliques, ce qui l'assimile à un tunnelier vertical à pression de boue.

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8.3.2 - Domaine d’application Dans la gamme de diamètre évoquée précédemment, cette technique de réalisation de puits est adaptée à des catégories de terrains très variées, allant de ceux potentiellement instables et aquifères (qui ne pourraient être franchis qu'après congélation sur de grandes hauteurs) jusqu'à des roches très dures (Rc de l’ordre de 200 MPa). Elle est utilisée seulement en puits verticaux. Par contre, elle nécessite une maîtrise parfaite des risques de pertes du fluide de foration. L'attention du concepteur doit être attirée notamment lorsque le puits doit traverser des terrains présentant des perméabilités trop importantes ou des karsts par exemple (mise à disposition de réserves de boue suffisantes pour pallier ces aléas). L’importance des installations de chantier nécessaires à la mise en œuvre de cette technique, de même que la consommation d’énergie qui en résulte, sont des sujétions importantes dans le développement de cette technique.

Figure 17 : Principe de la technique du forage de grand diamètre

8.3.3 - Description du procédé d’exécution

A

8.3.3.1 - Réalisation d'un avant-puits Pour assurer le démarrage d'un forage en grand diamètre, deux méthodes peuvent être mises en œuvre : • utilisation d’une virole placée dans la sous-structure de l’appareil de forage ; elle constitue l’avant-puits ; • creusement, par des moyens conventionnels, d’un avant-puits de quelques mètres de profondeur, d’un diamètre légèrement supérieur à celui du puits à forer. Dans les deux cas, l'avant-puits doit être étanché pour permettre de démarrer la foration proprement dite avec le fluide de forage en charge par rapport au terrain. 8.3.3.2 - Description du matériel de foration La foration se fait par l'intermédiaire d'une garniture de forage terminée par un assemblage de fond équipé d’un outil de forage spécial, dont le diamètre est égal au diamètre recherché avant pose du cuvelage. Cette garniture est entraînée en rotation depuis la surface par une machine de forage équipée d'une table de rotation (cf. figure 17).

Ainsi, le matériel de surface est généralement constitué des éléments suivants : • un mât de forage supportant le mouflage dans l’axe du puits ; • un treuil permettant la manutention du train de tiges par l’intermédiaire du mouflage ; • une table de rotation fixée sur la sous-structure du mât ; • des compresseurs ; • une station de traitement de boue, si nécessaire. Le matériel de fond (ou garniture de forage) est constitué, de bas en haut, par : • un assemblage de fond comprenant un outil de forage équipé de molettes à dents en acier, à picots de carbure de tungstène ou à disques, percé d’un trou central, des masses de charge enfilées sur un élément tubulaire ou boulonnées les unes sur les autres, des stabilisateurs incorporés entre les masses de charge pour garantir une stabilisation correcte de l’assemblage de fond (cf. figure 18) ; • des tiges creuses vissées les unes sur les autres ou assemblées par brides boulonnées ;


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et le diamètre de foration. A Sennecey-le-Grand, les vitesses d’avancement étaient de l’ordre de 0,30 m/h dans des terrains de dureté moyenne. Tolérances d’exécution La verticalité du puits est généralement assurée avec une précision de l'ordre de 0,5 %. Lorsque des exigences particulières de verticalité sont requises, cette verticalité peut alors être contrôlée par mesures inclino-gyrométriques. Après achèvement de la foration, un contrôle dimensionnel du puits peut être réalisé avec un diamétreur ultrasons à tête tournante fixé dans une cage permettant de centrer le capteur dans le puits.

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• une tige carrée (“ kelly ”) vissée sur le train de tiges, coulissant dans la table de rotation et communiquant le mouvement de rotation à l’ensemble de la garniture ; • une tête d’injection double vissée au sommet de la tige carrée et permettant, d’une part, une injection d’air et, d’autre part, l’évacuation du flux de déblais en provenance du front de taille ; l’efficacité du système de remontée des déblais conditionne fortement l’efficacité et donc l’avancement de la foration.

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Figure 18 : Assemblage de fond de trou avec tête de forage équipée de molettes à disques (Zeni Drilling – USA)

8.3.3.3 - Technique de marinage L'évacuation des déblais (cuttings) est réalisée par l'intérieur des tiges en accélérant leur vitesse de remontée (circulation inverse) par un système d' " air lift " qui crée un puissant phénomène d'aspiration sur la totalité ou une partie de la hauteur de forage. Il est bien sûr essentiel que la remontée des déblais s’effectue correctement, sans quoi l’efficacité de l’outil de forage s’en trouverait altérée. Le débit d’air injecté par la tête d’injection double est généralement de l’ordre de plusieurs dizaines de mètres cubes par minute. La séparation solide/liquide est réalisée par l’intermédiaire d’un bourbier à décantation ou d’une installation de traitement des solides. Le fluide de foration est ensuite réinjecté dans le puits.

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Le puits doit être en permanence plein d'eau ou de boue pour assurer également, si nécessaire, un rôle de stabilisation des parois du forage (grâce à la formation d'un cake), ou pour assurer l’équilibre hydrostatique de nappes profondes situées dans des formations aquifères. L’ensemble de la garniture de forage est suspendue dans le mât de la machine de forage par l’intermédiaire de la tête d’injection et du mouflage. La vitesse de rotation est généralement comprise entre 5 et 20 tours par minute selon le diamètre du forage à exécuter. Le poids très important de l'assemblage de fond ou "masses tiges", souvent de l’ordre de 300 tonnes, est utile non seulement à la foration mais crée aussi un phénomène pendulaire permettant de limiter la déviation du forage. En cas de non respect des tolérances prescrites, il est nécessaire d’effectuer une opération de réalésage en vue de corriger le dépassement. Cette opération consiste à entraîner le train de tiges en rotation en positionnant les aléseurs au droit de la zone à trop fort gradient jusqu’à ce que la tolérance de forage soit à nouveau respectée. La vitesse d’avancement est comprise entre quelques mètres par jour et quelques dizaines de mètres selon les terrains rencontrés

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8.3.3.4 - Revêtement du puits Une fois le puits foré et si l'exploitation le requiert, un cuvelage peut être mis en œuvre. Les deux types de revêtement généralement utilisés sont les suivants : • cuvelage en tubes métalliques de longueur unitaire (pouvant varier de quelques mètres à une douzaine de mètres), soudés au fur et à mesure de leur descente et renforcés de cerces permettant de résister à la pression hydrostatique (cf. figure 19) ; • cuvelage composite acier-béton descendu dans le forage toujours rempli de fluide de foration. Quel que soit le dispositif de revêtement retenu, l’élément de fond est équipé d’un sabot étanche reforable permettant de descendre le cuvelage en flottaison négative contrôlée. Pour garantir la régularité de l’espace annulaire entre le terrain et le cuvelage, ce dernier est équipé de goussets de centrage en partie inférieure. Après descente du cuvelage à la cote requise, il est scellé au terrain par injection d’un laitier de ciment ou d’un mortier à sa base, au travers de plusieurs lignes de cimentation descendues dans des tubes guides verticaux crépinés (ou tubings) prévus à cet effet et soudés sur l’extrados du cuvelage. Après cimentation, le fluide de forage contenu dans le cuvelage et servant de lest peut être enlevé par pompage.



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Figure 19 : Coupe du cuvelage métallique et du processus de cimentation

Depuis le démarrage du forage jusqu'au bétonnage final autour du cuvelage, l'accès dans le puits n'est ni possible, ni requis. 8.3.4 - Références Le graphe 1 en annexe (profondeur du forage / diamètre du forage) met en évidence le retour d’expérience industrielle disponible à travers le monde pour les puits de diamètre supérieur à 2,5 m. Cette technique est surtout utilisée pour les puits des houillères d'Ukraine, avec des machines de fabrication allemande (Wirth). Parmi les plus grands puits réalisés, on peut citer les exemples suivants : • Puits Béatrix (Pays-Bas) :

D = 7,6 m

H = 500 m

D = 6,2 m D = 5,6 m D=5m D=5m

H = 113 m, H = 127 m, H = 240 m, H = 187 m

• Puits Sophia Jacoba (Allemagne) : D = 4,6 m

H = 410 m

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réalisé par 7 réalésages successifs

• Puits Hongyang n° 2 (Chine): • Puits Dobropoljevgol : • Puits Ambrosia Lake (USA) : • Puits Dartbrook (Australie) : réalisé avec 1 réalésage intermédiaire

réalisé en terrains instables, avec pose d’un revêtement composite acier-béton

• Puits Agnew Mining (Australie) : D = 4,2 m

H = 750 m

réalisé en roches dures

En France, seul le puits de Sennecey-le-Grand, pour Butagaz, a été réalisé par forage en grand diamètre, de -80 m à -160 m au diamètre de foration de 2,80 m.

8.4 - Forage par élargissement descendant sur avant-trou 8.4.1 - Préambule Cette technique de forage par élargissement descendant, encore appelée “ shaft reaming ”, est utilisée pour aléser un puits préalablement exécuté (cf. figure 20). 8.4.2 - Domaine d’application Ce procédé a permis, à ce jour, la réalisation de puits de plusieurs mètres de diamètre. 8.4.3 - Description du procédé d’exécution Cet alésage se fait de haut en bas et utilise l’une des deux techniques suivantes : • méthode traditionnelle à l’explosif en prenant les précautions nécessaires vis-à-vis du vide constitué par l’avant-trou existant : cheminée d’équilibre de Grand Maison diam 11 m H=200 m • creusement à l’aide d’un engin type V-mole (avec tête de coupe équipée de grippers) fonctionnant en vertical comme un tunnelier pour roches dures.

• Puits pour essais atomiques au Nevada (USA) : D=3m H = 1700 m


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8.5 - Autres techniques peu utilisées ou à titre expérimental

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Le principe de base est d’utiliser une machine de creusement vertical, analogue à un tunnelier, suivie d’un système d’extraction des déblais. Dans les années 70-80, plusieurs équipements ont été construits sur ce principe en Allemagne (Wirth), aux Etats-Unis (Robbins), et en Europe de l’Est (Russie, Pologne) mais très peu de références industrielles existent. Ce sont principalement les problèmes liés à l’extraction des déblais (et les considérations économiques associées) qui ont freiné le développement du procédé. Références : La seule référence vraiment connue est le puits de Heinrich Robert en Allemagne, de diamètre 5,8 m et de profondeur 180 m.

8.6 - Puits et galeries profonds inclinés creusés en descendant

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8.6.1 - Préambule Le raccordement de deux points distants en plan et en élévation ne doit pas conduire à retenir systématiquement une conception de puits incliné. En effet, le concepteur, dans son choix de tracé, doit clairement poser le problème et identifier l’ensemble des contraintes du projet, car il est bien souvent plus économique de combiner le fonçage d’un puits vertical et le creusement d’une galerie horizontale, plutôt que de retenir le fonçage d’un puits incliné, et ce, pour plusieurs raisons : • linéaire de creusement plus important dans les terrains de surface présentant souvent des problèmes de stabilité accrus (mauvaise tenue, venues d’eau) ; • effet de la pesanteur en toit de puits incliné pouvant avoir un effet néfaste sur la stabilité de blocs en présence de terrains diaclasés ; • difficulté de mise en œuvre d’un soutènement lourd en puits incliné ; • plus grande difficulté à exécuter des traitements de terrain (risque de déviation des forages) ; • difficulté de maîtrise des venues d’eau au front et de leur évacuation (difficultés de minage en radier sous eau,…), sauf avec des puits inclinés exécutés sur avant-trou.

Figure 20 : Forage par élargissement descendant

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Comme les déblais tombent au travers du trou au pied du puits et s’évacuent par gravité, l’opération de marinage est notablement simplifiée et les problèmes d’exhaure résolus. De ce fait, l’installation de surface se trouve simplifiée et le matériel allégé. Par contre, la stabilité des parois n'est plus assurée par le cake, ce qui peut nécessiter un soutènement classique (boulons et béton projeté). Avec cette technique, la règle primordiale est d’évacuer sur "avant-trou libre ", c’est-à-dire de s’assurer que le cycle de marinage permet, à tout moment, de vider l’avant-trou pour éviter toute formation de " bouchon " à l’intérieur de ce dernier, les conditions de débouchage étant souvent longues et périlleuses, avec des risques de rupture brutale de ce bouchon (" débourrage "). Dans les deux cas, la pose du soutènement et du revêtement peut se faire juste après l’opération d’alésage. Références : Le tableau 3 en annexe fournit les principales références de puits réalisés par élargissement descendant.

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8.6.2 - Puits et galeries traditionnels sans avant-trou Le mode d’exécution de ces puits inclinés relève d’une adaptation du procédé de creusement par méthode traditionnelle développé précédemment. Le plancher de travail et autres mobiles, au lieu de fonctionner comme des ascenseurs, sont remplacés par des funiculaires sur rails. Les points essentiels sur lesquels il convient d’attirer l’attention concernent : • la section de l’ouvrage qui devra être suffisante pour permettre une certaine mécanisation du cycle de fonçage ;



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Figure 21 : Principe de fonçage d'un puits incliné en descendant

• les moyens de transport du personnel et d’évacuation des déblais, qui nécessitent un guidage particulier des mobiles (plancher de travail et bennes) ; • la mise en sécurité du puits face, notamment, aux risques de rupture de câbles et de rebond des cailloux susceptibles de se détacher des parements (trajectoire aléatoire).

9.2.2 - Domaine d’application Outre son utilisation fréquente comme “ avant trou ” de puits de grande dimension, notamment dans les aménagements hydroélectriques (cheminée d’équilibre, puits de chute, de câbles,...), la méthode du “raise boring” est souvent utilisée en mine ou en génie civil pour des puits d’aérage ou des puits de passage pour câbles ou tuyauteries.

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8.6.3 - Puits et galeries inclinés exécutés sur avant-trou Ce mode d’exécution représente une simple variante de celui sans avant-trou. Comme dans le cas du forage par alésage descendant, les déblais s’évacuent, par gravité, au travers de l’avant-trou, ce qui simplifie notablement l’opération de marinage et résout le problème d’exhaure.

petit diamètre (10’’3/8 ou 12’’1/4) entre la tête et la base du puits (trou pilote), puis de remplacer l’outil du forage pilote par un autre de plus grand diamètre, et enfin d’aléser en remontant, tandis que les déblais tombent à la base du puits (cf. figures 22 et 23). Les références courantes ont des diamètres de 2 à 4 m ; quelques puits ont été réalisés en 5 m de diamètre. Actuellement, la hauteur des puits est limitée à 700 m environ pour les machines les plus puissantes.

9 - PUITS PROFONDS VERTICAUX OU INCLINÉS CREUSÉS EN REMONTANT 9.1 - Préambule

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Les méthodes de creusement de puits en remontant impliquent toutes, comme condition préalable, de disposer d’un accès au pied de l’ouvrage permettant l’évacuation des déblais. Si elles présentent l’avantage de dissocier le marinage des autres opérations du cycle (foration, tir, soutènement ou “ passe ” de tunnelier) et, ce faisant, permettent un gain de temps non négligeable, elles nécessitent en contrepartie la présence de terrains rocheux de bonne qualité, stables sans soutènement. Les méthodes utilisées pour le creusement de puits en remontant ne permettent en général pas la réalisation d’ouvrages de grand diamètre ; pour ceux-ci, le puits en remontant peut servir d’“avant-trou” pour un élargissement descendant par fonçage traditionnel ou mécanisé. Les puits inclinés, traités au § 8-4, ne sont que l’adaptation des méthodes décrites pour les puits verticaux, à l’exception des tunneliers qui font l’objet d’un développement spécifique.

9.2 - Puits verticaux creusés par alésage montant ou " raise boring " 9.2.1 - Principe Cette méthode, dérivée des forages de reconnaissance ou des forages pétroliers, consiste à effectuer un forage descendant de

9.2.3 - Procédé d’exécution Le matériel utilisé comporte : • une machine de forage installée en surface sur une charpente métallique ou une dalle bétonnée ; • un jeu de tiges de forage, de diamètre 10’’3/8 ou 12’’1/4, généralement de longueur 1.50 m, à forte inertie ; • un tricône du diamètre du trou pilote, très voisin de celui des tiges de forage ; • des centreurs, intercalés généralement dans les dix derniers mètres du train de tiges, en vue d’augmenter la rigidité de ce dernier et de réduire ainsi les risques de déviation ; • une centrale à boue ou à eau claire pour l’évacuation des déblais durant le forage du trou pilote ; • un portique de manutention des tiges ; • un (ou plusieurs) aléseurs, de forme tronconique, comportant des “ molettes ” dont le nombre et la nature dépendent des caractéristiques du terrain : molettes à disques ou à picots (cf. figure 23).


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Figure 23 : Aléseur muni de molette à picots

Figure 22 : Principe de raise-boring

L’opération d’alésage peut, dans certaines conditions, être répétée plusieurs fois, à l’aide d’aléseurs de diamètre de plus en plus grand.

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Le forage du trou pilote, généralement en “circulation inverse ” pour accélérer la remontée des cuttings, est réalisé en continu ; la déviation est limitée par le poids et la rigidité du train de tiges. Si nécessaire, la déviation du forage pilote est contrôlée à l’avancement et corrigée en cours d’exécution. Quand le trou pilote a débouché dans la galerie ou salle à la base du futur puits (dimensionnée de manière à permettre le transport de l’aléseur à l’aplomb du trou pilote), le tricône est démonté et remplacé par l’aléseur du diamètre souhaité (cf. figure 24). L’alésage se fait en remontant, les tiges étant démontées en surface au fur et à mesure de l’avancement. Les déblais tombent à la base du puits et sont repris par un engin indépendant. La machine doit être capable de développer un effort de traction suffisant pour équilibrer le poids des tiges et de l’aléseur, mais également, pour assurer une pression suffisante des outils de coupe sur le terrain. Afin de refroidir les outils, il est nécessaire d’avoir recours à une circulation d’eau abondante. Dans les terrains très abrasifs, il est recommandé d’équiper l’aléseur de molettes neuves avant le début de l’opération, ceci afin d’éviter de redescendre l’ensemble, en cours d’alésage, pour un changement d’outils.

9.2.4 - Contraintes de la méthode Elles sont de plusieurs natures : • risque de déviation du trou pilote, donc de non-verticalité du puits définitif car l’alésage, qui suit exactement le tracé du trou pilote ne permet pas de rattraper les écarts ; • impossibilité d’accéder au front de creusement et de poser un soutènement, opérations qui ne peuvent se faire qu’ultérieurement à partir d’un plancher suspendu ou d’une autre installation. Ceci implique que les terrains traversés aient les caractéristiques nécessaires pour attendre éventuellement plusieurs mois la pose d’un soutènement. Ces contraintes n’ont pas ou peu d’importance dans le cas d’un puits utilisé en “ avant trou ” d’un fonçage traditionnel, pour autant que la déviation et la dégradation des terrains restent dans des limites raisonnables ; par contre, dans le cas de conduits blindés ou bétonnés, des déviations mal maîtrisées

Figure 24 : Raise-boring

a) Aléseur en galerie avant attaque

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b) Alésage en cours



peuvent conduire à des difficultés majeures. Ces problèmes de déviation peuvent devenir de plus en plus aigus dans le cas de puits inclinés (effet de la pesanteur) ou en présence d’horizons géologiques inclinés, où la qualité du guidage du forage est plus difficile à assurer ; • risque de " bouchonnage " puis de " débourrage " brutal si les déblais s’accumulent à la base et montent dans le fût du puits ; ils doivent donc être évacués régulièrement.

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9.2.5 - Références Le tableau 4 en annexe indique les puits réalisés en Allemagne de 1983 à 1993 par la méthode d'alésage montant ; il met en évidence les gammes de diamètre et de profondeur pratiquées par l'industrie minière. On peut également citer quelques autres références significatives :

chute d’aménagements hydroélectriques de moyenne importance. De plus, l’appareil Alimak ne permet pas d’opération de bétonnage, qui nécessite un autre équipement (coffrage glissant par exemple). Par contre cette méthode a fréquemment été utilisée pour creuser un “ avant trou ” de puits de plus grande dimension. La nature des fixations des rails par ancrage implique, pour des raisons évidentes de sécurité, un terrain rocheux de bonne qualité. De plus, la très grande difficulté - voire l’impossibilité - de réaliser des injections à l’avancement limite l’usage de la méthode à des terrains très peu aquifères.

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• Canada : Puits Falconbridge : D = 3,3 m H = 630 m • Suède : Puits Kiruna D = 3,05 m H = 370 m • France : Puits d’aérage du tunnel de NANTUA : D = 5,0 m H = 180 m Aménagement E.D.F. de GRAND MAISON (Cheminée d’équilibre) D = 2,40 m H = 200 m Cheminée d’équilibre ARC ISERE D = 1,80 m H = 180 m Aménagement E.D.F. de LAPARAN D = 2,40 m H = 160 m Aménagement E.D.F. TAKAMAKA 2 D = 2,40 m H = 285 m Mine de JOUAC (Cogema) D = 2,40 m H = 150 m SANTA AUGUSTA (Vicat) D = 4,05 m H = 200 m • Colombie : Aménagement du GUAVIO D = 2,40 m H = 500 m • Suisse : Aménagement hydroélectrique CLEUSON-DIXENCE Cheminée d’équilibre (avant trou) D = 1,80 m H = 180 m

9.3.1.3 - Procédé d’exécution Le matériel utilisé comporte : • l’appareil proprement dit, dont le châssis supporte la plateforme de travail d’environ 2m x 2m et les moteurs avec des pignons engrenant sur la crémaillère (n° 1 sur la figure 25) ; • une cabine pour le personnel, située sous la plate-forme et comportant les organes de commande ; • une ligne de rails à crémaillère de 2 m de long chacun ; • une herse de protection robuste au-dessus de la plate-forme ; • un enrouleur à flexible pour air comprimé ou à câble électrique pour les appareils utilisant ces sources d’énergie ; • un appareil de secours et de servitude circulant sur les mêmes rails et permettant de joindre l’appareil principal (n° 2 sur la figure 25).

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9.3 - Autres techniques de creusement de puits verticaux 9.3.1 - Creusement par le procédé ALIMAK

9.3.1.1 - Principe Cette méthode, mise au point en Suède dans les années 60, consiste à accéder au front d’attaque, depuis une galerie de pied de puits, à l’aide d’un appareil ou “ raise climber ” qui est à la fois un ascenseur et une plate-forme de travail. Il se déplace sur une ligne de rails à crémaillère fixés au terrain à l’aide de boulons à expansion et installés de bas en haut au fur et à mesure de l’avancement. 9.3.1.2 - Domaine d’application Dans cette méthode, la section du puits est généralement comprise entre 4 et 10 m2 ; aussi son utilisation en puits définitif est réservée à des puits secondaires d’aérage ou des puits de Figure 25 : Principe de procédé Alimak


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9.3.2 - Méthode BorPak 9.3.2.1 - Principe Cette méthode permet de forer des puits aveugles de bas en haut directement au diamètre final, verticaux ou faiblement inclinés sur la verticale ; la machine est en fait un tunnelier miniature avec évacuation gravitaire des déblais. La machine est bloquée au terrain par des patins serrés hydrauliquement. 9.3.2.2 - Domaine d’application Cette méthode est essentiellement utilisée dans le domaine minier, lorsque, pour les besoins de l’exploitation, il est nécessaire de réaliser de nombreuses cheminées de courte longueur (inférieure à 40 m). Elle nécessite globalement de bonnes qualités mécaniques des terrains, voire des roches très résistantes (Rc de l’ordre de 200 à 250 MPa), même si le serrage hydraulique permet de passer des zones fracturées. Avec ce procédé, les sections de puits sont limitées à 1,3 à 5 m2 environ, correspondant respectivement à des diamètres d’excavation de 1,20 à 2,5 m.

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Mus, à l’origine, à l’air comprimé ou à l’électricité, ce qui nécessitait un “ cordon ombilical ” et limitait la hauteur possible (de l’ordre de 300 à 400 m), les appareils sont maintenant dieselélectriques, ce qui leur confère une autonomie bien plus grande. Le cycle de travail est le suivant, à partir du tir, les appareils n° 1 et 2 étant repliés dans la galerie de base : • ventilation du front par l’intermédiaire des tubes insérés dans les rails ; • remontée du personnel à front ; • purge du front à l’abri de la herse ; • rallonge, si nécessaire, de la ligne de rail ; • foration de la volée ; • chargement des explosifs ; • mise en place d’un élément de protection de la ligne de rails ; • descente et mise à l’abri du personnel et matériel. • tir.

9.3.2.3 - Procédé d’exécution La machine (cf. figure 26) comporte : • à l’extrémité supérieure, la tête de coupe entraînée par plusieurs moteurs électriques ; • le corps principal comprenant : - le système de serrage pour ancrage dans le trou, - les patins de guidage pour le contrôle directionnel, - les crampons de sécurité empêchant la machine de glisser en arrière, - le train de forage, - les cylindres de poussée, - les circuits électriques, hydrauliques et les circuits d’eau de refroidissement ; • un porteur chenillé permettant de déplacer la machine d’un puits à un autre.

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9.3.1.4 - Contraintes de la méthode Elles sont les suivantes : • nécessité d’un personnel mineur très compétent, car quasiimpossibilité d’accès au front par l’encadrement durant le travail ; • présence de personnel “ sous ” le front d’attaque et risque de chute de blocs, notamment avant la purge ; • problèmes de soutènement et de fixation des rails au passage des failles ou des zones de moindre qualité ; • difficultés d’aérage du chantier en conformité avec les normes en vigueur ; • problèmes en cas de présence de méthane, plus léger que l’air, dans les terrains houillers. En France, avec les règles de sécurité actuelles et les approches par analyse de risques, cette technique ne peut plus être utilisée.

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9.3.1.5 - Références Le puits le plus profond creusé en une seule fois a été de 1 050 m en Norvège. En France, les principales références utilisant cette technique ont été acquises, dans les années 1970, sur les sites suivants :

• aménagement hydroélectrique du Mont Cenis (E.D.F.) : - puits reniflard : D = 2,50 m H = 134 m - adduction Ambin D = 2,50 m H = 137 m - adduction Etache D = 2,50 m H = 117 m - avant puits cheminée équilibre D = 2,50 m H = 170 m • aménagement hydroélectrique de La Coche (E.D.F.) : - cheminée d’équilibre D = 3.0 m H = 120 m • tunnel du Fréjus – puits d’aérage (avant trou) D = 2.20 m H = 420 m

Figure 26 : Machine Borpak

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9.3.2.4 - Quelques références A la mine Coleman d’INCO au Canada, une quinzaine de cheminées ont été forées sur des longueurs de 6 à 32 m. D’autres références existent sur les sites miniers INCO de Mc Greedy, de Levack ou encore de Stobie.

9.4 - Puits et galeries inclinés creusés en montant

9.4.1.1 - Description des procédés

Raise boring : • aménagement hydroélectrique de MONTEZIC (E.D.F.) - avant trou puits Haute Pression 1-2 (partiel) puits incliné à 90% D = 2,40 m L = 232 m - avant trou puits Haute Pression 3-4 (partiel) puits incliné à 90% D=3m L = 171 m • aménagement hydroélectrique du CHEYLAS (E.D.F.) - avant trou conduite forcée puits incliné à 90% D = 2,40 m L = 258 m • aménagement hydroélectrique de GRANDMAISON (E.D.F.) - 4 avant trous inclinés du barrage puits incliné entre 80% et 100% D = 2,40 m L = 80 à 182 m • carrière souterraine de LA PERELLE (Vicat) puits incliné à 140% D = 2,40 m L = 200 m

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Au-dessus d’une certaine pente – que l’on peut fixer à 45 ° sur l’horizontale – les méthodes décrites ci-dessus pour les puits verticaux remontants (raise boring, Alimak, BorPak) sont également applicables, moyennant quelques adaptations (exemple : rails à courbure spéciale pour l’Alimak). Les principales applications sont dans les secteurs hydroélectriques (galeries annexes des centrales) et minières, où l'on doit suivre l'inclinaison naturelle des couches et filons de minerai.

Alimak : • aménagement hydroélectrique du MONT CENIS (E.D.F.) : Reniflard vannes de tête de conduite forcée puits incliné D = 2,50 m L = 175 m • aménagement hydroélectrique de MONTEZIC (E.D.F.) - avant trou puits Haute Pression 1-2 (partiel) puits incliné à 90% D=3m L = 298 m - avant trou puits Haute Pression 3-4 (partiel) puits incliné à 90% D=3m L = 358 m • aménagement hydroélectrique de SAINT GUILLERME (E.D.F.) puits Haute Pression puits incliné à 100% D=3m L = 300 m

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9.4.1 - Adaptation des méthodes des puits " verticaux "

9.4.1.3 - Quelques références

Figure 27 Filon de minerai exploité par la méthode Alimak

9.4.1.2 - Contraintes particulières

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• l’évacuation gravitaire des déblais – intérêt majeur du creusement en remontant – peut poser des problèmes en fonction de la pente et de la nature des matériaux ( plus ou moins argileux) ; des pentes supérieures à 45° peuvent être considérées comme satisfaisantes. Des systèmes annexes tels que l’ajout de “ goulottes ” en radier dans le cas de l’Alimak ou l’adjonction d’eau peuvent faciliter le marinage ; • le risque de déviation est accru par rapport aux puits verticaux et des corrections fréquentes doivent être apportées. Pour la méthode Alimak, l’utilisation de lasers de guidage apporte une solution sous réserve de les protéger des chutes de blocs. Pour le raise-boring, un contrôle directionnel fréquent du forage pilote, assorti des corrections nécessaires, est indispensable sauf à accepter des déviations atteignant la dizaine de quelques % à 200-300 m, et pouvant rendre le trou inutilisable ; dans le cas du raise-boring, est augmenté, les tiges supportant des efforts importants en “ flexion composée ” ; la rupture de tige suivie du coincement de l’aléseur dans le puits en cours d’exécution peut générer des difficultés importantes.

• le risque de rupture des tiges de forage,

9.4.2 - Tunneliers 9.4.2.1 - Principe Depuis les années 1980, les tunneliers ont été utilisés pour la foration de galeries inclinées en montant (cf. figure 28).

Figure 28: Tunnelier utilisé pour les galeries inclinées de Cleuson-Dixence

9.4.2.2 - Domaine d’application Ce procédé permet le creusement de galeries dont le diamètre de foration est généralement compris entre 2,5 m et 5 m, voire plus, avec des inclinaisons pouvant atteindre 45°. Une condition nécessaire est que la qualité de la roche soit suffisante pour que les patins latéraux du tunnelier puissent toujours trouver des conditions d'appui satisfaisantes.


117


L’intérêt de cette mécanisation est souvent directement lié au linéaire de galerie à creuser. Nous ne reviendrons pas ici sur ce type de machines qui, à quelques adaptations près, est similaire à celles utilisées pour le creusement de tunnels.

ES

9.4.2.3 - Contraintes particulières Le recours à cette technique suppose, là encore, une bonne connaissance du contexte géologique et hydrogéologique du site (risque de traversées de failles, risques de débourrage,…) et des conditions géotechniques qui seront rencontrées (dureté, abrasivité des roches, …) afin de concevoir la machine, le matériel et les outils capables de répondre au mieux aux exigences du projet. Ce procédé présente certains avantages liés à la réduction de l’endommagement du massif, tels que : • Minimisation des hors-profils ; • Meilleure stabilité du front offerte par la roue de coupe ; • Consommation moindre en soutènement et revêtement ; • Injections de consolidation ou d’étanchement réduites, du fait de la diminution de cet endommagement. Une attention particulière devra être portée sur : • La pente minimale de foration que devra présenter le projet, afin de permettre l’évacuation gravitaire des déblais ; une adjonction d’eau pourra permettre de réduire cette pente ; • La conception du mode d’évacuation du marinage qui devra tenir compte des phénomènes d’érosion, de projection,…et de son adéquation avec le système de fixation des rails.

Aujourd’hui ces ouvrages sont bien souvent revêtus, pour des raisons notamment de sécurité, de pérennité, de garantie de stabilité à long terme du terrain encaissant, de qualité d’écoulement hydraulique ou aéraulique, de respect de l’environnement, voire de procédé de réalisation (tunnelier avec pose du revêtement à l’avancement). Nous nous attacherons ici uniquement à rappeler les principaux éléments entrant dans le dimensionnement des revêtements, sans chercher à détailler les méthodes de calcul des soutènements provisoires de ces types d’ouvrages, pour lesquelles il conviendra de se référer aux règles ou recommandations relatives aux galeries horizontales.

10.2 - Cas de charge à considérer

Que ce soit pour les puits profonds ou les galeries inclinées, les cas de charge à considérer dans les différentes étapes de la vie de l’ouvrage sont les suivants :

FT

10.2.1 - Phase de réalisation de l’ouvrage • Pression du terrain à court terme ; • Pression hydrostatique extérieure, si celle-ci a eu le temps de s’établir autour du soutènement ou du revêtement ; • Effet des injections de collage revêtement / terrain ; • Effet des éventuelles injections de consolidation ou d’étanchement du terrain au voisinage de l’ouvrage ; • Effet des injections de contact blindage / béton d’enrobage (cas des ouvrages hydrauliques).

9.4.2.4 - Quelques références • funiculaire de Val d'Isère (FUNIVAL) • aménagement hydroélectrique de GRAND-MAISON (E.D.F.) • aménagement hydroélectrique de SUPER-BISSORTE (E.D.F.) • Suisse : Aménagement hydroélectrique de CLEUSONDIXENCE

A

10 - ÉVALUATION DES SOLLICITATIONS DANS LES SOUTÈNEMENTS ET REVÊTEMENTS 10.1 - Préambule

Par le passé, les puits et galeries inclinées n’ont pas toujours été revêtus, même dans le cas d’ouvrages hydrauliques soumis à de très fortes charges. Cela était possible à condition que : • la qualité du rocher (granit, gneiss sains) et la couverture soient suffisantes pour garantir la stabilité du terrain encaissant ; • les procédés de réalisation aient peu endommagé les parois du terrain (machines de foration, tir à l’explosif maîtrisé) ; • les points faibles que peuvent représenter la traversée de failles, de joints ou de fractures potentiellement érodables soient localement revêtus.

118

10.2.2 - Phase d’exploitation de l’ouvrage Outre les sollicitations déjà appliquées à l’ouvrage en fin de réalisation, il convient de prendre en considération des cas de charges complémentaires tels que : • pression du terrain à long terme (fluage du terrain) ; • effet de retrait du béton ; • effet de la variation de température ; • charges apportées par les équipements ; • pression hydrostatique intérieure (cas des ouvrages hydrauliques en exploitation), éventuellement phénomène de "coup de bélier "; • réaction du terrain (dans la limite de sa capacité de mobilisation fonction de la couverture) lorsque la pression hydraulique intérieure est supérieure à la pression hydrostatique extérieure (cas des galeries en charge et conduites forcées en exploitation). Concernant les ouvrages hydrauliques, une attention particulière sera portée aux principes de conception du revêtement et à sa perméabilité admissible. En effet, il pourra être considéré comme imperméable en présence d’un blindage métallique, légèrement perméable dans le cas d’un revêtement en béton armé, semi-perméable en cas de recours à un simple revêtement en béton, voire en béton projeté. Les pressions apportées par le terrain au revêtement devront être approchées au mieux en tenant compte des éventuels



phénomènes d’anisotropie du massif encaissant, de comportement différé, etc. Pour cela, il est essentiel de collecter, lors des phases de reconnaissance géologiques, hydrogéologiques et géotechniques réalisées au cours des différentes étapes de conception, suffisamment d’informations pour être en mesure de bien caractériser les formations en présence et leur comportement.

11 - AUSCULTATION

Le tableau 5 en annexe propose une comparaison des 4 principales méthodes décrites dans la présente recommandation. Pour chaque méthode, sont brièvement analysés les points suivants : 1 - Conditions nécessaires pour utiliser la méthode 2 - Caractéristiques de base : 2.1 - Diamètre de creusement, 2.2 - Profondeur de creusement, 2.3 - Couple diamètre / profondeur, 2.4 - Résistance des formations traversées 3 - Qualité des travaux de creusement : 3.1 - Verticalité du puits, 3.2 - Régularité du diamètre de creusement, 3.3 - Influence sur les terrains traversés. 4 - Comparatif des revêtements associés à la méthode : 4.1 - Descriptif, 4.2 - Commentaires. 5 - Risques techniques associés : 5.1 - Problèmes majeurs rencontrés au cours de réalisation, 5.2 - Mesures correctives. 6 - Sécurité pendant la réalisation des travaux 7 - Impact vis-à-vis de l’environnement Conclusion : Principaux champs d’application de la méthode

A

FT

ES

On n’insistera jamais assez sur le rôle fondamental que revêt l’auscultation, non seulement lors de la réalisation de l’ouvrage, mais également tout au long de sa vie. En cours de travaux, elle permettra notamment de s’assurer que : • les lois de comportement du massif et les paramètres géomécaniques associés pris en compte pour la conception de l’ouvrage, sur la base des reconnaissances du terrain réalisées, sont valides ; • le soutènement mis en œuvre à l’avancement est efficace et conduit à un équilibre du terrain dans la gamme de déformation envisagée et à des efforts dans le soutènement tels qu’envisagés en phases d’études (conception et exécution) , • le revêtement est également sollicité dans les plages d’efforts attendus ; • les conditions hydrogéologiques anticipées ont été correctement évaluées, gage d’un bon comportement de ce type d'ouvrages ; • l’impact des travaux sur l’environnement est admissible et respecte les conditions imposées par le projet.

12 - COMPARATIF DES PRINCIPALES MÉTHODES DE RÉALISATION

…/…


119


ANNEXES Tableau 1 : Fonçage traditionnel - Puits de mines de charbon allemandes réalisés entre 1950 et 1990

Profondeur (m) 950 1076 1076 750 620 1056 980 1020 837 410 1070 950 1115 556 1135 1077 1050 1370 930 1330 1300

A

Diamètre de forage (en mètres)

Tableau 2 : Forages verticaux en grand diamètre

120

Année 1955 1957 1958 1958 1961 1963 1964 1964 1967 1975 1977 1978 1978 1979 1979 1980 1980 1982 1984 1986 1986

ES

Diamètre (m) 5,75 7,30 7,30 7,50 6,75 6,75 7,50 7,30 5,00 3,20 8,00 7,00 8,00 8,00 8,00 8,00 6,00 8,00 4,00 8,00 7,50

FT

Site Augusta Victoria 1 Wulfen 1 Wulfen 2 Warndt Sophia Jacoba 5 Augusta Victoria 8 General B.9 Nordschacht Altendorf Sophia Jacoba 7 Prosper 10 Lauterbach An der Haard Polsua 2 Haltorn 1 Haltorn 2 Voerde Hünxe Sophia Jacoba 9 Augusta Victoria 9 Rheinberg



Tableau 3 : Forages de puits par élargissement descendant

(exemple des principales références de mines de charbon allemandes) Profondeur (m) 231 243 227 196 228 302 228 224 228 467 204 417 106 228 169 135 343 262 325 294 335 250 168 162 200 320 335 450 250 705 320 140 313 406 307 226 287

A

Année 1971 1972 1973 1974 1975 1975 1976 1977 1977 1977 1978 1978 1978 1979 1979 1980 1980 1980 1981 1981 1982 1982 1983 1983 1983 1984 1984 1984 1984 1984 1987 1987 1988 1988 1988 1988 1993

ES

Diamètre (m) 4,50 5,00 5,00 4,90 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 6,00 5,10 6,50 6,00 5,00 6,00 6,00 6,00 7,00 7,20 6,50 6,00 6,80 7,50 5,80 6,50 7,00 6,00 6,00 6,80 8,20 7,00 5,00 8,20 6,00 6,00 6,80 7,50

FT

Site Emil Mayrisch Walsum Zollverein Sterkrade Carl Alexander Minister Stein Carl Alexander Rossenray Carl Alexander Ibbenbüren Gneisenau Göttelbom Victoria 1/2 Walsum Erin Prosper-Haniel Prosper-Haniel Luisenthal Luisenthal Gneisenau Prosper-Haniel Monopol Camphausen Heinrich Robert Rheinpreussen Friedrich Heinrich Prosper-Haniel Lohberg Monopol Göttelbom Friedrich Heinrich Niederberg Prosper-Haniel Sophia-Jacoba Lohberg Monopol Niederberg


121


Tableau 4 : Forages par alésage montant

(exemple des principales références de mines de charbon allemandes) Diamètre (m) 2,00 3,60 2,00 5,50 3,60 5,50 2,40 2,70 2,00 2,40 2,00 2,70 2,40 2,00 2,00 2,40 4,00 2,70 4,00 2,40

Profondeur (m) 245 76 100 50 70 75 44 117 235 88 61 111 23 233 87 53 92 156 114 128

Année 1983 1983 1983 1984 1984 1984 1985 1986 1986 1986 1986 1987 1989 1990 1991 1991 1991 1992 1993 1993

FT

ES

Site Rheinpreussen Erin Waterschei Luisenthal Ibbenbüren Ibbenbüren Heinrich Robert Victoria 1/2 Walsum Heinrich Robert Emil Mayrisch Victoria 1/2 Prosper Haniel Fürst Leopold Ibbenbüren Prosper Haniel Heinrich Robert Consolidation Westfalen Hugo

Tableau 5: Comparatif des principales méthodes de réalisation de puits

FONÇAGE TRADITIONNEL

FORATION GRAND DIAMETRE

REALESAGE MONTANT

REALESAGE DESCENDANT MECANIQUE

Nécessité de ne pas avoir de pertes de fluide de forage trop importantes (exemple : présence de karsts)

Nécessité d’un forage pilote atteignant une galerie qui constituera le niveau de base du puits. Cette galerie devra permettre le montage de la tête aléseuse et l’évacuation des déblais au cours de la remontée de la tête.

Nécessité d’un puits central de plus petit diamètre (réalisé souvent par réalésage montant) pour évacuer les déblais par le bas.

1 - Conditions nécessaires pour utiliser la méthode

A

Le débit d’arrivée d’eau doit être inférieur à 5-10 m3/h pour pouvoir réaliser les tirs à l’avancement.

Dans le cas de débits supérieurs, des travaux préliminaires ou des traitements à l’avancement doivent être réalisés pour les maîtriser. Il convient d’attirer l’attention sur les risques liés aux terrains meubles à forte profondeur et sous pression d’eau

Espace suffisant descendre la tête

pour

Méthode non adaptée à la traversée de terrains instables, trop fracturés, ou aquifères, sauf à faire un traitement préalable depuis la surface.

Méthode non adaptée à la traversée de terrains meubles ou instables, sauf à faire un traitement préalable depuis la surface ou à l’avancement. NOTA : Le réalésage descendant par la méthode traditionnelle est renvoyé à la 1ère colonne.

122





REALESAGE MONTANT


2 - Caractéristiques générales

D généralement supérieur à 3,5 m, du fait de l’utilisation de méthodes mécanisées, des besoins de ventilation et de la circulation des mobiles. Pas de limite supérieure (la limite actuelle correspond plutôt à la demande du marché, soit 10 à 12 m).

2-2 - Profondeur de creusement (H)

D généralement compris entre 2 et 4 m ; ce diamètre peut être augmenté en réalisant l’opération en plusieurs passes.

D généralement inférieur ou D peut être important, égal à 5 m et dépend de la avec des références jusqu’à puissance des machines près de 10 m. disponibles.

ES

2-1- Diamètre de creusement (D)

D peut être plus important si on réalise l’opération de réalésage montant en plusieurs passes.

H > 1000 m sans problème H > 1000 m en quelques H limitée à 700 m environ occasions. particulier. pour les machines les plus La limite est liée au poids du puissantes. câble qui devient prépondérant par rapport aux charges transportées (1500 m en Afrique du Sud)

H limitée à 700 m environ s’il y a nécessité de réaliser le puits central par réalésage montant au début de l’opération.

Le plus grand diamètre ne peut être associé à la plus grande profondeur ; l’éventail des puits forés pour des projets miniers varie généralement de 2 à 4 m pour les diamètres, et 100 à 400 m pour les profondeurs.

Le plus grand diamètre ne peut être associé à la plus grande profondeur ; le diamètre dépasse rarement 3 m pour des profondeurs audelà de 400 m. Le poids de l’aléseur et des tiges vient en déduction de la capacité de traction.

2-4 - Résistance des Pas de limites supérieures formations traversées (utilisation de l’explosif). Diminution de la longueur des volées de tir, soutènement provisoire et éventuellement traitement préalable des terrains de mauvaise tenue

Les roches dures ne posent plus de problèmes majeurs : utilisation de molettes à disques.

Les roches dures peuvent La méthode permet de occasionner des problèmes franchir un éventail de d’usure et de rupture du train roches assez large. de tiges.

La plupart des puits réalisés ont un diamètre compris entre 4 et 10 m, selon les fonctions demandées au puits.

A

FT

2-3 - Couple La plupart des puits profonds diamètre/profondeur (> 400 m) ont un diamètre supérieur à 4 m, la moyenne étant de l’ordre de 7 m.

3 - Qualité des travaux de creusement

3-1 - Verticalité du puits

Parfaitement maîtrisée à Maîtrisée par l’effet pendu- Maîtrisée par la réalisation Maîtrisée à l’avancement. laire de la garniture de forage d’un forage pilote dirigé l’avancement. (précision de l’ordre de 0,5 %) (précision de l’ordre de 2 °/°°). Hors forage pilote dirigé, la déviation peut être de l’ordre de 1 %.

3-2 - Régularité du diamètre de creusement

La section est irrégulière ; des Le diamètre est égal au Le diamètre est égal au Le diamètre est égal au incidents de tir peuvent diamètre de l’outil de fora- diamètre de l’outil de fora- diamètre de l’outil de foration. entraîner un hors profil de tion. tion. quelques dizaines de cm.


123



REALESAGE MONTANT


La mise au point d’un schéma de tir adapté - tir adouci (smooth blasting) - permet de minimiser la fissuration des parements du puits.

La méthode donne un aspect assez lisse à la paroi du puits ; elle affecte peu l’état des terrains qui restent sous fluide jusqu’à la pose éventuelle du revêtement.

La méthode donne un aspect assez lisse à la paroi du puits ; elle affecte elle-même peu l’état des terrains au moment du creusement. Le délai nécessaire avant la pose éventuelle du revêtement qui est lié à l’installation d’un matériel spécifique est néfaste pour les terrains sujets à des venues d’eau, susceptibles d’altération ou fracturés.

La méthode, utilisant un engin type V-mole descendant, donne un aspect assez lisse à la paroi du puits ; elle affecte peu l’état des terrains.

La pose du revêtement est faite après réalisation complète du creusement en descendant dans le puits à partir d’un plancher de travail mobile et sa qualité peut être Une cimentation de l'espace contrôlée au fur et à mesure. annulaire entre le tubage et les parois du puits, faite à partir du fond par passes successives est ensuite presque toujours réalisée.

La pose du revêtement est faite en descendant dans le puits en utilisant un plancher de travail associé à l’engin de creusement.

La pose d’un soutènement à l’avancement minimise la décompression du massif encaissant ; une couche de béton projeté stoppe l’altération des terrains. 4 - Comparatif des revêtements associés à la méthode

Le revêtement est posé par l’équipe dans le puits à partir d’un plancher de travail et sa qualité peut être contrôlée au fur et à mesure.

Le cuvelage est une succession d’éléments cylindriques posés à partir de la surface après avoir été soigneusement contrôlés.

FT

4-1 - Descriptif

ES

3-3 - Influence sur les terrains traversés


4-2 - Commentaires

La pose du revêtement peut se faire au choix plus ou moins rapidement après la réalisation du creusement, en fonction de la nature des terrains ; le plus souvent, cette pose est faite avec 10 à 20 m de retard par rapport au creusement.

La qualité finale du revête- La pose du revêtement est La pose du revêtement peut se ment est contrôlée unique- nettement décalée par rapport faire en continuité de l’opérament après la fin des travaux à la réalisation du creusement tion de creusement et l’évacuation du fluide de forage de l’intérieur du cuvelage. Le cuvelage doit être dimensionné pour résister aux pressions extérieures, ce qui nécessite souvent des renforts par cerces.

5 - Risques techniques associés

Arrivée d’eau non maîtrisée par les opérations préalables de traitement des terrains (cas des terrains meubles sous forte pression d’eau), en particulier rupture d'un mur insuffisamment congelé.

A

5-1 - Problèmes majeurs rencontrés au cours de réalisations

124

- Rupture du train de tiges, - État de fracturation des - L’intégrité de l’avant-trou avec plus ou moins de diffi- terrains ou venues d’eau doit être respectée. Les cultés de repêchage de l’outil entraînant la formation de problèmes évoqués pour le vides, avant que l’opération cas du réalésage montant de foration. de revêtement ne puisse se restent les mêmes pour le réalésage descendant. - Blocage de l’outil de fora- réaliser. tion consécutif à une inter- Les risques techniques ruption de rotation du fait - Rupture du train de tiges. peuvent être appréhendés au de la nature et de la conver- Déviation majeure obligeant moment de la réalisation du gence des terrains. de reboucher le trou pilote puits central qui donne une - Usure anormale et rupture et de faire un nouveau bonne connaissance préalable des terrains des molettes (abrasivité des forage. Procédés de contrôle du terrains traversés) forage et mesures de déviation indispensables




REALESAGE MONTANT

Les exemples cités mettent en évidence les mesures correctives possibles dans le cas où les problèmes géologiques et hydrogéologiques ont été mal appréhendés :

Une perte d’outil de foration se traite au cas par cas avec l’utilisation d’outils de repêchage venant saisir l’outil laissé en fond de trou.

La rupture du train de tiges entraîne la chute de l’outil à la base du puits, sa réfection et son remontage pour la suite de l’opération.

- rabattement de nappe, - injection des terrains à l’avancement (avec une durée et un coût difficiles à prévoir), - changement de méthode de fonçage : passage à la foration grand diamètre, - procédure de mise en place du soutènement et du revêtement. 6 - Sécurité pendant la réalisation des travaux

Le personnel à l’intérieur du puits est directement exposé aux dangers tels que venues d’eau, chute de matériels et de blocs, etc.


Le " coincement " éventuel de l’aléseur dans le puits, après rupture du train de tiges constitue un problème majeur en termes de sécurité et doit être traité au cas par cas.

ES

5-2 - Mesures correctives


Le personnel travaille à partir de la surface, sans risques associés au travail en profondeur.

FT

Le personnel travaille à partir de la surface, sans risque, pendant les opérations de forage et d’alésage. Il doit effectuer les travaux de revêteLes manutentions restent les ment dans le puits à partir La mécanisation des équipe- opérations plus dangereuses : d’un équipement spécifique ments de fonçage rend peu à en particulier, la mise en avec plancher de travail. peu cette méthode moins place des éléments de tubage dangereuse que par le passé. doit être menée suivant une L’évacuation des déblais en procédure rigoureuse. base du puits doit être organisée de manière à ce que celleci ne s’obstrue pas (travail à "niveau vide"), sinon risque de "bouchonnage", suivi d’un " débourrage" non maîtrisable.

Le personnel travaille dans le puits, mais la protection donnée par l’engin de creusement, l’évacuation des déblais par le bas et l’absence de tirs limitent beaucoup les risques. L’évacuation des déblais en base du puits doit être organisée de manière à ce que celle-ci ne s’obstrue pas (travail à "niveau vide") sinon risque de "blocage" suivi d’un "débourrage" intempestif.

7 - Impact vis-à-vis de l’environnement

Rabattement des nappes Les pertes de fluide doivent souterraines autour du puits. être maîtrisées. Les fluides de forage utilisés doivent à la fin Vibrations liées à l’utilisation de l’opération être traités d’explosifs. avant leur rejet.

A

CONCLUSION : Principaux champs d’application de la méthode

Cette technique est très adaptable, en termes de diamètre et profondeur, et est appliquée sans problème lorsque les terrains sont de bonne tenue mécanique et sans venue d’eau majeure. Dans le cas où ces conditions nécessaires ne sont pas remplies, le traitement des terrains, préalable ou en cours de fonçage, est obligatoire.

Cette technique, qui ne nécessite qu’une emprise de travail réduite, est adaptée à un large éventail de terrains et est spécialement efficace en termes de coût et durée : - pour des puits d’un diamètre de 2 à 4 m, - pour des puits ne nécessitant pas d’équipement, - pour la traversée de terrains de faible tenue mécanique ou aquifères, mais n’entraînant pas de pertes de fluide de forage. Cette méthode est, dans ces cas là, plus rapide que le fonçage traditionnel.

Cette technique, non adaptée aux terrains meubles ou instables, est spécialement efficace en termes de coût et de durée dans des terrains durs pour des puits d’un diamètre de 2 à 3m: - dans des terrains d’accès difficile (équipement limité utilisé par une équipe réduite), - pour des puits ne nécessitant pas de revêtement, - en tant qu’ "avant-trou" pour un puits à élargir.

Elargissement de puits existants et rénovation de puits anciens. Technique rarement mise en œuvre en Europe.


125


LEXIQUE DES TERMES TECHNIQUES UTILISÉS DANS LA RECOMMANDATION

A

FT

ES

• Abattage : action d’arracher les déblais au massif • About : les mineurs d’about ou abouts sont les ouvriers affectés aux travaux de puits • Aérage : ensemble des processus et dispositifs qui ont pour objet d'apporter, dans les cavités souterraines, l'air frais nécessaire, de diluer et d’évacuer l'air vicié, ainsi que de rafraîchir le climat de la mine • Big-Hole : puits exécuté avec une machine à forer suivant la méthode du rotary. Il est encore appelé " shaft drilling " en terminologie anglo-saxonne. Celle retenue dans la recommandation est " forage en gros diamètre " • Bouniou : partie inférieure ("aveugle") d'un puits, située au-dessous de la galerie la plus basse qu'il dessert • Bure : petit puits intérieur reliant deux étages d’une mine • Canar : conduite d’aspiration ou de refoulement d’air • Châssis à molettes : ensemble de poutrelles installées dans un chevalement de puits et supportant les poulies d’extraction, les câblesguide, le plancher,… • Chevalement : construction métallique édifiée au-dessus d’un puits en cours de fonçage ou d’exploitation et sur laquelle prennent appui le ou les châssis à molettes • Cuffat : benne métallique de capacité généralement comprise entre 0,5 et 5 m3, servant à remonter les déblais et certains matériels • Exhaure : ensemble des installations permettant de remonter les eaux du fond vers la surface ; action de remonter ces eaux • Fonçage : action de creuser en descendant • Front : surface d’attaque du creusement d’un ouvrage souterrain ; en puits, le front est horizontal • Galerie : nom générique désignant toute voie de communication souterraine horizontale • Jour : ce qui est au-dessus du niveau supérieur de la tête de puits • Molette : poulie métallique placée en tête de chevalement et sur laquelle passent les câbles de treuil. Ce terme désigne également l’outil d’attaque du terrain, monté sur un trépan rotary ou un plateau aléseur • Niveau : ensemble des ouvrages (recette, galeries,…) desservis par un puits à une cote donnée • Parement : paroi verticale revêtue ou non d’un puits ou d’une galerie • Passe : hauteur de puits creusée d’un seul tenant avant exécution du soutènement ou du revêtement. Le terme " retraite " est également employé • Plancher de travail (angl. "stage") : échafaudage mobile suspendu au chevalement, comprenant couramment 3 à 5 niveaux et servant au creusement et au soutènement du puits • Porion : agent de maîtrise dans une exploitation minière souterraine • Raval : action d'approfondir un puits existant • Recette : installations situées aux abords du puits, à chaque étage • Rotary : procédé de forage, le plus souvent à la boue, permettant de réaliser des trous dans le terrain par éclatement au moyen d’un outil tournant (tricône) maintenu en pression contre le fond du trou par une tige ou par son propre poids • Toit : partie supérieure d’un banc, la partie inférieure étant le mur • Trousse : assise d’un cuvelage prenant appui sur le terrain pour assurer l’étanchéité du joint revêtement-rocher de façon à interdire le cheminement de l’eau à l’extrados du revêtement inférieur • Tunnelier vertical : machine servant au creusement mécanique d'un puits à pleine section • Volée : ensemble des mines correspondant à un tir complet. C’est également le volume de terrain disloqué par le tir

■

126


A

FT

ES

Notes :

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GT28R1F1 Puits Profonds Et Galeries Inclinées

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