TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS METHODES D’EXECUTION
1.
SOUTERRAINS EN TERRAIN MEUBLE
1.1
Définition du terrain meuble
Un terrain meuble est un terrain granuleux avec cohésion faible à nulle : , argile, marnes, sable, cailloutis. Pour l’AFTES : à partir de la catégorie 5. Ces terrains sont délicats à excaver et nécessitent un soutènement provisoire qui sera complété ultérieurement par un revêtement définitif.
1.2 Soutènement provisoire : principe de base Cette expression regroupe un ensemble de dispositifs utilisés ensemble ou séparément et concourant à la stabilité du souterrain. 1.2.1 Blindage Plaques métalliques (GESCORIAC) ou blindage bois. 1.2.2 Cintres Plusieurs types existent : -- profilés H -- cintres réticulés -- cintres TH
Blindage
Types de cintres
Cintre réticulé
1.2.3 Boulons De nombreux types de boulons existent. Pour les terrains meubles on utilise des boulons à ancrage réparti sur toute la longueur. Le scellement peut être assuré soit par un coulis de ciment (préparé sur place ou en cartouches)., soit par une résine époxy (en cartouches en général). Cette dernière technique est en général chère par rapport au coulis de ciment. Un type de boulon très particulier existe : boulons SWELLEX. Il s’agit d’un boulon constitué par un tube déformable dont les parois sont plaquées contre celles du forage par pression d’eau. Gros avantage : effort disponible immédiatement.
Rappel : résistance au cisaillement d’une discontinuité = frottement + dilatance Boulon à ancrage ponctuel
Boulon à ancrage réparti
Contribution : Faible pression sur la discontinuité →∆τ faible
Contribution : Forte pression + effet « goujon » →∆τ élevé
Contribution des boulons à ancrage ponctuel << contribution des boulons à ancrage réparti dans la résistance au cisaillement
Rôles du boulonnage Rôle porteur Soutenir des blocs et des dalles découpés par les discontinuités préexistantes aux travaux de creusement et le parement Bloc pesant
Viser FS = 1,5 et tenir compte de la corrosion des boulons non protégés
Rôles du boulonnage Rôle d’ancrage ou porteur
Bloc pesant et glissant Contribution d’un boulon à la résistance au cisaillement le long d’une discontinuité (Panet, 1987) : 1/ 2
⎡ 1 + tan ²ξ ⎤ 1 Tb = R cos(θ + ξ ) tan ϕ + R sin (θ + ξ )avec tan ξ = et R = N a ⎢ ⎥ 4 tan (θ + δ ) ⎣1 + 4 tan ²ξ ⎦
Na étant la traction admissible
dans le boulon Exemple : θ = 45 ° et ϕ = 35° δ = 0° → Tb = 1,07 Na δ = 15° → Tb = 1,20 Na Dans les deux cas : → ancrage au-delà du plan de rupture → pour des boulons à ancrage ponctuel, mise en tension des boulons nécessaire pour que la force requise soit mobilisée immédiatement c’est-àdire sans allongement supplémentaire du boulon après sa pose
Rôles du boulonnage Rôle restructurant Renforcement des structures en empilage de bancs pour combattre leur flambement et leur fléchissement sous poids propre Les boulons limitent les écartements entre bancs (travail en traction) et les glissements bancs sur bancs (travail en cisaillement ou « effet goujon ») → solidarisation des bancs L’inertie d’une poutre d’épaisseur « e x n » constituée de « n » bancs d’épaisseur « e » solidarisés par boulons est n2 fois celle d’un empilement de « n » bancs d’épaisseur « e » si on néglige le frottement banc sur banc.
Rôles du boulonnage Rôle confinant (et porteur)
Boulons
Boulons
Boulons
Boulons
Procédés de pose des boulons
Boulonnage manuel
Boulonnage semi-mécanisé (jumbo + pose manuelle) Boulonnage semi-mécanisé (jumbo + pose manuelle à partir d’une nacelle) Boulonnage semi-mécanisé (jumbo + pose manuelle depuis la plateforme du tunnelier)
Choix du type de boulon
Tableau récapitulatif
Pour finir sur le chapitre des boulons…
Quelques considérations à ne pas perdre de vue !!!!!
1.3 Méthodes traditionnelles d’exécution 1.3.1 Méthode par section divisée -- Méthode « belge » : galerie de faite. -- Méthode Autrichienne -- Méthode Allemande, 3 galeries -- Méthode par ½ section -- Autres méthodes
Méthode belge
Méthode autrichienne
Méthode allemande
Méthode par ½ section
Quelques sections types
Quelques sections types
Quelques sections types
Quelques sections types
Autres méthodes
Autres méthodes
1.4 Méthodes récentes 1.4.1 N.A.T.M. (New Austrian Tunnelling Method). Elle consiste à réaliser rapidement un anneau de béton projeté + boulons très souples. Quelques accidents ont conduit à revenir à une méthode plus classique impliquant cintres plus ou moins lourds, béton projeté épais et boulons. Cette méthode s’appuie sur le béton projeté. Deux types de béton projeté : -- Béton projeté voie sèche. -- Béton projeté voie humide.
Béton projeté
Béton projeté
1.4.2 Prédécoupage mécanique avec prévoute. Le principe consiste à réaliser à partir du front de taille une saignée dans le terrain à l’aide d’une sorte de tronçonneuse et à la remplir de béton projeté. La longueur de la « prévoute » ainsi réalisée varie de 1.0 m à 5.80 m, l’épaisseur de 15 à 25 voire 35 cm. La stabilité du fruit de taille est améliorée par des boulons « fusibles » en fibre de verre. Les différentes prévoutes sont imbriquées les unes dans les autres comme des tuiles.
Prévoute
Prévoute
Prévoute
Prévoute
Prévoute
Prévoute
1.4.3 Les voûtes parapluie. L’idée est semblable à celle de la prévoute. Il y a recouvrement entre les différentes voutes. On peut par exemple enchainer plusieurs voûtes parapluie de 20 m avec un recouvrement de 3 à 5 m. Elle est nécessairement associée à des cintres qu’il n’est pas toujours facile de caler du fait de l’éloignement des tubes.
Voute parapluie
Voute parapluie
Voute parapluie
Voute parapluie
Voute parapluie
Voute parapluie
Voute parapluie
1.4.4 Les voutes articulées
Voute Jacobson
Voûte active (procédé « Jacobson »)
Voûte active (procédé « Jacobson »)
1.4.5 Principes communs à ces méthodes. Engins de terrassement Les pics, pelles et pioches ont fait place à des engins plus performants. -- Machines à attaque ponctuelle -- Tombereaux -- Marteau-piqueur, BRH
Machine à attaque ponctuelle
Outil pour machine à attaque ponctuelle
1.5 Creusement mécanisé en terrain meuble.
Bouclier
1.5.1 Principes. L’idée est de foncer dans le sol une virole métallique de forte inertie (le bouclier) et dotée d’une trousse coupante. Le sol est excavé à l’abri de cette virole qui assure le soutènement des parois. Le revêtement en béton ou en fonte est assemblé à l’intérieur et sert d’appui aux vérins de poussée. Avantages: -- le soutènement est exercé en continu -- l’opération de soutènement ne consomme plus de matériaux Cette technique a été utilisée à Londres entre 1825 et 1841 pour un ouvrage de 412 m de long sous la Tamise. Le nom donné à cet ouvrage “la Tonnelle” serait à l’origine du mot tunnel.
1.5.2 Définitions. Le terme de bouclier s’applique à une machine utilisant une simple virole et celui de tunnelier (TBM: Tunnel Boring Machine)à une machine plus complexe constituée en général d’une roue de coupe, d’une virole assurant le soutènement (la jupe) et d’un système complexe d’évacuation des matériaux. Les matériaux abattus tombent dans la chambre de coupe (pressurisée ou non). A l’intérieur de la jupe est assemblé le revêtement généralement constitué d’éléments préfabriqués appelés voussoirs. L’étanchéité entre jupe et revêtement est assurée par le joint de queue. Le tunnelier est propulsé par des vérins de poussée. Tous les autres éléments sont localisés sur le train suiveur.
Schéma de principe d’un tunnelier Tunnelier fermé
1.5.3 Principaux types de tunneliers. On les classe par type de confinement appliqué au front. { Front ouvert: Le front de taille ne nécessite pas de confinement permanent. Le creusement est effectué: -- manuellement pour les petits diamètres -- par un bras excavateur équipé de dents de ripage ou d’une fraise -- par une roue de coupe. La reprise de l’effort horizontal se fait par simple frottement de la jupe sur le terrain. Les vérins ne sont utilisés que pour foncer la jupe dans le sol. Ils peuvent être rétractés pendant la phase de creusement et le revêtement est assemblé en temps masqué. Les déblais sont évacués par bande transporteuse.
Front ouvert
Boucliers à confinement: Le front nécessite pour être stable qu’une pression permanente (dite de confinement) soit exercée. Plusieurs moyens sont disponibles. A. L’air comprimé Le principe de bouclier à air comprimé consiste à placer sous air comprimé la chambre de coupe qui est isolée du reste de la galerie par une cloison étanche à travers laquelle sont aménagés des sas. Limites du système: -- perméabilité à l’air du sol. -- pression maximale : 4 à 6 bars avec des contraintes très fortes pour le personnel. {
Air comprimé
B. La boue bentonitique Cette technique est extrapolée de celle des parois moulées. La boue bentonitique crée au contact de la paroi une membrane appelée cake qui permet de maintenir une pression constante sur la paroi. Dans le cas du tunnelier la pression est assurée par pompage dans la chambre de coupe. La pression à appliquer dépend des conditions de stabilité du front. La régulation de cette pression est délicate. Deux techniques existent: -- régulation très sophistiquée entre pompe d’injection et pompe d’évacuation (procédé allemand). -- régulation plus simple en ménageant en tête une poche d’air plus facile à réguler (procédé japonais).
Boue bentonitique
Boue bentonitique
La rhéologie de cette boue doit être suivie et adaptée aux caractéristiques du sol. La sanction de la non-maîtrise de ces paramètres est grave: -- “blow out” de la boue en surface en cas de surpression ou de boue trop liquide. -- effondrement du front et fontis en cas de confinement insuffisant. L’abattage est assuré par une roue de coupe. L’évacuation des déblais se fait par la boue bentonitique en circulation. La boue extraite du front est dirigée vers une station de séparation où sont séparés: -- les déblais mis en décharge -- la boue recyclable. Les limites d’utilisation sont les suivantes: -- la pression hydrostatique 0.2 à 0.4 Mpa -- la création du cake qui dépend d’un grand nombre de facteurs (ajout de polymères si nécessaire).
C. La pression de terre Une autre technique, imaginée par les ingénieurs japonais consiste à se servir du matériau excavé comme “fluide” de confinement. On les appelle EPBS: Earth Pressure balanced shield. Idéalement cela fonctionne bien avec des sols plus ou moins argileux relativement plastiques. Le matériau extrait par la roue de coupe tombe dans la chambre dont il est extrait par une vis sans fin. La pression est régulée par la vitesse de rotation de la vis et donc par la vitesse d’extraction. Les limitations du procédé sont les suivantes: -- pression hydrostatique maxi de 0.2 Mpa pour que la chambre soit visitable -- un sol se prêtant à l’établissement d’une pression régulable -- les couples en jeu nécessaires au malaxage du terrain, d’où une limitation des diamètres à 9 à 10 m.
EPBS
1.5.4 Choix du type de tunnelier Critères à examiner: Géométriques: { diamètre { rayon des courses { géométrie des ouvrages entrée / sortie Environnementaux { Tassements { Mise en décharge
{ { {
{
Géotechniques Géotechnique ≠ géologie Etablir la continuité Paramètres non classiques / rhéologie -- Perméabilité “en grand” -- Granulométrie -- Limites d’Atterberg Essais / modèles réduits Economiques But Ö le meilleur compromis Ö anticiper les mesures complémentaires
Choix du tunnelier
Choix du tunnelier
Choix du tunnelier
Principaux types de tunneliers
Méthode mécanisée :
• Bouclier à plate-forme
• Bouclier mécanisé ouvert Appui radial
Appui longitudinal
Les principaux types de tunneliers
Méthode mécanisée : • Bouclier mécanisé fermé (appui sur revêtement) Air comprimé
Pression de terre
Pression de boue
1.5.5 Revêtement {
Voussoirs en béton préfabriqué:
La solution la plus couramment utilisée pour réaliser le revêtement des galeries creusées au tunnelier consiste à assembler des éléments de béton armé préfabriqués appelés voussoirs pour former des anneaux. La mise bout à bout de ces anneaux constitue le revêtement du tube. Généralement ces anneaux ne sont pas des tronçons de cylindre mais des tronçons de tore; ainsi en faisant pivoter ces anneaux autour de leur axe, à la pose,peut-on adapter le revêtement aux courbes ou aux changements de profils en long.
Voussoirs
Voussoirs pleins
Voussoirs alvéolés ou nervurés
La conception d’un revêtement en voussoirs préfabriqués pose des problèmes de plusieurs ordres: -- de géométrie: Le nombre de voussoirs par anneau est essentiellement fonction du diamètre du tunnel et du poids maximum admis pour les manipulations ou montage; La longueur de l’anneau et le pincement (c’est-à-dire l’angle que forment les 2 faces de l’anneau) sont fonction du tracé du tunnel. Certains cas de courbes serrées peuvent nécessiter la création d’anneaux de voussoirs spéciaux, plus courts. La rotation complète de l’anneau autour de son axe permet d’adapter le revêtement à tous les types de courbe: ce système est appelé anneau universel. Il suppose une symétrie de révolution du revêtement. La montage d’un anneau de voussoirs est une opération quasi mécanique nécessitant des tolérances géométriques très faibles (de l’ordre du mm) sur les dimensions, des pièces. Tout défaut génère des imperfections sur le revêtement (desaffleurs) ou des efforts parasites qui fissurent ou épaufrent les voussoirs.
Principe de montage des voussoirs
Voussoirs en forme de rectangle et trapèze
Principe de pose
Succession d’anneaux universels Clé montée selon n’importe quelle position angulaire
Succession d’anneaux « gauche-droite » Clé située systématiquement au-dessus du diamètre horizontal
Voussoirs en forme de rectangle et trapèze
Fabrication des voussoirs
Fabrication des moules
Détail des inserts dans le moule
Ferraillage
Cage d’armatures préfabriquée
Pose d’une cage d’armatures dans un moule
Stockage
Stockage sur parc des anneaux par piles
Approvisionnement
Approvisionnement des anneaux au front du tunnel
Mise en place
Pose des voussoirs à l’aide de l’érecteur
-- d’assemblage: L’anneau complètement monté est autostable. En phase de montage la stabilité est assurée en plaquant les éléments contre l’anneau précédent grâce aux vérins de poussée. Néanmoins un assemblage mécanique des voussoirs entre eux est nécessaire afin de maintenir la géométrie, de pallier une défaillance des vérins et de maintenir comprimés les joints d’étanchéité. De nombreux systèmes sont utilisés: -- boulons avec écrous -- boulons courbes -- tire-fond sur douille noyée Dans leur définition le projeteur doit penser à limiter les dimensions des boîtes de réservations qui affaiblissent la résistance mécanique du voussoir. Ces assemblages, qui sont des points faibles vis-à-vis de la corrosion et donc de la pérennité du revêtement sont parfois retirés à l’arrière.
Assemblage
Exemple d'assemblage démontable à l'aide de boulons droits
Assemblage
Exemple d'assemblage indémontable à l'aide de boulons droits
Assemblage
Exemple d'assemblage de platines à l'aide de boulons courts
Assemblage
Exemple d'assemblage à l'aide de boulons courbes
Assemblage
Exemple d'assemblage à l'aide de tire-fond inclinés
Nature des contacts
Contacts circonférentiels ou transversaux
Contacts plans Contacts à géométrie conjuguée
Nature des contacts
Contacts radiaux ou longitudinaux
Contacts cylindriques concave-convexe
Contacts cylindriques convexe-convexe
-- de dimensionnement: Les sollicitations géotechniques et hydrostatiques à long terme sont évidemment à prendre en compte. Mais entrent, également, en ligne de compte de façon déterminante: { les sollicitations de manutention { les efforts exercés par le tunnelier (poussée) Ceux-ci sont des efforts concentrés qui nécessitent d’être répartis par des frettages adaptés.
-- d’étanchéité: Les tunneliers sont généralement utilisés pour réaliser des galeries sous la nappe; Il est donc nécessaire d’assurer l’étanchéité du revêtement. Deux systèmes principaux existent, utilisés parfois de manière redondante: { des joints compressibles incorporés dans des rainures et maintenus comprimés à la pose { des joints hydrogonflants: ces joints contiennent une résine hydrogonflante. Le gonflement au contact de l’eau assure l’étanchéité.
Etanchéité Garnitures d’étanchéité compressibles en élastomère
Etanchéité Garnitures d’étanchéité hydro-expansives
PARTIES HYDRO-EXPANSIVES
PARTIES NEUTRES
Etanchéité Garnitures d’étanchéité mixtes
Elles combinent les deux natures des joints précédents.
La préhension des voussoirs est assurée soit sur des inserts, soit par des ventouses. Les voussoirs sont mis en place par des bras érecteurs à vérins hydrauliques à plusieurs degrés de liberté (rotation à 360°, translation dans l’axe, basculement suivant les 2 axes du voussoir). Ces dispositifs sont encore pilotés manuellement bien que des recherches soient menées pour en automatiser le fonctionnement. La pose de l’anneau de voussoirs est en général séquentielle.
La progression du tunnelier est alors interrompue, les vérins de poussée étant rétractés pour dégager l’espace nécessaire; Lorsque le tunnelier progresse, sa jupe coulisse sur l’extrados des voussoirs dégageant un espace annulaire correspondant à son épaisseur. Cet espace doit être rempli afin d’assurer le calage de l’anneau de voussoirs et surtout d’éviter les tassements qui seraient causés par l’effondrement du terrain dans cet espace libre. On y injecte donc un mortier de composants inertes (sable) et actifs (cendre, ciment, chaux) de façon à assurer une prise plus ou moins rapide suivant les efforts supportés par l’anneau à sa sortie de la jupe.
Autres technologies de revêtement: On utilise également des voussoirs en fonte pour réaliser: {
{ {
des revêtements minces des zones de revêtement particulièrement sollicitées ou de géométrie complexe (raccordement avec des rameaux, niches).
Une autre technique peu usitée consiste à réaliser derrière le tunnelier un revêtement coulé en place: on parle alors de béton extrudé. C’est le coffrage qui est composé d’éléments métalliques de forte inertie qui sert d’appui aux vérins du tunnelier. Le béton est injecté dans l’espace annulaire au fur et à mesure de la progression de la jupe.
Cette technique présente sur le papier de gros avantages: { économie du béton coulé en place par rapport au béton préfabriqué { injection complète de l’espace annulaire Elle est néanmoins d’un usage très délicat du fait des difficultés d’asservissement du pompage du béton à l’avancement du tunnelier et d’étanchéité coffrage / jupe.
1.5.6 Fonctions annexes { Le guidage Le guidage d’un tunnelier est une opération délicate dans son principe. En effet: -- si on peut déterminer précisément la position de la machine à l’arrêt -- si on connaît l’action exercée: résultante des efforts des vérins de poussée, poids On ignore tout des réactions du sol (réaction du front, frottement). C’est pourquoi il est nécessaire: -- de repérer en permanence la trajectoire suivie -- de la comparer avec la trajectoire idéale -- de corriger la résultante de poussée en intensité et en point d’application pour tenter de faire coïncider les deux lorsque le tunnelier est en mouvement.
On dispose pour cela de nombreux systèmes qui reposent tous sur le même principe : lire la position et l’attitude (angles par rapport aux axes roulis, tangage, lacet) par rapport à la trajectoire idéale en déduire une position anticipée de la machine et corriger la poussée pour que la position anticipée se rapproche de la position idéale. -- Le système “ZED” utilise une “cible intelligente” qui détecte la position et l’attitude par rapport à un rayon laser figurant une corde ou une tangente de la trajectoire idéale. -- Un théodolite motorisé mesure en permanence la position de cibles solidaires de la machine par rapport à des cibles fixes. -- Le système CAP se fonde sur la mesure de l’élongation des vérins de poussée. -- Les systèmes gyroscopiques fournissent une position dans l’absolu et ne nécessitent qu’un recalage périodique.
Les reconnaissances à l’avancement La rencontre d’obstacles (blocs de rocher, fondations anciennes, puits anciens..), la détermination exacte de la limité entre 2 types de terrain contrastés peuvent avoir des conséquences majeures sur l’exécution d’une galerie au moyen d’un tunnelier. Il est souvent nécessaire de faire des reconnaissances de sol suivant un maillage serré. Or celles-ci ne sont pas toujours réalisables depuis la surface, en particulier sous les zones bâties ou les zones de forte couverture. {
D’où la nécessité de les compléter par des reconnaissances pratiquées depuis le tunnelier au front ou à proximité immédiate du front et qui peuvent être: -- des sondages Les problèmes qui se posent alors viennent du franchissement de la chambre de coupe sous pression du fluide de confinement, du temps d’immobilisation du tunnelier pendant cette opération, du temps d’interprétation des carottes ou des enregistrements de paramètres, du caractère forcément ponctuel des informations recueillies.
-- des méthodes géophysiques La tête du tunnelier porte alors des récepteurs et on mesure la réponse du sol à des sollicitations acoustiques (microsismique) ou radioélectrique (radar). Ces techniques immobilisent peu la machine, donnent un aperçu global de l’environnement mais restent d’une interprétation délicate.
Les ouvrages de démarrage – sortie des tunneliers En régime permanent le confinement du front et l’étanchéité du tunnel sont assurés. Mais il n’est pas rare que les tunneliers à confinement ne pénètrent pas progressivement dans le milieu aquifère mais démarrent directement depuis le fond d’un puits sous la nappe. Il est donc nécessaire de prendre des précautions pendant les phases transitoires de démarrage ou de sortie des tunneliers. On citera : -- la réservation de zones non armées dans les parois moulées permettant d’être excavées facilement par la tête de coupe. {
-- l’aménagement de plots de terrain étanches, par injection généralement, permettant au tunnelier de progresser jusqu’à la pose de quelques anneaux de voussoir, afin que l’étanchéité soit établie avant que le tunnelier n’atteigne le terrain aquifère. -- l’utilisation de joints provisoires assurant l’étanchéité entre la jupe et le revêtement du puits, puis entre les voussoirs et le revêtement du puits avant que ceux-ci ne soient injectés.
Logistique générale Les tunneliers sont des investissements élevés dont on doit assurer l’utilisation maximale. Les moyens d’atteindre ce but sont principalement: -- la rationalisation des approvisionnements La progression d’un tunnelier est généralement séquentielle et le pas élémentaire c’est la course des vérins de poussée (“stroke”) {
-- le suivi des paramètres de fonctionnement L’utilisateur dispose de logiciels de supervision qui enregistrent des données objectives permettant l’analyse du fonctionnement ou des anomalies sans l’interférence du témoignage humain. Le suivi des paramètres d’utilisation définis par l’AFTES est également nécessaire pour mesurer la performance de la machine et l’évolution de celle-ci parfois dans un contexte contractuel constructeur / entreprise ou entreprise / maître d’oeuvre.
1.5.7 Les développements technologiques Le sous-sol étant de plus en plus utilisé, la technologie est sollicitée pour affronter des conditions de moins en moins favorables ou réaliser des ouvrages de plus en plus complexes. { Les grands diamètres Le plus grand tunnelier construit, à ce jour, mesure 14.87 m de diamètre. C’est un tunnelier à pression de boue réalisant un tunnel ferroviaire sous une zone de polders en Hollande. Ces machines géantes incluent des innovations très intéressantes: -- double entraînement de la tête de coupe -- possibilité de remplacer les outils de coupe sous sas sans pénétrer dans le chambre.
Les tunneliers multifonctions Afin de pouvoir franchir avec la même machine des horizons différents, on recherche des machines fonctionnant sous pression de boue et pression de terre par exemple. Ainsi le tunnelier construit pour le bouclage à l’Ouest de l’Autoroute A.86. { Les tunneliers à sections multiples Les ingénieurs japonais ont construit et utilisé des machines composées en fait de plusieurs machines “accouplées” pour réaliser des tunnels à double voire à triple voûte, des galeries annexes perpendiculaires à la galerie principale et même une machine pivotant à 90° pour exécuter à la suite un puits et un tunnel. {
Les microtunneliers Ils sont utilisés sous des zones bâties, des noeuds autoroutiers, des voies ferrées.. pour l’installation de conduites de diamètre ne permettant pas l’intervention humaine (< Ø 800). Ils ont les mêmes fonctionnalités que les tunneliers classiques avec 2 particularités: -- ils sont entièrement télécommandés -- une conduite en béton foncée depuis le puits de départ remplace les voussoirs. {
2. SOUTERRAINS EN TERRAIN DUR 2.1 Utilisation de l’explosif Longtemps l’usage de l’explosif a été la seule alternative au creusement manuel. Depuis l’apparition de moyens mécaniques puissants(marteau brise roche hydraulique, fraises…) son domaine d’application s’est restreint : -- à l’abattage des roches très résistantes -- ou aux ouvrages courts ou de sections variables ; Les raisons qui ont présidé à cette évolution sont triples : { l’usage de l’explosif reste potentiellement dangereux { il génère des nuisances importantes pour le milieu de travail { enfin il impose une suite d’opérations séquentielles qui limite nécessairement la productivité.
2.2 Technologie de l’explosif 2.2.1 L’explosif Un explosif est un corps composé ou un mélange qui dégage en détonant un grand volume de gaz à haute température associé à une très forte onde de contrainte. Leur fonctionnement peut se caractériser : -- par la vitesse de détonation qui correspond à la progression de la réaction chimique dans l’explosif. On distingue les explosifs déflagrants à vitesse lente (quelques centaines de m/s) et les explosifs détonants à vitesse rapide(2000 à 8000 m/s). -- par l’énergie spécifique mesurée dans des essais normalisés (essais en piscine…).
Deux dates à retenir : -- 1846 Sobrero synthétise la nitroglycérine -- 1867 Nobel invente la Dynamite composée de nitroglycérine et de Kieselguhr. On dispose actuellement d’un large éventail d’explosifs parmi lesquels on citera : -- les Dynamites -- les Nitratés -- les Nitrates Fioul -- les gels et bouillies. Le choix de l’explosif le plus adapté à l’abattage d’un terrain donné est un processus largement empirique qui repose en principe sur l’adaptation de l’impédance de l’explosif à l’impédance mécanique de la roche
Ie(impédance de l’explosif)= Vd/ c avec Vd vitesse de détonation et c densité de chargement. Ir(impédance du rocher)=Vs(vitesse sismique) x d(densité) On s’attache à assurer le rapport Ie / Ir entre 0.4 et 0.7. Le choix de l’explosif repose également sur des considérations de commodité d’emploi et d’économie. La quantité nécessaire à l’abattage s’estime au moyen des formules empiriques (formules de Langefors ou d’Oppenau).Elle est fonction des caractéristiques de l’explosif retenu, de la géométrie de l’excavation et de la résistance du rocher (en particulier résistance à la traction).
2.2.2 L’amorçage Tous les explosifs utilisés sont dits explosifs secondaires qui réagissent uniquement à une onde de choc. Ils nécessitent donc d’être amorcés par une quantité d’explosif primaire qui réagit lui à la chaleur. Le dispositif d’amorçage principal est le détonateur électrique. Une tête d’amorce isolée des courants vagabonds est mise à feu par l’échauffement d’un filament provoquée par la décharge d’un condensateur. Ces détonateurs sont connectés en série sur une ligne électrique. Sur le même principe on trouve, également, les détonateurs électriques retardés où une composition pyrotechnique spéciale interposée entre le filament et l’amorce retarde la détonation de l’explosif primaire. La nature de la composition permet d’obtenir des retards calibrés par pas de 25 ms, pour les détonateurs n°0 à XX (on parle de microretards) par pas de 0.5 s au-delà pour les détonateurs n°1 à 12.
Le cordeau détonant est composé d’un explosif secondaire (généralement de la pentrite) conditionné sous forme de cordeau. Il est utilisé seul ou pour amorcer différentes cartouches dans un trou. La chaîne pyrotechnique : elle représentée par le schéma ci-après . A partir de l’exploseur qui contient les dispositifs électriques de mise à feu, se déroule la ligne de tir où sont connectés en série les détonateurs. Ceux-ci placés en fond de trou déclencheront les charges explosives qui sont généralement des cartouches étagées dans le trou de mine et reliées par un cordeau détonant. Afin de contenir l’énergie explosive les trous sont obturés par un bourrage.
Schéma d’un tir
2.2.3 Les principales opérations de creusement de galeries à l’explosif Le principe consiste à abattre des couronnes concentriques de rocher en utilisant la surface de dégagement ainsi créée avec le triple objectif de diminuer le nombre de trous de mine, la quantité d’explosifs et les vibrations engendrées. Sur le plan de tir figurent à la fois la définition géométrique des trous de mine et la définition des artifices (charge/ trou et échelonnement de l’amorçage). On y distingue 4 parties : -- le bouchon -- les abattages -- les relevages -- les contours qui correspondant ainsi à 4 phases du tir.
Plan de tir
Le bouchon crée la surface de dégagement initiale. Il est généralement constitué autour de trous de gros diamètre non chargés. Il est peut-être également formé de trous forés en convergence (trous dits « sécants ») pour former une surface de dégagement conique. Les contours ou découpage créent le parement de l’excavation (et génèrent les hors profils !). Le découpage soigné consiste à forer des trous rapprochés peu chargés. Le prédécoupage utilise des trous de contour très chargés déclenchés avant l’abattage pour générer une fissuration préalable sur la ligne du parement. Un plan de tir se conçoit à partir de données d’entrée qui sont principalement la géométrie du tunnel, le diamètre de foration, le conditionnement des explosifs, le nombre de retards disponibles, la quantité d’explosif (en fonction de la résistance de la roche).
Dans le cadre de grands ouvrages ou de milieu extrêmement sensibles ces conditions peuvent ne pas pouvoir être respectées. On utilise alors la technique du tir séquentiel. Celle-ci consiste à utiliser plusieurs lignes de tir (jusqu’à 10) qui sont mises sous tension de manière échelonnée par un exploseur séquentiel. On bénéficie alors du cumul des retards des lignes des détonateurs. La foration des trous est réalisée au moyen d’un taillant en croix monté à l’extrémité d’un fleuret. Les engins couramment utilisés comportent un ou plusieurs perforateurs montés sur des bras articulés : on les appelle Jumbos.
Le Jumbo
Le marinage c’est l’évacuation des déblais de la volée. Il s’agit donc d’évacuer dans un temps minimum une quantité importante de déblais rocheux, dans un espace restreint et en minimisant les nuisances (poussières, fumées) autant que faire se peut. -- Sur les courtes distances on utilise des chargeuses ou des charges-et-roule à conduite latérale. -- Sur les longues distances, on aura plutôt recours à des tombereaux articulés, pour faire un demi tour dans la galerie, 4x4 en cas de forte pente, chargés à la chargeuse (souvent à godet à déversement latéral) ou à la pelle. -- Dans les petites sections, l’évacuation sur rail est fréquemment utilisée. -- Enfin, sur les grandes longueurs, l’installation d’un convoyeur à bande peut être envisagée.
2.2.4 Conditions d’emploi – Nuisances Les nuisances les plus importantes sont les suivantes : -- les poussières lors du forage et bien sûr lors de l’explosion -- les gaz à évacuer par un dispositif approprié -- les vibrations : La principale caractéristique à mesurer est la vitesse particulaire au niveau des constructions voisines du tunnel ; Une valeur de V max de 10 mm/s est recommandée. Elle varie en fonction en particulier de l’état des constructions. L’étude et le contrôle des ébranlements fait l’objet du paragraphe 2.4. Sur un plan règlementaire, l’achat, le stockage et le transport de l’explosif sont régis par un grand nombre de textes.
2.3 Les tunneliers Ces machines ont été utilisées lors des premières tentatives de percement du tunnel sous la Manche au XIXe siècle. Les premiers tunneliers modernes naissent dans les années 50 sous l’impulsion de l’ingénieur Robbins. 2.3.1 Principe de fonctionnement Ces machines utilisent des molettes comme outil de coupe. Ces disques de métal sont répartis sur la tête de coupe et décrivent des cercles sous la poussée exercée sur la tête la roche se brise en éclats (chips). La poussée sur la tête s’exerce par l’intermédiaire de vérins hydrauliques (grippers). La cinématique est relativement simple. Elle est décrite ciaprès ;
Un vieux tunnelier
Un tunnelier moderne
Une molette
2.3.2 Technologie des molettes Les molettes constituent des pièces sophistiquées du point de vue métallurgique et mécanique. Il a été constaté que la vitesse de pénétration était proportionnelle à la poussée. La course à la poussée sur des molettes monodisques a entrainé l’augmentation du diamètre des roulements et de la molette elle-même. Le disque de coupe a évolué d’une section en V vers une section à épaisseur peu variable. Il peut être couvert d’un traitement au carbure ou comporter des picots au carbure afin d’augmenter la résistance à l’abrasion. Les roulements sont généralement équipés de deux rouleaux coniques. Ils conditionnent la bonne utilisation de la molette: un roulement grippé, la molette ne tourne plus, un méplat se forme très rapidement et cause une usure irréversible. Les molettes sont des pièces lourdes (> 100 kg) difficiles à manipuler, les tunneliers modernes disposent généralement de moyens de manutention intégrés, le montage en coin permet de les remplacer depuis l’arrière de la tête de coupe.
2.4 ETUDE ET CONTROLE DES EBRANLEMENTS DUS AUX TIRS
2.4.1 Généralités Une partie de l’énergie explosive utilisée pour fragmenter et abattre la matrice rocheuse (environ 20%) se propage et se dissipe dans l’environnement sous forme d’ondes vibratoires solidiennes et aériennes qui s’amortissent avec la distance. Les structures situées à proximité des travaux peuvent être affectées par ces ondes vibratoires et présenter des risques de dommages et d’instabilité pendant la phase des travaux ou à plus long terme.
2.4.2 Les études préalables L’étude des ébranlements liés à l’utilisation des explosifs consiste schématiquement à : -- faire l’inventaire des structures ou sites naturels sensibles aux vibrations situées au voisinage de l’ouvrage à réaliser. -- définir pour chacune des structures des seuils admissibles qui feront l’objet de clauses contractuelles. -- établir pour le site des travaux une loi d’amortissement des vibrations engendrées par l’explosif. -- estimer les charges maximales d’explosif à mettre en œuvre.
2.4.3 Les structures sensibles aux vibrations Par « structure », il faut entendre toute structure de génie civil allant d’un simple bâtiment à un ouvrage de génie civil exceptionnel, tels que un château d’eau, un tunnel. Les structures les plus couramment concernées sont les habitations individuelles ou collectives, les bâtiments industriels, les ponts et viaducs, les galeries techniques et ouvrages d’assainissement, les tunnels routiers ou ferroviaires. Les sites naturels sont également concernés (falaises, cavernes…). Les équipements situés à l’intérieur de ces bâtiments ou installations doivent être pris en considération.
2.4.4 Les seuils admissibles des vibrations Les seuils de vibrations maximales admissibles par une structure doivent être définis ou fixés impérativement avant l’exécution des travaux au stade des études de POA. Ces seuils dépendent à la fois : -- du type de sollicitation : . impulsionnelle, s’il s’agit de tirs à l’explosif . continue, dans le cas de creusement mécanisé -- des caractéristiques de la structure : . matériaux constitutifs . état de vétusté . type de fondation
-- de la qualité du massif de fondation -- de l’usage de la structure : habitation ouvrage d’art en exploitation Un grand nombre d’auteurs se sont penchés sur l’effet des vibrations sur les structures. Un des plus anciens diagrammes est celui établi par RICHART et HALL dans les années 1970. D’autres diagrammes ont été publiés et en particulier celui paru au Journal Officiel du 22 octobre 1986 qui fixe les vitesses impulsionnelles à ne pas dépasser en fonction de la fréquence et du type de construction.
Ainsi, -- pour un tunnel rocheux non revêtu : v < 50 mm/s pour F > 150 Hz -- pour un tunnel revêtu de briques de maçonnerie : v < 15 mm/s pour 20 Hz < F < 50 Hz Le seuil peut s’exprimer également en accélération (m/s2) pour les équipements fixes ou en déplacement (mm). En première analyse, on s’inspirera des recommandations de l’AFTES qui intéressent essentiellement les constructions courantes à usage d’habitation.
-- v < 10 mm/s . faible probabilité de dommages. -- 10 mm/s < v < 30 mm/s . nécessité d’un bon contrôle. . probabilité accrue de réclamations -- v > 30 mm/s . non recommandée en zone habitée
2.4.5 Les essais de tir L’objectif essentiel des essais de tir en forage est l’établissement d’une loi d’amortissement des vibrations en fonction de la distance. Celui des tirs expérimentaux est de s’assurer de la faisabilité des dispositions techniques envisagées en testant en vraie grandeur un plan de tir réel (section d’abattage, longueur de volées) dans le site donné. -- Essais de tir en forage L’essai de tir consiste à faire exploser dans des forages des charges d’explosif de valeur croissante et disposées à différents niveaux. Les vitesses de vibrations engendrées par ces explosifs de mines bloquées sont enregistrées en différents points de l’environnement sensible à des distances croissantes.
Matériel de mesures
L’analyse des enregistrements permet d’établir une loi d’amortissement de la vitesse de vibration v en fonction de la charge unitaire d’explosif Q et de la distance D de la forme : v = f (Q,D), caractéristique du site. La loi est de la forme : v = k (D / ) (avec 800 < k < 8000 et 1,5 < b < 2,0)
Ces mêmes enregistrements permettent aussi, en positionnant judicieusement les tirs et les capteurs, de vérifier pour des charges unitaires voisines de celles qui seront utilisées que les valeurs seuils ne sont pas dépassées en amplitude et en fréquence. On peut toutefois se passer en première analyse de ces tirs en utilisant des courbes d’amortissement simplifiées données ci-après (valables d’ailleurs pour les engins de chantier courants). -- Tirs expérimentaux Quand on veut s’assurer de la faisabilité de certaines dispositions techniques et que l’on veut porter à la connaissance de l’entreprise toutes les informations utiles à l’établissement de ses prix, il peut être judicieux de procéder à des tirs expérimentaux grandeur réelle.
2.4.6 Les contrôles de vibrations Les contrôles de vibrations effectués en cours de travaux ont un double but : -- de s’assurer qu’à tout instant les critères de vibration sont respectés et que les travaux sont exécutés en toute sécurité vis-à-vis de l’environnement. -- affiner les prévisions et optimiser les plans de tirs à l’avancement. Pour satisfaire ces exigences un plan de contrôle est établi. Il fixe : -- le nombre et l’emplacement des capteurs à mettre en œuvre en fonction de l’importance et de la sensibilité des structures voisines de tunnel. -- les seuils à respecter.
En pratique, on définit une vitesse de travail légèrement inférieure aux seuils de vibration admissibles (vitesse maximale). De plus, on peut comme pour les essais de tirs analyser les signaux enregistrés afin d’affiner les plans de tir. Le matériel est le même que pour les essais. Il nécessite l’intervention d’un personnel spécialisé et compétent.
3. AUSCULTATION PENDANT ET APRES EXECUTION DES TRAVAUX 3.1 OBJECTIFS Maîtriser les incertitudes et aléas hydrogéotechniques pour s’assurer de la bonne adéquation entre la nature et le comportement des terrains rencontrés d’une part et les méthodes de construction et le dimensionnement de l’ouvrage d’autre part. Réaliser les travaux dans des conditions normales de sécurité pour le personnel, l’ouvrage et son environnement. Optimiser les délais et le coût (ils peuvent varier de 1 à 2 voire 1 à 3). S’assurer de la pérennité de l’ouvrage : possibilité d’évolutions dans le temps. L’élaboration du projet n’est achevée que lorsque son exécution est terminée, car c’est à ce moment qu’on connait les conditions géotechniques réelles tout le long de l’ouvrage.
3.2 CONTRAINTES
Pour atteindre les objectifs évoqués ci-dessus, l’organisation de l’auscultation doit respecter certaines contraintes : a) Permettre un dépouillement et une exploitation rapides En effet, pour être en mesure d’alerter, il convient que les résultats des mesures soient disponibles et exploitables quasi immédiatement à la lecture ou à la saisie de la donnée et surtout qu’ils ne dépendent pas d’un traitement long et exécuté hors du site.
b) Comporter des matériels adaptés aux conditions de chantier Les conditions régnant dans la zone du front de taille et sur la trentaine de mètres qui suit ce front constituent un environnement agressif : humidité, poussière, obscurité, évolution d’engins lourds et très encombrants, …etc. Aussi les dispositifs d’instrumentation mis en place dans cette zone doivent-ils avoir été conçus pour fonctionner longtemps dans ces conditions tout en conservant leurs qualités de précision et de fiabilité.
c) Ne pas gêner l’avancement Bien évidemment, l’auscultation visant à apporter une aide à la décision quant au pilotage du chantier, ne doit pas par ailleurs constituer un handicap pour la progression de l’avancement. Une telle exigence conduit à préconiser des systèmes de mesure ne nécessitant pas d’arrêt de l’avancement soit grâce à des interventions durant des temps morts de l’activité au front (changement de poste par exemple), soit grâce à un matériel adapté (remplacement des mesures de convergence par fil INVAR par des mesures optiques moins contraignantes).
3.3 MOYENS MIS EN OEUVRE
Les principales mesures actuellement faites de manière courante dans les tunnels sont les suivantes : 3.3.1 En déformation a) Convergence « relative » Classiquement la mesure du déplacement radial se fait par la mesure de convergence « relative » qui consiste en la mesure entre deux plots fixés à l’intrados de l’excavation de la variation de la longueur de la corde ainsi définie. La mesure de la convergence relative donne ainsi la somme des déplacements radiaux de chacun des points. Cette mesure peut être réalisée soit à la canne télescopique pour les petites galeries soit au moyen d’un distancemètre à fil invar (ou à ruban) ou par méthode optique pour les plus grandes sections.
Principe de mesures de convergences
b) Convergence « absolue » La mesure de la convergence dite absolue consiste à mesurer le déplacement radial d’un point situé à la paroi de l’excavation ou dans le terrain, par référence à un point supposé fixe plus en profondeur dans le massif. En section courante, cette mesure est facilement réalisée au moyen d’extensomètres de type : tritige ou Distofor, mis en place dans un forage d’une profondeur de l’ordre de 6 à 12 mètres. La mesure n’est véritablement absolue que si le point d’ancrage extrême de l’extensomètre est fixe. Au front il doit être fait appel à des techniques permettant de suivre la déformation du terrain en avant du front de taille. Il a notamment déjà été utilisé des extensomètres à tiges coulissantes, maintenues en service au fur et à mesure de l’élimination des tronçons successifs. Pour connaître les déplacements induits par le creusement au sein du massif encaissant il peut être installé en avant du front de taille et soit dans l’axe soit de manière déportée par rapport à cet axe, des inclinomètres et (ou) des tassomètres.
Extensomètre de forage
Matériel pour mesures inclinométriques
c) Tassements Les déformations de la surface du terrain (tassements) sont suivies soit par nivellement topographique, soit par nivellement topographique et mesures en profondeur au moyen de tassomètres. Des mesures de nivellement des soutènements (appui des cintres, des prévoûtes, …) peuvent également être effectuées.
Tassomètre principe
3.3.2 En contrainte
a) Pression exercée par le terrain Les pressions radiales exercées par le terrain sur le soutènement ou le revêtement sont mesurées au moyen de cellules de pression totale mises en place à l’interface terrain-soutènement (ou revêtement), par exemple. b) Mesure de contrainte Les mesures de contrainte dans le soutènement ou le revêtement se font le plus couramment au moyen de mesures extensomètriques de type : cordes vibrantes ou jauges électriques.
Quelques appareils de mesure
Cordes vibrantes
Pression totale
Pression interstitielle
3.3.3 En hydrogéologie
Le suivi hydrogéologique consiste en : -- d’une part la surveillance de l’évolution des débits d’eau à l’intérieur du tunnel, venues d’eau ponctuelles, drains, captages, exhaure générale, …etc. -- et d’autre part la surveillance des effets du creusement du tunnel sur l’environnement hydrogéologique réalisée au travers d’un suivi piézométrique en surface à partir de piézomètres ou de puits. Dans certains cas, des analyses d’eau sont utiles pour préciser la provenance des eaux ou l’existence de circulations d’eau susceptibles d’entrainer des dissolutions.
3.4 ACQUISITION ET EXPLOITATION DES DONNEES
Les capteurs de pression, les jauges de contraintes et les cordes vibrantes sont en général reliés à une centrale d’acquisition qui permet de réaliser des mesures avec une fréquence choisie par l’opérateur. La centrale est elle-même reliée à l’extérieur par l’intermédiaire d’un Modem et d’une ligne téléphonique dédiée permettant ainsi une exploitation à distance des résultats. Ce dernier dispositif n’est en général mis en place qu’à la fin du chantier pour un suivi de l’ouvrage dans le temps.
