Dossier pilote des tunnels, section 4 - Procédés de creusement et de sout&

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Unformatted text preview: MINISTRE DE L 'QUIPEMENT, DES TRANSPORTS ET DU LOGEMENT DIRECTION DES ROUTES dossier pilote des tunnels gnie civil section 4 procds de creusement et de soutnement Juillet 1998 CENTRE D'TUDES DES TUNNELS 25, AVENUE FRANOIS-MITTERRAND - CASE N1 - 69674 BRON CEDEX - FRANCE TEL : 04 72 14 34 00 - TELECOPIE : 04 72 14 34 30 I.S.B.N. 2-11-084743-3 SOMMAIRE Chapitre 1 Prambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 1.2 Importance de l'tude des procds de construction . . . . . . . . . . . 7 Importance du suivi des travaux .................................7 Chapitre 2 Choix du procd de construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 2.2 Processus de choix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Choix principaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.1 Tunnels au rocher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.2 Tunnels en terrain difficile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Chapitre 3 Auscultation pendant les travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1 Objectifs et contraintes de l'auscultation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1.2 Contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.2 Moyens mis en oeuvre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.1 En dformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.2 En contrainte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2.3 En hydrogologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.3 Acquisition et exploitation des donnes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Annexes 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 Tranches couvertes Tunnels immergs Creusement des puits et galeries-inclines Creusement pleine et demi-section Creusement en section divise Abattage l'explosif Etude et contrle des branlements lis l'utilisation des explosifs Machines attaque ponctuelle Machines foreuses pleine section (rocher) Soutnement traditionnel La nouvelle mthode autrichienne Creusement au bouclier mcanis Traitements de terrain Galeries-pilotes Pr-soutnement et soutnement du front de taille Chapitre 1 Prambule 1.1 - Importance de l'tude des procds de construction Les tudes de conception d'un projet de tunnel (cf. section 3 "Conception et dimensionnement") dbouchent sur la prconisation de procds de construction, prenant en compte l'ensemble des contraintes lies : au parti fonctionnel retenu, l'environnement de l'ouvrage, au terrain encaissant. Selon le problme pos, l'analyse de ces facteurs conduit limiter l'ventail des procds de construction possibles. Le recours tel ou tel procd de construction doit tre assorti de prcautions d'excution, souvent fondamentales et coteuses, qui ne peuvent tre dfinies sans tude pralable et quelquefois mme sans essais in situ en vraie grandeur (galeries d'essais, essais de traitement des terrains....). d'adapter la rdaction du march et en particulier la mthode de rglement l'ventualit de changements possibles de mthode. Mais il est encore plus efficient de choisir un procd de construction qui puisse s'adapter aux difficults supposes, si cela est possible. L'emploi d'une mthode inadapte qui choue, peut avoir de graves consquences sur les cots et les dlais. L'attention est particulirement attire sur une dfinition raliste des modalits et des phases d'excution, les innovations en la matire devant tre mrement penses avec des spcialistes expriments. Il est bon de rappeler ce sujet que les phases transitoires de travaux sont souvent les plus dangereuses pour la stabilit de la structure (abattages partir de galeries d'avancement, reprise en sous-oeuvre de la vote, stabilit des cules dans les sols avant mise en place d'un radier, etc.....). 1.2 - Importance du suivi des travaux Bien que les soutnements constituent des ouvrages provisoires, dont la responsabilit incombe l'entrepreneur jusqu' la ralisation du revtement dfinitif, le matre d'oeuvre ne peut pas se dsintresser des oprations d'excavation et de soutnement, qui conditionnent la scurit du chantier, le dimensionnement des structures dfinitives, les mouvements du terrain et le rglement des travaux.(1) D'autre part, il importe que le projeteur ait conscience que la construction des tunnels est sujette des alas qui peuvent influer quelquefois d'une faon importante sur les modalits d'excution en cours de travaux. D'o l'importance, au niveau du projet, d'envisager les alas possibles et d'en tudier les consquences. Mme s'il n'est pas possible ce stade de les localiser ou de les dfinir avec exactitude, il est indispensable (1) Le fascicule 69 du C.C.T.G. prvoit mme que le soutnement provisoire est soumis au visa pralable du Matre d'OEuvre (article 11). 7 Le matre d'oeuvre doit connatre, au fur et mesure de l'avancement, la nature du terrain et les soutnements mis en place. Le journal de chantier doit tre prcis et tenu au jour le jour. On peut se rfrer ce sujet au "guide du matre d'oeuvre pour la surveillance des travaux de Gnie Civil" publi par le CETU. Dans le mme ordre d'ide, il convient d'ajouter que l'observation incomplte des donnes gologiques en cours d'avancement, le dsordre et les ngligences d'excution peuvent, en dehors des incidences sur la scurit, avoir des effets considrables sur la qualit et l'conomie de l'ouvrage. Pour rendre la discussion entre l'entreprise et le matre d'oeuvre plus objective, il est vivement recommand de procder des mesures en place pour suivre l'volution du terrain et de l'ouvrage (voir chapitre 3 "Auscultation pendant les travaux" de la prsente section).(1) La valeur d'un procd de construction se juge, en dfinitive, la qualit de sa mise en oeuvre et de celle de l'ouvrage construit. Il doit tout la fois permettre de raliser l'ouvrage au meilleur cot et garantir sa prennit. (1) Les recommandations concernant l'auscultation des ouvrages souterrains (et notamment le rle des diffrents intervenants et les contrles de qualit) sont en cours de mise au point au sein de l'A.F.T.E.S. 8 Chapitre 2 Choix du procd de construction On trouvera dans les annexes de la prsente section une description succincte des procds de creusement et de soutnement ainsi que des indications sur leur domaine d'application et les prcautions prendre pour leur utilisation. 2.1 - Processus de choix Premire phase Le choix rsulte, en premire phase, d'un compromis entre les exigences : du terrain encaissant, du site et de l'environnement, de la gomtrie, du procd de construction lui-mme. Le processus de raisonnement qui en rsulte, procdant par approximations successives, doit aboutir, chaque stade, une apprciation du bilan conomique d'ensemble de l'investissement (y compris accs, expropriations, bilan de l'usager, etc...). Cette dmarche, plus ou moins dtaille selon la complexit du projet tudi, aboutit 2 ou 3 variantes techniques possibles. coteux); il est rappel ce sujet qu'en France l'htrognit des terrains est la rgle gnrale; la souplesse d'emploi (de faon s'adapter aux difficults souvent imprvisibles); la limitation des nuisances engendres sur l'environnement en site urbain notamment. Troisime phase Ultrieurement, lors de la consultation des entreprises et du choix dfinitif, interviennent de nouveaux critres lis la conjoncture, la technicit propre des entreprises, l'conomie du projet, etc... conjoncture conomique gnrale et importance du lot de travaux proposs, niveau technique des entreprises concurrentes (personnels spcialiss, matriels disponibles, exprience acquise...), insertion du dlai global du chantier de tunnel dans le planning gnral d'excution, cot de la solution et alas correspondants. En matire de travaux souterrains, la procdure de consultation doit conserver une certaine souplesse, la solution propose par le matre d'oeuvre tant rarement la seule possible. Il est souhaitable dans certains cas, d'autoriser les soumissionnaires prsenter des variantes d'excution utilisant des mthodes particulires dont ils ont l'exprience ou des matriels dtermins en leur possession. Afin d'assurer une certaine homognit technique des diffrentes propositions, il est en gnral ncessaire pour le matre d'oeuvre de limiter dans le dossier de consultation, le champ de 9 Deuxime phase La rgle est alors en priorit l'tude de ceux, parmi ces 2 ou 3 procds de construction, qui assurent le mieux possible et dans un ordre dcroissant d'importance : la scurit de l'ouvrage, pendant et aprs sa construction; une uniformit de mthode sur toute la longueur de l'ouvrage (car les changements ncessitant l'amene de nouveaux matriels sont toujours longs et variation possible des caractristiques de l'ouvrage dont certaines ont t fixes ne varietur ds l'origine du projet pour des raisons administratives ou techniques. En zone urbaine par exemple, le matre d'oeuvre doit dfinir avec prcision les dsordres tolrables en fonction de l'environnement local, les concurrents devant justifier que chacune de leur variante apporte la mme scurit. Ceci suppose donc que les solutions possibles aient t apprhendes avec suffisamment de prcision pendant les tudes afin de permettre au matre d'oeuvre de juger de l'importance des dpenses supplmentaires que les propositions des soumissionnaires sont susceptibles de ncessiter en cours de travaux et finalement d'une faon globale de leur validit. L'tude dtaille des diffrentes solutions proposes (procd d'excution et organisation du chantier) incombe chaque entreprise. C'est ainsi que la qualit des offres des entreprises et finalement l'conomie finale de l'ouvrage, le respect de la scurit et des dlais d'excution sont directement fonction de la qualit des tudes fournies par l'administration, et du dlai laiss aux entreprises pour tablir leur proposition. Toutefois, les matriels modernes, qui permettent de travailler rapidement sur une grande hauteur, tendent le nombre des chantiers attaqus en pleine section. On rappelle d'autre part que l'une des conclusions de la phase de conception est l'tablissement de profilstypes de soutnement (cf. section 3 "Conception et dimensionnement"). Deux dmarches sont possibles : - le choix d'une gamme de profils-types couvrant les diffrentes situations susceptibles d'tre rencontres : il appartient alors l'entrepreneur de soumettre en temps opportun au visa du matre d'oeuvre le soutnement provisoire qu'il se propose d'employer en justifiant son adaptation aux terrains rencontrs ; cette solution est conforme au fascicule n 69 du C.C.T.G. - le choix d'adapter le profil de soutnement (paisseur de bton projet, longueur des boulons....) en fonction des constatations et mesures faites sur l'ouvrage, au fur et mesure de l'avancement - comme le prconise la nouvelle mthode autrichienne (cf annexe 4.11). Rien n'interdit d'avoir recours cette deuxime mthode en introduisant bien sr dans le march les clauses ncessaires. Si l'on adopte la premire solution, il faut veiller ce que cela ne conduise pas maintenir des soutnements inadapts en cas de changement des caractristiques du terrain. Le recours des mesures en place, pour suivre l'volution du terrain et de l'ouvrage, est trs souvent recommand (cf. article 8 du fascicule 69 du C.C.T.G). 2.2 - Choix principaux On met en relation ci-aprs certaines des caractristiques principales des procds de construction prsents en annexe, de faon faire ressortir les choix principaux auxquels est confront le projeteur. 2.2.1.2 - Mthode d'excavation Le choix est faire entre : 2.2.1 - Tunnels au rocher On traite ici des tunnels creuss dans un rocher suffisamment sain pour ne pas avoir recours un pr-soutnement ou un soutnement du front de taille. a) Abattage l'explosif (cf. annexe 4-6) Technique d'abattage la plus utilise dans les roches en pleine et demi-section. Le plan de tir doit tre adapt pour limiter l'effet des tirs sur le terrain encaissant et assurer un dcoupage soign de la section. Des prcautions doivent parfois tre prises pour limiter les effets des branlements sur les structures existantes (environnement urbain en particulier). (cf. annexe 4.7). 2.2.1.1 - Creusement en pleine ou demi-section et procd de soutnement Gnralement le choix du creusement en pleine ou demi-section (cf annexe 4.4) est command par la qualit du terrain : - le creusement en pleine section est bien adapt aux terrains homognes, ne ncessitant pas l'utilisation d'un autre soutnement que le boulonnage et le bton projet ; - le recours la demi-section se justifie lorsqu'il est ncessaire de mettre en place rapidement un soutnement plus important, par cintres et blindage notamment. 10 b) Abattage par machine attaque ponctuelle (cf. annexe 4.8) Technique d'abattage n'entranant pas d'branlement dans l'environnement et prfrable l'explosif, dans certains cas. Utilisation limite par les caractristiques de rsistance du terrain encaissant. Pour ce qui concerne l'tude de forabilit, on peut se reporter la section 2 "Gologie- Hydrogologie Gotechnique". On peut aussi, dans certains cas, avoir recours l'utilisation de pelles et brise-roches. 2.2.2.2 - Emploi d'un bouclier front pressuris (cf. annexe 4.12) La dcision de recourir l'utilisation d'un bouclier front pressuris rsulte de multiples facteurs. Compte tenu de son cot et du dlai de construction de la machine, ce type de solution n'est justifi que pour les ouvrages de longueur assez importante (en gnral plus de 1 km), particulirement pour ce qui concerne les tunnels routiers qui ncessitent des machines d'au moins 10 11 mtres de diamtre. Le creusement au tunnelier doit, le cas chant, tre mis en balance avec un creusement squentiel ayant recours des procds de pr-soutnement ou d'amlioration du terrain. Il ne faut pas oublier que la forme circulaire et le type de revtement dfinitif peuvent induire des contraintes particulires (cf section 6 "Gnie Civil de second oeuvre"). Des lments concernant les tudes spcifiques raliser en cas d'utilisation d'un bouclier sont donns en section 2 "Gologie - Hydrogologie - Gotechnique". c) Excavation par machine foreuse pleine section (cf. annexe 4.9) Bien adapte actuellement aux petites et grandes sections en terrain tendre moyennement dur (Rc < 120 MPa gnralement). Bien adapte aux zones urbaines et aux ouvrages longs. Difficults en cas de rencontre d'un accident ou en terrains htrognes. L'incidence d'un tel choix sur le profil en travers du tunnel doit tre prise en compte suffisamment en amont des tudes. 2.2.2 - Tunnels en terrain difficile 2.2.2.1 - Amlioration du terrain et prsoutnement (cf. annexes 4.13 et 4.15) Le projeteur dispose maintenant d'une large gamme de procds permettant d'amliorer les caractristiques ou l'tat de contrainte du terrain. Ces procds sont compars dans le tableau ci-dessous, eu gard aux sept critres suivants : (1) domaine d'utilisation faisabilit souplesse d'utilisation facilit d'excution cadence de travail contrle prennit (1) on peut se rfrer galement l'article suivant : Soil and rock reinforcements in tunneling PELIZZA S., PEILA D. (Tunneling and Underground Space Technology. Vol 8, n 3 - 1993) 11 Amlioration du terrain et pr-soutnement Procds Faisabilit leve moyenne grande moyenne grande faible ( raliser normalement l'avance) moyenne possible difficile leve difficile Domaine d'utilisation Contrle variable Souplesse d'utilisation Facilit d'excution Cadence de travail Prennit Drainage terrains aliments en eau moyenne leve Injection terrains sableux ou fracturs moyenne leve (essais ncessaires) pas toujours bien connue Conglation sols saturs moyenne faible difficile possible difficile possible intervention temporaire intervention temporaire terrains varis leve grande 12 Renforcement du front par boulonnage leve (souvent associ d'autres procds) faible (machine prdtermine) leve moyenne grande moyenne difficile moyenne leve (en alternance avec l'excavation) Prvote ralise par pr-dcoupage terrains tendres avec cohsion moyenne leve (tenue de la saigne vrifier) moyenne (en alternance avec l'excavation) moyenne leve (en alternance avec l'excavation) moyenne en alternance avec l'excavation) possible grande Vote parapluie sols varis, terrains htrognes moyenne leve (appui des cintres vrifier) moyenne leve (possibilit de renforcement des colonnes) leve possible mal connue (corrosion, volution du terrain) difficile grande Vote en jet-grouting sols varis (difficile si blocs ou argile) moyenne (rsultats pas toujours facile prvoir) moyenne difficile Anneau de terrain renforc (boulonnage, injections) terrains varis leve grande faible si mise en oeuvre l'avancement (sans galerie pilote) possible mal connue Chapitre 3 Auscultation pendant les travaux 3.1 - Objectifs et contraintes de l'auscultation 3.1.1 - Objectifs Les objectifs de l'auscultation pendant les travaux sont de plusieurs types. d) Amlioration des prdictions La synthse de l'ensemble des donnes et la prise en compte des valeurs des diffrents paramtres mesurs in situ , permettent de corriger autant que ncessaire le calage initial du modle retenu lors du projet et d'amliorer trs nettement l'exactitude des prdictions en rajustant le modle sur les travaux dj raliss. En particulier, en milieu urbain, la prdiction des tassements de surface constitue gnralement un objectif essentiel, qui oblige avoir recours des mesures en avant du front de taille. a) Scurit immdiate Tout d'abord, l'avancement les rsultats de cette auscultation permettent (thoriquement) de connatre tout instant l'tat de stabilit de l'excavation et d'alerter le cas chant sur la ncessit de procder la mise en oeuvre de techniques ou mthodes aptes assurer la mise en scurit du chantier, voire en situation extrme l 'vacuation de la zone de front. 3.1.2 - Contraintes Pour atteindre les objectifs voqus ci-dessus, l'organisation du schma d'auscultation doit respecter certaines contraintes telles que : a) Permettre un dpouillement et une exploitation rapides En effet pour tre en mesure d'alerter, il convient que les rsultats des mesures soient disponibles et exploitables quasi immdiatement la lecture ou la saisie de la donne et surtout qu'ils ne dpendent pas d'un traitement long et excut hors du site. Toutefois cette exigence de rapidit est plus ou moins forte selon la nature de la mesure effectue et sa pertinence dans l'analyse immdiate de la stabilit de l'excavation. b) Vrification du soutnement De manire moins immdiate le suivi des rsultats de l'auscultation en fonction de l'loignement du front (principalement par le suivi de la convergence relative) permet de juger de la bonne adquation du soutnement mis en place aux exigences de dformation prvues dans le projet et par suite des besoins d'adaptation de ce soutnement aussi bien vers un allgement que vers un renforcement. c) Comportement rel du terrain Les rsultats de l'auscultation permettent galement d'apprhender le comportement rel du massif autour de l'excavation et si ncessaire de modifier les valeurs de paramtres prises en compte dans le cadre de l'laboration du projet. 13 b) Comporter des matriels adapts aux conditions de chantier Les conditions rgnant dans la zone du front de taille et sur la trentaine de mtres qui suit ce front constituent un environnement agressif : humidit, poussire, obscurit, volution d'engins lourds et trs encombrants,...etc. Aussi les dispositifs d'instrumentation mis en place dans cette zone doivent-ils avoir t conus pour fonctionner longtemps dans ces conditions tout en conservant leurs qualits de prcision et de fiabilit. - mesure du dplacement radial absolu en paroi et dans le terrain (convergence "absolue"), - tassements et inclinomtrie. c) Ne pas gner l'avancement Bien videmment l'auscultation visant apporter une aide la dcision quant au pilotage du chantier et aux adaptations apporter aux mthodes, ne doit pas par ailleurs constituer un handicap pour la progression de l'avancement et une gne pour l'excution des tches au front. Une telle exigence conduit prconiser des systmes de mesure ne ncessitant pas d'arrt de l'avancement soit grce des interventions durant des temps morts de l'activit au front (changement de poste par exemple), soit grce un matriel adapt (actuellement les mesures de convergence par topographie remplacent de plus en plus les mesures au distancemtre au fil invar qui ncessitaient de librer totalement le tunnel). b) En contrainte - pression exerce par le terrain sur le soutnement, - pression exerce par le soutnement sur le revtement, - contraintes dans le soutnement (boulons, cintres, bton projet), - contraintes dans le revtement (bton coffr). c) En hydrogologie - suivi de l'volution des dbits d'eau, - mesure de la pizomtrie en continu. Pour la plus grande partie, ces mesures sont effectues depuis l'intrieur du tunnel (convergence "relative", convergence "absolue", cellules de pression totale, extensomtres corde vibrante, suivi des dbits des venues d'eau,...etc) ; mais parfois l'auscultation ne peut tre ralise que depuis la surface comme c'est le cas par exemple pour le suivi des dformations de surface (tassements) par nivellement et (ou) tassomtres ou pour le suivi des pizomtres. 3.2 - Moyens mis en oeuvre Les principales mesures actuellement faites de manire courante dans les tunnels sont les suivantes : 3.2.1 - En dformation a) Convergence "relative" (figure 3.1) Classiquement la mesure du dplacement radial se fait par la mesure de convergence "relative" qui consiste en la mesure entre deux plots fixs l'intrados de l'excavation de la variation de la longueur de la corde ainsi dfinie, la mesure de la convergence relative donne ainsi la somme des dplacements radiaux de chacun des points. a) En dformation - mesure du dplacement radial relatif en paroi (convergence "relative"), distancemtre 3 Temps (jours) 1/2 suprieure 2 1 1/2 infrieure 4 5 C (mm) Dbut du creusement de la demi-section infrieure Corde 3-2 Corde 3-4 Corde 2-4 Corde 1-5 v Fig. 3.1a v Fig. 3.1b Profil de mesures de convergence 14 Courbes de convergence Cette mesure peut tre ralise soit la canne tlescopique pour les petites galeries soit au moyen d'un distance mtre fil invar ou ruban ou par mthode optique pour les plus grandes sections. c) Tassements Les dformations de la surface du terrain (tassements) sont suivies soit par nivellement topographique, soit par nivellement topographique et mesures en profondeur au moyen de tassomtres. Des mesures de nivellement des soutnements (appui des cintres, des prvotes, ...) peuvent galement tre effectues. b) Convergence "absolue" La mesure de la convergence dite absolue consiste mesurer le dplacement radial d'un point situ la paroi de l'excavation ou dans le terrain, par rfrence un point suppos fixe plus en profondeur dans le massif. Cette mesure est facilement ralise en section courante au moyen d'extensomtres de type : tritige ou distofor, mis en place dans un forage d'une profondeur de l'ordre de 6 12 mtres (figure 3.2). La mesure n'est vritablement absolue que si le point d'ancrage extrme de l'extensomtre est fixe. Au front il doit tre fait appel des techniques permettant de suivre la dformation du terrain en avant du front de taille en dpit de la progression vers l'avant de ce front. Il a notamment dj t utilis des extensomtres tiges coulissantes, maintenues en service au fur et mesure de l'limination des tronons successifs. Le recours des extensomtres fibre optique fait l'objet de recherches. Des progrs sont faire pour pouvoir gnraliser ce type de mesure sans gne importante pour le chantier. 3.2.2 - En contrainte a) Pression exerce par le terrain Les pressions radiales exerces par le terrain sur le soutnement ou le revtement sont mesures au moyen de cellules de pression totale mises en place l'interface terrain-soutnement (ou revtement), le suivi des mesures se faisant partir d'un botier implant dans une niche de scurit par exemple. Il convient de rappeler que ce type de mesure est difficile raliser. Pour juger de la dispersion des rsultats et pouvoir s'affranchir des effets locaux, il est ncessaire de mettre en place un nombre suffisant de cellules. Avec la convergence absolue on peut galement voquer la mesure de dformations proximit du tunnel Les mesures de contrainte dans le soutnement ou le et en fonction de la progression du front de taille. revtement se font le plus couramment au moyen de Ainsi pour connatre les dplacements induits par le mesures extensomtriques de type : cordes vibrantes creusement au sein du massif encaissant il peut tre ou jauges lectriques. install en avant du front de taille et soit dans l'axe soit de manire dporte par EX : extensomtre rapport cet axe, des inclinomtres et (ou) I : inclinomtre des tassomtres (figure 3.3). b) Mesure de contrainte Extensomtre v Fig. 3.2 v Fig. 3.3 Profil de mesures extensomtriques dans le terrain 15 Exemple d'instrumentation depuis la surface 3.2.3 - En hydrogologie Le suivi hydrogologique consiste en : - d'une part la surveillance de l'volution des dbits d'eau l'intrieur du tunnel, venues d'eau ponctuelles, drains, captages, exhaure gnrale, ...etc, - et d'autre part la surveillance des effets du creusement du tunnel sur l'environnement hydrogologique ralise au travers d'un suivi pizomtrique en surface partir de pizomtres ou de puits, - dans certains cas, des analyses d'eau sont utiles pour prciser la provenance des eaux ou l'existence de circulation d'eau susceptibles d'entraner des dissolutions. 3.3 - Acquisition et exploitation des donnes Les techniques actuellement disponibles en ce qui concerne l'acquisition des donnes (capteurs, scrutation automatique...), leur transmission et leur dpouillement doivent tre mises profit pour faire de l'auscultation un lment essentiel de la conduite des chantiers en terrain difficile. On peut se rfrer notamment aux publications du projet national ITELOS : Tlsurveillance des ouvrages d'art et des sites, Guide mthodologique (de la surveillance la tlsurveillance) (Editions KIRK, 1994). 16 1 - Tranches couvertes 1.1 - Description Lorsque le profil en long d'un projet de tunnel fait apparatre une faible couverture au-dessus de la vote (en gnral infrieure un diamtre), il peut tre conomique de raliser l'excavation en tranche couverte, condition que le site de surface soit libre de toute construction ou difice ou d'autres contraintes dues l'environnement. La couverture de la tranche pendant les travaux permet de rduire la gne pour l'environnement et de rtablir les possibilits de circulation en surface. En site urbain, en prsence d'une nappe phratique (cas frquent) cette mthode permet de limiter la profondeur de fouille 6 ou 7 mtres et d'viter le plus souvent les terrassements dans l'eau. Elle conduit le plus souvent un profil de tunnel rectangulaire. Cependant on peut adopter un profil vot afin par exemple d'assurer la continuit d'un ouvrage construit partie en tranche couverte, partie en tunnel creus, ou pour supporter un poids de terre significatif. Mais, dans ce cas, le cot de la tranche couverte peut atteindre ou dpasser celui d'un tunnel creus et elle peut perdre de son intrt. 1.1.1 - Types de structures Les principaux profils rencontrs sont les suivants (figure 4.1.1) : 1 - PIPO - Portique simple POD - Portique ouvert double 2 - PICF - Cadre ferm 3 - Portique avec dalle encastre sur pidroits 4 - Murs porteurs et dalle de couverture v Fig. 4.1.1 5 - Portique avec radier en appui simple ou encastr sur pidroits Types de structures de tranches couvertes 3 Cadre auto-portant en bton arm Cette structure convient bien dans le cas o l'ouvrage se trouve entirement dans la nappe. Elle peut s'imposer si la construction d'un ouvrage un niveau infrieur est envisage dans le futur. vant crer les joints), - d'assurer la stabilit des terrains en tte de tranche. 2 - Perforation, qui se fait l'aide de bennes de diffrents types (bennes cbles, bennes Kelly). Les largeurs usuelles vont de 0,5 1 m, la profondeur atteinte pouvant tre de 20 30 mtres, parfois davantage. Cette perforation peut se faire sec en conditions favorables, mais le plus souvent sous charge de boue bentonitique, afin d'assurer la stabilit de la tranche. 3 - Descente de la cage d'armature, en un ou plusieurs lments. 4 - Btonnage au tube plongeur. La paroi est gnralement ralise par la technique des panneaux alterns : - creusement, ferraillage, puis btonnage des panneaux d'ordre impair, avec mise en oeuvre de tubes joints, - arrachage de tubes joints, creusement, ferraillage et btonnage des panneaux d'ordre pair. Si la paroi moule est intgre dans la structure dfinitive, elle aura un rle porteur. Le calcul de stabilit sous charge verticale peut conclure une fiche suprieure celle ncessite par la fonction de soutnement. Plutt que de prvoir un approfondissement gnralis de la paroi, on peut alors raliser des parois "jambes de pantalons" constitues de panneaux de profondeur variable. Cette technique permet galement dans certains cas de rduire l'effet de barrage cr par l'ouvrage dans une nappe aquifre. Suivant la hauteur et l'encombrement admissible pour la ralisation de l'ouvrage dfinitif, les parois peuvent, si ncessaire, tre ancres ou butonnes. Section en auge avec dalle de couverture Ce profil peut tre choisi si l'ouvrage est atteint par la nappe sans qu'il y ait submersion. Il est couramment adopt lorsque le soutnement est provisoire (palplanches) ou lorsqu'il ne participe pas directement la stabilit de l'ouvrage (mthode berlinoise par exemple). Portique en bton arm ou en bton prcontraint Gnralement utilise lorsque l'ouvrage est entirement au-dessus de la nappe, il est nanmoins possible d'adopter cette structure en prsence d'eau, condition de pouvoir raliser une bote tanche constitue par des parois longitudinales et transversales s'appuyant sur un substratum impermable. Murs porteurs avec dalle de couverture Cette solution qui s'apparente la prcdente est d'une plus grande souplesse l'excution mais ncessite des joints supplmentaires. 1.1.2 - Soutnement des fouilles En ville, l'espace restreint pour le passage des souterrains ou tranches faible profondeur oblige raliser des talus verticaux en terrain souvent meuble. Diffrents procds de ralisation de ces murs de talus peuvent tre utiliss ou toute combinaison d'entre eux. Les descriptions qui en sont donnes ci-aprs sont trs succinctes. On se reportera aux ouvrages spcialiss pour ce qui concerne les problmes lis aux difficults techniques voques et notamment leur capacit matriser les dformations du terrain. 1.1.2.2 - Parois prfabriques Les avantages de la prfabrication ont t mis profit dans cette technologie qui drive de celle des parois moules. Les phases de construction d'une paroi prfabrique sont alors : 1 - Ralisation des murettes guides : elles doivent permettre une mise en place prcise des lments prfabriqus. 2 - Perforation avec les mmes matriels que ceux utiliss pour des parois moules classiques. La perforation se fait avec une boue bentonitique qui est ensuite remplace par un coulis base de ciment. Une variante consiste forer directement en utilisant un coulis boue-ciment ou coulis autodurcissant, dont le durcissement est retard par l'ajout de divers additifs. 4 1.1.2.1 - Parois moules La paroi moule assure simultanment les fonctions de soutnement et d'tanchit latrale en phase de travaux. Les phases de construction sont les suivantes : 1 - Ralisation depuis la plateforme de travail d'une prsaigne ou de "murettes guides" qui ont pour fonction : - de matrialiser l'implantation, - de favoriser le guidage des matriels de foration, - de servir d'appui pour les manoeuvres (tubes ser- 3 - Descente et positionnement des panneaux prfabriqus dans la tranche. Des dispositifs de guidage permettent d'obtenir un bon alignement des panneaux et de mettre en oeuvre des joints d'tanchit (waterstop). La paroi prfabrique prsente divers avantages par rapport la paroi moule classique : - contrle de qualit de la paroi plus ais, - meilleure rsistance du bton ce qui permet, moment de flexion gal, d'avoir des paisseurs moindres (une paroi prfabrique de 0,35 m a sensiblement les mmes performances qu'une paroi moule de 0,60 m), - meilleur aspect des surfaces (suppression du ragrage et du recpage), - possibilits d'obtention d'une bonne tanchit, avec cependant des difficults au niveau des joints entre lments. La paroi prfabrique est bien approprie la ralisation de tranches couvertes par la technique du terrassement en souterrain : raccordement ais de la dalle de couverture sur des aciers en attente, rservation dans les panneaux au niveau des radiers. Certains panneaux peuvent comporter des niches intgres. On doit cependant souligner les limitations du procd : - le cot lev d'une centrale de prfabrication ne peut tre amorti que par un linaire important de parois, - les dimensions des panneaux sont limites par leur poids (environ 400 kN avec les matriels de levage actuel). Cela restreint les possibilits d'utilisation pour des tranches profondes. Les conditions de ralisation d'un encastrement des dalles de couvertures sur les pidroits sont plus dlicats raliser que dans une technique de paroi. 1.1.2.4 - Parois berlinoises et techniques drives Cette technique de ralisation de soutnement provisoire consiste mettre en place dans le terrain des profils verticaux gnralement mtalliques espacs de 2 4 mtres les uns des autres puis terrasser en blindant au fur et mesure le parement de la fouille au moyen de plaques s'appuyant sur ces profils. Gnralement les profils sont descendus dans des forages et scells dans du bton sur leur hauteur situe sous le fond de fouille futur. Le blindage est constitu de planches en madriers, de dalles en bton ou de bton projet. Les conditions d'emploi de la mthode sont : - pas d'eau ou peu d'eau et sol stable aux coulements, - terrain non boulant. Ds que la hauteur du soutnement dpasse plusieurs mtres, les profils doivent tre ancrs par un ou plusieurs lits de tirants. Il existe diverses variantes de cette technique, notamment la paroi "parisienne" dans laquelle le profil est un poteau prfabriqu en bton avec des armatures en attente qui peuvent tre ultrieurement dployes et liaisonnes au blindage. On peut ainsi raliser une paroi caractre permanent. 1.1.2.5 - Soutnement par clouage (figure 4.1.2) 1.1.2.3 - Rideaux de palplanches Les rideaux de palplanches sont utiliss en soutnement provisoire ou permanent. Cette technique est applicable dans tous les terrains meubles. Ces rideaux sont autostables pour une hauteur de terre soutenir de 3 4 mtres. Au del ils doivent tre ancrs ou butonns. L'un des avantages de cette technique est la rapidit d'excution. Par contre leur utilisation peut poser des problmes particuliers en site urbain en raison des nuisances cres par le fonage proximit d'habitations : - nuisances sonores, plus importantes avec les techniques de battage qu'avec celles de fonage, - nuisances lies aux vibrations transmises par le sol, variables selon les sites. Il est recommand de respecter une distance de 3 mtres entre le rideau battre et les faades des immeubles. Pour des ouvrages permanents, des prcautions sont prendre vis--vis des altrations par corrosion (surpaisseur d'acier, revtements bitumineux, peintures...). 5 parement en bton projet phase de terrassement clous scells barres mtalliques v Fig. 4.1.2 Coupe transversale de paroi cloue et phasage de construction La technique du clouage permet la ralisation d'excavations parement vertical ou inclin, stabilises par la mise en place d'armatures subhorizontales places dans le massif au fur et mesure du terrassement. Le domaine d'emploi est peu prs le mme que celui des parois berlinoises, il s'agit donc dans la majorit des cas de soutnements provisoires. La construction d'une paroi cloue s'effectue par tranches successives comportant trois phases : - le terrassement du sol sur une hauteur gnralement comprise entre 1 et 2 mtres, - la ralisation d'une "peau" en parement le plus souvent constitue de bton projet, - la mise en oeuvre des clous, soit par scellement de barres dans des forages, soit par battage ou vibrofonage de profils mtalliques. La technique est applicable dans la plupart des terrains, condition qu'ils soient situs hors nappe (ou ventuellement drains) et non boulants. Elle est cependant viter dans les argiles en raison des faibles valeurs du frottement latral sol-clou dans ces terrains. Selon la technique utilise (forage ou battage) et la nature de sol, les longueurs et densit de clous sont variables : longueur comprise entre 0,6 et 1,2 H (H : hauteur du soutnement), de 2 clous par mtre carr de parement 1 clou pour 6 mtres carrs. Un avantage de cette technique est le faible encombrement de chantier, ce qui permet une progression parallle du soutnement et des travaux de terrassements gnraux. Il faut naturellement disposer des emprises ncessaires la mise en place des clous, ce qui peut rduire les possibilits d'emploi en site urbain. 1.1.4 - Principaux lments de l'ouvrage 1.1.4.1 - Radier Un radier est souvent ncessaire mme si l'ouvrage est au-dessus de la nappe lorsque des tassements diffrentiels ou des gonflements sont craindre. Il est ordinairement excut en bton arm et calcul selon les cas : - pour servir de lest l'ouvrage et rsister aux souspressions de la nappe lorsque l'ouvrage est situ dans l'eau ; - pour supporter l'ensemble de l'ouvrage (cas d'un profil cadre, d'une section en auge) ; - comme une poutre prenant appui sur des fondations profondes (cas de fondations sur pieux, sur parois moules). Si l'ouvrage doit satisfaire plusieurs de ces conditions de calcul, son paisseur peut devenir trs importante (jusqu' 1,50 m et plus). 1.1.4.2 - Pidroits Dans certains cas, les murs de pidroits sont obligatoires (fouilles blindes, pieux fors, mthode berlinoise, etc...). Pour les palplanches, un bardage en bton peut tre mis en oeuvre. Pour les parois moules, un ragrage est suffisant. Mais dans ces deux derniers cas, il est aussi possible de construire un mur de pidroit l'intrieur des parois de soutnement. 1.1.4.3 - Dalle de couverture Elle est en bton arm ou en bton prcontraint. Suivant les charges et la porte, c'est une dalle paisseur constante (alvole ou non) ou une dalle nervure. 1.1.2.6 - Autres mthodes L'ancienne mthode de fouille blinde est d'un emploi limit des chantiers de peu d'importance, Les pieux fors, jointifs ou scants, peuvent tre raliss mme si le substratum est trs rsistant, Le jet grouting a parfois t utilis, les techniques d'injection, voire de conglation sont un complment intressant. 1.1.4.4 - Paroi mdiane (cas d'un ouvrage chausses spares) Elle peut tre conue : - en lments continus : paroi moule continue, simple mur intermdiaire d'une section en auge, etc... - en lments discontinus mouls sur place ou prfabriqus : paroi moule discontinue, poteaux s'appuyant sur pieux de grand diamtre, etc... Dans ce dernier cas, il peut tre intressant d'effectuer ensuite un simple remplissage entre lments pour obtenir une sparation totale des deux sens de circulation qui permet de bnficier du plein effet de pistonnement des vhicules et qui peut apporter des conomies importantes sur le poste "ventilation". 6 1.1.3 - Terrassements Le choix de la mthode de terrassement se fonde essentiellement sur la ncessit -ou non- de maintenir, en site urbain, les possibilits de circulation de surface. Selon les cas le terrassement peut se faire : - ciel ouvert entre les deux parois de soutnement pralablement ralises, - en souterrain aprs avoir ralis d'abord les pidroits puis la dalle de couverture. 1.1.4.5- Etanchit Lorsque les parois latrales n'ont qu'une fonction de soutnement provisoire, on peut raliser dans de bonnes conditions l'tanchit du cadre en bton arm plac l'intrieur. On se reportera au chapitre 5 "Etanchit et revtement" du dossier pilote pour la description des solutions envisageables. Lorsque les parois de soutnement sont intgres la structure, l'tanchit est gnralement de type intrieur (intrados). L'tanchit entre panneaux prfabriqus est assure par des joints en noprne introduits lors de la pose dans des rservations prvues dans les chants verticaux des panneaux et qui peuvent tre ensuite injects de coulis (dispositif de joint tanche gonflable). On peut par ailleurs assurer l'tanchit du cadre soit par un systme intrieur base de rsine, soit par des feuilles PCV places sous les radiers et raccordes aux pidroits selon des dispositions technologiques particulires. Dans le cas d'une vote en bton, l'tanchit est supporte par l'extrados, avant remblaiement. 1.2 - Domaine d'application 1.2.1 - Qualit du terrain encaissant - Caractres des diverses mthodes de soutnement Le tableau ci-aprs rcapitule les diffrents procds de soutnement de fouilles en prcisant les terrains qui leur sont favorables, les principaux caractres des mthodes ainsi que les modes de fondations qu'elles supposent. En rgle gnrale, ces mthodes peuvent tre envisages avec un rabattement de nappe lorsqu'il est ncessaire. Dans le cas de rideaux de palplanches ou de parois moules on peut avoir intrt ficher leur pied dans un niveau impermable lorsqu'il existe une profondeur conomique. Si le terrain permable rgne jusqu' grande profondeur, le recours un sous-radier inject peut tre ncessaire pour limiter le pompage (figure 4.1.3). remblais buton mtallique provisoire nappe nappe Ralisation d'un cadre ferm en terrain aquifre avec soutnement provisoire et radier inject 7 ,,, ,,, tanchit sandwich cadre termin A3 paroi de soutnement provisoire (paroi moule, paroi prfabrique) radier inject v Fig. 4.1.3 alluvions permables molasse 1.2.2 - Environnement Les tranches couvertes sont essentiellement ralises en zone urbaine et supposent un site de surface libre de toute construction. Ainsi, dans le coeur des villes, l'implantation de telles tranches couvertes estelle limite strictement au trfonds de la voirie de surface. La conservation de sites pittoresques peut, en rase campagne, imposer de recouvrir certaines parties d'ouvrages. Dans certains cas, l'incidence des tranches couvertes par rapport l'coulement des nappes souterraines doit tre prise en compte. Pour limiter les impacts du chantier en milieu urbain, il est parfois procd au coulage de la dalle suprieure ds achvement des parois moules, le creusement tant ensuite ralis en sous-oeuvre. circulations de surface oblige, de plus, effectuer les travaux avec promptitude et prvoir des ouvrages provisoires onreux. D'autres difficults peuvent surgir lors de la construction des murs de soutnement, notamment en cas de rencontre d'obstacles souterrains (rseaux non reprs, anciennes constructions, fontis...). Il y a intrt, en la matire, tout mettre en oeuvre pour amliorer l'exactitude des plans des rseaux souterrains existants. Leur dplacement est une lourde sujtion. Les dlais d'excution des soutnements de talus verticaux varient rapidement selon l'importance des moyens de chantier mis en oeuvre et la rsistance des terrains rencontrs. Le nombre d'attaques peut tre limit par des considrations d'environnement et de parc matriel. Pour ces raisons, la solution souterraine en tunnel reste comptitive, car elle permet ( condition que soient prises les prcautions ncessaires de traitement des sols et de stabilit des immeubles) de s'affranchir des problmes de surface et d'adopter des tracs en plan beaucoup plus souples et directs. Cela est encore plus vrai depuis le dveloppement du bouclier confinement qui permet de passer dans des terrains extrmement difficiles (boulants et aquifres) des profondeurs importantes. Le recours aux tranches couvertes proximit d'habitations n'limine pas totalement les risques d'affaissements et suppose en consquence que soient prises toutes prcautions cet gard (rigidit suffisante du soutnement de fouille, reprise en sous-oeuvre des fondations d'immeubles, traitement des terrains...). 1.3 - Prcautions d'emploi et performances La principale difficult provient plutt du site que du procd. En zone urbaine, les oprations d'implantation des installations, d'vacuation des dblais et de btonnage sont toujours compliques. Le maintien des 8 Mthode de soutnement Avantages - mthode d'intervention en emprises limites - dlais importants - comparer le cot du soutnement provisoire + cadre intrieur avec celui de parois intgres dans la structure. - mthode souple, trs frquente en site urbain, - peu coteuse - pas de limitation de profondeur (possibilit de plusieurs niveaux de butonnage ou d'ancrage) - sert de coffrage pour le cadre intrieur - mthode souple, mise en oeuvre simultanment au terrassement + matriel lger. - peu coteuse en terrain favorable - ncessit d'emprises disponibles Domaines d'emploi Inconvnients - terrains hors nappe non boulants - terrains meubles ou durs compatibles avec des techniques de forage de pieux - terrains secs ou pouvant tre drains facilement - Nature de terrains - Conditions hydrauliques Fouilles blindes butonnes - ralisation des pidroits - petits ouvrages Parois Berlinoises - soutnement provisoire des fouilles Parois cloues - soutnement provisoire - terrains meubles non boulants ou roche tendre. - viter dans les argiles. - terrain hors nappe ou pouvant tre drain. - terrains meubles - pas de dcompression des terrains - cran semi-tanche. 9 Rideaux de palplanches - soutnement provisoire ou permanent - nuisances pour les riverains (bruit vibrations) - limitations de battage : terrain dur vestiges d'ouvrages souterrains. - en rgle gnrale palplanches non rcuprables. - ncessite une plateforme de travail horizontale - matriel lourd - raccordement des radiers - ne permet pas une tanchit extrieure. Parois moules - soutnement permanent - adaptable tous les terrains sauf rocher, - possibilit de travailler dans la nappe - pas de dcompression des terrains, pas de limitation en profondeur. - possibilit d'intgrer le soutnement dans la structure dfinitive permet de raliser la couverture avant les gros travaux. - larges possibilits d'intgration la structure (rservations dans les panneaux) - aspect fini - qualit du bton - possibilit de parois composites : paroi de soutnement prolonge par une paroi d'tanchit Parois prfabriques - idem parois moules - soutnement permanent - ncessite une centrale de prfabrication et un stockage de panneaux (surface > 1000 m2) - dimension des panneaux limite par la capacit de manutention 400 kN Jet Grouting 1.4 - Bibliographie x Rfrences rglementaires Fascicule 65A Excution des ouvrages en bton arm et en bton prcontraint par post-tension Titre I - Etanchit des ponts routes support bton de ciment Titre III - Etanchit des ouvrages souterrains Excution des travaux de fondations des ouvrages de Gnie Civil Construction des rservoirs et chteaux d'eau en bton arm, en bton prcontraint ou en maonnerie et des ouvrages annexes Hydrofuges de masse Travaux de cuvelage Travaux d'tanchit des toitures terrasses avec lments porteurs en maonnerie Fascicule 67 Fascicule 67 Fascicule 68 Fascicule 74 N.F.P. 18-334 D.T.U. 14-1 D.T.U. 43-1 x Guides - PIPO 74 - P.S.G.N. 77 - STER 81 - Mur 73 Passage infrieur en portique ouvert Passages souterrains gabarit normal Surfaage Etanchit et couches de roulement des tabliers d'ouvrages d'art. Ouvrages de soutnement - Recommandations Clouterre 1991 - Guide pour la conception gnrale du Gnie Civil des tranches couvertes (SETRA-DREIF-CETU) - paratre. 10 2 - Tunnels immergs 2.1 - Description Pour les traverses sous-fluviales ou sous-marines, on peut utiliser des caissons prfabriqus mtalliques, en bton arm ou prcontraint, voire mixtes. La solution prfre en France est la solution du bton prcontraint (parfois dans les trois directions). Ces caissons de section transversale circulaire ou plus gnralement- rectangulaire, peuvent avoir des dimensions importantes (de 30 130 m de long et de 10 30 m de large). Leur mise en place peut s'effectuer de deux faons : - Construction des caissons en place dans des enceintes assches pralablement l'abri de batardeaux et d'injections ; - Prfabrication sec de caissons dans une enceinte ou sur un quai, puis flottaison et immersion jusqu'au fond (ventuellement prpar) d'une souille pralablement terrasse. des pentes et des rampes fortes, la solution utilisant des caissons immergs conduit la solution de longueur la plus faible (sauf par rapport une solution arienne avec un faible gabarit de navigation). 2.3 - Prcautions d'emploi des caissons immergs Les caissons immergs ne constituent une solution possible que s'ils respectent un tirant d'eau suffisant pour la navigation fluviale ou maritime. Par ailleurs, l'tude dtaille des accs et des rives est un lment indispensable pour prendre en compte la totalit de l'ouvrage. Au point de vue du trac en plan, dfaut d'avoir un trac rectiligne (supprimant les surlargeurs), la courbure doit tre constante afin de permettre la fabrication de caissons identiques. Sur le plan technique, ils comportent de nombreuses difficults : - terrassement, traitement et maintien en tat du fond de souille ; il convient que les tudes aient parfaitement dfini la mthode de terrassement employer et les conditions de stabilit de la souille, notamment en cas de prsence de sols fins et courants violents, - stabilit des appuis aux berges, - raccordement aux ouvrages d'extrmit pouvant tre ralis selon d'autres procds (tranche couverte, tunnel creus), - immersion des caissons (courants ...), - assemblage des caissons et tanchement aux joints. Il convient de prendre en compte les phnomnes de tassement diffrentiel et de dilatation thermique et de prvoir des possibilits de suivi et de rparation. - si le transit des matires dangereuses tait autoris cela ne peut tre qu'aprs avoir vrifi que la structure du caisson rsistera un incendie "ventuel" correspondant, il est normalement exclu d'accepter les 3 2.2 - Domaine d'application Le choix de la mthode de traverse d'un fleuve ou d'un bras de mer suppose un bilan conomique comparatif difficile, entre pont, tunnel creus et tunnel immerg. Le dveloppement de la mthode du bouclier confinement (cf. annexe 12) tend limiter l'emploi des tunnels immergs certains cas particuliers : - largeur importante et/ou longueur faible moyenne, - profondeur faible possible, - faibles sujtions d'environnement, - forte htrognit des terrains rendant difficile l'utilisation d'un bouclier confinement. En gnral, si les prvisions de trafic routier (ou les rglementations envisages) permettent de retenir matires explosives, bien qu'on ait constat des exceptions (tunnel de Liefkenshoek ANVERS, ce qui a conduit des renforcements significatifs). - tanchit propre des caissons supposant une prfabrication trs soigne. Le calcul des caissons doit prendre en compte les efforts qui seraient dus aux tassements diffrentiels de la fouille, le poids propre des caissons, les pressions d'eau et les ventuelles surcharges. La stabilit en place doit tre assure par un lestage suffisant ou ventuellement par des ancrages. La prennit des structures vis vis des eaux agressives (notamment eaux pollues d'estuaire ou eaux de mer) doit tre value. 2.4 - Cots Les cots des ouvrages souterrains en caissons immergs sont trs variables, cause des terrassements de la souille et de la ralisation des accs. Les cots sont gnralement comparer ceux de tunnels en terrain difficile, raliss avec bouclier confinement. L'optimisation du cot doit minimiser les surfaces ncessites par les quipements (en particulier conduits de ventilation qui doivent de prfrence tre latraux). 2.5 - Bibliographie x Immersed and Floating Tunnels - International Tunnelling Association, Tunnelling and Underground Space Technology - Volume 12, n 2, Avril 1997. gaines de ventilation bton de forme 2,15 ,80 6,65 4,50 4,50 5,25 13,50 ,75 ,80 1m v Fig. 4.2.1 Profil en travers de la section immerge sous le vieux port - Tunnel de Bastia 4 ,91 ,60 7,00 bordure type T2 4,68 ,80 Phase de mise en place d'un caisson cot mer joint Gina tanchit primaire cable de prcontainte Phase dfinitive cot mer joint Omga tanchit secondaire v Fig. 4.2.2 Dtails des joints entre caissons - Tunnel de Bastia 5 3 - Creusement des puits et galeries inclines 3.1 - Description Sont concerns par cette annexe tous puits ou galeries inclines ncessits par l'exploitation de l'ouvrage (puits ou galerie de ventilation) ou sa construction (puits de reconnaissance, puits ou galerie d'accs aux travaux). Par galerie incline, on entend toute galerie de pente comprise entre 10 et 45 pour lesquelles des dispositions de scurit particulires sont requises pour les matriels y voluant. Au del de 45 il s'agit de puits. Les mthodes utilises pour le creusement des puits sont trs diverses. Elles varient en fonction de la nature des terrains, de la prsence ou non de venues d'eau, de la profondeur des ouvrages, de leur gomtrie (section, inclinaison), de l'quipement des entreprises... On peut nanmoins les regrouper en trois familles : - les mthodes directes de creusement en puits, - les mthodes de creusement en chemine, - les mthodes mixtes utilisant un avant-trou. dages (palplanches) ou de parois blindes (berlinoise, parois moules, colonnes jointives de jet) telles qu'utilises et dcrites l'annexe 4.1 "Tranches couvertes". Avec la technique des parois moules, des enceintes tanches de 50 100 m de profondeur sont maintenant ralisables. Dans les formations aquifres, on peut avoir recours la conglation ou au traitement par injection suivant l'paisseur de la zone aquifre et les caractristiques du terrain. - Le soutnement est mis en place au fur et mesure de l'avancement. Son importance est variable selon la nature des terrains. Il peut comporter en particulier l'excution d'un prrevtement en bton ou bton projet auquel est adjoint gnralement un dispositif d'tanchit. Ce prrevtement est excut l'avancement par tronons qui peuvent atteindre 20 30 mtres. - Le revtement dfinitif est excut soit de faon continue de bas en haut aprs l'achvement du creusement (en ce cas il est monolithique), soit en suivant l'avancement avec un certain retard, par tronons successifs. Il peut tre ventuellement arm. Il doit comporter en particulier des appuis logs dans les parois du puits, suffisants pour assurer son ancrage au terrain. L'attention est attire sur la ncessit d'assurer un bon tanchement de ces structures de puits verticaux, notamment en montagne avec le risque de formation de glace en tte de puits. 3.1.1 - Les mthodes directes de creusement de puits Ces mthodes comportent toutes le creusement du puits en pleine section du haut vers le bas, les dblais tant remonts la surface au moyen d'une machine d'extraction. A partir d'une certaine profondeur, le puits doit tre quip cet effet au fur et mesure de l'avancement. - L'excavation est effectue manuellement ou l'aide d'engins dans les sols, au moyen d'explosif dans le rocher. Dans les terrains rocheux, l'excavation peut galement tre excute par forage au trpan molettes jusqu' un diamtre de 2 m environ ou, dans certaines conditions (cf. notamment annexe 4.9) l'aide d'une machine foreuse pleine section de configuration spciale jusqu' 9 m de diamtre, quipe d'un dispositif de remonte hydraulique des dblais. L'emploi de tels moyens mcaniss suppose la ralisation d'un puits sur une grande profondeur. Dans les terrains meubles, il est ncessaire d'assurer la stabilit des fouilles verticales au moyen de blin3 3.1.2 - Les mthodes de creusement en chemine de puits ou galeries Dans ces mthodes, on s'efforce d'utiliser au mieux la gravit pour assurer l'vacuation des dblais. Elles ncessitent l'excution pralable d'une galerie de pied du puits pour l'accs au chantier et l'vacuation du marinage (l'excution du puits en chemine est souvent conditionne par l'tat d'avancement des tubes principaux). Elles sont adaptes l'excution de puits verticaux ou inclins (une inclinaison suprieure 30 environ est ncessaire pour assurer le marinage par gravit des dblais) ; pour les pentes plus faibles, les dblais doivent tre vacus par scrapage, goulotte mtallique ou marinage hydraulique. Les mthodes actuelles les plus courantes sont celles utilisant, soit l'explosif avec plate-forme de travail, soit le creusement mcanis pour puits inclins. Dans la premire mthode, une plate-forme mobile permettant le transport du personnel et du matriel dans la chemine sert galement de plate-forme de travail pour l'quipe d'avancement. Elle est replie dans la galerie de pied au moment du tir. De tels dispositifs sont utilisables pour des puits dont la hauteur n'excde pas 300 m. Ils conviennent au creusement de puits verticaux ou inclins dans un terrain bon ou trs bon ne ncessitant pas de soutnement, avec des sections comprises gnralement entre 2,5 et 10 m2. Il faut bien sr se prmunir contre les risques de chutes de blocs. Dans la seconde mthode, une machine foreuse pleine section quipe d'un systme de scurit antirecul fore la galerie incline en remontant. Celle-ci a une rampe minimale lie l'vacuation gravitaire des dblais dans une goulotte et une rampe maximale de 45 lie la scurit. Lorsque l'avant-trou est excut par forage, elles peuvent s'adapter des terrains moins bons dans la mesure o la stabilit des parois du forage reste assure. Dans le cas d'utilisation d'une machine foreuse pleine section ou alseuse, les spcifications et limites d'utilisation dfinies l'annexe 4.9 "Machines foreuses pleine section" sont applicables. Dans les formations aquifres ou en mauvais terrain, seules les mthodes de creusement en puits sont applicables. Elles peuvent tre combines avec la conglation ou les injections. Elles permettent en particulier la mise en place d'un soutnement et d'une tanchit, et l'excution rapide du revtement. 3.3 - Prcautions d'emploi Les mthodes de creusement en puits conduisent gnralement une superposition de chantiers diffrents (perforation, soutnement et revtement provisoire ventuel, btonnage du revtement dfinitif) qui ncessite des prcautions particulires quant la scurit du personnel. Dans les mthodes utilisant un avant-trou for, les carts en direction sont souvent une source de difficults. Celles-ci s'accroissent avec la profondeur. Il convient de porter une attention particulire la direction du forage pilote. 3.1.3 - Les mthodes mixtes utilisant un avant-trou Ces mthodes combinent les avantages des prcdentes : percement d'un avant trou de bas en haut soit par forage soit par minage (cf. ci-dessus) puis alsage de la chemine ainsi tablie de haut en bas, les dblais tant vacus par la galerie de pied. Cet alsage est effectu l'aide d'explosifs ou de machines foreuses. Une mthode mixte consiste galement raliser le puits ou la chemine par alsages successifs la machine de bas en haut avec excution pralable d'un trou pilote for. Un diamtre de 6,00 m et une profondeur de 600 m ont dj t atteints. 4 - Performances 3.2 - Domaine d'application Les mthodes de creusement en chemine sont applicables aux terrains de bonne tenue ne ncessitant pas de soutnement et en l'absence de venues d'eau. Les limites pratiques se situent approximativement 300 m pour la hauteur du puits et 10 m2 pour la section, et pour des inclinaisons infrieures 45. Au-del de cette section, il faut procder un alsage diffr ou successif utilisant soit l'explosif, soit une machine d'un diamtre suprieur. 4 Les avancements en puits sont gnralement beaucoup plus faibles qu'en galerie. On peut compter en moyenne sur des avancements de l'ordre de 40 80 m/mois. Les mthodes de forage la machine permettent d'atteindre des vitesses suprieures, (400 m/mois en 10 m2 et 200 m/mois en 30 m2) mais elles ncessitent un matriel plus difficile amortir sur l'excution du projet. Ces vitesses peuvent bien sr tre considrablement rduites en cas de rencontre de terrains difficiles. Le choix de l'utilisation d'une machine foreuse conduit gnralement, pour des conditions de site et de profondeur quivalentes, opter pour une galerie incline. a) Mthode directe b) Mthode de creusement en chemine d'une galerie incline avec tunnelier (Cleuson-Dixence) c) Mthode mixte avec alsage de bas en haut d) Mthode mixte avec alsage de haut en bas v Fig. 4.3.1 Mthodes de creusement de puits 5 4 - Creusement pleine et demi-section 4.1 - Description Par mthode de creusement pleine section, il convient de comprendre les techniques d'avancement donnant lieu dgagement complet de la section principale de l'ouvrage en une seule fois. La prsente annexe ne traite pas des mthodes utilisant une machine foreuse pleine section ou un bouclier (annexes 4.9 et 4.12). Dans la mthode de creusement en demi-section, on ralise d'abord le creusement de la partie suprieure de la section, la partie infrieure tant ralise avec un dcalage dans le temps. On doit si ncessaire renforcer le soutnement avant creusement du stross, aussi bien en partie suprieure (cintres, blindage, bton projet, bton) qu'en partie infrieure (micropieux sous les appuis de cintres, colonnes de jetgrouting en pidroits). En gnral, le revtement dfinitif n'est mis en place qu'aprs excavation de la totalit de la section. blmes lis aux reprises d'excavation dans un terrain dj dconfin. Le creusement par demi-section est beaucoup plus indiqu dans des terrains htrognes ncessitant l'emploi d'un soutnement important. Elle peut alors tre utilise trs largement en faisant varier la longueur de l'avancement unitaire. Dans certains terrains difficiles, il est possible de raliser trs rapidement la pose du soutnement en mettant celui-ci en place dans une excavation priphrique et en le butonnant provisoirement sur le merlon central. L'intrt fondamental de la demi-section, par rapport une mthode de creusement en section divise (par exemple galerie de fate, galeries de naissance et abattages cf. annexe 4.5) est de permettre une mise en place rapide d'un soutnement ou d'un revtement sur toute la partie suprieure. Par rapport la pleine section, elle reprsente l'avantage de ncessiter un matriel moins important et d'employer des moyens de terrassement habituels pour l'excavation du stross. 4.2 - Domaine d'application (*) La mthode de creusement pleine section ncessite l'emploi d'un matriel important (grande hauteur de l'excavation, importance des volumes de marinage chaque vole) : elle est donc bien adapte lorsqu'on pense pouvoir l'employer sur de grandes longueurs de terrain homogne, ne ncessitant pas l'utilisation d'un autre soutnement que le boulonnage et le bton projet. L'volution des matriels a tendance tendre le nombre des chantiers attaqus pleine section. Lorsqu'elle est applicable (moyennant si ncessaire un soutnement du front de taille), la mthode de creusement en pleine section est plus favorable la matrise des dplacements puisqu'elle vite les pro- 4.3 - Prcautions d'emploi En dehors des prcautions lies l'abattage par explosifs et la mise en place du soutnement traites aux annexes 4.6 et 4.10, il convient essentiellement de choisir au mieux l'avancement unitaire, c'est--dire la longueur excave avant mise en place du soutnement. L'avancement unitaire est essentiellement limit par la capacit d'autosoutnement du terrain pendant le temps ncessaire la mise en place du soutnement. Si la nature du terrain ne permet pas, pour la demi-section suprieure, une utilisation efficace du boulonnage, il y a lieu d'tudier particulirement la reprise des efforts en pieds de cintres (oreilles, longrines, micropieux,...) pour viter tout incident lors de l'excavation des pidroits. Il est souvent ncessaire de fermer la demi-section suprieure par un radier provisoire en bton projet, contre vot ou non. (*) On ne traite pas ici des creusements pleine ou demi-section avec prsoutnement (voir annexe 4.15). Dans les terrains o la stabilit du front de taille est insuffisante, on peut avoir intrt comparer les procds de creusement pleine section et en demi-section, avec mise en oeuvre de pr-soutnements et renforcements adapts chacune des solutions. 3 4.4 - Performances La mthode de creusement en grande section permet des avancements trs importants. On peut atteindre jusqu' 12 m par jour en procdant par voles de 4m. Dans la mthode par demi-section, le raccourcissement de l'avancement unitaire (jusqu' moins de 1 m dans les terrains mdiocres) et la grande dure de pose des soutnements peut diminuer considrablement l'avancement journalier (jusqu' 3 m). Creusement en demi-section Creusement en pleine section (tunnel de Tartaiguille) 4 5 - Creusement en section divise 5.1 - Description La mthode de creusement en section divise consiste en l'ouverture pralable d'une (ou plusieurs) galeries de petite section dont une partie du soutnement participe au soutnement de l'excavation totale raliser (1). La section peut tre divise de diffrentes faons (cf. figure 4.5.1). Ces galeries peuvent tre xcutes sur toute la longueur de la zone raliser en section divise avant le dbut de l'excavation du reste de la section. Creusement avec cloison centrale 3 1 1 1 3 2 4 2 2 4 cloison double cloison simple Creusement avec galeries aux naissances 3 4 1 6 2 7 5 8 v Fig. 4.5.1 (1) Une petite galerie peut tre ralise pour d'autres raisons (limitation des effets de l'explosif, ventilation du chantier, reconnaissance, drainage, traitement pralable de la section excaver) - voir aussi annexe 4.14 "Galeries Pilotes". 3 5. 2 - Domaine d'application Avant dveloppement des procds de pr-soutnement et de renforcement du front de taille (cf. annexe 4.15), on avait recours la mthode d'avancement en section divise lorsque les caractristiques du terrain taient insuffisantes pour assurer une stabilit suffisante du front de taille dans une ouverture en pleine ou demi section. Dans le cas de sections larges, on peut utiliser deux galeries en base de pidroits, pour y btonner une partie du revtement dfinitif (cules qui serviront d'appui au soutnement et au revtement de la vote (cf. fig. 4.5.1). 5.4 - Performances Le creusement de petites galeries fait appel essentiellement des oprations manuelles dans des conditions difficiles de travail. Il ne peut en consquence tre question de performances leves. Les avancements journaliers attendre pour le creusement d'une petite galerie avec soutnement lourd peuvent varier de 1 4 m/jour. L'avancement de la section totale aprs ralisation des petites galeries peut varier de 0,50 3m/jour. Le cot trs lev dans ces mauvais terrains peut tre fortement major au passage d'accidents de chantier ou lorsque le recours des procds de traitement de terrain s'avre ncessaire. 5.3 - Prcautions d'emploi Il convient de ne pas perdre de vue que cette mthode a pour consquence importante de retarder le moment o toute la section du tunnel sera excute ; chaque tape du creusement doit tre parfaitement contrle de faon matriser l'volution du terrain. On s'efforce de limiter cette volution : - en assurant le meilleur contact possible entre le soutnement et le terrain, - en fermant la section de la petite galerie (radier provisoire en bton projet ventuellement contrevot), - en faisant suivre le plus rapidement possible les diffrentes phases, - en vitant l'ouverture sur toute la longueur d'une galerie de fate, si un avancement dcal peut suffire (galerie en avance de quelques mtres sur l'excution de la demi section suprieure). Si cette mthode est utilise dans une zone o les tassements de surface sont limiter au maximum (travaux en zone urbaine), il convient en gnral de la combiner avec un traitement pralable des terrains. 4 6 - Abattage l'explosif 6.1 - Description L'abattage avec emploi des explosifs est gnralement utilis pour l'excution de tunnels situs dans les roches pour lesquels un abattage manuel (marteaux piqueurs, pelle hydraulique) ou un terrassement mcanique (machine foreuse pleine section ou attaque ponctuelle, brise roche) n'est plus envisageable du point de vue technique ou conomique. L'abattage l'explosif s'effectue pour chaque vole d'avancement de manire cyclique selon les oprations lmentaires suivantes : - traage et perforation du plan de tir, - chargement des trous de mines et tir de la vole, - ventilation et purge de l'excavation, - vacuation des dblais du front de taille (marinage). x Le traage du plan de tir souvent commun aux oprations de pilotage de la galerie (implantation et vri- fication de l'axe de la galerie - contrle du pourtour de l'excavation) est excut sur la base d'un plan de tir thorique adapt aux conditions particulires du front de taille (fracturation, htrognit, hors profil et en profil), et la qualit des roches rencontres. Pour amliorer la qualit du traage et pour rduire les dlais ncessaires cette opration, il est procd une projection de plan de tir thorique au moyen d'un appareil optique install en galerie proximit du front de taille. Le dernier dveloppement consiste mmoriser le plan de tir dans un logiciel de perforation automatique au moyen d'un ordinateur embarqu sur le jumbo de foration. La perforation des trous de mine de la vole s'effectue au moyen d'outils perforateurs qui suivant les dimensions de la section raliser sont soit simplement monts sur des poussoirs (marteaux-poussoirs), soit monts sur des bras glissire constituant ainsi des jumbos de forage automoteur de 2 5 bras avec nacelle. (fig. 4.6.1). Perforatrice au front de taille Perforatrice robotise v Fig. 4.6.1 3 Les outils de foration sont choisis selon la duret des roches et le plan de tir raliser : ils sont monts sur des perforatrices rotatives pour les roches meubles, soit plus usuellement sur des marteaux perforateurs hydrauliques (qui allient la fois rotation et percussion). Le plan de tir dont la mise au point dpend de la section, de la longueur prvisible de la vole et de la qualit des terrains dfinit la disposition des longueurs et diamtres des trous de mines pour les tirs de bouchon et les tirs d'abattage (dans les bouchons dits mines parallles, il est ralis 1 2 trous vides de diamtre suprieur celui des autres mines). Les dveloppements rcents concernent la foration assiste par ordinateur qui amliore la fois la qualit et la rapidit de la foration. La robotisation du dplacement et de la position des bras de foration permet d'accrotre l'efficacit du tir par une foration prcise des fonds de trou dans un mme plan et par une meilleure prcision des mines de dcoupage priphrique limitant ainsi les hors profils et rduisant les cots d'excavation et de revtement. x Le plan de tir dfinit galement les charges unitaires mettre en oeuvre ainsi que les dlais d'amorage. Pour accrotre la qualit du chargement et du respect des charges (bouchon, abattage, relevage et dcoupage), il est mis en oeuvre des charges prfabriques dans des tubes de prchargement de matire synthtique identifiables par leur couleur. Le systme d'amorage classique des dtonateurs lectriques micro-retard ou retard ordinaire par exploseur a t tendu au tir amorage squentiel permettant de dcupler les chelonnements des mises feu par le choix d'un dlai d'amorage rglable. Dans les conditions svres d'environnement (risques d'orages, parasites lectromagntiques), la scurit de la mise feu peut tre amliore par des dtonateurs non lectriques. x Aprs l'opration de tir, il est procd une vacuation des gaz et fumes au front de taille. La prsence d'une galerie pilote servant de dgagement des fumes peut s'avrer trs utile pour les tunnels de grande longueur (cf. annexe 4.14). Une attention particulire est accorder l'excution d'une purge soigneuse et complte des parements et vote drocts au cours de la vole et des voles immdiatement prcdentes. Une purge manuelle effectue directement l'issue du tir sur le tas de dblais est souvent complte par une purge mcanique au moyen d'engins spcialement adapts. x L'vacuation des dblais du front de taille constitue la dernire opration du cycle d'abattage. x Avant d'attaquer le cycle suivant, il est en gnral ncessaire de mettre en place un soutnement. 4 6.2 - Domaine d'application Le domaine prfrentiel d'emploi des explosifs se situe dans les roches dures o il prsente les meilleurs rsultats d'efficacit et de rendement. La seule limite technologique est celle des roches fortement broyes prsentant une instabilit des trous de mine. Une solution rside alors dans une rduction des longueurs de vole, voire l'utilisation temporaire de brise-roches ou de machines attaque ponctuelle. Dans certaines conditions d'htrognit de terrains o un abattage mcanis ou manuel est normalement effectu, il peut tre ncessaire de recourir une utilisation ponctuelle de l'explosif sous forme de ptardages pour fractionnement de gros blocs et de bancs durs, et pour ameublissement de fronts trs compacts. Dans certains terrains, la comparaison entre l'utilisation en pleine section de l'explosif ou d'une machine foreuse ne se situe pas au niveau du choix des moyens mais de celui de la mthode d'excution ; ce sont les fonctions autres que la fonction abattage (soutnement, revtement) qui dterminent ce choix. Une solution mcanise avec machine foreuse pleine section peut paratre dans certaines situations plus avantageuse au niveau des dlais d'excution par suite de rendement instantan plus lev qu'une mthode squentielle par explosifs. L'avantage de l'explosif rside cependant dans la souplesse de la mthode autant au niveau du profil raliser que de l'adaptation aux diffrentes catgories de terrains rencontrs. 6.3 - Prcautions d'emploi Pour l'emploi des explosifs en gnral se conformer aux rglementations en vigueur (stockage, transport, emmagasinage, utilisation), aux recommandations de l'AFTES, ainsi que le cas chant aux prescriptions particulires locales (site urbain, installations classes). 6.3.1 - Effets sismiques de l'explosif Des prcautions particulires doivent tre prises compte tenu des vibrations engendres par les tirs l'explosif et se propageant sous forme d'branlements vers les structures avoisinantes. (voir annexe 4.7 : "Etude et contrle des branlements lis l'utilisation des explosifs"). Ces contraintes peuvent en particulier se manifester lors d'un doublement de chausse avec la ralisation diffre d'un deuxime tube avec le maintien du trafic routier dans le 1er tube. Une tude effectue par des services spcialiss permet de dterminer un seuil admissible fonction de la qualit de l'ouvrage et du terrain encaissant. Un choix judicieux des paramtres du plan de tir (quantit d'explosif, gomtrie du plan de tir, retards d'amorage) permet de respecter le niveau sismique admissible. Ces problmes peuvent conduire au fractionnement du plan de tir prvu, voire mme l'limination des explosifs et ventuellement l'utilisation de machines foreuses attaque ponctuelle ou pleine section. En site urbain, le problme du bruit engendr par les tirs doit tre pris en considration (cf. section 9 "Impact de la construction sur l'environnement"). Cette technique est dconseille dans les sites sensibles aux vibrations mises par les explosifs. La russite de ces deux mthodes applicables sur tout ou partie de la section ncessite un matriel labor assurant un parfait paralllisme des trous de mine et l'emploi d'explosif bien adapt. La roche encaissante doit tre susceptible de se fissurer prfrentiellement selon la ligne de prdcoupage lorsqu'on utilise ce procd. 6.3.2 - Effets parasites de l'explosif Ils consistent en : - la cration de hors-profils d'excavation, - la cration d'une zone de massif fortement perturbe au pourtour de l'excavation. L'incidence de ces effets se fait sentir sur les dlais de creusement et sur les cots par l'accroissement des quantits excaves, la ncessit de mise en place d'un soutnement plus important et l'augmentation des quantits de bton pour remplir les hors-profils derrire le revtement. La rduction de ces effets est obtenue par utilisation d'un matriel perfectionn de perforation (asservissement des bras de jumbo, traage automatique, projection du plan de tir) et par l'adoption de techniques particulires de tir de dcoupage soign. Dans les roches de duret limite, il peut tre ralis une saigne par prdcoupage mcanique (annexe 4.15). Le principe du dcoupage soign (Fig. 4.6.3) ou post dcoupage est de tirer en fin de cycle une couronne de faible paisseur de terrain suivant le contour thorique l'aide de trous rapprochs et plus faiblement chargs (charge tale, cordeau dtonant, charge de prdcoupage). La technique du prdcoupage qui consiste crer pralablement aux tirs d'abattage une ligne de cisaillement sur le pourtour thorique de l'excavation (Fig. 4.6.4) est encore employe pour les premiers tirs d'entre en souterrain ou quand il existe une surface de dgagement importante (galerie pilote). L'ordre de tir tant le suivant : - tir du bouchon (ou galerie existante), - ligne de prdcoupage, - abattage de la section. 5 v Fig. 4.6.3 Dcoupage soign (postdcoupage) v Fig. 4.6.4 Prdcoupage 6.4 - Performances Les performances d'un abattage l'explosif dpendent de la dimension de la section excaver et du rendement de chacune des phases lmentaires du cycle d'excavation qui peut se dcomposer en : - traage et perforation : 25 30 % - chargement et tir - ventilation et purge : 20 % : 10 % En demi-section, les performances de l'abattage peuvent tre suprieures (1 2 voles par poste), mais les cadences d'avancement sont souvent limites par la pose des soutnements. Les consommations moyennes d'explosifs sont, suivant la qualit des terrains, de l'ordre de 0,9 1,8 kg/m3 en pleine section. En demi-section suprieure, la consommation est plus leve (1,6 2 kg/m3), du fait du tir du bouchon qui exige une plus grande nergie explosive. En stross, la consommation est nettement plus rduite (0,5 0,9 kg/m3). Dans les zones sensibles aux vibrations, les consommations d'explosifs peuvent tre rduites des ratios de 1,1 1,3 kg/m3. - vacuation des dblais : 40 45 % On peut raliser en moyenne pour un avancement pleine section 1 vole par poste, soit prs de 12 m/jour en 3 postes en section de 60 80 m2 lorsqu'il n'y a pas ncessit d'un soutnement l'avancement. 6.5 - Bibliographie Dcret n 62-1218 du 15 Octobre 1962 : portant rglement d'administration publique pour l'excution des dispositions du livre II du code du travail (titre II, hygine et scurit des travailleurs), en ce qui concerne les mesures particulires de protection relatives l'emploi des explosifs dans les chantiers du btiment et des travaux publics. Arrt du 15 Mai 1970 : certificat d'aptitude au minage. Arrt du 11 Octobre 1977 (JO du 11 Octobre 1977 - ducation) Certificat de prpos au tir. Etude des vibrations provoques par les explosifs dans les massifs rocheux. Rapport de recherche LCPC n 105 - Septembre 1981. Dcret n 81-972 du 21 Octobre 1981 (JO du 29 Octobre 1982) Marquage, acquisition, dtention, transport et emploi des produits explosifs. Dcret n 87.231 du 27 Mars 1987 (JO du 3 Avril 1987) concernant les prescriptions particulires de protection relatives l'emploi des explosifs dans les travaux du btiment, les TP et les travaux agricoles. Consigne gnrale SNCF relative l'emploi des explosifs et autres procds spciaux (CGEF9 B33 n 2 du 16 Dcembre 1987). Le droctage l'explosif dans les travaux routiers - Guide technique du SETRA - Avril 1988. Recommandations du groupe de travail n 3 de l'AFTES "Travaux l'explosif" (Supplment au n 117 de la revue TOS de Mai-Juin 1993). Circulaire du 23 Juillet 1986 relative aux vibrations mcaniques mises dans l'environnement par les installations classes pour la protection de l'environnement (JO du 23 Octobre 1986). Effet des vibrations sur l'environnement - A. SCHWENZFEIER Revue Industrie Minrale - Aot-Septembre 1986. Apport du tir squentiel pour le respect des contraintes de vibrations - A. SCHWENZFEIER Tunnels et Ouvrages Souterrains - Mars-Avril 1996. 6 7 - Etude et contrle des branlements lis l'utilisation des explosifs 7.1 - Gnralits Les terrassements rocheux des tunnels et de leurs accs sont gnralement du domaine d'emploi des explosifs. Les conditions particulires du site des travaux et de l'environnement peuvent cependant conduire certaines limitations d'emploi, restrictions ou interdictions. Une partie de l'nergie explosive utilise pour fragmenter et abattre la matrice rocheuse (environ 20 %) se propage et se dissipe dans l'environnement sous forme d'ondes vibratoires solidiennes et ariennes qui s'amortissent avec la distance. Les structures situes proximit des travaux peuvent tre affectes par ces ondes vibratoires et prsenter des risques de dommages et d'instabilit pendant la phase des travaux ou plus long terme. Afin d'valuer cette sujtion et son incidence sur la ralisation des travaux, il est procd une tude pralable des vibrations et si besoin est des procdures de contrles sont prconises. Les ondes acoustiques qui se manifestent sous forme de bruit ainsi que les ondes de pression araulique ou souffle ne sont pas traites dans cette annexe. en oeuvre de manire prconiser les mthodes de terrassement adaptes et apprhender leur incidence sur les cots et les dlais. Des tudes tout fait comparables peuvent tre entreprises pour toute mthode de terrassement susceptible d'engendrer des vibrations nocives pour l'environnement (brise-roche, compacteur dynamique, machine attaque ponctuelle, vibro-fonage, battage de palplanches, machine foreuse pleine section, trpannage,...). Par rapport aux tirs l'explosif, les seuils maximaux admissibles sont gnralement plus faibles pour tenir compte du caractre continu de l'oscillation ou du caractre rptitif de l'impulsion qui accrot la probabilit de dommages. Les tudes conduisent alors dfinir les spcifications des matriels utiliss (gnralement en valeur de puissance) ou dfinir des distances minimales d'utilisation pour un matriel de caractristiques donnes. 7.2.1 - Les structures sensibles aux vibrations Par "structure", il faut entendre toute structure de gnie civil allant d'un simple btiment un ouvrage de gnie civil exceptionnel, tels un chteau d'eau, un tunnel. Les structures les plus couramment concernes sont les habitations individuelles ou collectives, les btiments industriels, les ponts et viaducs, les galeries techniques et ouvrages d'assainissement, les tunnels routiers ou ferroviaires. Les sites naturels sont galement concerns (falaises, cavernes...). Les quipements situs l'intrieur de ces btiments ou installations doivent tre galement pris en considration. Les risques tant lis directement la proximit, l'exprience montre qu'il convient de faire un inventaire dans une bande minimum de 200 m autour de l'axe du projet. Au-del de cette distance, les amplitudes des vibrations sont gnralement trs faibles mais dans un contexte gologique particulier (horizon de marnes faisant office de rflecteur par exemple) des oscillations peuvent tre ressenties beaucoup plus loin (1 2 kilomtres). 3 7.2 - Les tudes pralables L'tude des branlements lis l'utilisation des explosifs consiste schmatiquement : faire l'inventaire des structures ou sites naturels sensibles aux vibrations situes au voisinage de l'ouvrage raliser. dfinir pour chacune des structures des seuils admissibles qui feront l'objet de clauses contractuelles tablir pour le site des travaux une loi d'amortissement des vibrations engendres par l'explosif estimer les charges maximales d'explosif mettre 7.2.2 - Les seuils admissibles des vibrations Les seuils de vibrations maximales admissibles par une structure doivent tre dfinis ou fixs imprativement avant l'excution des travaux au stade des tudes de POA. Ces seuils dpendent la fois : du type de la sollicitation : . impulsionnelle, s'il s'agit de tirs l'explosif . continue, dans le cas de creusement mcanis des caractristiques de la structure : . matriaux constitutifs . tat de vtust . type de fondation de la qualit du massif de fondation de l'usage de la structure : . habitation . ouvrage d'art en exploitation L'exprience participe pour beaucoup dans la fixation des seuils. Quand il ne peut tre tenu compte de celle-ci et que les rfrences font dfaut, leur dtermination peut rsulter d'essais de tirs tels que dcrits en 7.2.4. En rgle gnrale, ce seuil est une amplitude de vitesse de vibration (mm/s) assortie d'une gamme de frquence d'auscultation. Ainsi, pour un tunnel rocheux non revtu : v < 50 mm/s pour F > 150 Hz pour un tunnel revtu de briques de maonnerie : v < 15 mm/s pour 20 Hz < F < 50 Hz Il peut s'exprimer galement en acclration (m/s2) pour les quipements fixes ou en dplacement (mm). En premire analyse, on s'inspirera des recommandations de l'AFTES (rf.1) qui intressent essentiellement les constructions courantes usage d'habitation. v < 10 mm/s . faible probabilit de dommages 10 mm/s < v < 30 mm/s . ncessit d'un bon contrle . probabilit accrue de rclamations v > 30 mm/s . non recommand en zone habite. Ces seuils peuvent tre moduls en frquence si la gamme des frquences dommageables est connue. Les frquences de coupure usuelles sont de 10 Hz et 100 Hz. On peut galement se rfrer pour des cas particuliers la circulaire manant du Ministre de l'Environnement relative aux vibrations mises par des ins4 tallations classes (rf.2) ou l'arrt concernant les exploitations de carrire (rf. 3). Pour les terrassements au rocher excuts proximit d'un tunnel SNCF, une notice particulire de scurit fixe les conditions gnrales ainsi que les procdures d'essai et de contrle pour diffrents modes d'abattage. 7.2.3 - L 'incidence sur les travaux La limitation d'utilisation des explosifs a une incidence directe la fois sur la longueur des voles mises en oeuvre et sur la section maximale d'abattage. Compte tenu en effet du nombre relativement limit de numros de dtonateurs retard disponibles sur le march, largement infrieur au nombre de mines d'un plan de tir de tunnel autoroutier (150 200 mines pleine section), il s'avre souvent ncessaire de fractionner le plan de tir de manire respecter les charges maximales instantanes. Ce fractionnement va du creusement en demi-section aux tirs en section divise ou tirs diffrs. L'adoption de telles dispositions conduit accrotre nettement les dlais d'excution et majorer les cots de terrassements l'explosif. Les techniques de tirs par amorage squentiel permettent dans certains cas de s'affranchir de cette contrainte de division de section, mais pas de celle de limitation de longueur de vole. La technique de l'avant-trou de la galerie-pilote fore pralablement par des moyens mcaniss permet galement de limiter ces contraintes de tir, avec un avant-trou faisant office de bouchon. 7.2.4 - Les essais de tir L'objectif essentiel des essais de tir en forage est l'tablissement d'une loi d'amortissement des vibrations en fonction de la distance, celui des tirs exprimentaux est de s'assurer de la faisabilit des dispositions techniques envisages en testant en vraie grandeur un plan de tir rel (section d'abattage, longueur de voles) dans le site donn. 7.2.4.1 - Essais de tir en forage L'essai de tir consiste faire exploser dans des forages des charges d'explosif de valeur croissante et disposes diffrents niveaux. Les vitesses de vibrations engendres par ces explosifs de mines bloques sont enregistres en diffrents points de l'environnement sensible des distances croissantes. L'analyse des enregistrements permet d'tablir 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), caractristique du site (Fig. 4.7.1) K max = 7 V (mm/s) Lo im ax im um en Lo im oy Equation de la droite V : 4.4 ne * ( D/ Q) -1,64 Coeff. de corrlation r : - 0,876 D (m) / Q (g) v Fig.4.7.1 Exemple de loi d'amortissement de la vitesse en fonction de la distance pondre par la charge d'explosif 5 v Fig.4.7.2 Ordre de grandeur des vibrations mises par les matriels de travaux publics 6 En premire analyse, on pourra utiliser pour les situations courantes des lois statistiques rsultant d'exprimentation dans des sites comparables. Leur application peut cependant s'avrer dans certains cas trs contraignante en remettant en cause la faisabilit du projet l'explosif. Connaissant le seuil de vitesse maximale admissible pour une structure donne, on peut ensuite aisment dterminer pour diffrentes distances la charge maximale d'explosif par numro d'amorce et les paramtres du plan de tir (gomtrie, amorage, longueur des voles). Ces essais de tir en forage permettent galement au moyen d'enregistrements complets du signal et aprs un traitement appropri d'analyser la rponse d'une structure une oscillation impulsionnelle en prconisant les bandes d'auscultations en frquence pour les contrles d'excution. Pour les moyens de terrassement mcanique autre que l'explosif, il n'est pas d'usage de raliser des essais pralables, car ces matriels rsultent bien souvent d'un choix de l'entreprise charge de la ralisation des travaux. On peut cependant se rfrer des courbes d'amortissement simplifies (Fig. 4.7.2), qui mettent bien en vidence les distances critiques des principaux matriels de terrassement. Les frquences mises par ces matriels sont gnralement plus basses et plus nocives pour l'environnement et ce titre les seuils de vitesses admissibles sont infrieurs. Pour satisfaire ces exigences, un plan de contrle spcifiant l'instrumentation ncessaire ainsi que l'implantation des points de mesures est tabli. Il consiste disposer des capteurs de vibration de prfrence la base des fondations de structures sensibles pralablement choisies et enregistrer dans les trois directions au moyen de dtecteurs valeur crte (amplitude maximale de la vibration), les branlements engendrs par les tirs. Des constats contradictoires de l'tat des constructions avoisinantes sont effectus pralablement au dmarrage des travaux. Ils permettent galement d'affiner le plan de contrle en disposant judicieusement les capteurs sur les structures les plus sensibles. Compte tenu du caractre trs alatoire de ces impulsions et de leur amortissement dans le massif encaissant, il est recommand de spcifier des seuils pratiques en terme de "vitesse de travail" lgrement infrieurs aux seuils de vibrations admissibles vis--vis des structures ("vitesse maximale"). Les plans de tirs sont conus et cals sur cette "vitesse de travail". Elle peut tre l'occasion trs ponctuellement dpasse, mais ce n'est qu'aprs deux dpassements conscutifs qu'il est impratif de modifier les paramtres du plan de tir (charge par trou, longueur des voles, amorage, section d'abattage). Le Plan d'Assurance Qualit dfinit les caractristiques de contrle qui imposent un suivi dtaill et prcis des plans de tir mis en oeuvre. L'intervention d'un laboratoire spcialis n'est ncessaire qu'en dbut de chantier pour procder un enregistrement complet du signal vibratoire permettant de mettre au point le plan de tir ou de procder de profondes modifications. Le laboratoire analyse dans un premier temps le signal temporel de la vibration permettant de dterminer le niveau d'amplitude de vibrations propres chaque amorce du plan de tir. (Fig. 4.7.3). Il procde galement une analyse frquentielle de ce signal temporel par Transforme de Fourier Rapide (FFT) de faon tudier la densit spectrale des vibrations (Fig. 4.7.4). De tels enregistrements et analyses ncessitent l'intervention d'un laboratoire spcialis qui dispose de matriels d'acquisitions numriques perfectionns. 7.2.4.2 - Tirs exprimentaux Quand on veut s'assurer de la faisabilit de certaines dispositions techniques et que l'on veut porter la connaissance de l'entreprise toutes les informations utiles l'tablissement de ses prix, il peut tre judicieux de procder des tirs exprimentaux grandeur relle. 7.3 - Les contrles de vibrations Les contrles de vibrations effectus en cours de travaux ont un double but : s'assurer qu' tout instant les critres de vibration sont respects et que les travaux sont excuts en toute scurit vis--vis de l'environnement. affiner les prvisions et optimiser les plans de tirs l'avancement. 7 Le CETU ainsi que le Rseau des Laboratoires Rgionaux des Ponts et Chausses sont quips de tels systmes de mesures et peuvent ainsi intervenir aux diffrents stades du projet et de l'excution des travaux. Signal temporel en mm/s secondes v Fig. 4.7.3 Signal temporel Transforme de Fourier rapide (FFT) - Amplitude (%) v Fig. 4.7.4 Spectre de frquence par FFT Hz 7.4 - Rferences x Rf. 1 : x x x x Rf. 2 : Rf. 3 : Rf. 4 : Rf. 5 : L'tude des effets sismiques de l'explosif Recommandations AFTES - Juillet 1982 (en rvision). Circulaire du 23 Juillet 1986 relative aux vibrations mcaniques mises dans l'environnement par les installations classes pour la Protection de l'Environnement. Arrt du 22 Septembre 1994 relatif aux exploitations de carrires et aux installations de premier traitement des matriaux de carrires. Guide pour la mesure et le contrle de l'effet des vibrations sur les constructions (AFTES - Tunnels et Ouvrages Souterrains n 115 - Janvier-Fvrier 1993). Les appareils de mesures de vibrations - Tendance et volution (AFTES - Tunnels et Ouvrages Souterrains - N Spcial Novembre 1984). 8 8 - Machines attaque ponctuelle 8.1 - Description Ce mode d'abattage mcanis, utilis primitivement dans les exploitations minires, a t dvelopp et est d'utilisation courante dans les travaux publics pour l'excavation de galeries de toutes dimensions. Une machine comporte gnralement : (Fig.4.8.1) - un chssis automoteur sur pneus ou chenilles, - un bras orientable mont sur une tourelle solidaire du chssis et muni son extrmit d'une tte rotative quipe d'outils (pics et havage), - un systme d'vacuation des dblais du front de taille compos d'un tablier de chargement et d'un convoyeur d'vacuation. Le principe du travail d'abattage de la machine consiste en un clatement de la roche sous les effets conjugus d'une pntration des pics dans le front de taille et du balayage du bras. Les dblais sont ensuite repris au front par un systme d'vacuation propre ou non la machine. 8.2 - Domaine d'application Les conditions d'un meilleur emploi des machines attaque ponctuelle sont dictes par le type de profils excaver, les caractristiques de rsistance de la roche et les nuisances d'utilisation 8.2.1 - Caractristiques des sections Tous les profils d'excavation et tous les types de terrassement sont ralisables avec une machine, soit en poste fixe (la section couverte est limite par les possibilits de dbattement du bras), soit en poste mobile (par dplacement du chssis de la machine), soit en phases diffres (par excution de galeries d'avancement). La machine attaque ponctuelle a pour principaux avantages son adaptation facile aux variations de section, le meilleur respect du profil raliser par limitation des hors-profils et la diminution de la propagation des branlements dans le massif environnant. v Fig. 4.8.1 Machine attaque ponctuelle 3 8.2.2 - Caractristiques des terrains Pour l'utilisation d'une machine attaque ponctuelle, la connaissance de deux groupes de paramtres gotechniques est essentielle : - caractristiques de rsistance de la roche, - tat de fracturation du massif. Le critre de rsistance caractrisant l'attaque d'un outil ou d'un groupe d'outils sur un chantillon de roche est dfini pour chaque type de roche. Ce critre rsulte d'une combinaison des caractristiques de : - rsistance la compression, - rsistance la traction, - duret, - abrasivit, - pourcentage en quartz, - proportion de fines discontinuits. Le critre de fracturation caractrise l'tat des discontinuits du massif, soit l'chelle du front de taille (macrofissuration) : gomtrie, paisseur et nature des joints, stratification, soit l'chelle de la carotte ou de l'chantillon de terrain test (microfissuration). D'une manire gnrale, une fissuration intense du massif est favorable au travail d'abattage mcanis par l'existence de surfaces de faiblesse privilgies pour la rupture. Pour une premire approche (Fig.4.8.2), on utilise la valeur de la rsistance la compression uniaxiale comme critre de rsistance de la matrice rocheuse combine au critre de fracturation du massif rocheux. Dans le diagramme qui comporte en abscisse la valeur de la rsistance la compression (6 classes de rsistances ISMR de 1 300 MPa) et en ordonne la fracturation exprime en valeur de RQD mesure sur carotte ou partir de l'indice de continuit (*), c'est dire du ratio vlm Ic = ___ vlc vlm : vitesse mesure sur chantillon vlc : vitesse calcule partir de la composition minralogique sont indiques les plages usuelles d'utilisation de machines attaque ponctuelle, qui correspondent aux classes d'abattage C et D, exceptionnellement B. Ce diagramme montre nettement que le critre de fracturation peut s'avrer en certains cas primordial et ter toute signification au critre de rsistance la compression; ainsi des terrains stratifis composs au front de taille de successions de bancs tendres et de bancs durs pouvant atteindre 200 MPa peuvent tre excavs de manire trs slective par souscavage. A' : Tunnelier puissant A, B, C : Tunnelier B, C, D : Machine attaque ponctuelle A, A', B : Explosifs v Fig. 4.8.2 Choix des mthodes d'abattage (*) AFTES - Propositions relatives aux mesures et essais effectuer dans le cadre d'un chantier de creusement mcanique. Caractrisation des roches sur chantillons (voir section 2). 4 Dans les terrains les plus durs et compacts il est parfois ncessaire de recourir partiellement l'explosif sous forme de ptardage ou de tir de vole. Des rsistances limites conomiques peuvent tre dfinies en regard de certains types de machines qui sont classes par leur poids et la puissance disponible sur la tte de coupe pour le travail d'abattage. Les machines quipes d'une tte autochargeuse (convoyeur aliment directement par la tte en rotation avalante) restent dvolues aux terrains tendres et meubles. Types de machines Poids en tonnes Puissance en kW* Rc limite conomique en MPa (1 MPa = 10 bars) 30 50 MPa 50 80 MPa 100 MPa 10 t 30 t 30 t 70 t > 70 t 50 100 kW 100 200 kW 200 300 kW * Puissance disponible sur la tte de coupe pour le travail d'abattage. L'abrasivit des roches doit tre galement prise en compte pour dfinir les limites conomiques d'utilisation des machines attaque ponctuelle ds que la consommation d'outils de type pics dpasse des valeurs de 0,1 pic/m3. L'estimation de cette rsistance limite relve alors d'une combinaison de la rsistance la compression et de la duret. Des abattages peuvent nanmoins tre effectus audel de ces limites mais dans des conditions conomiques d'utilisation (rendement faible, cot d'entretien lev et forte consommation d'outils au mtre cube de terrain abattu) non comptitives, mais qui peuvent tre justifies par l'environnement particulier des travaux (branlement) ou par la longueur d'application limite. - cycle continu d'excavation autorisant de meilleurs rendements, Par rapport au terrassement : - grande accessibilit au front de taille, - maniabilit et souplesse d'emploi dans les variations de qualits de terrain. Ce moyen d'abattage reste bien adapt aux travaux en site urbain et l'excution de galeries de dimensions faibles moyenne (reconnaissance, avancement, pilote ou travaux annexes, niches, garages, locaux techniques). 8.2.5 - Utilisation de pelles et brise-roches Il s'agit l aussi d'un moyen d'excavation attaque ponctuelle qui peut s'avrer comptitif dans certaines natures de terrain, notamment htrognes. 8.2.3 - Limitation des nuisances La machine attaque ponctuelle constitue dans les roches dures un moyen d'excavation comptitif par rapport l'explosif quand les contraintes d'environnement sont svres (nuisances en site urbain). 8.2.4 - Avantages divers Par rapport l'explosif : - rduction des vibrations sur les structures avoisinantes, - limitations des branlements dans le massif encaissant, - diminution du soutnement et des btons de remplissage, 5 8.3 - Prcautions d'emploi L'emploi des machines attaque ponctuelle pose le problme de la limite conomique de duret des roches. Pour approcher et dfinir cette limite, il est recommand d'effectuer une analyse gologique structurale trs complte et de connatre les paramtres gotechniques dfinis en 8.2.2. Les caractristiques de la machine envisage (poids, puissance, forme et vitesse de rotation de la tte) sont tudies en fonction du critre de duret des roches et de l'ouvrage excuter (section, longueur, phases d'excution). Il convient en gnral de choisir un type de machine plus puissant que celui ncessit par le terrain escompt et de prvoir dans la rdaction des marchs le recours possible aux explosifs dans la mesure o leur utilisation est autorise. Les dimensions et formes des sections (prsence de caniveaux) peuvent conduire des contraintes et limites d'utilisation des machines. Il conviendra d'adopter dans certains cas des bras tlescopiques. Pour des dimensions importantes de section, des sujtions apparaissent sur la visibilit du front de taille et le respect du profil thorique excav. Pour remdier ces inconvnients, il est dvelopp sur certaines machines des systmes de pilotage et de balayage automatique du bras d'abattage au moyen de logiciels embarqus . Ces derniers permettent de limiter les hors-profils dus aux erreurs humaines mais ncessitent un parfait calage topomtrique de la machine. Ces sujtions sont aggraves par la prsence de poussires et la ncessit d'assurer une atmosphre saine dans la zone d'action de la machine. Dans certaines conditions de terrain, (marnes, argiles gonflantes), l'abattage des poussires par projection d'eau est interdit et la pulvrisation d'un fin brouillard au niveau des outils peut s'avrer inefficace. Compte tenu des difficults d'adapter des systmes de dpoussirage efficaces sur ces machines, il est ncessaire d'assurer une ventilation suffisante au front par aspiration des poussires mises surtout quand celles-ci comportent un fort pourcentage de quartz. 8.4 - Performances Pour chaque type de machine, on distingue : - Les rendements thoriques fonction de la duret des terrains o la machine travaille poste fixe. - Les rendements pratiques fonction du taux d'utilisation de la machine travaillant poste mobile ou en phase diffre. Pour une demi-section de tunnel (40 50 m2) une machine de 200 kW de puissance installe sur la tte autorise des rendements de : Rc < 80 MPa : 10 m3/h Rc < 50 MPa : 20 30 m3/h Rc < 30 MPa : 30 50 m3/h 6 9 - Machines foreuses pleine section (rocher) 9.1 - Description Une machine foreuse est un moyen d'excavation mcanis, qui par son principe fondamental de travail continu, se substitue aux mthodes traditionnelles de creusement l'explosif qui sont squentielles. Sont dfinies sous le terme "pleine section" ou " attaque globale ou pleine face" les machines capables d'excaver en une seule fois la section du tunnel raliser, l'inverse des machines " attaque ponctuelle" (Annexe 4.8) qui abattent le terrain de manire slective et par partie. Ces machines sont utilises dans des massifs rocheux qui ne ncessitent pas de soutnement immdiat. Quand les conditions de stabilit ne sont plus assures, il est mis en oeuvre des boucliers mcaniss (Annexe 4.12). Les deux types de machines sont gnralement considrs comme des tunneliers. disposs les outils de coupe de type molettes, disques ou pics ; - un bti fixe dans lequel sont repris les efforts de pousse de la tte sur le front de taille et le moment rsultant du travail de dcoupe du rocher ; - un systme de propulsion et d'appui de conception diffrente selon le type de machine et la qualit du terrain encaissant : grippeurs ou patins d'ancrage latraux vrins au terrain et propulsion par coulissage relatif bti fixe tte de forage ; groupe de vrins de propulsion prenant appui contre le revtement mis en place directement l'avancement ou contre un anneau de raction quand le terrain n'autorise pas l'utilisation de plaques d'appui (Annexe 4.12) ; - un systme de marinage par reprise des dblais au front de taille par les augets solidaires du plateau porte-outils et vacuation par convoyeur jusqu' l'arrire de la machine ; l'extraction des dblais peut tre galement assure par une vis situe en partie infrieure de la chambre d'abattage ; - des quipements annexes optionnels : casquette de protection, bras de boulonnage, recteur de cintres ou voussoirs, lance bton projet ; foreuse pour sondage de reconnaissance l'avancement, bouclier simple ou articul dans les terrains meubles et aquifres (Annexe 4.12). 9.1.1 - Principe et fonctionnement des machines 9.1.1.1 - Constitution (Fig. 4.9.1) Une machine pleine section est constitue par : - une tte de forage ou plateau porte-outils de forme circulaire dans les machines rotatives sur lequel sont convoyeur central pour vacuation des dblais plaque d'appui groupe de vrins de propulsion bouclier de protection reprise et dchargement des dblais par bandes transporteuses plateau porte-outils moteurs d'entranement de la tte bti fixe de la machine vrin de support de la machine convoyage des dblais par berlines lment de radier v Fig. 4.9.1 Schma gnral constitutif d'une machine pleine section 3 Tunnelier Un tunnelier est une machine ralisant en continu le creusement d'un tunnel et, si ncessaire, la mise en place d'un revtement faible distance du front de taille. Sauf exception, le tunnelier ralise un tunnel de forme circulaire : Dans le rocher, l'excavation peut ainsi se faire par attaque globale l'aide d'une machine foreuse pleine section qui prend gnralement appui directement au terrain par l'intermdiaire de grippers ou patins d'ancrage latraux. (Annexe 4.9). En terrain tendre ncessitant un soutnement important, la forme circulaire est la mieux adapte la reprise des efforts. Le tunnelier comporte alors un bouclier et le front peut tre pressuris (*). En grand diamtre, l'excavation se fait par attaque globale l'aide d'une roue de coupe l'avant de la machine avec un procd de marinage adapt au mode de confinement. La machine progresse en s'appuyant contre le revtement mis en place au fur et mesure de l'avancement par l'intermdiaire de vrins. (Annexe 4.12). Le revtement mis en place est gnralement le revtement dfinitif. Dans certains cas il peut tre complt par un anneau intrieur qui assure d'autres fonctions que la seule fonction de rsistance mcanique. Tunnelier WIRTH 5m58 (Galerie de Belledonne - 1974) Machines foreuses pleine section (tunnelier ATLAS COPCO) (*) Bouclier air comprim, pression de boue, pression de terre. 4 9.1.1.2 - Principe et fonctionnement des machines (Fig. 4.9.2) On utilise le double effet du poinonnement des outils dans le rocher du front de taille par l'intermdiaire des vrins de pousse et du mouvement circulaire de la tte de forage sur laquelle sont monts les outils. La position des molettes ou disques sur la tte est telle que les sillons dcrits chaque rotation soient suffisamment proches (de 6 10 cm) pour provoquer la rupture de l'arte rocheuse. Les molettes sont maintenant capables de pntrer dans des terrains extrmement durs tels que les granites (200 MPa) ; dans les terrains meubles on utilise des pics ou dents en nombre plus important. La progression s'effectue "en chenille" par reprise des appuis solidaires du corps de la machine. La course unitaire de forage est variable suivant le type de machine et les caractristiques du terrain : - de l'ordre de 1 1,50 m dans les terrains durs tendres ne ncessitant pas de soutnement, - de la valeur d'un espacement de cintres ou d'une largeur de voussoirs quand la machine progresse par raction contre l'anneau du revtement d'un voussoir. Foration Fin de course Reprise des appuis v Fig. 4.9.2 Principe de fonctionnement d'une machine pleine section 9.1.2 - Forme des sections d'excavation La forme usuelle ralise par les machines plateau rotatif est la section circulaire. Peuvent tre galement obtenus : - Des profils circulaires de grande section par creusement en tapes successives : forage pilote - largis- seuse - alseuse (Fig. 4.9.3). Cette mthode est utilise quand les puissances et pousses pour l'excavation de la section complte s'avrent trop importantes ou qu'une galerie pilote s'avre indispensable pour la reconnaissance pralable des terrains ou l'excution des travaux (Annexe 4.14). - Des profils quelconques par la mthode des sections divises : l'excavation circulaire ralise par la machine constitue une galerie pilote ou galerie d'avancement, les abattages latraux tant excuts de manire traditionnelle. Ces abattages latraux peuvent tre rduits un alsage au moyen de bras de machine attaque ponctuelle monts sur le train suiveur et solidaires du tunnelier attaque globale. v Fig. 4.9.3 Tunnelier grande section avec largissement par tapes succesives 5 9.2 - Domaine d'emploi des machines 9.2.1 - Qualit du terrain encaissant Deux problmes principaux doivent tre matriss : - la forme et les caractristiques de la tte et des outils doivent tre bien adapts au terrain excaver, - l'efficacit des grippers doit tre garantie. La prvision des performances d'une machine foreuse et son adaptation au massif rocheux dpendent de deux groupes de paramtres ; le premier l'chelle de l'chantillon de roche attaque par l'outil ou groupe d'outils, il s'agit des facteurs de rsistance, abrasivit et discontinuit, le second l'chelle du front de taille et du massif encaissant : il s'agit alors des facteurs de fracturation, htrognit en plan et en profil en long, tat des contraintes naturelles, eau dans le massif. Les caractristiques des paramtres indispensables l'tude de faisabilit et leurs modes d'volution ou de mesures sont dfinis la section 2 "Gologie, Hydrogologie, Gotechnique". foration leves ralisables avec des machines quand le terrain s'y prte ; cet avantage doit cependant tre assorti d'un certain nombre de rserves concernant notamment l'organisation l'arrire de la machine (taux d'utilisation). Le deuxime avantage des machines rside dans la trs faible dsorganisation du massif par limination complte des branlements nocifs de l'explosif. Le troisime avantage rside dans la diminution voire mme la suppression des quantits de soutnement mettre en oeuvre pour la tenue court terme de l'excavation. Le quatrime avantage rside dans la rduction des quantits de bton mises en oeuvre par suite du dcoupage parfait du contour de l'excavation : suppression de bton hors-profil et diminution de l'paisseur du bton de revtement. Le cinquime avantage rside dans la qualit et la scurit du travail la machine qui sont suprieures celles des procds traditionnels, par le fait que le personnel est moins expos notamment au front de taille. La connaissance la plus complte de ces facteurs et leur combinaison avec les caractristiques de la machine permettent de dfinir ses limites d'adaptabilit. En particulier, l'tude gologique et structurale doit mettre en vidence : - la prsence d'accident gologique ou zone particulire. - la continuit et l'homognit des terrains dans le profil en long, - l'tat de fracturation du massif, - la schistosit et le pendage des couches, - l'htrognit dans le profil en travers. En premire approche, on peut utiliser le diagramme de l'Annexe 4.8 qui combine la rsistance la compression et la fracturation du massif . Dans ce diagramme, les domaines usuels d'utilisation de machines foreuses en roches dures correspondent aux classes A' et B. Comme pour la machine attaque ponctuelle, il est possible d'utiliser des machines foreuses pleine section dans la classe A, notamment avec la mise en oeuvre de molettes quipes de roulements et disques supportant des charges leves, vraisemblablement des conditions conomiques moins favorables. En ce qui concerne les performances ou vitesses d'avancement des machines, il y a lieu de tenir compte du caractre cassant ou fragile des roches qui est caractris par l'indice suivant (indice de "fragilit") : c IFR = ____ tB (quotient de la rsistance la compression uniaxiale 6 9.2.2 - Site La foration la machine par rapport l'explosif dsorganise beaucoup moins le terrain et limine les branlements distance et au voisinage du profil excav. Il en rsulte que les zones urbaines constituent un domaine d'emploi prfrentiel des machines foreuses. Le deuxime domaine, le plus favorable, concerne les tunnels de grande longueur en rase campagne dans un rocher relativement homogne. Le troisime domaine concerne l'excution de galeries-pilotes ou galeries de reconnaissance pouvant tre utilises en phase dfinitive ou en phase travaux comme galerie de drainage, galerie de scurit ou galerie de ventilation. Le quatrime domaine est celui de l'excavation des puits ncessits par la ventilation des tunnels longs et parfois utiliss comme puits d'accs pour l'excution des tunnels principaux. 9.3 - Avantages et prcautions d'emploi 9.3.1 - Avantages Le premier avantage rside dans les cadences de par la rsistance au fendage brsilien). Roche peu fragile Roche fragile Roche trs fragile IFR < 10 10 < IFR < 15 IFR > 15 Les limites d'utilisation rsultent en fait plus des conditions d'htrognit et de fracturation, comme explicit ci-aprs. verture peut conduire des tats de contraintes initiales suprieurs ceux estims par la mesure de la rsistance la compression uniaxiale sur chantillon carott. Il y a lieu d'en tenir compte pour la dtermination des caractristiques de la machine foreuse et de vrifier les effets d'une dtente ou d'un claquage du terrain sur la mise en oeuvre de la machine. Quand le tunnelier est quip d'un bouclier, il y a galement lieu de s'assurer des conditions de frottement qui peuvent conduire un blocage de la machine sous forte pression (marge de scurit sur le couple et la pousse, surcoupe). A grande profondeur des venues d'eau sous forte charge peuvent galement poser problme. 9.3.2 - Prcautions d'emploi 9.3.2.1 - Htrognit des terrains En cas d'htrognit des terrains dans la section ou dans la longueur du trac, les performances de la machine sont considrablement diminues. A la limite, en cas de difficult majeure (passage d'un banc trs dur, d'une faille, dbourrage karstique...), le recours une mthode traditionnelle peut s'avrer ncessaire, conduisant en ce cas un retard trs important (ralisation ventuelle d'une galerie de dviation pour franchir l'incident et dgager la machine, traitement par injection). Pour se prmunir contre l'ventualit de rencontre d'accident gologique ou de modification de nature de terrain prjudiciable, il est install sur la machine un systme de reconnaissance l'avancement par sondage carott ou destructif avec enregistrement de paramtres. L'excution du sondage de reconnaissance est alors intgre dans le programme de travaux pendant la phase d'arrt de la machine. Le forage la machine est ensuite assur avec une connaissance du terrain suffisante permettant de prendre les dispositions ncessaires. 9.3.2.4 - Section fore Compte tenu de la structure rigide du plateau porteoutils et des organes de pousse (grippers latraux ou anneau de pousse), le diamtre for par une machine donne n'est variable que dans une marge trs faible de l'ordre de 10 30 cm (modification des outils alseurs) ; de l'ordre de grandeur de l'paisseur d'un soutnement lger additionnel. Une machine d'un diamtre donn n'est donc utilisable que sur un projet donn et toute variation de diamtre en cours d'excution doit tre considre comme exceptionnelle. Dans le cas de la mise en place d'un soutnement conduisant une rduction de la section, le retrait ou le recul de la machine peut s'avrer impossible sans dmontage des organes principaux. 9.3.2.5 - Prcautions diverses Elles sont lies l'encombrement et la rigidit de la machine : - ncessit d'une chambre de montage et dmontage de la machine ou d'un massif d'appui (radier ancr) l'extrieur ; - difficults de retournement ou de retrait ; - remploi sur d'autres chantiers dans un diamtre diffrent pratiquement impossible sauf modification importante du plateau porte-outils ; - difficults d'accs au front pour auscultation, reconnaissance ou traitement partiel. 9.3.2.2 - Tenue court terme de l'excavation La ncessit de mettre en place occasionnellement des soutnements l'avancement constitue une opration toujours dlicate et qui limite les avancements. En l'absence de tenue de terrain ou pour des terrains de caractristiques mdiocres, il est recommand de mettre en place l'avancement un anneau de voussoirs prfabriqus en bton contre lequel se propulse la machine. Dans les formations rocheuses tendres permettant l'utilisation de grippers latraux, il est galement recommand de mettre en oeuvre en partie infrieure un voussoir de radier sur lequel circule le train suiveur de la machine. 9.3.2.3 - Tunnel sous forte couverture La combinaison des fortes contraintes gostatiques et tectoniques dans le cas des tunnels sous forte cou7 9.4 - Performances En matire d'avancement, il y a lieu de distinguer : L'avancement thorique (exprim en cm/mn) qui correspond l'avancement maximal possible pour lequel la machine a t conue. Il s'agit uniquement d'une vitesse de foration qui ne tient pas compte du temps ncessaire la mise en place du soutnement. L'avancement moyen (exprim en m/jour) pondr sur l'ensemble du chantier qui tient compte d'un taux d'utilisation de la machine , situ entre 30 et 50 %, correspondant au quotient des heures de marche ou de foration effectives Tm par les heures des postes productifs Tp. Tm = ____ Tp Ce taux d'utilisation tient compte des dlais ncessaires au changement des outils, l'entretien et l'incidence d'autres postes non productifs. La performance du tunnelier (exprime en m/h ou m/mois) correspondant une garantie de rsultats entre le constructeur et l'entreprise ou entre celle-ci et le matre d'ouvrage. Quand l'usure des outils peut s'avrer non ngligeable, des garanties sur la consommation sont tablies entre les diffrentes parties. Ceci tant, on peut se fonder sur les avancements instantans suivants pour une roche peu fragile (IFR = 10) et peu fracture (RQD > 75 %). 6m/h pour Rc < 50 MPa 3 5 m/h pour 50 < Rc < 100 MPa 2 m/h pour Rc > 100 MPa Pour des roches trs fragiles (IFR = 15), les vitesses d'avancements peuvent tre doubles. Pour une roche de duret moyenne (50 100 MPa), peu abrasive et moyennement fracture (RQD = 50 %), les avancements moyens mensuels suivants peuvent tre attendus : Tunnelier de 3 5 m de diamtre : 300 500 m/mois. Tunnelier de 6 8 m de diamtre : 200 300 m/mois. Tunnelier de 10 m de diamtre : 200 m/mois. Des cadences de pointe, 2 3 fois suprieures peuvent tre constates sur certains projets mais elles rsultent de conditions de terrain relativement favorables et d'une organisation rigoureuse des travaux et enchanements des tches, aprs une priode de mise en route pouvant atteindre 6 mois 1 an, ce qui suppose l'utilisation des machines sur des projets de longueur suffisante. Par contre, dans les sites difficiles, notamment en terrain meuble et aquifre, o il est ncessaire de travailler sous bouclier avec front confin, les avancements sont nettement infrieurs aux chiffres avancs, ci-avant (Annexe 4.12). 8 10 - Soutnement traditionnel 10. 1 - Description 10.1.1 - Soutnement mtallique Le premier type de soutnement employ dans les souterrains est le soutnement mtallique qui comprend 4 catgories principales : x Soutnement par boulons d'ancrage (fig. 4.10.1) Ceux-ci sont de deux types : boulons ancrage ponctuel, boulons ancrage continu. Le choix entre ces deux types est essentiellement li la nature du terrain : - le boulon ancrage ponctuel, plus rapidement mis en place et moins coteux, ncessite un terrain suffisamment rsistant au niveau de l'ancrage ; - le boulon ancrage continu peut tre effet immdiat ou diffr, provisoire ou permanent. On utilise assez souvent un premier boulonnage immdiat et un deuxime boulonnage en dehors du cycle d'avancement. Ancrage ponctuel coquille rsine ou mortier tige trous d'ancrage plaque crou Ancrage rparti Boulon ancrage par gonflement Boulon ancrage par compression v Fig. 4.10.1 Boulon inject Diffrents types de boulons d'ancrage 3 x Soutnement par cintres mtalliques (fig. 4.10.2) Ces cintres peuvent tre des cintres lourds (H) ou rticuls pour les soutnements en grande section, ou des cintres plus lgers (profils TH, UPN) gnralement en petite section.. Les cintres rticuls prsentent les deux avantages de facilit de mise en oeuvre et de trs bonne compatibilit avec le bton projet. Leur emploi est dconseill lorsque de fortes sollicitations sont prvisibles avant que le bton projet puisse remplir son rle. Le profil de la section doit bien sr tre suffisamment rgulier (pas de hors-profil trop important). blindage d'extrados blindage d'intrados enfilage de barres avec cintres rticuls Cintre coulissant (Type Th) v Fig. 4.10.3 Blindage et enfilage x Soutnement par enfilage Les plaques (plus paisses que les plaques de blindage) barres ou rails sont ici foncs dans le terrain pralablement l'excavation de celui-ci. (On se reportera l'annexe 4.15). HEB 10.1.2 - Soutnement en bton Le soutnement peut aussi utiliser en tout ou partie du bton prfabriqu ou non. Les types de soutnement utilisant le bton sont les suivants : x Bton projet : Il est trs souvent utilis en complment du soutnement mtallique (boulons, cintres rticuls, TH.) ou en remplacement du blindage mtallique. Il peut tre renforc par des fibres mtalliques, voire par un treillis. x Prrevtement coffr : Cintre rticul v Fig. 4.10.2 Utilis soit sur de trs courtes longueurs, soit en complment d'un soutnement par cintres mtalliques pour renforcer ceux-ci. Ce prrevtement peut tre ralis avec un coffrage traditionnel ou avec des couchis mtalliques jouant ce rle de coffrage. Un revtement dfinitif est ensuite mis en place l'intrados du prrevtement. x Revtement l'avancement : Le revtement dfinitif du tunnel joue alors un rle de soutnement en compltant l'action du soutnement mtallique. Une telle mthode permet ventuellement d'utiliser des cintres permettant une recompression du terrain et de rcuprer ceux-ci avant btonnage. 4 Trois types de cintres x Soutnement par blindage (fig. 4.10.3) Les plaques de blindage sont mises, jointives ou non, entre les cintres et le terrain. Elles peuvent parfois tre tenues par des boulons. Elles peuvent galement tre liaisonnes entre elles, les cintres ne servant qu' leur montage et tant ensuite retirs aprs remplissage entre plaques et terrain. x Voussoirs mtalliques ou en bton prfabriqu : Ces voussoirs peuvent tre mis en place l'abri d'un bouclier ou directement l'avancement (en gnral dans le cas de grandes ouvertures et de faible avancement). Des voussoirs particuliers (gnralement en fonte) peuvent tre utiliss au droit des rservations. 10.3 - Prcautions d'emploi Le principal problme pos par l'emploi de ces soutnements traditionnels est celui du choix du type et de la quantit de soutnement utiliser en fonction des terrains rencontrs. Le choix qui appartient l'entreprise doit tre accept par le matre d'oeuvre. Pour viter les dsaccords frquents ce sujet, il convient gnralement de veiller ce que les prix de rmunration de ces diffrents types de soutnement soient homognes. Dans tous les cas, on veille ce que le soutnement soit pos aussi rapidement que possible aprs l'excavation et soit bloqu au terrain. Par ailleurs, on doit veiller la stabilit des assises des pieds de cintres ou du prrevtement. 10.2 - Domaine d'application En raison de leur diversit, les diffrents types de soutnements dcrits dans cette annexe permettent de traiter les problmes poss par toutes les catgories de terrain, ventuellement aprs un traitement de consolidation ou d'tanchit. Pour prciser le domaine d'application de chacun d'eux, on peut se reporter la recommandation de l'AFTES portant sur le choix d'un type de soutnement en galerie (cf. annexe 3.1 de la section 3 "Conception et dimensionnement"). Le choix du soutnement n'est pas seulement li aux exigences du terrain, mais aussi au souci de protection du personnel. A l'exception des voussoirs, la dcision de leur emploi peut tre prise au fur et mesure de l'avancement du chantier sans qu'il en rsulte un dlai important d'attente, condition que leur application ait t prvue au march et au bordereau des prix et qu'on dispose d'une quantit suffisante d'approvisionnements. 10.4 - Performances La mise en place d'un soutnement important au front de taille entrane l'arrt des autres phases du cycle de creusement. Il a donc une influence directe sur l'avancement du chantier. De ce fait, suivant le type de soutnement utilis, le cot de l'excavation d'un tunnel peut varier de 1 4. Par contre, les types de soutnement dcrits dans cette annexe ( l'exception des voussoirs) ne demandent pas un matriel de mise en place ou de fabrication de cot lev. Leur cot reste donc sensiblement proportionnel leur utilisation quelle que soit leur longueur d'application. 10.5 - Bibliographie Recommandations AFTES x x x x Technologie du boulonnage : en cours de refonte Recommandations relatives l'emploi des cintres dans les ouvrages souterrains : supplment au n 117 (mai-juin) 1993 de Tunnels et Ouvrages Souterrains Recommandations relatives la technologie et la mise en oeuvre du bton projet : supplment au n 117 T.O.S. La conception, le dimensionnement et l'excution des revtements en voussoirs prfabriqus en bton arm installs l'arrire d'un tunnelier : n 147 (mai, juin 1998) de Tunnels et Ouvrages souterrains. Recommandations relatives la technologie et la mise en oeuvre du bton projet renforc de fibres : n 126 (Novembre, dcembre 1994) de Tunnels et Ouvrages souterrains. x 5 Autres rfrences x Sprayed concrete linings (NATM) for tunnels in soft ground. ICE design and practice guides (Thomas Telford - Ed. 1996). sur la conception, le calcul, la fabrication et la mise en oeuvre des cintres rticuls (groupe de travail du CETU) n 129 (mai-juin 1995) de Tunnels et Ouvrages souterrains. x Rflexions x Mines et Carrires - Industrie Minrale - les Techniques Rappels fondamentaux sur le boulonnage et lignes d'volution actuelle (JP. PIGUET - R. REVALOR) juin 1992. Rle et pratique du boulonnage (mars 1992). x Comprehensive Rock Engineering, volume 4 : Excavation, Support and Monitoring PERGAMON PRESS, 1993. Revtement par voussoirs en bton Soutnement par blindage Voussoirs en bton 6 11 - La nouvelle mthode autrichienne 11.1 - Description Introduite en France la fin des annes 1970 la nouvelle mthode autrichienne (N.A.T.M. selon l'abrviation anglaise) se caractrise par : - la mise en place, aussi rapidement que possible (*), d'un soutnement dformable constitu de boulons armant le terrain et d'une couche de bton projet, - la ralisation de mesures des efforts et des dformations engendres dans la vote et dans le terrain avoisinant dont l'interprtation permet d'adapter les dimensions, les quantits et les phases de mise en place des lments constituant le soutnement (bton projet en vote, au front, en radier, boulons, cintres). Cette mthode de soutnement assure en principe la stabilit de l'ouvrage de faon dfinitive. Le bton du revtement ventuel, mis en place aprs stabilisation des dformations l'intrieur de la vote de bton projet, augmente la scurit par un confinement supplmentaire, mais a essentiellement un rle de conservation de soutnement, d'tanchit, de protection de l'espace utile. 11.2 - Domaine d'application La Nouvelle Mthode Autrichienne est, en fait, une mthode qui peut s'adapter la plupart des terrains. Elle est limite : - par le temps de dcohsion des terrains, qui peut faire que la plus grande section autostable pendant la mise en place du soutnement n'a pas des dimensions suffisantes pour des raisons pratiques (mise en place des boulons) ou conomiques; - par l'htrognit du terrain et sa fracturation, qui peut empcher d'obtenir l'abattage une excavation rgulire ou produire des concentrations anormales de dformations; - par l'inaptitude du terrain au boulonnage ; - par l'importance des venues d'eau et/ou de la charge pizomtrique qui empchent la mise en place du bton projet. Le but de ce soutnement est de garantir la stabilit de l'excavation non pas en bloquant tout mouvement mais en crant un anneau porteur de terrain arm. L'excavation se fait pleine ou demi-section, et parfois en section divise dans le but de mettre le soutnement en place aussi rapidement que possible. La mise en place d'un radier doit souvent tre prvue dans les terrains o cette mthode est comptitive. Le soutnement comprend : - des ancrages scells (mortier ou rsine) contribuant crer dans le terrain une vote arme; - une coque mince de bton projet (5 25 cm) (gnralement arme de treillis soud ou de fibres mtalliques) solidaire du terrain. Son rle est de protger le terrain contre l'altration, de crer une continuit entre les lments du terrain, d'apporter une certaine pression radiale de confinement et de rpartir les efforts rapports aux ttes des ancrages; - ventuellement, des cintres lgers coulissants qui renforcent la coque de bton projet. Le dispositif de mesure comprend essentiellement : - des mesures de dplacement par chanes de convergence, tassomtre, extensomtre... - des mesures de contraintes au contact bton-terrain (mesures radiales) ou dans le bton lui-mme (mesures tangentielles). 11.3 - Prcautions d'emploi On doit veiller utiliser une mthode d'abattage perturbant aussi peu que possible le terrain encaissant, qui devra participer, de manire importante, au sou- (*) Dans les massifs rocheux soumis de fortes contraintes on recherche un optimum en autorisant une certaine convergence avant mise en place du soutnement, de faon limiter les efforts dans ce dernier. 3 tnement de l'excavation. Pour cela, on utilisera de prfrence des moyens d'abattage mcaniques (machines ponctuelles...) ou des plans de tir avec dcoupage soign. On s'attachera rechercher une efficacit maximale du soutnement, en particulier, en ce qui concerne le bton projet (contrles de rsistance et d'adhrence) et des boulons (essais d'arrachement). Le soutnement devra tre mis en place aussi rapidement que possible aprs l'ouverture de l'excavation. Mme si l'on attaque par section divise, on cherchera raliser le plus rapidement possible la totalit de la section. Les mesures effectues systmatiquement en section courante doivent tre renforces dans les zones singulires (passage une nature de terrain plus mauvaise, ttes, zone urbaine...). Les rsultats de ces mesures doivent pouvoir tre interprts immdiatement pour adapter les paisseurs de bton projet, l'espacement et la longueur des boulons, la succession des phases. On doit vrifier la stabilisation dans le temps des dformations. Dans le cas contraire, il faut dcider d'un soutnement complmentaire (doublement et/ou allongement des boulons, fermeture rapide du soutnement en radier, etc...). Pour les mesures, les cots d'achat des appareils ne sont pas trs levs. Mais les soins apporter leur mise en place, leur protection contre les destructions accidentelles, l'excution des mesures et leurs interprtations, ncessitent une grande vigilance. Enfin la Nouvelle Mthode Autrichienne demande une entreprise ayant une exprience suffisante dans ce domaine tous les niveaux (conception, direction de chantier et excution). 11.4 - Avantages Dans les limites fixes ci-dessus cette mthode s'applique de nombreuses catgories de terrain (des roches trs rsistantes aux roches broyes et aux sols trs consolids). Un des avantages majeurs de la mthode est que le passage d'une catgorie une autre ne ncessite pas de moyens supplmentaires. Il suffit d'adapter la densit du soutnement, le pas d'avancement ou de modifier les phases d'excavation. Dans tous les cas, les moyens matriels ncessaires n'impliquent pas d'investissement important. Enfin, par le fait mme que le terrain est appel se soutenir partiellement lui-mme, le gain sur les quantits de soutnement mettre en oeuvre doit permettre une conomie par rapport aux mthodes traditionnelles. 11.5 - Bibliographie x L.v. RABCEWICZ - The New Austrian Tunneling Method (Water Power Nov. 1964) sterreichische Tunnelbaumethode, Definition und Grundstze, Selbstverlag der x Neue Forschungsgesellschaft fr das Strassen-wesen in IAV, Wien 1980 (synthse en franais + figures) x FELSBAU Volume 12, n 5 Octobre 1994 4 12 - Creusement au bouclier mcanis Un bouclier est un systme de protection constitu d'une structure mtallique complte ou partielle l'abri de laquelle s'effectuent les oprations de terrassement. Le soutnement ou le revtement peuvent galement tre mis en oeuvre l'abri du bouclier. 12.1 - Description Un tunnelier quip d'un bouclier mcanis doit tre mme d'assurer les fonctions suivantes : 1 - abattage du terrain en pleine section ou au moyen d'une machine attaque ponctuelle 2 - soutnement du front de taille (confinement mcanique ou pressurisation) 3 - soutnement des parois latrales de l'excavation (virole mtallique articule et monolithique) 4 - progression du bouclier (appui sur le revtement mis en place ou, exceptionnellement, par grippers ancrs sur le terrain en place) 5 - Mise en place du revtement l'abri d'une jupe mtallique et injection de remplissage du vide annulaire ou mise en oeuvre de bton extrud. 6 - vacuation des dblais l'arrire de la machine et transport jusqu'aux installations de dcharge. L'ensemble de ces fonctions essentielles du bouclier conduisent adopter une classification base sur la stabilisation du front de taille. Quand un confinement du front de taille est assur de manire mcanique ou par un fluide pressuris, il s'agit de boucliers front pressuris (front ferm). Quand aucune stabilisation du front de taille n'est assure ou mise en oeuvre, il s'agit de boucliers non pressuriss (front ouvert). stabilit des parois latrales abattage tanchit du tunnel pose de revtement et injection pour remplissage du vide annulaire vacuation des dblais stabilit du front de taille avancement du bouclier v Fig. 4.12.1 Fonctions d'un bouclier 3 Tunnelier Un tunnelier est une machine ralisant en continu le creusement d'un tunnel et, si ncessaire, la mise en place d'un revtement faible distance du front de taille. Sauf exception, le tunnelier ralise un tunnel de forme circulaire : Dans le rocher, l'excavation peut ainsi se faire par attaque globale l'aide d'une machine foreuse pleine section qui prend gnralement appui directement au terrain par l'intermdiaire de grippers ou patins d'ancrage latraux. (Annexe 4.8). En terrain tendre ncessitant un soutnement important, la forme circulaire est la mieux adapte la reprise des efforts. Le tunnelier comporte alors un bouclier et le front peut tre pressuris (*). En grand diamtre, l'excavation se fait par attaque globale l'aide d'une roue de coupe l'avant de la machine avec un procd de marinage adapt au mode de confinement. La machine progresse en s'appuyant contre le revtement mis en place au fur et mesure de l'avancement par l'intermdiaire de vrins. (Annexe 4.12). Le revtement mis en place est gnralement le revtement dfinitif. Dans certains cas il peut tre complt par un anneau intrieur qui assure d'autres fonctions que la seule fonction de rsistance mcanique. Coupe de la machine Voussoirs Grue voussoirs Tte de coupe Bouclier Erecteur Verins de Pousse Train suiveur Retour boue marinage Arrive boue bentonite (*) Bouclier air comprim, pression de boue, pression de terre. 4 12.1.1. - Les boucliers front non pressuris (fig.4.12.2) Ce type de bouclier n'est utilisable que dans des sols cohrents ou terrains rocheux fracturs et dconsolids et en l'absence de charge hydrostatique. La mise sous pression d'air comprim d'une partie ou de la totalit du tunnel peut cependant tre envisage pour s'opposer la pression hydrostatique, les ouvriers travaillant alors sous pression ce qui accrot la pnibilit des travaux et limite les dures de travail (cf. 12.1.2.1). mthodes de traitement de terrain par conglation ou injections qui s'avraient ncessaires dans des formations trs difficiles, causes de dlais longs et de cots de ralisation levs. Par rapport un bouclier front non pressuris, la diffrence essentielle rside dans la prsence d'une cloison tanche l'avant de laquelle est mobilise en continu et en permanence une pression de confinement qui peut s'exercer de manire hydraulique (pression d'air ou de boue) ou solide (pression de terre ou boue lourde). Un revtement provisoire ou dfinitif mis en oeuvre l'abri de la jupe est associ obligatoirement ce type de bouclier. Il peut tre constitu de voussoirs prfabriqus en bton arm, de voussoirs mtalliques en fonte ou de bton extrud mis en place l'avancement par pompage l'abri d'un coffrage mtallique. 12.1.1.1 - Bouclier mcanis Le profil de la section creuse est gnralement circulaire quand le bouclier est quip d'un plateau porte outil rotatif. L'utilisation de machines attaque ponctuelle de type fraise, godet excavateur ou brise roche hydraulique permet cependant de raliser des sections non circulaires. La stabilit naturelle du front de taille peut tre localement renforce par des moyens de protection mcanique (plaques ou volets), par un talus de terrain ou par la division de la section par compartimentage quand la section s'avre importante. Une protection supplmentaire est apporte par des lances mtalliques en partie suprieure qui sont avances au fur et mesure pour assurer la protection du front et prvenir la cration d'boulements front. 12.1.2.1 - Bouclier air comprim Ce mode de confinement ancien est encore couramment utilis pour s'opposer la pression hydrostatique moyennant le respect de certaines conditions gologiques (couverture suffisante de terrain, granulomtrie fine, prsence d'un horizon permable). Les inconvnients de ce procd sont lis essentiellement l'htrognit des terrains et aux fuites d'air qui peuvent conduire aggraver le risque de tassement en surface. Des procds additionnels (rabattement partiel de la nappe, projection de boue front, blindage mcanique) permettent de diminuer certaines contraintes d'utilisation de l'air comprim. Pour des oprations d'entretien ou de maintenance, le personnel peut malgr tout tre amen pntrer dans la chambre sous pression d'air. Les conditions d'accs et de travail sont rgies par des rgles de scurit trs svres et trs prcises, notamment en matire de sas, qui influent sur la conception des boucliers. 12.1.1.2 - Bouclier lger lances Une version allge de ce dispositif est apporte par le bouclier lances constitu sur tout son pourtour de lances mtalliques de forte paisseur et de grande longueur reposant sur une structure de cintres mtalliques lourds faiblement espacs sur lesquels elles prennent appui. Le revtement qui peut tre en bton coffr est mis en place l'abri des lances. Le vide laiss par les lances lors de leur avancement est combl par des injections de mortier. Un tel procd ne permet cependant pas des cadences d'avancement leves. L'intrt essentiel de ce type de bouclier lger est son adaptation tout type de section et forme de vote ainsi qu'aux terrains htrognes. Son utilisation reste souvent limite une demi-section suprieure. Un procd concurrentiel consiste raliser une prvote telle que dcrite l'annexe 4.15 "Prsoutnement et soutnement du front de taille". 12.1.2.2 - Bouclier pression de boue La pression de confinement boue quilibre la fois la pression hydrostatique et la pression des terres au moyen d'un cake impermable qui se dpose sur le front de taille. La boue charge des dblais excavs au moyen de la tte d'excavation est extraite en permanence au moyen de pompes hydrauliques et le transport des matriaux s'effectue de manire hydraulique. Ce procd ncessite l'installation d'une station de traitement pour dessabler les boues et les rgnrer (figure 4.12.4). Les contraintes d'utilisation sont lies aux terrains htrognes avec prsence de blocs ncessitant un concassage, voire mme une intervention front ainsi qu'aux terrains trs impermables ncessitant des adjuvants dans les boues. 5 12.1.2 - Les boucliers front pressuris (fig. 4.12.3) Ce type de bouclier est particulirement adapt aux terrains meubles et aquifres gnralement rencontrs dans les formations alluvionnaires et sdimentaires des valles. Il a progressivement remplac les 12.1.2.3 - Bouclier pression de terre Dans ce type de bouclier, les dblais excavs sont confins dans la chambre d'abattage et vacus en continu au moyen d'une vis d'extraction dont le dbit est adapt la vitesse de progression du bouclier. La russite de ce type de confinement par vis ncessite une matrise parfaite des pressions dans la chambre et la connaissance en permanence des volumes excavs. Les terrains pour leur part doivent tre suffisamment maniables pour assurer une pression homogne dans la chambre et suffisamment impermables pour maintenir une pression d'eau suffisante front quand celle-ci existe de manire mobiliser un gradient de pression dans la vis. Par rapport au confinement hydraulique la boue, le type de bouclier pression de terre permet de travailler soit en mode ferm soit en mode ouvert sans modification importante et conduit ainsi des cadences d'avancement suprieures. consquence les tassements en surface induits par le creusement. A ce titre, le bouclier pression de confinement est parfaitement bien adapt aux sites urbaniss et sous faible couverture moyennant un remplissage immdiat du vide annulaire et un blocage efficace du revtement mis en oeuvre l'abri de la jupe du bouclier, car ce vide remontant progressivement en surface est l'origine de la majorit des tassements constats en surface. 12.3 - Prcautions d'emploi Elles rsultent de la bonne adaptation du bouclier aux conditions du projet, la sensibilit des paramtres gologiques et gotechniques tant telle qu'une remise en cause de la faisabilit ne peut tre envisage en cours de travaux compte tenu des investissements levs occasionns par cette mthode. Des mthodes de reconnaissance spcifiques destines rduire les alas sont prconises et gradues suivant la nature des terrains et les contraintes inhrentes au site. L'htrognit des terrains est sans conteste la contrainte la plus importante ; elle ncessite une connaissance parfaite du toit rocheux et de la prsence d'obstacles naturels (karst, discontinuits) ou artificiels (pieux, ouvrages enterrs, fondations). Le choix du type de confinement rsultera de la combinaison des caractristiques hydrauliques (permabilit et charge hydraulique) ainsi que physiques (granulomtrie et porosit). Pour la dtermination des paramtres spcifiques au bouclier, ce sont les caractristiques physiques et mcaniques des terrains qui sont essentielles. L'attention est galement attire sur les tassements, mme rduits, induits par cette mthode et le risque de cration de fontis l'avancement qui ncessite une matrise parfaite du confinement. 12.1.2.4 - Bouclier boue lourde Pour accrotre le domaine d'utilisation du bouclier pression de terre dans les terrains htrognes, il s'avre souvent ncessaire d'injecter dans la chambre des ajouts sous forme d'argile, de boue bentonitique ou de mousses base de polymres pour amliorer les caractristiques des terrains en place. L'utilisation de ce type de boucliers utilisant un confinement solide (terre, boue lourde) reste cependant actuellement limite au diamtre de 11 m environ compte tenu de la difficult d'assurer une pression homogne sur toute la surface du front de taille. 12.2 - Domaine d'application De par leur conception et leur principe de fonctionnement, les boucliers confinement sont parfaitement adapts aux terrains difficiles mdiocres pour lesquels les techniques traditionnelles de creusement de tunnel imposent la modification ou l'amlioration de leurs caractristiques gologiques et gotechniques (rabattement de nappe, conglation, traitement par injection, jet grouting). Cette mthode de creusement au bouclier confinement reste souvent la seule mthode possible quand les contraintes d'environnement excluent une solution par tranche couverte ou rabattement de nappe. Le confinement permet par ailleurs de limiter les dcompressions de front de taille et par voie de 6 12.4 - Bibliographie x A.F.T.E.S. Recommandations sur le choix d'un type de tunnelier ou de bouclier mcanis (Tunnels et Ouvrages Souterrains n spcial Mai 1988). x A.F.T.E.S. Recueil de fiches signaltiques de chantiers mcaniss. x C. BOUYAT - Le soutnement pression de boue - Tunnels et Ouvrages Souterrains (n 106 - Juillet- Aot 1991). x Tunnels et Ouvrages Souterrains (n 119 - Septembre-Octobre 1993). x Tunnels et Ouvrages Souterrains (n 128 - Mars-Avril 1995). Spcial Journe d'Etudes de l'A.B.T.U.S. (8 Novembre 1994). x C. RAYNAUD - Les Tunneliers (FAURE et Associs - Paris 1992). x B. MAIDL, M. HERRENKNECHT, L. ANHEUSER - Mechanised Shield Tunneling (Ernst & Sohn - 1996). v Fig. 4.12.4 Ensemble de l'installation de prparation, dessablage, dessaturation/pressage des boues bentonitiques du Mtro de Lyon v Fig. 4.12.2 Bouclier mcanis (ce type de bouclier est gnralement rserv de petites sections) 7 Bouclier pression de boue (Chantier METEOR Paris) Bouclier pression de terre de x 10,96 m (Tunnel de Caluire) Bouclier pression de boue (Mtro de Lille Lot III - Ligne 1 bis) v Fig. 4.12.3 8 13 - Traitements de terrain 13.1 - Dfinition et finalit des traitements de terrain Sous l'appellation "traitements de terrain", on entend tous les procds ou artifices permettant de modifier les caractristiques physiques et mcaniques des terrains dans leur masse. Les buts recherchs par le traitement du terrain sont de deux types, leurs effets pouvant bien sr se cumuler : - amlioration des caractristiques mcaniques du terrain, - modification des cheminements de l'eau dans le terrain par rduction de la permabilit ou de la charge d'eau au niveau de l'ouvrage. Les principaux procds de traitement de terrain envisageables sont : - le drainage l'avancement, - le rabattement de nappe, - les injections de traitement (consolidation et/ou tanchement), - le jet grouting (injection par dstructuration), - la conglation, - la vibroflottation. D'autres procds d'amlioration du terrain utiliss en travaux souterrains font appel un renforcement par inclusions : boulonnage au front de taille, colonnes de jet-grouting ... On se rfrera pour leur description l'annexe 4.15 "Pr-soutnement et soutnement du front de taille". Il faut souligner que, d'une manire gnrale, le traitement du terrain est destin amliorer la stabilit de l'excavation court, voire long terme. Le traitement pralable au creusement a notamment pour but de permettre l'emploi de mthodes de creusement squentielles lgres sans sujtion supplmentaire autre que celle du traitement. Un bilan conomique et une tude sur la faisabilit sont entreprendre pour faire un choix entre une mthode de creusement lourde (utilisation d'un bouclier front pressuris, 3 pr-soutnement, creusement en section divise) sans traitement et une mthode plus lgre avec traitement. L'application de ces procds spciaux est grandement conditionne par l'accessibilit de la zone traiter. Dans le cas de tunnels couverture importante la ncessit de traiter partir d'une galerie, ou du tunnel proprement dit, entrane des sujtions lourdes pour l'avancement des travaux de creusement. 13.2 - Procds de traitement 13.2.1 - Drainage l'avancement En cas de rencontre de milieux permables gorgs d'eau au cours des travaux, le drainage par captage local des eaux permet de rduire la charge hydraulique dans le terrain autour du tunnel et d'viter les dbourrages importants. Ce drainage s'effectue l'aide de forages tubs ou non, intressant le terrain sur une dizaine une quinzaine de mtres en avant du front de taille et latralement. Pour que ce traitement soit ralis avec succs, une bonne connaissance des caractristiques hydrogologiques des terrains et des systmes de fracturation dans les milieux rocheux est ncessaire notamment pour orienter les forages. Cette mthode est recommande en attaque montante avec coulement gravitaire. Dans le cas d'attaque descendante, son application demande la mise en oeuvre d'un systme de captage et d'exhaure des eaux par pompage. Le dbit au front peut limiter son domaine d'utilisation pour la bonne marche du chantier. Dans le cas de terrains meubles, le risque d'entranement par l'coulement de l'eau dans les forages drainants, voire de dbourrage, est une restriction de la mthode vis--vis de la dcompression des terrains et de ses consquences sur l'environnement. Le drainage peut provoquer localement une consolidation du terrain et entraner des tassements de surface. a) Classification des injections Il existe une grande varit de traitements par injection tant par leur fonction que par leurs techniques de mise en oeuvre. Leur classification peut s'effectuer d'aprs les paramtres principaux suivants : Nature du terrain - roches peu fortement fissures voire karstiques, - sols pulvrulents ou peu consistants depuis les alluvions grossires jusqu'aux sables silteux. Les caractristiques essentielles du terrain injecter sont sa permabilit, sa granulomtrie et sa porosit. Type de traitement - consolidation du terrain avec effet d'tanchement, - tanchement du terrain par ralisation d'crans tanches, - remplissage de gros vides. Type de l'intervention - avant les travaux de creusement depuis la surface ou depuis une galerie-pilote, - au cours des travaux l'avancement pour le passage d'accidents gologiques (notamment failles remplies de sable et argile, sous forte pression d'eau jusqu' 10 MPa) ou pour la reprise d'boulements. Nature du site - en site urbain avec des problmes spcifiques lis l'environnement (soulvement, rsurgences) ou en site vierge, - faible ou grande profondeur. 13.2.2 - Rabattement de nappe Pratiqu en traitement pralable depuis la surface, ce procd consiste diminuer, voire annuler la pression interstitielle au voisinage du tunnel afin de rduire les venues d'eau lors du creusement et ainsi d'amliorer les caractristiques mcaniques du terrain. Ce traitement peut tre utilis dans le cas de tunnels peu profonds dans les formations rocheuses fissures et dans les formations dtritiques ou sdimentaires permables ou peu consistantes. Trois techniques peuvent tre envisages : - puits filtrants et pompage : technique courante pour K > 10 -5 m/s ; - pointes filtrantes et aspiration : technique pour faible rabattement (infrieur 6 m) et 10 -6 < K < 10 -4 m/s ; - lectro-osmose : technique avec application d'un champ lectrique pour les milieux peu permables (K < 10 -6 m/s). L'application de ces techniques a pour consquence un djaugeage du terrain : des tassements de surface sont attendre mme hors de l'emprise des travaux. Ce traitement par rabattement de nappe implique des tudes gotechniques et hydrauliques pralables et une bonne connaissance des contraintes d'environnement. Pour des raisons conomiques, la technique du pompage n'est employable que lorsqu'il existe une couche impermable assez proche du radier du tunnel. b) Projet d'injection Il doit dfinir : - la zone injecter (autour du tunnel et/ou devant le front de taille ...), - la nature des coulis injecter (argile-ciment, gel, rsines ....), leur dosage et leurs caractristiques physiques et mcaniques, (viscosit, densit, rsistance, stabilit), - le volume injecter et la pression d'injection, - la maille de forages, - l'quipement des forages, - la procdure d'injection (phasage). L'attention est attire sur le fait qu'un traitement de terrain ncessite un encagement, un confinement de la zone traiter, impliquant par exemple la ralisation d'un masque au front de taille du tunnel. L'paisseur de la zone traiter devant le front et autour du tunnel est fonction : - de la largeur du tunnel, - de la charge hydraulique, - de la nature des terrains, - de la profondeur, et est conditionne par la rsistance mcanique et le gradient hydraulique dans le terrain trait. 4 13.2.3 - Injections Le procd de traitement par injection consiste remplir les vides du terrain (fissures ou pores) par un produit liquide ou en suspension appel coulis qui se solidifie plus ou moins dans le temps. Le coulis est envoy sous pression dans des forages quips pour l'injection, traversant les zones traiter. L'injection a pour rsultat de rduire la permabilit et/ou d'augmenter les caractristiques mcaniques d'une roche ou d'un sol. C) Injections de compensation Les injections de compensation ont pour but de compenser les mouvements du terrain se produisant audessus du tunnel en cours de creusement, au fur et mesure de leur apparition, par injection de quantits contrles de coulis. Ces injections sont pilotes en temps rel par un dispositif de mesures de nivellement install dans le terrain, permettant de dcider de l'emplacement des injections et des quantits injecter. Elles sont ralises partir de tubes manchettes permettant de procder ces injections localises autant de fois que ncessaire. Jusqu' prsent les injections de compensation ont surtout t pratiques faible profondeur dans des sols o la disposition de couches permet de raliser l'injection au sein d'une couche peu prs homogne ou l'interface entre deux couches. Dans certains cas la phase de compensation proprement dite est prcde de phases d'injection de prtraitement visant crer une sorte de dalle de rpartition dans le terrain ou prcomprimer celui-ci pour donner une meilleure efficacit au traitement. Si les injections sont pratiques faible distance du tunnel, il faut bien sr veiller viter les risques de claquage et de dstabilisation du front de taille. Exemple d'injection depuis une galerie-pilote Exemple d'injection depuis la surface Injection l'avancement PK 72 PM 1650 1669 Drainage pour excavation Profil en long Drainage l'avancement 5 Il est recommand : - pour raliser des votes parapluies l'avancement des tunnels (pr-soutnement), - pour constituer (depuis la surface) des massifs tanches et solides au dmarrage ou l'arrive des tunneliers), - pour traiter linairement des appuis de cintres ou de radiers de tunnels creuss par section divise. 13.2.5 - Conglation Dans les terrains aquifres, difficilement injectables et non drainables, il est possible d'utiliser la technique de conglation qui consiste solidifier l'eau incluse par un refroidissement basse temprature. La cration d'une vote de terrain gel rsistante et tanche est obtenue par la circulation d'un fluide rfrigrant (saumure ou azote liquide) dans des tubages mtalliques mis en place dans des forages implants horizontalement (dans le cas de traitement l'avancement) ou verticalement (dans le cas de traitement depuis la surface). Le recours l'azote liquide pour transfrer les frigories est prfrable dans le cas de traitement trs localis. La trs basse temprature de ce fluide permet une conglation plus rapide et plus fiable du terrain et autorise une paisseur rduite de la vote ou du mur congel. La mthode gnralement recommande consiste combiner la mise en froid rapide l'azote avec l'entretien conomique la saumure. Cette technique longue, onreuse et trs dlicate n'est employer qu' l'avancement pour des passages ponctuels difficiles quand toute autre technique de creusement ou de traitement s'est avre inutilisable ou inefficace. Elle peut tre envisage pour : - les roches broyes et aquifres, - les sols pulvrulents fins ou cohrents trs plastiques teneur en eau leve. Pour l'tablissement du projet, l'tude gotechnique et hydrogologique doit fournir des indications sur les paramtres suivants : temprature du terrain, granulomtrie, teneur en eau et degr de saturation, permabilit, rsistance au cisaillement et dformation ; nappe et coulement, temprature et composition de l'eau. L'implantation et la direction des forages devant recevoir les tubes conglateurs doivent tre prcises et contrles. L'entretien de la vote de glace ncessite un apport rgulier de frigories dont la quantit est fonction des conditions d'changes thermiques (circulation d'eau dans le terrain, change avec l'extrieur partir du tunnel) qu'il s'agira de limiter au mieux. Il y a lieu de prvoir des forages de dcompression au centre de l'anneau pour viter la naissance de fortes contraintes internes, de prendre des prcautions pour 6 Exemple de traitement par Jet-grouting 13.2.4 - Jet-grouting Le jet-grouting est un procd de traitement des terrains meubles qui agit en tapes spares ou combines par : - dstructuration du sol par un jet trs grande vitesse, - extraction partielle du terrain par la circulation des fluides du jet, - adjonction d'un liant apport par le coulis ( base de ciment). Le traitement ncessite la mise en oeuvre de la procdure suivante : - forage de petit diamtre < 200 mm sur la profondeur ou longueur du traitement, - mise en vitesse du fluide envoy sous haute pression au travers de buses de petits diamtres, - remonte lente des tiges avec rotation pour former une colonne de terrain trait avec le coulis. Le diamtre des colonnes et leur rsistance dpendent des paramtres de forage et d'injection : - vitesse de translation et rotation des tiges, - pression et dbit du fluide, - dosage du coulis, - nature et compacit du terrain en place, - mthode de jet utilise (simple, double ou triple). Le jet grouting est principalement employ dans : - les sols fins difficilement injectables (limons, argiles peu consistantes), - les sols granulaires consolider fortement. le btonnage contre une paroi gele et trs basse temprature (isolation, surpaisseur de bton), d'tudier les consquences des soulvements (en phase de conglation) puis de tassements (en phase de dgel) sur l'environnement et l'ouvrage. 13.3 - Efficacit des traitements Il est ncessaire de pouvoir contrler l'efficacit d'un traitement de terrain. Si cela peut apparatre relativement facile pour des traitements d'tanchement ou de drainage (baisse de dbits d'eau ou de niveaux pizomtriques), il n'en va pas de mme pour les traitements de consolidation du terrain par injection ou jet-grouting. Chaque fois que possible, on procdera l'excution d'un plot d'essais. Des recherches sont en cours visant mettre au point des moyens de contrle in situ notamment par mthode non destructives et caractriser l'amlioration des proprits du terrain dues au traitement. 13.2.6 - Vibroflottation Cette technique consiste enfoncer dans un sol pulvrulent un vibreur. Les vibrations gnres par le vibreur se propagent dans le sol produisant son compactage en masse. Pour compenser la rduction de volume on peut ajouter des matriaux pendant le fonage. La densification obtenue rduit la permabilit et augmente la rsistance au cisaillement. Cette mthode est utilisable condition d'accder librement en surface la zone traiter et pour les tunnels faible profondeur. 13.4 - Bibliographie x AFTES - Recommandations relatives aux travaux d'injection pour ouvrages souterrains (Tunnels et Ouvrages Souterrains - n Spcial mai 1988) - en cours de rvision. x ISRM - Commission on Rock Grouting (R. WIDMANN) (Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. and Geomech. Vol. 33 - n 8 - pp. 803-847 - 1996). x CEN / TC 288 - Projets de normes europennes : - Injections - Mthode dite de "Jet grouting" x J. MOREY - Les domaines d'application du jet-grouting (Revue Franaise de Gotechnique n 61, pp. 17-30 - Dcembre 1992). x J.S. HARRIS - Ground freezing in practice (Thomas Telford - 1995). x J.G. LA FONTA, S. CARAYOL - Contrles de tassement et injections de compensation (Tunnels et Ouvrages Souterrains n 140 - pp. 107-115 - mars, Avril 1997). 7 Exemple de forages d'injections de compensation depuis un puits (Document BACHY) 8 14 - Galeries-pilotes 14.1 - Dfinition Une galerie-pilote est une galerie de dimension rduite infrieure la section de l'ouvrage dfinitif dans laquelle elle s'inscrit. Cette galerie excute au titre des travaux de gnie civil n'a aucun caractre fonctionnel et fait partie intgrante du procd de construction du tunnel. Elle peut dans certains cas servir de galerie de reconnaissance en phase de terrassement (voir annexe n 2-5, "galeries de reconnaissance") de la section 2 "Gologie, Hydrogologie, Gotechnique" ou rutiliser partiellement ou totalement une galerie de reconnaissance excute pralablement au contrat de travaux de gnie civil. Ne sont pas concernes les galeries annexes (ventilation, drainage, scurit, service...) excutes hors de la section de l'ouvrage et ncessites par le fonctionnement ou l'exploitation de l'ouvrage. abaisser la charge d'eau et vacuer les dbits d'eau d'infiltration front en diminuant ainsi les sujtions des venues d'eau en pleine section. Cette galerie peut n'tre conduite que jusqu' l'aquifre reconnu. galerie d'avant-trou faisant office de bouchon destine rduire les vibrations dans un creusement l'explosif et optimiser ainsi la longueur des voles d'abattage ultrieures en pleine section. Cet avant trou est excut gnralement au moyen d'une machine foreuse, dans certains cas (faible longueur) l'explosif. galerie d'avant trou fore au tunnelier au centre de la section circulaire dans la mthode de creusement mcanis par alsage successif. galerie creuse sur toute la longueur de l'ouvrage et destine amliorer les conditions d'hygine et de scurit pour un terrassement traditionnel l'explosif ou la machine attaque ponctuelle : elle peut faire office en phase travaux de galerie de ventilation ou de galerie permettant d'vacuer les dblais de manire continue. 14.2 - Diffrents types de galeries-pilotes Une galerie-pilote peut tre une : galerie de reconnaissance permettant une bonne identification gologique et gotechnique du terrain en place en affinant les prvisions et en optimisant les soutnements ncessaires. galerie d'avancement dans le procd de section divise o la stabilit des fronts et des parements est accrue en diminuant la section d'excavation. Cette galerie prcde le terrassement en pleine section. Quand sa longueur est limite 2 3 voles, il s'agit seulement d'un four d'excavation. galerie destine la mise en oeuvre de procds d'amlioration du terrain pralablement son terrassement en pleine section. galerie de drainage l'avancement destine 3 14.3 - Objectifs des galeries-pilotes Les objectifs assigns une galerie-pilote doivent donc tre bien prciss de faon dfinir de manire optimale son implantation, ses dimensions et son mode d'excution. Les objectifs peuvent tre classs comme suit : 1) Contribution directe la construction - drainage des eaux d'infiltration, - traitement pralable des terrains depuis la galerie pilote, - franchissement d'accidents gologiques reconnus ou supposs, - alsage successif pour des tunnels de grande section dans des terrains rocheux durs et massifs. 2) Facilitation de l'excution - rduction des sujtions des venues d'eau en pleine section, - ventilation des chantiers de terrassement mcaniss ou l'explosif, - rduction des vibrations des tirs l'explosif des abattages ultrieurs par cration d'une surface libre de dgagement (galerie faisant office de trou de bouchon), Des projets de tunnels peuvent tre raliss ainsi proximit immdiate de structures sensibles, apport sur l'amortissement des vibrations engendres par les abattages ultrieurs sera fonction de la section creuse au tunnelier. En pratique, ce sont les disponibilits en matriel qui sont dterminants dans le choix du diamtre du tunnelier par l'entrepreneur. - une galerie destine au marinage ou au drainage sera situe en partie basse de la section. A contrario, une galerie utilise par la ventilation ultrieure du chantier sera implante en partie haute de l'ouvrage. 3) Information sur les terrains traverss - reconnaissance gologique et gotechnique des terrains l'avancement ou pralablement l'avancement permettant d'optimiser les mthodes de construction, - analyse du comportement du terrain en section rduite, 14.5 - Contraintes et difficults des galeries-pilotes Les principales contraintes et difficults sont les suivantes : - l'emplacement d'une galerie pilote dans une section peut induire certaines contraintes dans la mthode de creusement de la pleine section (reprise de soutnement provisoire, drainage ou captage d'eaux de circulation,...), - obligation d'adopter des techniques de soutnement provisoire compatible avec un terrassement ultrieur traditionnel ou mcanis. Dans le cas d'alsages successifs mcaniss, ncessit de dpose des soutnements mtalliques - ou adoption de boulons destructibles en fibre de verre par exemple, - accroissement des risques dans l'hypothse d'une galerie-pilote fore pralablement la machine dans des conditions gologiques difficiles pouvant conduire l'arrt ou au coincement de la machine, - allongement global de la dure de ralisation de l'ouvrage compte-tenu de la ralisation pralable de la galerie pilote, - difficult d'apprciation du comportement des terrains sous faible moyenne couverture creuss la machine foreuse et abattus ultrieurement l'explosif. 4) Amlioration des conditions de passation de march des travaux - La galerie-pilote est alors ralise pralablement en tant que galerie de reconnaissance. La rduction des alas sources de rclamation de la part de l'entreprise, ainsi que l'accroissement des cadences d'avancement et la rduction des dlais d'excution sont prendre en compte pour juger de l'intrt d'une galerie pilote. 14.4 - Dimensions des galeries-pilotes et implantation D'une manire gnrale la galerie aura une section au moins gale 10 m2 et sera situe de prfrence dans la partie centrale de l'ouvrage excaver. Les dimensions et implantation dpendent la fois des objectifs dfinis pour ces galeries (cf. 14.3 ciavant) et des moyens en matriel ncessaire leur excution, ainsi : - un avant trou par alsages successifs au tunnelier sera rigoureusement dans l'axe de l'ouvrage circulaire et d'une section adapte au systme de traction du ou des alseurs. - un avant-trou creus au tunnelier en tant que trou de bouchon afin de limiter les vibrations pourra tre dsax du ct de l'environnement sensible. Le gain 4 14.6 - Performances et cots Une galerie-pilote ne peut tre estime indpendamment du cot global de l'ouvrage dans la section duquel elle est ralise. Il s'agit plutt de comparer les cots avec ou sans ralisation d'une galerie pilote. Il faut galement distinguer le cas o une galerie pilote est ralise pralablement l'excavation de l'ouvrage principal (cas courant de la galerie de reconnaissance) ou dans le cadre de l'excution des travaux de gnie civil (partie intgrante de la mthode). Dans ces deux cas de figure, la longueur de l'ouvrage raliser est un lment dcisif quand il s'agit de mettre en oeuvre une machine foreuse pour raliser la galerie pilote. D'une manire gnrale une longueur de 3 4 km est ncessaire pour amortir une machine de creusement ; des longueurs plus faibles sont envi- sageables en prenant en considration les gains apports par cette galerie pilote pour les travaux d'abattage ultrieur (ventilation, dlai, longueur voles, consommation explosifs). On peut considrer que le cot de la ralisation d'une galerie pilote au tunnelier en roche dure (hors traitement de consolidation) de 10 m2 environ reprsente entre 15 et 20 % du cot total de l'ouvrage dfinitif. Le gain global ventuel apport par la ralisation d'une galerie-pilote doit tre apprci au cas par cas. Exemple de galerie-pilote pour traitement du terrain Avant-trou 5 15 - Pr-soutnement et soutnement du front de taille 15.1 - Description L'opration de pr-soutnement consiste crer une structure jouant un rle de soutnement, en avant du front de taille, la priphrie de la section qui sera excave. Outre ce rle de soutnement, le pr-soutnement peut contribuer la prservation du noyau de terrain en avant du front de taille, qui est fortement dcomprim par le creusement. Le pr-soutnement est trs souvent utilis en accompagnement d'une action de renforcement direct du front lui-mme. Les techniques d'amlioration du terrain par traitement en masse (injections, drainage...) sont prsentes l'annexe 4.13 (traitement des terrains). On peut classer les pr-soutnement en trois types : Vote-parapluie Pr-vote Anneau renforc. 15.1.1 - Vote-parapluie 15.1.1.1 - Pratiqu de longue date, l'enfilage en calotte (figure 4.15.1) consiste mettre en place des barres ou des plaques d'acier longitudinales, la priphrie du front de taille, le plus souvent sur le tiers ou le quart suprieur de la circonfrence. L'objectif de l'enfilage est d'assurer la scurit immdiate de l'excavation avant la pose du soutnement. plaques d'enfilage ou barres cintre lourd 1,00 m v Fig. 4.15.1 Enfilages 3 15.1.1.2 - Le systme des votes-parapluie embotes (figure 4.15.2) peut tre considr comme une extension du prcdent, avec un objectif plus large : crer une vritable structure de soutnement, constitue de tubes mtalliques (ou plus gnralement de pieux) disposs en couronne subhorizontale suivant le contour de la section qui sera excave et prenant appui sur des cintres poss au fur et mesure de l'avancement. Votes parapluie embotes Elles sont constitues, soit de barres ( 32 ou 40 mm) ou de tubes injects ( 90 200 mm), soit de colonnes de jet-grouting ( 60 80 cm). La longueur des votes successives ne dpasse pas 12 15 m, la longueur de recouvrement tant gnralement de 3 4 m. Pour limiter au maximum la perte de terrain, la perforation pour mise en place des tubes est excute avec un systme type "Odex" roto-percussion avec marteau fond de trou qui entrane derrire lui le tube mtallique. Aprs insertion du tube, la gaine peut tre injecte faible pression avec du coulis de ciment, puis une injection haute pression peut tre prvue pour consolider et comprimer le terrain entre deux tubes contigus. Des cintres sont mis en place au fur et mesure du creusement, gnralement avec un interaxe de 0,75 m 1 m. Ces cintres sont rayon variable pour suivre la divergence de la vote. Un contact forc et immdiat entre les cintres et les tubes peut tre obtenu par l'interposition de gaines en polypropylne que l'on remplit de mortier de ciment (par exemple le "bullflex"). Le soutnement en arrire du front est complt par mise en oeuvre de bton projet entre les cintres, associ ventuellement un boulonnage radial. Les votes-parapluie de ce type sont gnralement utilises pour le creusement de la demi-section suprieure, le creusement du stross se faisant aprs confortement ventuel des pidroits, par exemple par colonnes de jet-grouting ou micropieux. votes-parapluie embotes renforcement par micropieux cintres mtalliques v Fig. 4.15.2 (d'aprs St TREVI) 4 15.1.1.3 - La dnomination "vote - parapluie" s'applique galement des structures beaucoup plus rigides, constitues de tubes mtalliques de forte inertie ( 500 mm ou davantage) mis en place horizontalement par rotation ou par pousse partir d'une chambre d'attaque ou de la tte du tunnel. Si ncessaire la structure peut tre renforce : tubes remplis de bton, jointifs, connects. On peut aller jusqu' la cration d'un arc porteur (figure 4.15.3). Des structures de ce type peuvent atteindre plusieurs dizaines de mtres de longueur. v Fig. 4.15.3 Exemple de structure constituant un arc porteur (Mtro de Milan) 5 Pr-votes ralises par prdcoupage mcanique Le prdcoupage est ralis par une machine spciale comportant un engin de havage port par un chariot qui peut se dplacer sur un bti pousant le contour de la section excaver. Ces machines ont une masse variant de 25 120 tonnes pour des puissances s'chelonnant entre 90 et 400 kVA. Les saignes ont une paisseur de l'ordre de 15 30 centimtres et une longueur de 4 5 mtres. Elles sont gnralement excutes en plusieurs phases transversales avec btonnage au fur et mesure, de faon limiter les problmes lis au dconfinement de la saigne. La mise en place du bton s'effectue par projection. Le bton peut tre arm de fibres mtalliques.. Chaque pr-vote a une forme lgrement tronconique pour permettre la construction de la prvote suivante. Les recouvrements entre pr-votes successives sont compris entre 0,50 m et 2,50 mtres. Le creusement en pleine section est recommand en prvoyant si ncessaire un renforcement du front de taille. La ncessit d'un soutnement complmentaire par cintres ou boulons radiaux doit tre examine en fonction du phasage des travaux et des conditions de travail des prvotes. Des dveloppements sont en cours (en Italie) pour passer des machines capables de raliser des pr-votes beaucoup plus massives (80 cm d'paisseur, 10 mtres de longueur), ralisant en outre un anneau complet. Lame de machine de prdcoupage boulonnage du front scie haveuse 4,00 m prvote 10,0 0m bti support de scie Mthode prdcoupage et prvote Pleine section prvote boulonnage du front de taille Ralisation de prvotes par prdcoupage mcanique prradier contre-vot v Fig. 4.15.4 1 - prvote 2 - boulonnage du front de taille 3 - excavation excavation 6 15.1.2 - Pr-vote Il s'agit d'une structure de pr-soutnement conue pour travailler sans difficult en vote transversalement la progression du tunnel. La pr-vote peut tre ralise par diffrents procds, gnralement : - La mise en place de bton l'intrieur d'une saigne ralise par prdcoupage mcanique (figure 4.15.4) ; - La cration d'une coque l'aide de colonnes de jetgrouting juxtaposes, par la mme mthode que celle mise en oeuvre pour les votes-parapluie. Lorsque le terrain s'y prte, l'utilisation du jet-grouting permet d'obtenir des pr-votes de plus grande longueur sous rserve d'une trs bonne qualit d'excution si l'on veut que les colonnes soient rellement jointives et aptes transmettre des efforts transversalement. 15.1.4 - Mthodes de soutnement du front de taille Hormis le recours un bouclier pressuris (cf. annexe 4.12),les principales dispositions susceptibles d'tre adoptes pour soutenir le front de taille d'un tunnel sont les suivantes : - Maintien d'un merlon stabilisateur non excav faisant office de contrefort, - Inclinaison du front, forcment limite car elle induit des contraintes importantes pour la pose du soutnement (ou creusement en maintenant un dcalage de quelques mtres entre la partie suprieure et la partie infrieure du front), - Drainage au front de taille, s'il y a lieu, - Renforcement du front comprenant la fois : 15.1.3 - Anneau renforc Il s'agit de crer un anneau pais de terrain renforc autour du tunnel et en avant de celui-ci, gnralement par un boulonnage assez dense associ des injections (figure 4.15.5). Les boulons, de 5 10 mtres de longueur environ, sont disposs en couronne incline vers l'avant du front. Ils peuvent tre de mme type que les boulons de renforcement du front de taille. L'anneau de terrain renforc peut galement tre ralis par boulonnage radial partir d'une galerie pilote prcdant l'excavation principale (cf. annexe 4.14). l'obtention d'un front de surface bien rgulire, plutt concave (cf. figure 4.15.5), la mise en oeuvre d'une peau en bton projet ventuellement arm de fibres, de faon viter la dgradation superficielle du terrain et se prmunir contre des instabilits mineures susceptibles de se propager vers l'intrieur du front, la mise en oeuvre d'inclusions pouvant tre constitues de boulons destructibles en fibre de verre ou de colonnes de jet-grouting horizontales (figure 4.15.6). Ce type de renforcement peut tre associ chacun des procds de pr-soutnement dcrits prcdemment. Boulons injects Boulons en fibre de verre revtement dfinitif bton projet radier extensomtre v Fig. 4.15.5 Anneau renforc (d'aprs P. LUNARDI) 7 Renforcement du front de taille par boulonnage Les boulons en fibre de verre utiliss se prsentent sous forme de tubes ou de lanires disposes autour d'un tube central servant l'injection. Il s'agit de boulons passifs scells au terrain par un coulis de ciment. Les boulons sont mis en oeuvre par une machine spciale comportant des glissires de grande longueur. On utilise couramment des boulons de 18 mtres de longueur ; Si l'on considre que les quatre premiers mtres de ceux-ci sont perdus en raison de la "jeunesse" du scellement et que les quatre derniers sont ncessaires l'ancrage minimum du boulon, il reste environ 10 mtres de longueur de boulon dit "utile". Ceci doit tre pris en compte dans le calcul du nombre de boulons raliser. En gnral on cherche maintenir un renforcement assez constant en renouvelant un certain nombre de boulons chaque pas d'avancement. La force rsistante des boulons (gnralement quelques centaines de kN) et le schma de boulonnage doivent tre adapts la nature du terrain et l'objectif poursuivi (stabilit du front, matrise des dplacements). La densit des boulons peut varier dans de larges proportions : de 1 boulon pour 4 ou 5m2 2 boulons par m2. Renforcement du front de taille par boulonnage Exemple de boulon de front de taille en fibre de verre Boulon constitu de 3 plaquettes 100 mm forage = 60 mm tube d'injection carteur v Fig. 4.15.6 Mise en place d'un boulon de front de taille 8 15.2 - Domaine d'application 15.2.1 - Terrains concerns Les procds de pr-soutnement et de soutnement du front de taille sont gnralement utiliss : Lorsqu'il s'agit non seulement d'assurer la stabilit de l'excavation mais aussi de limiter les dformations du massif, le procd peut ncessiter des oprations complmentaires importantes : injections de serrage, blocage des tubes sur les cintres, confortement de l'appui des cintres. L'utilisation du jet-grouting permet d'tendre le procd des terrains plus fins sans cohsion : sable, limons. 15.2.1.1 - Dans des terrains de faible rsistance : Rocher trs fractur, Roches tendres et sols cohrents : marnes, calcaires tendres, molasses, argiles.... Terrain avec blocs, manquant de cohsion : moraines, dpts alluvionnaires... Terrains bouleverss : glissements, boulis... 15.2.2.2 - Pr-vote Le prdcoupage mcanique est bien adapt dans les roches tendres et les sols cohrents homognes : marnes, calcaires tendres, molasses, argiles... Les limites d'utilisation du procd sont surtout lies a la possibilit de raliser la saigne dans de bonnes conditions : ces limites apparaissent en cas de trop faible cohsion du terrain, de venues d'eau, de prsence de blocs, de terrain trop dur. Des amliorations sont tudies pour repousser ces limites d'utilisation, notamment en terrain meuble et aquifre (bouclier de saigne, drainage...) Lorsque l'appui des pr-votes est susceptible de prsenter un dfaut de portance compte tenu des charges transmises au terrain, la mise en oeuvre d'un radier au plus prs du front de taille est ncessaire. Le prdcoupage prsente l'inconvnient de ncessiter l'emploi d'une machine lourde et peu mobile qui doit tre adapte la section raliser, sans pouvoir faire pour autant l'conomie d'une machine de boulonnage (pour le renforcement du front de taille). 15.2.1.2 - Dans des terrains de trop forte dformabilit, eu gard l'objectif de matrise des tassements retenu. Cette situation se rencontrera surtout : En site urbain Pour les tunnels de grande section A profondeur faible ou moyenne. 15.2.1.3 - Pour traiter des points singuliers : Dmarrage du creusement (ttes) Passage de zones broyes, failles... Reprise d'boulements. 15.2.2.3 - Anneau renforc Ce procd semble le plus universel d'emploi ; Il offre galement une grande souplesse : adaptation du type du nombre et de la longueur des boulons, choix entre injections et jet-grouting... La principale limitation tient sans doute la cadence d'excution si l'on est conduit effectuer un vritable traitement du terrain au fur et mesure de l'avancement. Il s'agit d'un procd qui se situe mi-chemin entre la cration d'une structure de soutnement et une amlioration des caractristiques du terrain par un traitement en masse. 15.2.1.4 - Parfois dans un souci d'industrialisation des travaux et d'limination des alas (particulirement en ce qui concerne la pr-vote, mme lorsque la qualit gotechnique des terrains ne l'impose pas. 15.2.2 - Choix entre les diffrents procds Comme pour les soutnements traditionnels, le choix d'un procd de pr-soutnement rsulte de la prise en compte de multiples critres. On se limitera ici donner quelques indications sur les domaines d'emploi prfrentiel et les principales limites des diffrents procds. 15.2.2.1 - Vote-parapluie La vote-parapluie base de tubes mtalliques convient bien aux terrains htrognes : moraines, alluvions grossires, boulis ou roches fortement fractures. 9 15.3 - Prcautions d'emploi 15.3.1 - Stabilit locale du front de taille La mise en oeuvre d'un pr-soutnement et d'un renforcement du front de taille par boulonnage permet de matriser le risque d'instabilit globale du front, mais n'carte pas totalement le risque d'instabilit locale, notamment en cas de terrain htrogne ou prsentant des systmes de fracturation dfavorables. Ce risque peut tre aggrav par la prsence d'eau venant du terrain ou introduite lors de la foration des boulons. Il convient donc d'assurer une surveillance du front et d'assortir la protection en bton projet d'un renforcement de peau par boulonnage court si ncessaire. 15.3.3 - Sollicitation des pr-soutnements Compte tenu de leur mise en place en avant du front de taille les pr-soutnements reprennent gnralement une part importante des contraintes initiales du terrain. Il faut tre attentif aux imperfections et aux dissymtries de chargement qui peuvent entraner des efforts parasites importants. Sont particulirement surveiller : - les flexions des pidroits des prvotes minces en bton, - le poinonnement du pied des prvotes ou des cintres des votes-parapluies dans le terrain, - l'excs de chargement des cintres d des dfauts de continuit d'une prvote en jet-grouting empchant son bon fonctionnement en arc. 15.3.4 - Auscultation En cas d'utilisation de pr-soutnements, le contrle du bon fonctionnement du systme mis en place est indispensable. L'auscultation comportera : - des mesures extensomtriques dans le terrain en avant du front de taille, - des mesures de convergence en arrire du front de taille, - des mesures de nivellement des soutnements. Elle peut tre complte localement par des mesures d'efforts dans des lments du soutnement. Il faut tre attentif au fait que la grande rigidit des structures implique que de faibles variations des dplacements puissent tre associes des variations d'efforts importantes. 15.3.2 - Scellement des boulons du front de taille La qualit du scellement des boulons est primordiale pour garantir leur bon fonctionnement. Ceci doit conduire choisir des mthodes de forage adaptes aux terrains rencontrs (sans eau par exemple) et avoir recours si ncessaire des produits de scellement autres que le coulis de ciment (rsine aqua-ractive par exemple). 10 15.4 - Bibliographie x S. PELIZZA, D. PEILA. Soil and rock reinforcements in tunneling (Tunneling and Underground Space Technology - Vol. 8, n 3 - 1993). x P. LUNARDI. Conception et excution des tunnels d'aprs l'analyse des dformations contrles dans les roches et dans les sols. Prsoutnement et prconfinement (Revue Franaise de Gotechnique n 80 - 3me trimestre 1997). x R. LONGELIN. La mthode "PERFOREX" de prdcoupage mcanique, fin 1995 (AFTES, Journes d'tudes internationales de CHAMBERY - 21 au 24 Octobre 1996). x P. BIENFAIT, P. HINGANT, G. MARIOTTI, A. GUILLOUX, J.N. LEMAOUT. L'accident gologique du tunnel des Hurtires sur A.43 (AFTES, Journes d'tudes internationales de CHAMBERY - 21 au 24 Octobre 1996). 11 ...
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