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Rencontres techniques IREX Paris - 21 mars 2002 Le Projet National de recherches MICROTUNNELS par Michel MERMET et Alain GUILLOUX.

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1 Rencontres techniques IREX Paris - 21 mars 2002 Le Projet National de recherches MICROTUNNELS par Michel MERMET et Alain GUILLOUX

2 Le microtunnelage Technique de pose de canalisations sans tranchée en site urbain Diamètre 250 à 1200 mm Profondeur 3 à 15 m Projet assainissement eau potable EDF - GDF réseaux télécom

3 Le forage horizontal dirigé

4 L organisation du P.N. Environ 25 adhérents : –maîtres douvrages –entreprises –laboratoires –bureaux détudes –industriels (fournisseurs de tuyaux, produits, etc …) Budget : 2,4 M€.HT (16 MF) sur 7 ans ( ) financés par –20 % : DRAST (Ministère de lEquipement) –15 % : adhésions –65 % : autofinancement

5 Les objectifs du Projet National Le point de départ (début des années 1990) : –Intérêt évident des travaux sans tranchée en environnement urbain –mais faible développement en France Les objectifs : –Améliorer les performances des matériels –Adapter leur utilisation aux spécificités géologiques françaises –Affiner la qualité des projets et la conduite des chantiers

6 Le programme de recherche Concernant les Microtunnelages et les Forages Horizontaux Dirigés Reconnaissances de terrain (géophysique) Comportement des tuyaux Problèmes liés à la nature des terrains et apport des additifs Suivis de chantiers (interactions sol-structure)

7 Le programme de recherche Réorienté pour la seconde phase : Tuyaux : études sur le frottement à linterface avec les terrains Suivis de chantiers : suivi mi-lourd renforcé Impacts sur lenvironnement et distances de sécurité (forages essentiellement) Caractérisation, optimisation et gestion des fluides de forages (aspects environnementaux) Aspects socio-économiques et contractuels Autres applications des travaux sans tranchée

8 Le programme de recherche Mise en oeuvre Plus de 50 études réalisées par les divers organismes adhérents, chacune ayant fait lobjet dun (ou plusieurs) rapport(s) édités par la FSTT et diffusés aux adhérents Synthèse finale : Rédaction de manuels de recommandations

9 Quelques résultats sur le microtunnelage Comportement des tuyaux : Effet des déviations sur la flexion Essais de flexion en atelier Etudes en laboratoire sur le comportement dinterface sol-tuyaux Méthodes de dimensionnement

10 Quelques résultats Reconnaissances de terrain : blocs et obstacles : Méthodes géophysiques (électrostatique et géoradar notamment) développées et testées sur chantier Site-test construit au LCPC préciser les limites des méthodes et vérifier leur complémentarité

11 Quelques résultats Problèmes liés à la nature des terrains et apport des additifs : Collage des argiles, abrasivité des terrains, broyage des blocs (études bibliographiques) Laboratoire de mousse : amélioration du marinage, avec campagnes dessais sur sables (stabiliser le terrain) et limons (faciliter lextrusion)

12 Quelques résultats sur le microtunnelage Suivi experimental des chantiers analyse des interactions sol-machine-tuyaux : Paramètres de chantiers : lubrification, arrêts de chantiers, équipement des têtes Paramètres de terrain : nature des sols (par examen des puits et du marinage) Paramètres de conduite : excavation, marinage, vérinage, guidage, choix du pilote, réaction de la machine

13 16 chantiers suivis 3 types de machines : –à marinage hydraulique –à marinage par vis –à marinage à lair Profondeurs : 3 à 15 m Diamètre : 500 à 800 mm Terrains : –argiles silteuses –marnes sableuses –sables et graviers –sables fins Quelques incidents observés lors des suivis Blocage : terrains hétérogènes ou obstacles enterrés Déviations : fissurations des tuyaux et défauts dalignement Poussées excessives (frottement sol-tuyaux) : limite à la longueur des tronçons (100 to 150 m) -> contrainte pour la conception Désordres en surface : tassements et soulèvements (rares)

14 Vitesse davancement en fonction du type de terrain (1) Marnes + sables/graviers Graviers +sables silteux Changement de leau de marinage

15 Vitesse davancement en fonction du type de terrain (2)

16 Principaux facteurs affectant la précision du fonçage Facteurs mécaniques : –stabilité du laser –positionnement du bâti de fonçage Facteurs de terrain : type et hétérogénéités –alternance de couches molles et raides –sols à gros éléments Experience du pilote

17 Facteurs affectant le frottement sols-tuyaux Lubrification Arrêts de fonçage Déviations Surcoupe Granulométrie des terrains

18 Objectifs Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Améliorer la conception des projets de microtunnelage Frottement à linterface sol/structure Pression au front de taille Mouvements induits au massif de sol traversé Prévision de ces trois paramètres Connaître les forces mises en jeu Appréhender les dégâts occasionnés

19 Problématique Le fonçage PcPc F TuyauMicrotunnelier *Frottement à linterface sol-structure, F *Pression au front de taille, P c *Mouvements induits dans le massif de sol Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions

20 Problématique : Frottement & Mouvement Influence de la surexcavation –diminution du frottement –décompression du sol F Vide annulaire TuyauMicrotunnelier Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions

21 Instabilité potentielle du front de taille due à une pression insuffisante Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Problématique : Pression en tête TuyauMicrotunnelier Affaissement Refoulement potentiel au front de taille dû à une pression en excès Refoulement TuyauMicrotunnelier

22 Interprétation en Frottement Exemple : le chantier de Limoges - tronçon 2 Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions f = 1.8 kPa f = 5.3 kPa Augmentation de la hauteur de couverture PcPc F

23 Incidence de la lubrification Début lubrification Évolution de la poussée de fonçage en fonction de la longueur forée -Chatenay-Malabry-

24 Incidence des interruptions de fonçage Évolution de la poussée de fonçage en fonction de la longueur forée Début lubrification

25 Quantification du frottement supplémentaire induit au redémarrage Augmentations de la poussée de fonçage suite aux interruptions de fonçage - Champigny 4 -

26 Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Méthodes de calcul de Pc pour bouclier à marinage hydraulique Valeurs limites TuyauBouclier Refoulement Affaissement Équilibre limite : pressions classiques de butée et de poussée Analyse limite : recherche du domaine de charges potentiellement supportables pour une structure Valeurs limites

27 Interprétation en Pression en tête Exemple : le chantier de Barr Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions p cmax Microtunnelier Eaux usées 3m 0 4.3mRuisseau profondeur

28 La campagne dessais en laboratoire Étude du frottement Étude des mouvements induits par le fonçage dans le massif de sol Influence de: –la profondeur équivalente –la surcoupe –linjection de lubrifiant –la nature du lubrifiant Base pour la modélisation numérique Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Objectifs

29 Chambre de Calibration vue d en haut Déroulement dun essai Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Tuyaux ¬Mise en place du sable dHostun RF, des tuyaux et des capteurs Capteur de force PAPA uAuA uBuB et des tuyaux ShSh x Capteurs de déplacement du massif de sol

30 Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Chambre de Calibration vue en coupe Injection de lubrifiant PAPA Programme des essais Sans / Avec Surcoupe Sans / Avec Lubrifiant Lubrifiant : –boue bentonitique –boue polymère

31 Mouvements horizontaux du sol Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Sans surcoupeAvec surcoupe ShSh R x ShSh Essai 3 - tuyau G (q s =50kPa)

32 Influence de la lubrification sur les mouvements (cas des essais avec surcoupe) Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions sans injection avec injection boue polymère avec injection boue bentonitique côté bord de cuve côté intérieur ShSh R x ShSh

33 Modélisation numérique des essais avec surcoupe Calcul bidimensionnel transversale Sol élastique parfaitement plastique Interface sol-tuyau rigide-plastique Résultats : –évolution des contraintes normales –mouvements du sol Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions

34 Synthèse sur les essais Mise en évidence de l influence de la surcoupe –Réduction du frottement de 50% dans notre cas –Apparition de mouvements horizontaux Influence de la « lubrification » –sans surcoupe : augmentation du frottement –avec surcoupe : peu dinfluence sur le frottement, rôle important de réduction des mouvements Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions

35 Quelques résultats sur forages dirigés Interaction sols-tuyaux : Suivis de chantiers Essais de tirage en laboratoire (effet de la lubrification, de la tête de tirage, de la nature et compacité des terrains) Influence sur lenvironnement : précisions et distances de sécurité, risques de soulèvement

36 Principe >100 m Rôle de la boue Stabilisation du tunnel jusquà la pose de la conduite Mise en suspension des déblais (nombreuses phases darrêt/démarrage) Évacuation des déblais (écoulement laminaire en conduite annulaire) ESIP Les fluides de forage

37 Comprendre les mécanismes structuraux –Caractérisation du comportement mécanique des suspensions –Analyses minéralogiques des poudres Développer des modèles de comportement –Amélioration des procédures expérimentales –Développement de modèles mathématiques simples et réalistes Relier les propriétés mécaniques aux situations de chantier –Nature des sols, pollutions, modes de préparation, imprégnation des sols Simuler des écoulements –Travaux expérimentaux sur boucle pilote, simulations numériques, dimensionnement d installation - marinage Traitement et recyclage des boues Nos objectifs ESIP Les fluides de forage

38 ESIP Les fluides de forage Travaux sur –Les propriétés et la rhéologie de divers fluides de forage –Les problèmes liés à la mise en décharge des déblais

39 Boucle expérimentale Écoulements en conduites 2 m 3 m D=12 mm D=19 mm D=32 mm Sens de lécoulement 4,10 m 1,70 m Fixe : Débit Mesure : - Pression - Vitesse - Température Conduites circulaires et annulaires Paramètres Écoulement des boues de forage

40 Loi Pression-Débit Écoulements en conduites Le modèle dHerschel-Bulkley permet la simulation découlements laminaires industriels Conduites Circulaires Conduites Annulaires Suspension Wyoming 40 g/l

41 Boue bentonitique Sols à excaver Boue polluée physiquement et chimiquement Recyclage ou Traitement avant rejet Séparation : phase solide - pulpe Phase solide grossière Pulpe Eau clarifiée Phase solide fine + Interaction Sol Boue

42 installation sur site évacuation et traitement hors site Conditions de site (géologie, localisation) Volume de boue à traiter (géométrie de louvrage) Nature de la boue Critères de choix dune filière de traitement

43 Effet du traitement

44 Autres applications des travaux sans tranchée Microtunnels multiples en pré-soutènements de grandes excavations : Station du métro dAthènes (tassements) Forages dirigés en reconnaissance géologique de grands tunnels : Chantier expérimental pour traversée sous la Marne à Champigny par microtunnelage

45 Coûts sociaux Etude bibliographique des méthodes dévaluation des coûts indirects et sociaux Facteurs de nuisances : gêne, accidents, économiques Proposition dune méthode de comparaison des coûts des techniques avec et sans tranchée

46 Coûts sociaux Caractéristiques des travaux et de leur environnement Evaluation de la sensibilité de la gêne pour les différents critères (peu sensible, sensible, très sensible) Coefficient multiplicateur du coût direct : – 1,5 si « peu sensible » – 3 si « sensible » – 6 si « très sensible » Comparaison des coûts « en tranchée » et « sans tranchée »

47 Conclusions Meilleure connaissance des facteurs qui conditionnent un projet sans tranchée Rédaction de recommandations sur le microtunnelage et les forages dirigés (publication en 2002) : –à lintention des Maîtres douvrage, Maîtres dŒuvre, Bureaux dEtudes et Entreprises

48 Recommandations Volume A : MICROTUNNELIERS CONTENU 1. Présentation 2. Rappel des techniques et principes de fonctionnement 3. Synthèse des paramètres affectant le déroulement d'un chantier 3.1. Paramètres conditionnant la réalisation d'un microtunnel Les cadences d'avancement Les écarts de trajectoire Les efforts de frottement Les efforts en tête 3.2. Incidents pouvant survenir lors d'un chantier de microtunnelage Blocage Désordres sur les tuyaux Désordres en surface Roulis excessif 4. Recommandations pour les reconnaissances

49 5. Recommandations pour le choix des machines et équipements 6. Recommandations pour la conception du projet, le dimensionnement des tuyaux et du système de fonçage 6.1. Conception des puits : diamètres, formes, méthodes de réalisation 6.2. Efforts de poussée maximale frottements, longueurs 6.3. Fluides de forage (boues, mousses) 6.4. Dimensionnement des tuyaux vis à vis des charges axiales (en cours de fonçage ; déviations acceptables) 6.5. Dimensionnement des tuyaux vis à vis des charges transversales (charges en service) 6.6. Traitement des boues 7. Recommandations pour la conduite du chantier 8. Aspects socio-économiques et contractuels 8.1. Comparaison entre coûts "en tranchée" et coût "sans tranchée" 8.2. Mode de passation des marchés 8.3. Assurance-qualité 8.4. Prise en compte de l'environnement


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