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

Technique de pose de canalisations sans tranchée en site urbain 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

Le forage horizontal dirigé

L’ organisation du P.N. Environ 25 adhérents : maîtres d’ouvrages entreprises laboratoires bureaux d’études industriels (fournisseurs de tuyaux, produits, etc …) Budget : 2,4 M€.HT (16 MF) sur 7 ans (1994-2001) financés par 20 % : DRAST (Ministère de l’Equipement) 15 % : adhésions 65 % : “autofinancement”

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

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)

Le programme de recherche Réorienté pour la seconde phase : Tuyaux : études sur le frottement à l’interface avec les terrains Suivis de chantiers : suivi mi-lourd renforcé Impacts sur l’environnement 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

Le programme de recherche Mise en oeuvre Plus de 50 études réalisées par les divers organismes adhérents, chacune ayant fait l’objet d’un (ou plusieurs) rapport(s) édités par la FSTT et diffusés aux adhérents Synthèse finale : Rédaction de manuels de “recommandations”

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 d’interface sol-tuyaux Méthodes de dimensionnement

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

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 d’essais sur sables (stabiliser le terrain) et limons (faciliter l’extrusion)

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

16 chantiers suivis Quelques incidents observés lors des suivis Blocage : terrains hétérogènes ou obstacles enterrés Déviations : fissurations des tuyaux et défauts d’alignement 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) 3 types de machines : à marinage hydraulique à marinage par vis à marinage à l’air Profondeurs : 3 à 15 m Diamètre : 500 à 800 mm Terrains : argiles silteuses marnes sableuses sables et graviers sables fins

Vitesse d’avancement en fonction du type de terrain (1) Changement de l’eau de marinage Marnes + sables/graviers Graviers +sables silteux

Vitesse d’avancement en fonction du type de terrain (2)

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

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

Améliorer la conception des projets de microtunnelage Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Objectifs Améliorer la conception des projets de microtunnelage Connaître les forces mises en jeu Appréhender les dégâts occasionnés L ’objectif principal de la thèse est d ’améliorer la conception d ’un tel projet de microtunnelage. Pour cela il faut dans un premier temps connaître les forces mises en jeu lors du fonçage du train de tuyaux, et dans un deuxième temps appréhender les dégâts possibles aux ouvrages avoisinants. Pour répondre à la 1ère question, il faut comprendre les phénomènes de frottement à l ’interface sol-structure ainsi que les phénomènes de pression au front de taille du microtunnelier. Les dégâts occasionnés peuvent être appréhendés grâce à l ’étude des mouvements induits au massif de sol traversé par le tracé ainsi qu ’ à l’étude de la pression au front de taille. Je me suis donc particulièrement intéressée à la compréhension et à la prévision au plus juste de ces 3 paramètres. Frottement à l’interface sol/structure Pression au front de taille Mouvements induits au massif de sol traversé Prévision de ces trois paramètres

Problématique Le fonçage F Pc Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Problématique Frottement à l’interface sol-structure, F Comme on vient de le voir précédemment, le fonçage du microtunnelier et des tuyaux dans le massif de sol engendre : - des forces de frottement à l ’interface sol-structure, F - des mouvements dans le sol, - et des pressions au front de taille, Pc Le fonçage Mouvements induits dans le massif de sol Pression au front de taille , Pc F Pc Tuyau Microtunnelier

Problématique : Frottement & Mouvement Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Problématique : Frottement & Mouvement Influence de la surexcavation diminution du frottement décompression du sol La première problématique sur le frottement et le mouvement concerne la surexcavation. La surexcavation se définit par la différence entre le diamètre d ’excavation et le diamètre des tuyaux de fonçage. Cette différence crée un vide annulaire permettant de diminuer le frottement mais entraînant une décompression du sol vers le vide annulaire. F Tuyau Microtunnelier Vide annulaire

Problématique : Pression en tête Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Problématique : Pression en tête Instabilité potentielle du front de taille due à une pression insuffisante La problématique concernant la pression en tête réside dans le maintien de l ’équilibre des forces au front de taille ente la pression de contact imposée par le fonçage et la résistance à l ’enfoncement qu ’oppose le massif de sol Si la pression appliquée est insuffisante, un affaissement de sol est possible au front de taille pouvant entraîner un tassement en surface. De même un pression en excès au front de taille peut entraîner un refoulement des sols jusqu ’au soulèvement en surface. Nous avons alors mis en place une démarche de travail permettant d ’étudier les phénomènes en frottement, en mouvements du sol et en pression en tête. Cette démarche consiste dans un premier temps à suivre des chantiers de microtunnelage en conditions réelles puis à comprendre les phénomènes par des modélisations expérimentales en laboratoire dans des conditions idéalisées mais mieux maîtrisées et enfin à modéliser ces phénomènes par des simulations numériques. Refoulement potentiel au front de taille dû à une pression en excès Affaissement Refoulement Tuyau Microtunnelier Tuyau Microtunnelier

Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Interprétation en Frottement Exemple : le chantier de Limoges - tronçon 2 f = 5.3 kPa Augmentation de la hauteur de couverture Afin d ’illustrer cette méthode d ’interprétation en terme de frottement, j ’ai choisi de vous présenter l ’exemple du tronçon 2 du chantier de Limoges. Le graphe représente l ’évolution de la poussée totale en fonction de la longueur foncée. La droite enveloppe est tracée en passant par les minima de la poussée totale Les frottements unitaires ainsi déterminés valent 1.8 et 5.3kPa. Cette augmentation du frottement est en faite due à l ’augmentation de la hauteur de couverture lors du passage sous un remblai SNCF Ce graphe permet ainsi de déterminer graphiquement le frottement F et l ’effort de poussée en tête Pc. En effet tout ce qui est au-dessus des minima est lié soit à la pression en tête soit au frottement statique dû au resserrement des sols autour du microtunnel lors d ’interruption de fonçage. f = 1.8 kPa f = 5.3 kPa Pc F

Incidence de la lubrification 500 1000 1500 2000 2500 20 40 60 80 100 120 140 160 Longueur forée (m) fnd=7,3 kPa fld=1,7 kPa Début lubrification Évolution de la poussée de fonçage en fonction de la longueur forée -Chatenay-Malabry-

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

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

Méthodes de calcul de Pc pour bouclier à marinage hydraulique Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Méthodes de calcul de Pc pour bouclier à marinage hydraulique Valeurs limites Tuyau Bouclier Refoulement Affaissement La deuxième catégorie de méthodes concerne la recherche des valeurs minimales (provoquant l ’affaissement ) et maximales (provoquant le refoulement) de la pression au front de taille. Ces valeurs limites doivent être respectées lors du fonçage du microtunnel afin d ’éviter l ’apparition d ’instabilités au front de taille. Diverses approches sont proposées. La première un peu simpliste concerne la théorie classique de l ’équilibre limite. Où l ’on se contente de borner la pression au front de taille pc par les pressions de poussée et de butée. La seconde approche repose sur l ’analyse limite où l ’on cherche à définir un domaine de charge potentiellement supportable et qui a fait l ’objet de nombreux calculs théoriques. Équilibre limite : pressions classiques de butée et de poussée Analyse limite : recherche du domaine de charges potentiellement supportables pour une structure Valeurs limites

Interprétation en Pression en tête Exemple : le chantier de Barr Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Interprétation en Pression en tête Exemple : le chantier de Barr Microtunnelier Eaux usées 3m 4.3m Ruisseau profondeur L ’analyse des méthodes de calculs des valeurs limites repose essentiellement sur les tronçons 3 et III du chantier de Barr où des désordres ont été observés. Voici l ’exemple du tronçon 3, le graphe présente l ’évolution de la pression au front de taille en fonction de l ’avancement du microtunnelier. Des désordres ont été observés entre 5m et 40m Le schéma suivant permet d ’expliquer l ’apparition et la nature des désordres. Le microtunnelier est passé sous un ouvrage en maçonnerie canalisant un ruisseau. Dans le radier de cet ouvrage passe une canalisation des eaux usées. Le refoulement généré au front de taille a entraîné un soulèvement du radier de l ’ouvrage en maçonnerie mettant en contact les eaux usées et l ’eau potable entraînant de ce fait une pollution du ruisseau. La localisation des efforts par rapport au tracé du microtunnel a permis de déduire la valeur maximale de la pression au front de taille pc. pcmax

La campagne d’essais en laboratoire Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions La campagne d’essais en laboratoire Objectifs Étude du frottement Étude des mouvements induits par le fonçage dans le massif de sol Influence de: la profondeur équivalente la surcoupe l’injection de lubrifiant la nature du lubrifiant Base pour la modélisation numérique Les enseignements issus de l ’étude sur le terrain en conditions réelles ont conduit au développement d ’une campagne expérimentale en laboratoire en conditions idéalisées mais maîtrisées. Les objectifs sont d ’étudier le frottement à l ’interface sol/tuyau et les mouvements induits dans le massif du sol lors du fonçage. L ’étude s ’étend à l ’analyse de l ’influence sur ces deux paramètres de la profondeur de pose, la surexcavation créés, l ’injection de lubrifiant dans le vide annulaire et la nature du produit injecté. Les résultats de ces essais servent de base pour une modélisation numérique bidimensionnelle. Les essais réalisés concernent le fonçage de tuyaux au travers d ’un massif de sable d ’Hostun RF dans une chambre de calibration dont voici une photo. Au premier plan on peut voir le bâti de poussée avec son vérin mécanique en bleu. Puis la chambre de calibration en jaune de grandes dimensions 2m de long et 1m10 de large et de hauteur.

Déroulement d’un essai Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Déroulement d’un essai Mise en place du sable d’Hostun RF, des tuyaux et des capteurs Les essais se déroulent selon plusieurs étapes : - la première est de remplir la chambre de calibration jusqu ’à mi-hauteur de sable d ’Hostun RF dans un état dense. Puis de poser les tuyaux sur la surface du sable et enfin d ’installer les capteurs de mesure. Le capteur de force mesure l ’effort de poussée totale Pa, les capteurs de déplacements du massif de sol mesurent le mouvement Sh à trois distance x différentes par rapport à l ’axe du tuyau, cette mesure est double et enfin les capteurs de déplacement des tuyaux sont installés à l ’entrée et à la sortie de la chambre de calibration. Sh x Capteurs de déplacement du massif de sol uA uB et des tuyaux Capteur de force PA Chambre de Calibration vue d ’en haut Tuyaux

Chambre de Calibration Injection de lubrifiant Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Programme des essais Le programme des essais réalisés comprend : - des essais témoins avec un tuyau sans surcoupe : on fonce un tuyau de gros diamètre (57mm) - des essais étudiant l ’influence de la surcoupe : un gros tuyau est alors posé lors du remplissage puis un tuyau de plus petit diamètre (54mm) est foncé à sa suite - les essais sans ou avec surcoupe se font soit à sec soit avec injection de lubrifiant autour du tuyau. L ’injection est effectuée au travers de trois tuyaux indépendants installés à l ’intérieur du gros tuyau posé durant le remplissage, le produit est alors injecté à l ’aide d ’un vérin hydraulique, le produit ressort à la surface du tuyau et va remplir le vide annulaire dans le cas des tuyaux avec surcoupe. Deux produits de rhéologie différente sont testés: une boue bentonitique et une boue polymère. Le dispositif expérimental étant présenté, je vais maintenant vous présenter l ’analyse des données enregistrées en terme de frottement et de mouvements du sol induits. Sans / Avec Surcoupe Sans / Avec Lubrifiant Lubrifiant : boue bentonitique boue polymère Chambre de Calibration vue en coupe Injection de lubrifiant PA

Mouvements horizontaux du sol Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Mouvements horizontaux du sol Sans surcoupe Avec surcoupe L ’analyse en terme de mouvements dans le massif de sol montre là aussi l ’influence de la surcoupe; Ces graphes représentent les mouvements du sol mesurés Sh en trois points de mesures. Ces points sont situés à des distances x différentes par rapport à l ’axe du tuyau. Le graphe concerne les essais sans surcoupe. Les mouvements mesurés sont très faibles, inférieurs au 10ème de millimètre. Par contre dans le cas des essais avec surcoupe, les mouvements sont plus importants. Au début du fonçage du tuyau avec surcoupe, la partie sans surcoupe passe devant les capteurs entraînant une dilatance du sol autour du tuyau, puis lorsque la surcoupe est voisine des capteurs ceux-ci enregistrent un affaissement du sol vers le vide annulaire, ce déplacement tend ensuite vers un palier lorsque la surcoupe s ’éloigne des capteurs. La création d ’une surcoupe perturbe ainsi le massif de sol avoisinant le tuyau entraînant un fort déconfinement autour du tuyau. Sh R x Essai 3 - tuyau G (qs=50kPa)

Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions Influence de la lubrification sur les mouvements (cas des essais avec surcoupe) côté bord de cuve côté intérieur Sh R x Le graphe suivant représente les déplacements du sol en fonction de la distance à l ’axe du tuyau, en jaune l ’essai avec surcoupe à sec. Pour les essais à sec et avec injection d ’une boue polymère, les mouvements sont identiques, de même on a peu près les même frottements. Le polymère n ’a pas joué le rôle de lubrifiant souhaité. Par contre la boue bentonitique a formé un cake qui a limité les mouvements et qui a en même temps joué le rôle de lubrifiant mais la convergence moindre du sol conduits à des contraintes normales moins faibles et finalement le résultat en frottement est le même que sans injection par contre cela a bien limité les phénomènes de mouvements du sol. sans injection avec injection boue polymère avec injection boue bentonitique

Modélisation numérique des essais avec surcoupe Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions 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 Il s ’agit là d ’une première approche afin de reproduire de manière qualitative les phénomènes observés. Pour cela, l ’approche choisie est une approche simple qui demandera à être développée : le calcul est de type bidimensionnel en coupe transversale le sol est de type élastique parfaitement plastique, on a choisi le critère de Mohr-Coulomb l ’interface sol-tuyau est de type rigide plastique Les résultats demandés concernent l ’évolution des contraintes normales autour du tuyau et l ’évolution des mouvements horizontaux du sol autour du tuyau foncé. Le maillage utilisé est le suivant, il comprend exactement à la géométrie de notre modèle expérimental

Synthèse sur les essais Introduction - Observations in situ - Campagne d ’essais en laboratoire - Conclusions 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 d’influence sur le frottement, rôle important de réduction des mouvements Les essais de fonçage sur modèle ont donc permis d ’étudier le frottement et les mouvements du sol induits. - l ’étude de la surcoupe a mis en évidence la forte influence de ce paramètre. Elle permet de réduire très fortement le frottement dans les sols sableux mais elle entraîne l ’apparition de mouvements dans le massif de sol - l ’étude de la lubrification a montré que l ’injection du produit entraîne une augmentation du frottement lorsqu ’il n ’y avait pas de surcoupe. Dans le cas des essais avec surcoupe, l ’injection de lubrifiant n ’a pas montré la réduction attendue sur le frottement mais les résultats en mouvements ont bien mis en avant le rôle important du lubrifiant en tant que support de la surexcavation. Les essais expérimentaux ayant montré clairement l ’incidence de la surcoupe, nous avons entrepris des simulations numériques afin de rechercher un processus de modélisation permettant de décrire correctement nos observations sur modèle. Cet effet est généralement pris en compte par la théorie du silo de Terzaghi qui nous est apparu inadapté au technique sans tranchée notamment pour estimer les déplacements. Aussi nous avons cherché à éclairer le comportement observé par des simulations numériques en déconfinement

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 l’environnement : précisions et distances de sécurité, risques de soulèvement

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

Les fluides de forage ESIP Nos objectifs 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

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

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

Écoulement des boues de forage Écoulements en conduites Suspension Wyoming 40 g/l Loi Pression-Débit Conduites Circulaires Conduites Annulaires Le modèle d’Herschel-Bulkley permet la simulation d’écoulements laminaires industriels

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

évacuation et traitement hors site Critères de choix d’une filière de traitement installation sur site évacuation et traitement hors site Conditions de site (géologie, localisation) Volume de boue à traiter (géométrie de l’ouvrage) Nature de la boue

Effet du traitement Effet du traitement

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

“Coûts sociaux” Etude bibliographique des méthodes d’évaluation des coûts indirects et “sociaux” Facteurs de nuisances : gêne, accidents, économiques Proposition d’une méthode de comparaison des coûts des techniques avec et sans tranchée

“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 »

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 l’intention des Maîtres d’ouvrage, Maîtres d‘Œuvre, Bureaux d’Etudes et Entreprises

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

6.1. Conception des puits : diamètres, formes, méthodes de réalisation 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