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Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains GT19R2F1 www.aftes.asso.fr ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS ET DE L’ESPACE SOUTERRAIN Organisation nationale adhérente à l’AITES R R R e e e c c c o o o m m m m m m a a a n n n d d d a a a t t t i i i o o o n n n s s s d d d e e e l l l A A A F F F T T T E E E S S S

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Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

GT19R2F1

www.aftes.asso.fr

ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELSET DE L’ESPACE SOUTERRAIN

Organisation nationale adhérente à l’AITES

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Texte présenté par Jean PIRAUD (ANTEA),

Animateur du groupe de travail " Auscultation " (GT N° 19)Assisté de Bernard PINCENT (ARCADIS), vice-animateur

avec la collaboration de :François BERTRAND (Chantiers Modernes), Lucien BERTRAND (ANTEA), Jean-Louis BORDES (Coyne & Bellier), Franck BOUCHÉ (Chantiers Modernes), Jean-Pierre CHIARELLI (VINCI-Construction), Christian CHOQUET (CETu),

Stéphane DUFLOS (SPIE), Bernard GAUDIN (Scetauroute), Hubert GILLAN (SNCF), Yves GUERPILLON (Scetauroute), Jean-Ghislain LA FONTA (Sol Data).

Une relecture critique du texte a été assurée par :Jacques CHEZE (CRECEP), Pascal DUBOIS (MISOA), Jean-Louis GIAFFERI (EDF) et Jean LAUNAY (VINCI-Construction).

L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.

Cette recommandation a été approuvée par le Comité technique de l’AFTES le 19 janvier 2005

Recommandations de l’ AFTES

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrainsrelatives aux

PagesPages

PRÉAMBULE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11

1. LES PARAMÈTRES À MESURER - - - - - - - - - - - - - - - - 131.1. Objectifs des constructeurs et paramètres 13

à mesurer - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 131.2. Paramètres et types d’ouvrages - - - - - - - - - - - - - - 13

2. RECOMMANDATIONS GÉNÉRALES - - - - - - - - - - - - - - 142.1. Plan d’auscultation - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 142.2. Contrôle-qualité et maintenance du système - - - - 152.3. Périodicité des mesures - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 162.4. Automatisation des mesures - - - - - - - - - - - - - - - - 162.5. Traitement et interprétation des mesures - - - - - - - 162.6. Avertissements, alertes et alarmes - - - - - - - - - - - - 17

3. COÛT DE L’AUSCULTATION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 173.1. Composantes du coût de l’auscultation - - - - - - - - 173.2. Estimation globale du coût de l’auscultation - - - - - 173.3. Remarque sur les fabricants de matériel - - - - - - - - 18

4. PRÉSENTATION DES MÉTHODES DE MESURE - - - - - - 184.1. Principes physiques de la mesure - - - - - - - - - - - - 184.2. Présentation des fiches techniques par méthode - 184.3. Comparaison des méthodes d’auscultation - - - - - - - - 18

5. BIBLIOGRAPHIE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 215.1. Bibliographie générale - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 215.2. Mesure des paramètres géométriques - - - - - - - - - 215.3. Mesure des paramètres mécaniques - - - - - - - - - - 225.4. Mesure des paramètres hydrauliques - - - - - - - - - - 225.5. Automatisation des mesures et divers - - - - - - - - - 22

ANNEXES : FICHES TECHNIQUES PAR METHODES - - - - - 23

ANNEXE A – TECHNIQUES COMMUNES DE BASE - - - - - - 24

ANNEXE B – MESURE DES DEPLACEMENTS EN SURFACE 27

ANNEXE C – MESURE DES DEPLACEMENTS EN FORAGE 32

ANNEXE D – MESURE DES DEPLACEMENTS A LA PAROI 37

ANNEXE E – MESURE DES PARAMETRES MECANIQUES - 40

ANNEXE F – MESURE DES PARAMETRES HYDRAULIQUES 45

SOMMAIRE

10 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER /FÉVRIER 2005

Page 4: GT19R2F1 Tunnels Monitoring

AFTESLa place de l’auscultation en tant que partie intégrante duprocessus de construction ne peut que se renforcer àl’avenir, car elle est en accord avec trois grandes tendancesque l’on constate aujourd’hui dans les travaux souterrains : • exigence d’une sécurité maximum pour le personnel du

chantier,• exigences croissantes des riverains en matière de limita-

tion des désordres, ce d’autant plus que des techniquesexistent aujourd’hui pour les prévenir,

• développements métrologiques et informatiquespermettant une auscultation en temps réel, voire uneprévision de l’évolution des paramètres mesurés enfonction des dispositions constructives envisagées(exemple : injections de compensation).

Les présentes recommandations portent sur les méthodeset techniques d’auscultation proprement dites ; ellescomprennent deux grandes parties :

11TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Le présent document fait suite à une premièrerecommandation de l’AFTES sur " l’organisa-tion de l’auscultation des tunnels ", rédigée en

1998 par le même groupe de travail et publié dans len° 149 de la revue Tunnels et Ouvrages Souterrains.Comme son titre l’indique, ce premier texte portaitprincipalement sur la manière d’organiser l’ausculta-tion, sur sa programmation et sur son cadre contrac-tuel. Il y était annexé un aide-mémoire pour la rédac-tion du PAQ-Auscultation, ainsi qu’un glossaire demétrologie franco-anglais. Les recommandations de 1998 insistaient particulière-ment sur la nécessité d’une bonne concordance entrel’avancement du projet de génie civil et celui du" sous-projet Auscultation " (cf. tableau 1), lequelcomprend idéalement 6 phases :

PRÉAMBULE

Projet de génie civil Sous-projet "Auscultation"

Avant-projet Phase A : - Conception générale de l'auscultation, compte tenu des difficultésparticulières du projet et des intentions du maître d’ouvrage

Projet Phase B : - Organisation pratique de l'auscultation (types et nombre d'appareils, budget,personnel, procédures…)

DCE - Cahier des charges de l'auscultation (établi par le maître d’œuvre )

Construction de Phase C : - Rédaction du "PAQ Auscultation" (par le prestataire de mesures)l'ouvrage - Installation du système de mesure

Phase D : - Mesures pendant les travaux ("auscultation opérationnelle")Phase E : - Interprétation des mesures et actions sur le génie civil

Exploitation de Phase F : - Reconfiguration du système de mesure pour l’exploitationl'ouvrage - Bilan des 2-3 premières années, puis suivi à long terme

Tableau 1 - Correspondance entre les phases du génie civil et celles de l'auscultation

Page 5: GT19R2F1 Tunnels Monitoring

AFTES

12 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

1) un texte de présentation générale des méthodesutilisées, avec des commentaires sur les paramètres àmesurer, le choix des composants, la fréquence et l’auto-matisation des mesures, et l’ordre de grandeur desdépenses à prévoir ; 2) en annexe, une quarantaine de fiches techniques parméthode, qui décrivent chacune les caractéristiques,avantages et inconvénients des principales méthodes utili-sées, en insistant en particulier sur leurs limites et diffi-cultés d’application ; on n’a pas cherché à être exhaustif,ni à présenter les toutes dernières innovations.La présente recommandation n’a donc pas l’ambition deconstituer un " guide " pour la conception d’un système

d’auscultation adapté à chaque type d’ouvrage ou deterrain ; elle se veut plutôt une récapitulation critique,dans un même document, de l’essentiel de la " panoplie "disponible en matière d’auscultation.

La 1ère partie du document vise principalement l’ausculta-tion des travaux neufs. D’une certaine manière, elle cons-titue le pendant, pour ce qui est des travaux neufs, duchapitre " Auscultation " des Recommandations del’AFTES sur les Méthodes de diagnostic des tunnelsrevêtus (cf. revue TOS, n° 131, 1995). Mais la plupartdes méthodes décrites dans les fiches en annexe peuventêtre utilisées aussi bien pour l’auscultation de tunnelsneufs que pour celle des ouvrages en service (cf. tableau 2).

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

A gauche :Cellule hydraulique de pression totale avec capteur élec-trique pour mesure de contrainte au contact béton-rocher

A droite :Double extensomètre à corde vibrante pour mesure desefforts dans un cintre

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AFTES

13TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

1.1 - Objectifs des constructeurs et paramètres à mesurerLa liste des paramètres à mesurer pendant la construction d’unouvrage souterrain doit refléter les préoccupations principalesdu maître d’ouvrage et de l’entreprise, à savoir :• assurer la stabilité de l’ouvrage à court terme (en particulier la

sécurité du chantier), • adapter et optimiser les méthodes d’exécution,• vérifier l’impact des travaux sur l’environnement, notam-

ment sur le bâti existant,• garantir la pérennité de l’ouvrage à long terme.A ces préoccupations peuvent être associés quatre objectifsmajeurs de l’auscultation :• alerte en cas de mise en cause de la sécurité,• suivi du bon comportement des ouvrages et compréhension

des mécanismes en jeu,• prévision de l’évolution du paramètre mesuré, mais aussi

d’autres paramètres qui ne le sont pas ou pas encore (grâce àl’ajustement possible des modèles de calcul),

• prévisions quant au comportement et à la gestion de l’ou-vrage définitif.

Plus précisément, la règle d’or énoncée par J. Dunicliff (1993)est que tout appareil de mesure installé sur un chantier, donctout paramètre mesuré, doit répondre à une question précise,comme par exemple :• la vitesse de convergence commence-t-elle à diminuer ?• le tassement de tel bâtiment dépasse-t-il le seuil contractuel ? • la contrainte tangentielle dans le soutènement tend-elle vers

une valeur admissible ?• à telle distance du front, les déformations du massif et du

soutènement sont-elles stabilisées ?

Il convient donc de ne pas traiter le problème à l’envers (enchoisissant d’abord une panoplie rassurante d’appareils demesure, comme on le voit trop souvent), mais plutôt de :

(a) lister les objectifs de mesure, en les hiérarchisant vis-à-vis dela conduite des travaux,

(b) en déduire les grandeurs physiques à mesurer et les lieux oùelles doivent l’être,

(c) choisir des appareils, un rythme de mesure et un systèmed’acquisition appropriés,

(d) vérifier que l’ensemble n’entraînera pas de contraintestechniques ni de dépenses prohibitives eu égard au coût del’ouvrage (cf. § 3).

1.2 - Paramètres et types d’ouvragesL’importance relative des divers paramètres à mesurer varieselon le type d’ouvrage, la méthode d’exécution et la nature duterrain : ainsi, l’état de contrainte dans le terrain est sans grandintérêt pour un tunnel sous-fluvial (mais peut l’être pour un

tunnel sous la mer), tandis que les tassements en surface sontessentiels pour un ouvrage urbain. Cependant, quel que soitl’ouvrage, l’objectif premier de l’auscultation est de maîtriserles risques d’instabilité ou de tassements à court terme, d’où ilrésulte presque toujours les priorités suivantes :

• 1ère priorité : évolution des déplacements en souterrain et ensurface,

• 2ème priorité : contrôle de l’état de contrainte (à partir desdéformations),

• 3ème priorité : suivi des conditions hydrauliques.

A titre d’exemple, nous avons examiné quatre configurationstypes de tunnels très fréquentes dans la pratique, pourlesquelles nous avons listé les paramètres qu’il est en général leplus important de mesurer (tableau 2) ; on notera que l’appré-ciation portée sur l'intérêt de ces paramètres ne préjuge enrien de leur plus ou moins grande facilité d'acquisition, quisera examinée par ailleurs. Ce tableau est donné à titre indi-catif, afin de souligner les paramètres importants, à ne jamaisoublier ; ceci dit, certains paramètres réputés secondaires, voirenon mentionnés dans le tableau, peuvent se révéler décisifsdans certains cas.

En tête du tableau, c’est à dessein que nous avons mentionnél’observation visuelle du front et de la paroi excavée, avant lesdivers paramètres à mesurer. Cette tâche est en effet irrempla-çable, car elle seule permet de saisir certains indices inaccessi-bles aux instruments ; c’est souvent la répétition des levéssuccessifs, de préférence par une même personne, qui permetde déceler une évolution dangereuse ou imprévue. Du point devue de la sécurité, c’est l’inspection visuelle associée àl’auscultation qui constitue la vraie prévention.

Dans le cas d’une galerie de reconnaissance, la mesure des para-mètres de déformabilité prend une importance particulière carl’un des objectifs d’une telle galerie est de caler la loi decomportement du massif, qui servira de base aux calculs dedimensionnement.

1 - LES PARAMÈTRES À MESURER

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AFTES

14 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

2.1 - Plan d’auscultation

1.1.1. Choix des points de mesureLa répartition des points de mesure doit être guidée par troisobjectifs :• avoir des points représentatifs de chacun des principaux sous-

ensembles géotechniques de l’ouvrage (cf. Recommandationssur la Caractérisation des massifs rocheux, Revue TOS,n° 177, juin 2003), afin de pouvoir en extrapoler les résultats ;

• équiper les points singuliers susceptibles d’avoir un compor-tement particulier et éventuellement dangereux ;

• ausculter rapidement et de façon détaillée les parties d’ou-vrage à réaliser en début du chantier, afin de vérifier dès quepossible les hypothèses des études et de donner le temps àl’entreprise d’optimiser ses méthodes.

Dans les tunnels, il est recommandé d’installer régulièrementdes sections de mesure courantes (" profils de convergence "),par exemple tous les 20 à 30 m selon l’hétérogénéité desterrains. Cette approche systématique, qui permet d’avoir unprofil longitudinal de déformation relié aux terrains rencon-trés, est importante pour la sécurité d’ensemble du tunnel ; ellen’exclut pas des sections de mesures complémentaires en cas dedifficultés ou de variation rapide des faciès.

0. OBSERVATIONS VISUELLES (front et parois) ● ● ●

1. PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES

. Abscisse du front ● ● ●

. Tassement en surface ● ●

. Rotation en surface ❍ ❍

. Déplacement en forage (extenso, inclino) ❍ ❍ x x

. Convergence de la paroi ● ● ●

. Evolution des fissures du soutènement ❍ ● ●

. Déformation du revêtement définitif x x ❍ ●

2. PARAMÈTRES MÉCANIQUES

. Force (pied de cintre, tirant, boulon...) ● ● x

. Contrainte dans le terrain ❍ ❍

. Contrainte dans le sout./revet. ❍ x ● ❍

3. PARAMÈTRES HYDRAULIQUES

. Débit d'exhaure ❍ ● ❍

. Pluviométrie de surface x ❍ x

. Piézométrie du terrain ● ● ● ●

. Température des venues d’eau ❍ x

4. PARAMÈTRES DIVERS

. Température du terrain ●

. Température de l'air du tunnel ❍ ● x

. Pression de l'air du tunnel x x

. Hygrométrie du tunnel x x ❍ ❍

. Le temps (date, heure) ● ● ● ●

. Vibrations dues aux tirs ● x

Méthodeconventionnelle dans des marnes

H ≈ 20 m

Tunnelierà confinement, terrain meuble

et aquifère

Tunnelier"roches dures"

Tunnel enservice, en

terrain fluant, H ≈ 100 m

Légende : x = paramètre en général secondaire ❍ = paramètre souvent important● = paramètre indispensable, à mesurer dans tous les cas. H = hauteur de recouvrement au-dessus de l’ouvrage

Tableau 2 - Principaux paramètres à mesurer pour quatre configurations types de tunnels :• Tunnel dans des marnes, creusement conventionnel (H ≈X 20 m),• Tunnelier à confinement, en terrain meuble et aquifère (site urbain),• Tunnelier au rocher sous forte couverture (σc / γH < 4),• Tunnel en service, dans un terrain à comportement différé (H ≈ 100 m).

2 - RECOMMANDATIONS GÉNÉRALES

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AFTES

15TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

De plus, il ne faut pas hésiter à créer une certaine redondanceentre méthodes de mesure, en particulier pour les mesures déli-cates, afin d’améliorer la fiabilité de la moyenne des mesures etde pallier d’éventuelles défaillances des appareils. Il est égale-ment prudent de prévoir et de budgéter un ensemble de pointsde mesure supérieur à ce qui est strictement nécessaire, afin defaire face à la destruction inopinée de certains d’appareils, ou àune réalité plus complexe que prévu. Quoi qu’il en soit, l’avisd’un spécialiste devrait toujours être requis avant de valider unprogramme d’auscultation.

2.1.1 - Choix des capteursLe choix d’un capteur doit tenir compte de la grandeurphysique à mesurer, de la précision recherchée, de l’environne-ment dans lequel il sera placé et du budget disponible.Quelques recommandations générales peuvent être formulées àce sujet :• Privilégier la mesure directe de la grandeur recherchée plutôt

que les mesures indirectes, qui nécessitent la connaissanced’autres paramètres pour être interprétées et diminuent de cefait la fiabilité du résultat ;

• Pour les paramètres géométriques, choisir si possible descapteurs " à base longue ", afin de lisser la dispersion localequi est d’autant plus grande que la base de mesure est petite ;

• Veiller attentivement aux capacités de résistance des matérielsà l’environnement : humidité, chaleur, gel, vibrations, chocs,etc. (cf. Recommandation de 1998, TOS n° 149, p. 413) ;

• Pour chaque appareil (capteur et unité d’acquisition), recher-cher un compromis entre résolution et étendue de mesure,qualités qui varient toujours en sens contraire. Un boncapteur devrait avoir une résolution meilleure que 5.10-4 foisson étendue de mesure ;

• Choisir des capteurs dont la dérive soit très faible au cours dela durée d’utilisation prévue, ou dont la dérive puisse êtrecorrigée (mesures en opposition par retournement, capteursétalonnables…) ;

• Préférer des appareillages et câblages aussi visibles quepossible et étudier avec soin des dispositifs de protection, lesrisques de destruction involontaire étant très grands dans unespace confiné ;

• Veiller à l’homogénéité et la compatibilité des différentsmatériels d’une chaîne de mesure.

Enfin, le choix des appareils ne sera pas le même selon qu’ils’agisse de capteurs mis en place à l’avance, et que l’on pourratester à loisir, et de capteurs à installer près du front, ce qui estle cas le plus fréquent ; la mise en place de ces derniers se ferasous la " pression " du chantier, avec une exigence de fonction-nement immédiat.

2.1.2. Choix du prestataire de mesuresL’évolution des techniques, en particulier l’automatisationcroissante des mesures et du traitement des données, font quel’auscultation devient de plus en plus un métier de spécia-listes. L’intérêt du chantier est que cette tâche soit confiée à detels spécialistes – qu’ils soient internes ou externes aux princi-paux intervenants – afin que la partie " matériel et logiciel "pose le moins de problèmes possible (cf. TOS n° 149, p. 410).

Les ingénieurs en charge du génie civil pourront ainsi concen-trer toute leur attention :• à l’amont, sur les objectifs et la conception du système de

mesure, • à l’aval, sur l’interprétation des résultats et l’adaptation corré-

lative du projet.

Pour ces tâches d’auscultation, dont le coût est toujours faibleeu égard à celui du génie civil, le choix d’équipes expérimentéess’impose fortement : les erreurs, maladresses et mesuresmanquées sont irrattrapables une fois que l’excavation aprogressé, et leurs conséquences sur le coût des travaux sontsans commune mesure avec l’économie espérée.

2.2 - Contrôle-qualité et maintenancedu systèmeLes procédures de contrôle de l’auscultation doivent bien sûrrespecter les principes de l’Assurance-qualité (cf. TOS n° 149,p. 405). Elles interviennent dès la réception du matériel envoyépar le fabricant, puis au moment de son installation, ensuite enrégime courant lors des relevés, enfin pour la maintenance. Ilest fortement recommandé de s’astreindre à respecter cesprocédures, qui au-delà du " papier " qu’elles engendrentdoivent être mises en œuvre par du personnel compétent ; leurcoût est minime en regard de celui d’un appareil qui tombe enpanne, ou qui donne des indications douteuses nécessitant denouveaux contrôles à faire d’urgence. Les principaux docu-ments à établir sont les suivants :• fiches signalétiques des capteurs et appareils de mesure,• instructions d’installation de chaque élément du système,• instructions d’utilisation et de maintenance,• procédures d’étalonnage et de vérification de l’état du

matériel, • modèles de fiches de suivi (" fiches de vie "), de contrôle et

d’anomalie.

La maintenance des appareils doit faire l’objet d’unprogramme et d’un calendrier, et être bien entendu budgétée,au même titre que pour tout autre matériel. Quelques recom-mandations en la matière :• chaque fois que possible, reporter en surface (plutôt qu’en

profondeur) la mesure proprement dite, c’est-à-dire lecapteur et l’électronique,

• privilégier les systèmes facilement accessibles, permettant dedémonter, réparer ou changer les éléments les plus fragilessans perte d’information,

• utiliser des capteurs, câbles et logiciels standardisés,• au niveau des logiciels de traitement, prévoir une évolution

possible du système de mesure (nombre et type de capteurs,remplacement éventuel).

On sait que pour une chaîne de mesure automatisée, la notionde fiabilité s’applique à chaque maillon de la chaîne : capteurs– câbles – centrale d’acquisition – local de traitement. A titreindicatif, pour un système d’auscultation courant comprenantune centaine d’appareils (convergences, déformations,contraintes…), on exige généralement que le taux dedéfaillance définitive reste inférieur à 5 %. Il faut là aussihiérarchiser les types de mesures et faire en sorte que la fiabi-lité des mesures de haute priorité soit maximale.

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AFTES

16 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

2.3 - Périodicité des mesuresElle doit être adaptée aux trois phases qui marquent la vie d’unsystème de mesure :• phase d’installation des appareils,• phase des mesures initiales (y compris la " mesure zéro "),• phase des mesures courantes.

Pendant l’installation des appareils, il importe de bien releverle sens d’évolution des capteurs, de vérifier la numérotation despoints et voies de mesure, et de déceler les dysfonctionne-ments. Cette période de tests est d’autant plus importante quele système de mesure est complexe ; elle mérite d’être planifiéesi l’on veut être sûr d’être prêt le jour où il faudra mesurer lesévolutions dues à l’ouvrage.

Dans la phase des mesures initiales, il est extrêmement utile demultiplier les mesures, à la fois pour mieux asseoir la valeur dela " mesure-origine ", pour améliorer progressivement la préci-sion des mesures, pour valider dès que possible les hypothèsesdes études, enfin et surtout pour s’assurer de la stabilisation desmouvements.

En phase courante, la fréquence des mesures doit être adaptée àl’évolution présumée de la grandeur mesurée, et être périodi-quement adaptée aux résultats observés ; elle sera bien sûr diffé-rente s’il s’agit de donner une alerte ou de suivre l’évolutiond’un ouvrage dans le temps. La prudence incite à considérer queles phénomènes importants voire dangereux seront peut-êtrebeaucoup plus rapides que prévu... Quoi qu’il en soit, le borde-reau des prix doit mentionner de façon explicite cette périodi-cité et prévoir l’incidence de ses variations en plus ou en moins.

Pour l’auscultation de tunnels en service, il importe deprogrammer à la fois :• le rythme initial des mesures, en fonction notamment du

cycle des saisons qui influe toujours sur les résultats (unemesure tous les 2 ou 3 mois paraît un minimum en début deprogramme pour déceler les variations saisonnières) ;

• des bilans périodiques entre maître d’ouvrage et opérateur demesure (tous les 2 à 3 ans, au moins), afin d’examiner lesrésultats et d’adapter la nature et la périodicité des mesuresultérieures.

2.4 - Automatisation des mesuresSi les mesures sont automatisées, un rythme d’acquisition assezsoutenu est conseillé (de l’ordre d’une mesure par heure) ; onpeut ainsi mettre en évidence des phénomènes qui resteraientautrement insoupçonnés. Le problème se déplace alors vers lacapacité d’enregistrement du système, et surtout vers la capa-cité des opérateurs à traiter, visualiser et interpréter en tempsutile une masse considérable de données ; il faut donc sedonner les moyens de traiter et stocker commodément cetteinformation au fur et à mesure, faute de quoi le système d’aus-cultation deviendrait inexploitable.

Certes, l’automatisation comporte un surcoût initial parrapport aux mesures manuelles ; mais elle entraîne un sautqualitatif qui la rend difficilement comparable à celles-ci :• faculté d’augmenter à volonté et sans surcoût la fréquence des

mesures (possibilité d’effets de loupe), • possibilité de mettre en évidence un bruit de fond, et éven-

tuellement de le corriger,

• suivi précis des effets de la température, et possibilité de lescorriger automatiquement,

• rapidité d’obtention des résultats, permettant une adaptationdu projet en temps réel, ce qui peut conduire à des économiessur le génie civil sans commune mesure avec l’investissementconsenti dans l’auscultation.

2.5 - Traitement et interprétation des mesuresLa phase de traitement des données comprend les tâchessuivantes :• transformation de la grandeur mesurée (ex. tension électrique)

en une grandeur physique pertinente (ex. allongement),• validation des données, après suppression des valeurs

aberrantes,• calcul des évolutions par rapport à la mesure origine,• prise en compte des grandeurs d’influence perturbant les

mesures (surtout la température), et correction des mesuresbrutes si une bonne corrélation est mise en évidence,

• confrontation des mesures entre elles (d’un même type dansdifférentes sections, ou de plusieurs types dans une mêmesection),

• représentation des résultats sous formes de graphiques clairs,qui seuls permettront de pointer les évolutions importantes.

On rappellera que la transmission ou le stockage de fichiersinformatiques restent des opérations vaines si chaque fichiern’est pas accompagné de l’identification claire et complète detoutes les données qu’il contient (lieu, date, heure, unité,qualité, formule de conversion, etc.).

L’interprétation de l’auscultation en termes de comportementde l’ouvrage est d’une importance primordiale en phasetravaux. C’est une opération distincte du traitement desmesures, qu’elle doit suivre dans les plus brefs délais ; le résultatde cette interprétation doit être transmis immédiatement auresponsable des travaux, sous forme d’un document clair,concis et directement lisible par un ingénieur non spécialisé enmétrologie. L’interprétation consiste essentiellement àconfronter les résultats de mesures à d’autres informations,telles que :• avancement du front, du stross et autres données relatives au

déroulement des travaux,• variations géologiques rencontrées,• évolutions pluviométriques et piézométriques,• variations de température, lorsque aucune correction systé-

matique n’a pu être faite (tout ouvrage, par sa dilatation, estd’abord une sorte de thermomètre),

• déformations prévues dans les calculs de dimensionnementde l’ouvrage.

Dans certains cas, l’interprétation de l’auscultation nécessiterad’acquérir des données complémentaires sur les caractéris-tiques du terrain (déformabilité du terrain, par exemple, pourbien comprendre les convergences mesurées).

Même si le système de mesure, voire de traitement des données,peut être entièrement automatisé, l’interprétation ne le serajamais ; au contraire, la masse de données recueillies deman-dera toujours l’intervention d’un spécialiste, au moins dans la

Page 10: GT19R2F1 Tunnels Monitoring

AFTES

17TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

phase initiale. Celui-ci dégagera les grandes lignes du comporte-ment de l’ouvrage après prise en compte des effets parasites ;l’interprétation peut ensuite être poursuivie par l’exploitant,jusqu’à l’occurrence d’un nouveau phénomène inattendu.

2.6 - Avertissements, alertes et alarmesEn matière d’alarmes, la plus grande prudence s’impose euégard aux incertitudes qui caractérisent toujours le sous-sol –contrairement au cas des processus industriels. La définitionprécise de seuils demande un très long apprentissage dans le

même terrain ; aussi est-il préférable de considérer une série deseuils correspondant à des degrés croissants de vigilance, telsque seuils d’attention, d’avertissement et d’alarme.

Dans tout ce processus de traitement et d’interprétation, et afortiori en cas d’alarme, il est absolument essentiel que soientbien définis à l’avance :• le cheminement de l’information, • les responsabilités des différents acteurs,• les délais de transmission ou de décision attendus de chacun, • enfin et surtout, une panoplie de dispositions constructives

propres à faire face aux diverses évolutions possibles de l’ouvrage.

3.1 - Composantes du coût de l’auscultationInsistons d’abord sur le fait que le coût de l’auscultation ne selimite pas au coût des fournitures, ni des matériels et logicielsassociés.

Il y a d’abord un coût pour la conception de l’auscultation, larédaction des spécifications et la consultation des fournisseurs.Vient ensuite le prix d’achat des appareils, qui, sous prétextequ’il est bien connu, ne doit pas occulter le coût de leur miseen place, en général bien supérieur quoique plus difficile àévaluer. De plus, cette mise en place nécessite de la part de l’en-treprise une assistance et des aménagements (forages, niches…)qui perturbent l’avancement du chantier et ont aussi un coût,qui sera supporté in fine par le maître d’ouvrage.

Enfin, une fois installé, un appareil engendre obligatoirementune activité de mesure, traitement des données et mainte-nance dont le coût réel peut dépasser largement celui de l’ap-pareil en place, bien que cette activité soit difficile à isoler desautres tâches du chantier. C’est pourquoi la recherche d’écono-mies sur les seules fournitures est souvent illusoire et peut serévéler contre-productive : c’est la qualité qui doit primer, dufait des surcoûts ou, pire encore, des pertes d’informationqu’entraîne toujours la non-qualité.

Parmi les facteurs qui influent le plus sur le coût de l’auscul-tation, on peut citer :• la précision requise des mesures, qui augmente bien sûr leur

coût ; on veillera en particulier à ne pas formuler d’exigencesexcessives dans le cahier des charges : celles-ci pourraientimposer l’acquisition d’appareils non courants ou de proto-types, avec toutes les sujétions qui en résultent en matièred’étalonnage et de résistance à l’environnement ;

• la résistance requise aux agressions, en particulier le degréde protection recherché contre la foudre (les composantsélectroniques y sont très sensibles). Plus généralement, ladurée de vie escomptée des appareils devra être soigneuse-ment étudiée pour le choix de l’instrumentation d’unouvrage en service : rares sont les capteurs ou centralesd’acquisition dont le fonctionnement peut être garanti au-delà de 5 ans…

• la proximité de la surface, qui nécessite un suivi précis destassements éventuels, surtout en ville et en particulier auvoisinage des têtes : celles-ci sont en général les parties d’ou-vrage les plus délicates et par suite les plus instrumentées ;

• l’automatisation des mesures, dont le surcoût initial estd’autant mieux amorti que le nombre de capteurs et lafréquence de mesures sont élevés.

3.2 - Estimation globale du coût del’auscultationa) Cas des ouvrages hydroélectriques

Dans ce secteur, un chiffre souvent avancé pour l’auscultationest de 1 à 3 % du coût du génie civil, mais avec des disparitésconsidérables selon le type et la complexité de l’ouvrage(tunnel, centrale souterraine…) ; ce ratio, qui ne comprend pasl’exploitation du système, est du même ordre que pour lesbarrages en béton. Plus précisément, on peut distinguer :• le coût des fournitures (capteurs, câbles, boîtiers de jonction,

systèmes informatiques…), qui dépasse rarement 0,5 % duprix de l’ouvrage. A noter que pour un tunnel de grandelongueur ausculté à distance, le prix des câbles classiques peutdépasser largement celui des appareils de mesure ; mais cen’est plus vrai en cas de transmission des données par " bus "numérique ;

• le coût de la pose (y compris forages, niches et sujétionsdiverses imposées à l’entreprise), qui serait de 2 à 3 fois le prixd’achat du matériel mis en place ;

• enfin, le coût d’exploitation et de maintenance du système,qui s’étalera sur des décennies et peut atteindre un ordre degrandeur de 50 000 E/an, soit, en valeur actualisée, unesomme proche de celle investie au départ pour le matériel etsa mise en place.

b) Cas des tunnels routiers et ferroviaires

Le tableau 3 donne quelques exemples de chantiers de tunnelsoù le coût de l’auscultation a pu être isolé. Ces coûts, qui reflè-tent les prix des années 1990-95, incorporent toutes lesdépenses à la charge du prestataire de mesure (fourniture,installation et exploitation du système d’auscultation), ainsi

3 - COÛT DE L’AUSCULTATION

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AFTES

18 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

que l’assistance fournie par l’entreprise ; il n’inclut pas lesforages nécessaires aux appareils, ni les arrêts de chantier, ni lecoût de l’interprétation par le maître d’œuvre.

Ce tableau montre que le coût moyen de l’auscultation – telque défini ci-dessus – varie en général entre 1 et 3 % du coûtdes travaux de génie civil. Il n’est pas surprenant que ce ratiosoit plus élevé pour un tunnel en site urbain (type Toulon), oupour un tunnel court en terrain difficile (type Rosti) ; en effet,une faible longueur de tunnel augmente le poids relatif ducreusement des têtes et celui du rodage de l’avancement, phasesqui font toujours l’objet d’une auscultation plus intensive.

c) Cas des tunnels anciens

Le coût de l’équipement d’un tunnel ancien pour le suivipériodique des déformations varie fortement selon son état dedégradation. A titre indicatif, on peut avancer un coût del’ordre de 10 000 E pour l’équipement minimal d’un tunnel dequelques centaines de mètres en dispositifs manuels de mesure,sans oublier de rajouter chaque année la moitié de cette somme

pour les tournées de mesures. Si le nombre d’appareils justifieun équipement d’acquisition automatique, il faut envisager uninvestissement initial beaucoup plus élevé, auquel s’ajoutera uncoût d’exploitation de l’ordre de 10 à 20 000 e/an.

3.3 - Remarque sur les fabricants dematérielLes matériels d’auscultation utilisés en génie civil (capteurs etcâbles) doivent être définis et commandés longtemps àl’avance, car les délais de livraison sont en général assez longs :souvent plus de 3 mois. Il s’agit en effet d’un marché très étroit(moins de 100 ME à l’échelle mondiale), avec peu de fournis-seurs, peu de stocks, des séries de fabrication courtes et unedurée de vie commerciale des capteurs très longue. Il en résulteque le développement et la validation de nouvelles techniques– comme les fibres optiques – sont très lents et dépendentsouvent de maîtres d’ouvrage " mécènes ", ou de rares chantiersà budget important.

4.1 - Principes physiques de la mesureDepuis le temps de la règle et de l’équerre – symboles desmétiers de la construction, auxquels il faudrait rajouter le fil àplomb et le niveau à bulle – les principes de base de la mesureont relativement peu évolué. Certes, la technologie a modifiél’apparence des appareils, la précision et la rapidité des mesuresa considérablement augmenté, mais on verra que ces principesrestent, pour l’essentiel, les mêmes.

Dans tous les cas, on cherche d’abord à mesurer avec lameilleure précision possible d’une part la position des pointsou leur déplacement (donc les déformations), d’autre part lapression de l’eau. De plus, bien que ce soient les déplacementsqui créent le risque, l’ingénieur souhaitera toujours mesurer lescontraintes, car il a appris à raisonner sur la base de comporte-

ments en contrainte-déformation ; malheureusement, on nesait toujours pas mesurer correctement l’état de contraintedans le terrain.

La mesure en travaux souterrains a beaucoup emprunté auxautres disciplines (topographie, astronomie, cartographie, artdu géomètre et du mécanicien…), mais elle a dû inventer destechniques spécifiques en raison de conditions de mesure trèsparticulières, que l’on rencontre rarement dans le mondeindustriel :• obligation de réaliser des mesures dans le terrain ou en forage,

c’est-à-dire dans un milieu hostile et fermé, • difficultés d’accès à certains points de mesure, en particulier

dans les grandes voûtes,• conditions d’environnement très sévères (humidité particu-

lièrement),

RN 20 – Tunnel du Puymorens 4 800 m 102 ME 1,2 ME 1,2 %A 8 – 2ème tube Rosti (1) 200 m 2,6 %A 40 – 2ème tube Chamoise 3 300 m 77 ME 0,8 ME 1,0 %Traversée de Toulon (1er tube) 1 800 m 49 ME (2) 1,4 ME (3) 2,8 %Métro Lyon, D sous Fourvière 1567 m 17 ME 0,2 ME 1,2 %Station RER Magenta (Paris) 225 m 150 ME 4,1 ME 2,7 %Projet LHC (CERN, Genève) Cavernes Atlas 35 ME 0,5 ME (4) 1,3 %Métro d’Amsterdam (Centre) 4400 m + 4 stations - 13 ME (5) env. 1,5 %

Ouvrage Longueur Coût des travaux degénie civil

Coût de l’ausculta-tion (hors taxes)

Ratio auscultation /travaux GC

(1) Tunnel court sous versant instable(2) Estimation initiale(3) Dont 0,6 ME pour le contrôle des tassements en surface

(4) Fourniture et mise en place du système seulement(5) Pour 6 ans d’auscultation des bâtiments et du sol au-dessus duprojet, avec 74 stations motorisés.

Tableau 3 – Comparaison entre le coût de l’auscultation et celui du génie civil

4 - PRÉSENTATION DES MÉTHODES DE MESURE

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19TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

• pérennité nécessaire des appareils pendant plusieurs années,voire dizaines d’années, alors même qu’il est très difficile deles réparer ou de les remplacer,

• haute précision requise pour certains paramètres (un mm deconvergence sur un diamètre de tunnel de 10 m exige uneprécision relative de 10-4).

Ces difficultés ont écarté du champ habituel de l’auscultationun certain nombre de capteurs industriels (jauges de déforma-tion, capteurs électriques ou électroniques) pour cause demauvaise tenue dans le temps. En revanche, elles ont fait naîtredes procédés de mesure particuliers comme le distancemètre àfil invar, la corde vibrante ou les appareils à contre-pression.

A partir des années 1990, l’amélioration rapide de certainsdispositifs de mesure, de leur capacité de résistance aux agres-sions et de leur environnement informatique, a fait émergerdes procédés nouveaux, issus de l’industrie civile ou militaire,tels que :• la topographie optique de précision, qui supplante de plus en

plus le fil invar pour les mesures de convergence, en dépitd’une moindre précision ;

• les extensomètres à fibre optique, qui concurrenceront lesappareils à corde vibrante ou les extensomètres de foragelorsque les prix des composants diminueront ;

• le suivi ultrasonique de l’évolution des contraintes dans lesboulons d’ancrage ;

• de nouvelles techniques de traitement des signaux acous-tiques émis au voisinage des travaux miniers ;

• l’automatisation complète des mesures, qui entraîne un sautqualitatif en permettant de multiplier les mesures aumoindre coût ;

• enfin, plus récemment, les mesures topographiques deprécision en surface : théodolite motorisé, GPS, interféro-métrie radar…

Aujourd’hui, les techniques de base auxquelles font appel lesméthodes de mesure utilisées en travaux souterrains peuventêtre rangées en six catégories, soit des plus anciennes aux plusrécentes :• les mesures mécaniques,• les mesures optiques de précision,• les capteurs à corde vibrante,• les appareils pneumatiques,• les capteurs électriques de déplacement,• les capteurs à fibre optique.

Chacune de ces techniques de base fait l’objet d’une fichedescriptive en annexe A. Celles auxquelles il est fait le plussouvent appel aujourd’hui pour l’auscultation des tunnels(mais aussi pour la géotechnique en général) sont les mesuresoptiques et électriques, et accessoirement les cordes vibrantes.

4.2 - Présentation des fiches techniques par méthodeDans le présent document, on entend par " méthode demesure " l’ensemble constitué par un appareil de mesure, sonmode opératoire et la chaîne d’acquisition associée. Unequarantaine de méthodes d’auscultation, choisies parmi lesplus courantes, ont ainsi été sélectionnées, et font l’objet d’une

fiche descriptive que l’on trouvera dans les annexes B à F ci-après. Ces fiches sont en effet classées en 5 catégories, selon lanature du paramètre recherché :Annexe B – Mesure des paramètres géométriques (tassementset rotations en surface),Annexe C – Mesure des paramètres géométriques (déplace-ments en forage),Annexe D – Mesure des paramètres géométriques (déplace-ments et déformations à la paroi),Annexe E – Mesure des paramètres mécaniques (efforts,contraintes et vibrations),Annexe F – Mesure des paramètres hydrauliques (pression etdébit).

Le contenu de ces fiches est volontairement succinct et nedispense pas de consulter les notices techniques des fournis-seurs, auxquelles il faudra toujours se reporter lors de la mise enplace des appareils, ni les diverses publications qui rendentcompte de l’expérience des utilisateurs (cf. Bibliographie).L’objectif de ces fiches est de présenter et expliquer lesméthodes de mesure aux non spécialistes, sans entrer dans lesdétails, mais en insistant particulièrement sur tout ce que l’onne trouve pas ou rarement dans les notices : inconvénients de laméthode, fragilité des appareils, limites d’utilisation, coûtsdirects et induits... Chaque fiche comprend ainsi les rubriquessuivantes :• objectifs de la méthode et principe de base utilisé,• caractéristiques principales des appareils, • précision et limites d’utilisation,• difficultés de mise en œuvre et robustesse,• coûts, durée de mise en œuvre, temps de mesure,• possibilités de télémesure.

Les éléments de coût, donnés à titre indicatif, concernent prin-cipalement le prix d’achat des appareils, sachant que celui-ci estsouvent faible comparé au coût de mis en œuvre et d’exploita-tion du système, notamment pour les méthodes les plusrécentes (cf. § 3.1) ; de plus, une estimation du coût d’installa-tion est donnée sous forme de journées de technicien supérieur.

Enfin, le parti a été pris de ne jamais citer les fabricants dematériel, hormis quelques exceptions (lorsqu’il s’agit de l’in-venteur de l’appareil, par exemple).

4.3 - Comparaison des méthodesd’auscultationA l’image de ce qu’avait fait le groupe de travail n° 14 del’AFTES pour les Méthodes de diagnostic des tunnels revêtus(cf. TOS, n° 131, 1995), il nous a paru intéressant de porter unjugement comparatif sur les différentes méthodes d’ausculta-tion – et ce en dépit des difficultés de l’exercice… Cette nota-tion des méthodes figure à titre indicatif sur le tableau 4.Chaque méthode de mesure y est notée vis-à-vis de quatrecritères principaux considérés de manière indépendante ; lesnotes vont de 1 à 4, la valeur 4 correspondant à la situation laplus favorable. Les critères pris en compte sont les suivants :• efficacité de la méthode : lorsqu’un paramètre à mesurer a

été retenu, la méthode qui possède la meilleure note doit être

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20 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

considérée en priorité (c’est celle qui est la mieux adaptéetechniquement aux objectifs poursuivis) ;

• facilité d’installation : si la note 4 indique une installationfacile, les notes 2 et surtout 1 demandent impérativementl’intervention d’un spécialiste ayant des références dans lamise en œuvre de la technique considérée ;

• facilité de mesure : cet indicateur concerne à la fois lamesure proprement dite et le traitement des résultats

(cf. phases D1 et D2 des Recommandations de 1998,TOS n° 149, p. 403) ; les notes 1 et 2 indiquent des mesuresdélicates, nécessitant des précautions particulières ;

• coût : il s’agit ici d’un indicateur relatif (vis-à-vis des autresméthodes), pour une situation standard ; il inclut l’installa-tion des appareils et le traitement des mesures. Attention : lanote 4 correspond au coût le plus faible !

Familles de paramètresà mesurer

N° defiche

Méthodes de mesure Efficacité Facilitéd’utilisation

Coût

-B-

Déplacementset rotationsen surface

-C-

Déplacementsen forage

-D-

Déplacementset déformations

à la paroi

-E-

Paramètres mécaniques

-F-

Paramètres hydrauliques

B1B2B3B4

B5B6B7

C1C2C3C4

C5C6C7

D1D2D3

D4D5D6

E1E2E3-

E4E5E6E7E8

F1F2F3F4F5

Nivellement topographique classiqueMesures optiques sur bâtiments Téléniveau hydrauliqueNivelle à vis micrométrique

ElectronivelleInclinomètre à servo-accéléromètrePosition d’un point par GPS

Extensomètre manuel à tiges Extensomètre à tiges avec capteursExtensomètre à capteurs inductifs Chaîne inclinométrique en place

Extensomètre démontable Sonde inclino. (à servo-accélérom.)Tassomètre magnétique

Convergence optiqueDistancemètre à fil invarExtensomètre à corde vibrante

Fissuromètre à corde vibranteFisuromètre à capteur électriqueFissuromètre mécanique

Dynamomètre (boulon, pied de cintre)Jauge de contrainte sur corps en acierCellule hydraulique à corde vibranteExtensomètre à corde vibrante (p.m.)

Cellule hydraulique de pression totaleMesure de contraintes par surcarottage Borehole-slotter Vérin platMesure des vibrations

Tube piézométrique ouvert, ponctuelPiézomètre fermé (à corde vibrante)Mesure de débit en canal ouvertDébitmètre électro-magnétique (tube)Débitmètre ultrasonique (sur tube)

4433

132

4442

443

443

334

4424

13334

34333

3224

332

2222

222

333

334

3223

21122

32233

3234

332

3333

323

234

444

4344

42233

44333

3224

232

3222

233

233

334

3323

21113

32222

Facilité d’installation

Tableau 4 – Notation comparative des principales méthodes d’auscultation(la note 4 indique la situation la plus favorable)

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21TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

5.1 - Bibliographie généralea) Généralités sur l’auscultation

• AFTES – Recommandations relatives à l’organisation del’auscultation des tunnels. Revue Tunnels et ouvrages souter-rains, n° 149, sept.-oct. 1998.

• BORDES, J.L. – Les aspects économiques de l’auscultation.Formation continue ENPC " Surveillance et auscultation dessites et des ouvrages ", Paris, 4-5 déc. 1990.

• BOUVARD, A., COLOMBET, G. & ESTEULLE, F. –Ouvrages souterrains : conception, réalisation, entretien.Chapitre 9 : Auscultation. Presses de l’ENPC, Paris, 2ème

édition, 1992.

• CIRIA – The Observational Method in ground engineering :principles and application - Report 185, 1999, London [ §7 –Tunnel applications].

• DUNICLIFF, J. – Geotechnical Instrumentation forMonitoring Field Performance. J. Wiley & Sons, New York,1993.

• HANNA, T.H. – Field Instrumentation in GeotechnicalEngineering. Trans Tech Publication, 1985.

• PINCENT, B. – Auscultation : de la traduction des objectifsà l’interprétation des mesures. Formation ENPC " Maîtrise desdéformations des ouvrages en géotechnique ", Paris, juin 1997.

• SAIVE, F., PARKIN, R. – Auscultation des ouvrages souter-rains du lot n° 1 du CERN (projet LHC). Revue Tunnels etouvrages souterrains, n° 163, janv.-fév. 2001.

• VIDAL-FONT, J. – Auscultation du tunnel du Cadi(Pyrénées espagnoles). Tunnels et ouvrages souterrains, n° 70,juil.-août 1985.

b) Comptes-rendus de congrès spécialisés

• ASCE Geotechnical Congress, Boulder, 1991 – Session 9A "Geotechnical Instrumentation, New Developments ".

• Commission int. des Grands Barrages :

- Bulletin n° 56 : Auscultation des barrages et de leurs fonda-tions, la technique actuelle, 1989 ;

- Bulletin n° 60 : Auscultation des barrages – considérationsgénérales ", 1988 ;

- Bulletin n° 87 : Amélioration de l’auscultation des barragesexistants – Recommandations et exemples, 1992 ;

- Bulletin n° 118 : Systèmes d’auscultation automatique desbarrages – Recommandations et exemples, 2000.

• 20ème Congrès int. des Grands barrages - Question 78 :Auscultation des barrages et de leurs fondations – Pékin, 2000.

• Actes du symposium " Geotechnical Measurements andModelling ", Karlsruhe, 23-25 sept. 2003. Ed. O. NATAU etal., Balkema.

• Actes des symposiums internationaux " Field Measurementsin Geomechanics ", Balkema :

- 1st Symp. Zurich, sept. 1983, Ed. KOVARI, K., ISBN906191 500 7 ;

- 2nd Symp. Kobe, avril 1987, Ed. SAKURAI, S., ISBN906191 7786 ;

- 3rd Symp. Oslo, sept. 1991, Ed. SORUM, G., ISBN 90 5410025 7 ;

- 5th Symp. Singapour, déc. 1999, Ed. LEUNG, C.F. , ISBN90 5809 066 3 ;

- 6th Symp. Oslo, sept. 2003, Ed. MYRVOLL, F., ISBN 905809 602 5.

c) Auscultation de tunnels en service

• CETMEF – Tunnels canaux – Série " Les Repères ",Béthune, janvier 2002 :

- Fascicule 1 – Surveillance, entretien et réparation

- Fascicule 2 – Pathologie

• CETU – Guide pour la surveillance, l’entretien, la conserva-tion des tunnels routiers. Document établi par A. JULIEN,1998.

• CHOQUET, Ch. – Méthodes usuelles de surveillance etd’investigation. Formation ENPC sur la maintenance et laréparation des tunnels, Paris, 31 mars-1er avril 1993.

• HAACK A., SCHREYER J., JACKEL G. – State of the artNon-destructive Testing Methods for determining the state ofTunnel Lining - ITA Report : Maintenance and repair oftunnels – Tunnelling and Underground Space Technology –Vol 10 n° 4 (1995) pp 413-431.

• Instruction technique pour la surveillance et l’entretien desouvrages d’art (Min. des Transports, 19/10/79), 2ème partie

- Fascicule 01 : dossier d’ouvrages (2000)

- Fascicule 02 : généralités sur la surveillance (2002)

- Fascicule 40 : tunnels, tranchées couvertes, galeries de protec-tion (1980).

5.2 - Mesure des paramètres géométriques• AFNOR – Norme NF 94-156 – Sols : reconnaissances etessais. Mesures à l’inclinomètre. Oct. 1995.

• BASSET, R.H – An automated electrolevel deformationmonitoring system for tunnels ". Geotechnical Engineering –Proceedings of the Institution of Civil Engineers – July 1999,n° 137, pp 117-125.

• BONDIL, R. & MAHIEU, B. – Un exemple de construc-tion pilotée par l’instrumentation : le doublement du tunnelde Rosti (Alpes-Maritimes). Tunnels et ouvrages souterrains, n°71, sept.-oct. 1985.

• CAUSSIGNAC, J. M. et al. – Les fibres optiques, un nouveloutil pour le génie civil. Bull. des labo. des Ponts et chaussées,n° 223, 1999, pp. 93-104.

5 - BIBLIOGRAPHIE

Page 15: GT19R2F1 Tunnels Monitoring

AFTES

22 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

• FERDINAND P. – La surveillance des structures par fibresoptiques. Opto 70, 1993, pp. 26-36.

• FERDINAND P. – Mine operating accurate stability controlwith optical fiber sensing and Bragg grating technology. SPIEProceedings, Vol 2360, 1994, pp. 162-166.

• KAISER, P. K. - Deformation Monitoring for StabilityAssessment of Underground Openings. In : ComprehensiveRock Engineering (ed : HUDSON), Pergamon Press, 1993,vol. 4, pp. 607-630.

• McRAE, J.B. & SIMMONDS, T. – Long Term Stability ofVibrating Wire Instruments : one Manufacturer’s Perspective.CR du congrès " Field Measurements in Geotechnics ", Oslo,1991, Balkema ed.

• QUIRION, M., BALLIVY G. – Application des capteurs àfibre optique Fabry-Perot pour le suivi à long terme des struc-tures en béton. Bull. des Laboratoires des Ponts et Chaussées,N° 225, 2000, pp. 75-88.

• VUILLET, L. et al. – Development of fiber optic extensome-ters. Actes du Congrès de Mécanique des sols de Hambourg(ISSMGE 97), 1997.

5.3 - Mesure des paramètres mécaniques• AFNOR – Norme FD p94-447-1 " Roches – Guide pour lemesurage des vibrations transmises par le terrain lors detravaux géotechniques – Partie 1 : vibrations provoquées par lestirs à l’explosif " - (juin 2003)

• BRIGLIA, P., BURLET, D. et PIRAUD, J. – La mesure descontraintes naturelles appliquée au génie civil. Tunnels etouvrages souterrains, n° 123, mai-juin 1984.

• FRITZ, P. & KOVARI, K. – A Method for Monitoring Riband Lining Pressure. In : Comprehensive Rock Mechanics(HUDSON ed.), 1993, vol. 4, pp. 671-694.

• LEGER, B., ROUSSEL, J.C., GUERPILLON, Y. et ALLA-GANT, D. – Dix ans de mesures géotechniques sur les marnesdu tunnel de Chamoise. CR du Congrès international deMécanique des roches, Tokyo, 1995, vol. 3, pp. 1309-1312.

• BERTRAND, L. – Les mesures de contraintes in situ.Colloque " La mesure et sa représentativité en sciences de laTerre ", Sénat, Paris, 7 nov. 2000.

5.4 - Mesure des paramètres hydrauliques• AFNOR – Norme NF 94-157 – Sols : reconnaissances etessais. Mesures piézométriques. 1er et 2 mars 1996.

• AYESTARAN, L . & al. – Layered Reservoir Testing. MiddleWest Well Evaluation Review, Reservoir Eng. Supplement,Revised Edition 1991.

• DARCY, J., DELOUVRIER, J., THUT, A. – Analyse entemps réel des données hydrogéologiques et géotechniques.Tunnels et ouvrages souterrains, n° 147, mai-juin 1998.

• KENTER, S. & al. – Measurement of the HydraulicProperties of Low Permeability Rock. National WaterResources Institute, May 1996.

• LAVANCHY, J.M. & al. – Hydrogéologie de la zone de laPiora. Symp. ALPTRANSIT, ETH Zurich, 1999.

• BOISSON, J.Y. et al. – Mesure des très faibles perméabilitésin situ et en laboratoire sur les argilites de Tournemire(Aveyron). Bull. Soc. Géol. France,1998, tome 169, pp. 595-604.

5.5 - Automatisation des mesures etdivers• BAILLY, J.C. et al. – Le tunnel de la bretelle de Monaco : lesystème SATAN (Suivi automatique des tunnels autoroutiersde Nice). Tunnels et ouvrages souterrains, n° 110, mars-avril1992.

• HAYWARD, D. – On the alert for settlement. Tunnel &Tunnelling Int., déc. 2001, pp. 43-45.

• GASTINE, E. – Evolution des techniques de monitoring entemps réel sur les chantiers de percement de tunnels urbains.Tunnels & Ouvrages souterrains, n° 172, juil. 2002, pp. 221-224.

• GAUTRAIS, B. – Le tunnel de Lefortovo. Tunnels &Ouvrages souterrains, n°177, mai 2003, pp. 131-137.

• LA FONTA, J.G. et PERSON, T. – Porto-Rico : contrôle entemps réel de l’injection de compensation par le systèmeCYCLOPS. Tunnels et ouvrages souterrains, n° 149, sept.-oct.1998, pp. 423-427.

• Projet national ITELOS – Télésurveillance des ouvrages d’artet des sites. Editions Kirk, Maisons-Alfort, 1994.

• SCHWARTZMANN, R. – Surveillance et télésurveillanced’ouvrages souterrains. Tunnels et ouvrages souterrains, n° 82,juil.-août 1987.

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Page 16: GT19R2F1 Tunnels Monitoring

AFTESMéthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

PagesPages

A - TECHNIQUES COMMUNES DE BASE - - - - - - - - - - - - 23Fiche A1 - Mesures mécaniques - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24Fiche A2 - Mesures optiques de précision - - - - - - - - - - - - - - - 24Fiche A3 - Capteurs à corde vibrante - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24Fiche A4 - Mesures pneumatiques ou à contre-pression - - - - 25Fiche A5 - Capteurs électriques de déplacement - - - - - - - - - - 25Fiche A6 - Capteurs à fibre optique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25

B - MESURE DES DÉPLACEMENTS EN SURFACE - - - - - - 27Fiche B1 - Nivellement topographique classique - - - - - - - - - - 27Fiche B2 - Mesures optiques sur bâtiments - - - - - - - - - - - - - - 28Fiche B3 - Téléniveau hydraulique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28Fiche B4 - Nivelle à vis micrométrique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29Fiche B5 - Electronivelle - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29Fiche B6 - Inclinomètre à servo-accéléromètre - - - - - - - - - - - - 29Fiche B7 - Position d’un point par GPS - - - - - - - - - - - - - - - - - - 30Fiche B8 - Comparaison des méthodes de mesure

du déplacement des structures - - - - - - - - - - - - - - 30

C - MESURE DES DÉPLACEMENTS EN FORAGE - - - - - - 32Fiche C1 - Extensomètre manuel à tiges - - - - - - - - - - - - - - - - - 32Fiche C2 - Extensomètre à tiges avec capteurs - - - - - - - - - - - 33Fiche C3 - Extensomètre à capteurs inductifs - - - - - - - - - - - - - 33Fiche C4 - Chaîne inclinométrique en place - - - - - - - - - - - - - - 34Fiche C5 - Extensomètre démontable - - - - - - - - - - - - - - - - - - 35Fiche C6 - Sonde inclinométrique à servo-accéléromètre - - - - 36Fiche C7 - Tassomètre magnétique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 36

D - MESURE DES DÉPLACEMENTS À LA PAROI - - - - - - - 37Fiche D1 - Convergence optique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 37Fiche D2 - Distancemètre à fil invar - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 38Fiche D3 - Extensomètre à corde vibrante - - - - - - - - - - - - - - - 39Fiche D4 - Fissuromètre à corde vibrante - - - - - - - - - - - - - - - - 39Fiche D5 - Fissuromètre à capteur électrique - - - - - - - - - - - - - 39Fiche D6 - Fissuromètre mécanique - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 40

E - MESURE DES PARAMÈTRES MÉCANIQUES - - - - - - - 40Fiche E1 - Dynamomètre - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 41Fiche E2 - Jauge de contrainte sur corps en acier - - - - - - - - - 41Fiche E3 - Cellule hydraulique à corde vibrante - - - - - - - - - - - - 42Fiche E4 - Cellule hydraulique de pression totale - - - - - - - - - - 42Fiche E5 - Mesure des contraintes par surcarottage - - - - - - - - 43Fiche E6 - Mesure des contraintes au Borehole Slotter - - - - - - 43Fiche E7 - Mesure des contraintes au vérin plat - - - - - - - - - - - - - - - 44Fiche E8 - Mesure des vibrations - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 44

F - MESURE DES PARAMÈTRES HYDRAULIQUES - - - - - - 45Fiche F1 - Piézomètre ouvert - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 45Fiche F2 - Piézomètre fermé - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 46Fiche F3 - Mesure de débit en canal ouvert - - - - - - - - - - - - - - 46Fiche F4 - Débitmètre électromagnétique sur conduite noyée 47Fiche F5 - Débitmètre ultrasonique sur conduite noyée - - - - - 47

SOMMAIRE DES ANNEXES

ANNEXES

FICHES TECHNIQUES PAR MÉTHODES

23TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Sciage d’une saignée transversale pourmesure de contrainte au vérin plat

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24 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Les mesures " mécaniques " utilisent le principe ancestral de larègle graduée, avec ses nombreuses variantes : câble gradué,pied à coulisse, palmer, comparateur à aiguille, etc., tous cesappareils servant classiquement aux mesures de précision prati-quées dans les diverses branches de la mécanique.

On peut aussi y inclure les manomètres à tube de Bourdon, oùla déformation liée à une variation de pression est transmisemécaniquement à une aiguille.

Applications aux mesures en souterrain :

• Fissuromètre mécanique (cf. fiche D7),

• distancemètre absolu à fils invar (cf. fiche D2),

• extensomètre ou tassomètre de forage à comparateur (cf.fiche C1), etc.

ANNEXE A

TECHNIQUES COMMUNES DE BASE

Fiche A1 - Mesures mécaniques

En topographie, ce sont surtout les besoins de productivitéressentis par les entreprises pour repérer des points, positionnerdes éléments d'ouvrages ou guider des engins (comme lestunneliers) qui ont le plus fortement stimulé les progrès destechniques, jusqu’à l’apparition d’appareils de mesure appelés" stations totales ".

Ces stations comportent un distancemètre électro-optique quimesure la distance entre l’appareil et une cible, constituéed’une simple surface réfléchissante pour les mesures courantes,ou d’un prisme triple pour les mesures de précision. La résolu-tion de ces distancemètres est de 0,1 mm ; associés à un théo-dolite de précision, ils peuvent mesurer des convergences avecune incertitude de +/- 0,5 mm lorsque les conditions sontbonnes, et ce pour des visées de l’ordre de 30 m. Dans tous lescas, les points visés doivent être matérialisés par des cibles d’ex-cellente qualité, et les appareils fixés sur des embases stables. Ladifficulté en tunnel est de disposer de points de référence,sachant qu’on peut aussi introduire dans le réseau des distancesde référence (règle).

Il existe des stations à visée automatique, appelées " stationstotales motorisées " parce qu'elles mesurent seules, une foisprogrammées, à la fois les angles et les distances, et effectuent

instantanément les calculs de position. Ces appareils sont deplus en plus utilisés en surveillance continue des déplacements,tant en surface (cf. fiche B2) qu’en profondeur (fiche D1).

La technique du nivellement de précision, principalementutilisée en surface pour la surveillance des tassements, s’estconsidérablement améliorée avec l’apparition des niveauxnumériques – non pas tant en précision, qui reste excellente,mais en facilité de mise en œuvre. Ceux-ci lisent automatique-ment les graduations de la mire, qui sont codées sous forme decodes barres (cf. fiche B1). L’incertitude de mesure de cesniveaux entièrement numériques, qui ne demandent donc plusd’expérience dans la lecture des mires, est de +/- 0,3 mm endéplacement. Comme précédemment, les points visés doiventêtre matérialisés (fixation de repères dans le terrain), et fixés defaçon à être le plus indépendant possible des variations d’hu-midité ou de température qui agissent sur les terrains ou lesstructures.

Applications : mesure des tassements en surface (nivellement),des déplacements et rotations d’ouvrages influencés, et desdéplacements absolus en X,Y,Z des parois d’un tunnel (donton peut déduire des convergences).

Fiche A2 - Mesures optiques de précision

Le principe est simple : un fil d’acier tendu entre deux pointsest excité ; il vibre alors avec une fréquence qui dépend de samasse et de ses caractéristiques mécaniques (supposées cons-tantes), mais aussi de la tension appliquée au fil. Si celle-civarie, la fréquence de résonance aussi, car elle est proportion-nelle à la racine carrée de la déformation du fil.

On excite donc cette " corde vibrante " par un électro-aimant,et on mesure sa fréquence de résonance avec un fréquence-mètre, grâce à un dispositif de type microphone électromagné-tique qui traduit la vibration mécanique en signal électrique.On sait que la fréquence d’un signal périodique n’est pratique-

ment pas altérable et que sa mesure électronique est trèsprécise. Une corde vibrante permet donc une mesure très fiabledu paramètre qui agit sur sa tension, même s’il y a plusieurscentaines de mètres entre le capteur et le poste de mesure.

Bien entendu, la corde vibrante en acier est sensible à la tempé-rature, et sa fréquence de résonance aussi ; mais ces variationssont bien connues et assez faciles à corriger. La précision de cescapteurs et leur répétabilité sont donc remarquables. Mais leursdispositifs d’étalonnage, quasi inexistants pour les extensomè-tres, ne sont pas aujourd’hui à la hauteur des qualités de cescapteurs.

Fiche A3 - Capteurs à corde vibrante

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25TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Applications : plusieurs types d’appareils munis de capteurs àcorde vibrante sont utilisés en génie civil, notamment :

• l’extensomètre : la déformation d’un support rigide décimé-trique est transmise à la corde vibrante par un corps métal-lique de faible rigidité (cf. fiche D4) ; une variante est le fissu-romètre à corde vibrante (cf. fiche D5) ;

• la cellule de pression interstitielle (cf. fiche F2) : une cordevibrante est fixée à son extrémité à une membrane métalliquesoumise à la pression extérieure : toute variation de celle-ci estdirectement transmise à la corde vibrante ;

• le cellule hydraulique (cf. fiche E3), qui permet de mesurerdes efforts.

La pression extérieure appliquée au capteur déforme unemembrane, qui vient fermer un orifice dans une chambre. Sion envoie de l’huile ou un gaz dans la chambre à l’arrière de lamembrane, et si on augmente ensuite la pression du fluide, lamembrane va se déformer dans l’autre sens et libérer l’orificelorsque la pression à l’intérieur de la chambre équilibrera lapression extérieure. Le fluide s’échappe alors par l’orifice endirection d’un appareil qui détecte cet échappement (débit-mètre).

L’appareil de mesure est donc composé d’un système de miseen pression, d’un dispositif de mesure de la pression et d’undébitmètre, ce qui le rend complexe, lourd et peu transpor-table, sans que la précision soit excellente ; de plus, un tel appa-reil est difficilement automatisable.

Applications : en dépit de ces défauts, le principe de la contre-pression est beaucoup utilisé pour les piézomètres, les capteursde force et surtout les cellules hydrauliques de pression totale,pour la mesure des contraintes (cf. fiche E4).

Fiche A4 - Mesures pneumatiques ou à contre-pression

A5.1 - Capteurs à variation de résistanceCe principe utilise la loi bien connue d’Ohm (U = RI), appli-quée le plus souvent à un montage potentiométrique, avec unélément résistant (linéaire ou circulaire) sur lequel glisse uncurseur ; la tension entre le curseur et l’une des extrémités del’élément varie avec la position du curseur : un déplacement estainsi transformé en variation de tension électrique.

Une autre façon d’utiliser la loi d’Ohm est de modifier la résis-tivité, donc la résistance de l’élément, par une action sur cetélément ; ainsi, la résistivité d’un matériau diminue avec satempérature : on dispose donc d’un thermomètre (la " sondeplatine " par exemple). La résistance varie aussi avec la géomé-trie du corps, la section du fil par exemple ; en déformant le filpar allongement, sa résistance augmente : c’est le principeutilisé pour les jauges de déformation électriques collées sur leséchantillons de roches testés au laboratoire (cf. fiche E2).

A5.2 - Capteurs à variation des caractéris-tiques magnétiquesDeux bobines électriques placées l’une près de l’autre réagissenten fonction de leur position et des propriétés électromagné-tiques du système. C’est sur ce principe que fonctionnent lescapteurs inductifs LVDT (Linear Variable Displacement

Transducer), très utilisés dans l’industrie. Une bobinealimentée par une tension alternative crée un champ magné-tique mesuré par une seconde bobine ; un noyau métalliquequi se déplace modifiera ce champ et par suite la tensionmesurée dans la seconde bobine. Ici encore, le déplacementmécanique est transformé en une variation de tension élec-trique.

Une variante de ce principe utilise les propriétés d’un circuitrésonant constitué d’un circuit magnétique et d’un condensa-teur ; on mesure alors la variation de la fréquence de résonancedu circuit grâce à un fréquencemètre. L’intérêt majeur de cedispositif est d’utiliser comme signal de sortie une fréquence,grandeur difficilement altérable lors de sa transmission (à laposition près des éléments constituant le circuit résonant).

Applications :

• fissuromètres automatiques (fiche D6), mesure des petitsdéplacements,

• extensomètres à tiges en forage (cf. fiche C2), • extensomètres sans tiges à capteurs inductifs (cf. fiche C3),

tassomètres, • capteurs de débit (cf. fiche F3), de pression, de température,

etc.

Fiche A5 - Capteurs électriques de déplacement

Si la technologie des fibres optiques est déjà ancienne, sonapplication au génie civil est plus récente. Les capteurs dedéformation à fibre optique sont les plus souvent cités car lafibre optique est bien adaptée à la mesure des déplacements detrès faible amplitude ; ses principales applications à l’ausculta-tion des ouvrages concernent les extensomètres, les mesures de

déformations à base longue et les mesures de température.Les capteurs à fibre optique fonctionnent soit en transmission,soit en réflexion-rétrodiffusion. Ils utilisent plusieurs principesde mesure, que nous avons détaillés dans le tableau et lesfigures suivante, car ils sont encore mal connus.

Fiche A6 - Capteurs à fibre optique

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26 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe de mesure Action physique Effet optique Fonctionnement

1 Micro-courbures Déformation mécanique de la fibre Atténuation Transmission2 Ecrasement Déformation mécanique de la fibre Polarisation Transmission

3 Déformation longitudinale Allongement mécanique Modification du spectre de fréquence Transmission(réseau de Bragg)

4 Longueur de la cavité Déplacement fibre/micromiroir Modification de franges Réflexion(interféromètre Fabry-Perot)

5 Longueur de trajet Allongement mécanique Modification de franges Réflexion(interféromètre Michelson ou Mach-Zender)

Tableau A6.1 – Différents principes de mesure utilisés par les capteurs à fibre optique

Des extensomètres ont été développés en utilisant les principes3 et 5. On notera que le principe de fonctionnement desréseaux de Bragg permet de monter plusieurs réseaux en sériesur la même fibre. Il suffit de caler tous les réseaux sur desfréquences différentes pour disposer d'un capteur multipoints,ne nécessitant qu’un seul analyseur.

Les capteurs à fibre optique présentent des avantages inté-ressants (insensibilité aux perturbations électromagnétiques

et très faibles dimensions), mais aussi quelques difficultésd'application :• sensibilité à la température, souvent compensée par un

capteur spécifique ou une fibre de référence inactive,• difficulté de multiplexage optique (à l’exception des réseaux

de Bragg),• difficulté d'étalonnage pour les capteurs de type 1 et 2,• coût des éléments sensibles et des appareils de mesure.

1) Capteur fibre optique à mesure partransmission

2) Capteur fibre optique à mesure par réflexionet rétrodiffusionDes extensomètres basés sur ce principe ont étéutilisés avec succès pour mesurer les déformation dufront sur le premier tube du tunnel routier de Toulon.

3) Capteur fibre optique àréseau de Bragg.

L’allongement de la fibreprovoque l’écartement des tran-ches gravées dans le cœur de lafibre : une raie de longueurd’onde se déplace dans lespectre

4) Capteur fibre optique à interféromètre Fabry-Perot.

Le déplacement du miroir qui renvoie la lumière dans la fibre modifie lesfranges interférométriques dans l'analyseur, et donne le déplacement.

5) Capteur fibre optique à interféromètre Michelson.

Le déplacement du miroir de la fibre optique active, qui renvoie lalumière vers le récepteur au travers d'un coupleur, modifie lesfranges interféromètriques dans l'analyseur et donne le déplace-ment.

Figure A6.2 – Les cinq principes de capteurs à fibre optique

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27TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Les mesures des mouvements provoqués en surface par les travauxsouterrains peuvent être classées en trois grandes catégories :

• Les mesures topographiques (ou optiques), qui relèvent laposition de repères passifs fixés sur les structures (cf. fiches B1et B2) ; l’automatisation récente des appareils de mesure leurpermet désormais de relever à grande fréquence un très grandnombre de points ;

• Les mesures de mouvements ponctuels par des capteurs fixéssur les structures et reliés à une centrale d’acquisition ; ellespermettent par exemple de suivre en continu des variations

de niveau (cf. fiche B3) ou des rotations (cf. fiche B4 à B6),avec une précision bien meilleure que les mesures topogra-phiques ;

• Les mesures par satellite, encore au stade expérimental maisqui permettent un suivi pluriannuel soit de points isolésmunis de capteurs GPS (cf. fiche B7), soit de très grandessurfaces où l’on a pu identifier des réflecteurs permanents(interférométrie radar, non traitée ici).

Pour tous ces types de mesure, il importe de bien veiller à laqualité du support des capteurs et à leut fixation.

ANNEXE B

MESURE DES DÉPLACEMENTS EN SURFACE

Le nivellement topographique est devenu au cours des années1990 la méthode de référence pour suivre les mouvements deterrain en surface au droit du tracé d'un tunnel. Deux types deniveaux sont généralement utilisés : niveau automatique(réglage automatique du plan de visée) et niveau automatiquenumérique, ce dernier permettant la lecture électronique dela mire.

Intérêt du niveau automatique numérique

Les mesures (lecture de la mire et enregistrement des données)sont entièrement automatiques : confort de mesure (absenced'erreur de lecture de la mire et d'erreur d'écriture), fiabilité etprécision des données. De plus, la possibilité de programmesintégrés et le chargement automatique des données sur PCpermettent d'associer la qualité et la sécurité de l'information,avec un rendement élevé.

Précision

Les nivellements se classent suivant le degré de précision requis :

A noter que la précision du système est également déterminéepar le type de mire, pour lequel il y a trois facteurs de choix :précision à atteindre, longueur transportée (1 à 3 m), type dematériau (bois, aluminium, fibre de verre, invar). En pratique,avec un niveau automatique numérique et une mire à codesbarres en invar, le dixième de millimètre est apprécié et lafermeture d’un cheminement se réalise au millimètre.

Limites d'utilisation• Nécessité d'une visibilité dégagée.• Difficulté des mesures de nuit avec les niveaux automatiques

numériques.• Conditions météorologiques : par grand vent, le niveau

numérique calcule néanmoins une valeur moyenne avec unécart type.

• Absence de vibrations.

Mise en œuvre et robustesse

Mobilisation nécessaire d'un géomètre et de son aide poureffectuer les mesures. L’appareil est adapté aux conditions dechantier, mais nécessite une révision annuelle.

Coût et cadence de mesure• Fourniture : < 1800 e pour un niveau automatique ; de 3500

à 7000 e pour un niveau automatique numérique.• Cadence : de l'ordre de 5 secondes par mesure avec un niveau

automatique numérique.

Fiche B1 - Nivellement topographique classique

Ordre I II III IV

Précision 0,1 - 0,5 0,5 - 1,0 1,0 - 1,5 1,5 - 2,0(mm/km)

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28 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe

L’objectif est de mesurer les mouvements verticaux (soulève-ments et tassements) de structures influencées par des travauxsouterrains. La méthode du téléniveau est basée sur le principedes vases communicants, qui permettent de détecter des varia-tions de niveau entre deux ou plusieurs points. Plusieurs potsde nivellement reliés par une tubulure sont calés sur unemême horizontale (± 2 mm) et sont remplis d'un liquide leplus stable possible. Au centre de chaque pot, un capteurpermet la mesure du niveau d'eau par détection de la positiond'un flotteur.

Caractéristiques principales

• Etendue de mesure : ± 40 mm.• Incertitude de mesure : ± 0,1 mm sur 50 m de distance entre

deux pots.• Appareil automatisable.

Conclusion

• Points forts : précision, surtout entre deux points éloignés.• Points faibles : difficulté de mise en place ; instabilité dans le

temps liée aux caractéristiques du liquide (évaporation, etc.) ;problèmes de protection sur le site ; sensibilité à la tempéra-ture (équilibre modifié par la variation de densité du liquidede l’un des pots).

Fiche B3 - Téléniveau hydraulique

Principe et objectifs

L’objectif est de mesurer les mouvements subis par des bâti-ments du fait de travaux souterrains exécutés à leur aplomb.Classiquement, on suivait les tassements en surface en nivelantdes piges implantées dans le sol, au moyen de niveaux moto-risés ou non (cf. fiche B1). C’est le développement récent destachéomètres de précision qui a révolutionné les mesures topo-graphiques en surface, comme ce fut le cas pour les conver-gences en galerie (cf. fiche D1) ; ces appareils, encore appelés" stations totales " car ils mesurent à la fois les distances et lesangles, permettent en effet :

• de mesurer le tassement de repères installés en hauteur sur desimmeubles, ce qui évite la gêne constante que constituaientpour le topographe les piétons, véhicules en stationnement etautres obstacles ;

• d’effectuer des mesures en XYZ, donc de mesurer la rotationd’immeubles qui auraient tendance à basculer ; ces mesurespeuvent être faites soit avec un théodolite manuel stationnéau sol, soit avec un théodolite motorisé implanté en hauteuret permettant de viser un grand nombre de repères. On peutalors calculer les coordonnées absolues des repères visés enrelevant aussi, lors de chaque " ronde de mesure ", les coor-données d’un certain nombre de points réputés fixes (nonaffectés par les travaux).

Ainsi, le suivi des effets en surface d’un chantier souterrain ensite urbain dense peut se faire automatiquement, avec un

nombre limité de stations motorisées, que l’on peut d’ailleursdéplacer avec l’avancement des travaux. Toutes les stations sontreliées à un ordinateur central par un bus numérique ; chacunepeut faire une " ronde " d’environ 50 points en 15 minutesenviron. Pour des chantiers de grande ampleur (ligne de métrode plusieurs km, par exemple), et lorsque les mouvements dusol se prolongent longtemps après le creusement, on en arrive àmobiliser simultanément des dizaines de stations totales quivisent des milliers de repères, et dont les résultats sont corrélésentre elles ; on dispose ainsi en permanence d’un véritableréseau topographique dont la mise en jour est effectuée entemps réel.

Précision et conditions d’utilisationLa précision est de 1 mm environ pour une distance de 100 mentre la cible et la station totale. Le choix de sites haut perchés,qui soient à la fois panoramiques et à l’abri du vandalisme, estbien sûr essentiel pour pouvoir stationner dans de bonnesconditions. L’étendue de mesure de chaque station peutatteindre plusieurs km, mais est en général comprise entrequelques dizaines et centaines de m pour les applicationsurbaines. Les repères visés sont soit des cibles réfléchissantes,soit des prismes ; leur implantation en hauteur n’est pastoujours facile et demande des démarches et du temps.

CoûtLes tachéomètres motorisés sont bien sûr coûteux (environ25 000 e), mais ils sont mis en œuvre par des prestataires demesure spécialisés qui les déplacent de chantier en chantier ; ilen est de même pour la centrale de commande avec ses logi-ciels, qui est commune à plusieurs stations motorisées et coûteenviron 15 000 e. Le coût d’installation d’une station, ycompris protection et câblage, est d’environ 5 000 e, et celuides prismes réfléchissants 150 e/pièce.

Soulignons cependant que pour une opération d’enverguremobilisant un grand nombre de stations totales, le coût dumatériel devient secondaire eu égard aux prestations deconception, installation, interprétation et contrôle de l’en-semble du système, et à la rémunération du savoir-fairecorrespondant.

Fiche B2 - Mesures optiques sur bâtiments

Rayons de viséed’un Cyclops

vers le bâtiment

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29TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectifs

Cet appareil permet de mesurer en un point la rotation d’unestructure ou de la surface du sol. Il est constitué d'une embase,d'un niveau à bulle tournant autour d'un axe horizontal et

d'un palmer. Pour mesurer de très faibles variations d’incli-naison, on fixe sur la structure, dans une direction donnée, uneplaque support de même section que l’embase du niveau àbulle. Lors de la mesure, l'embase est mise en coïncidence avecce support ; puis la bulle est mise à zéro à l'aide de la vis micro-métrique et on mesure ainsi l'angle de la plaque support ; onrefait alors une mesure dans la direction opposée, par retourne-ment du niveau.

Caractéristiques principales• Etendue de mesure : ± 7°.• Précision : ± 0,02°, avec double mesure par retournement de

la nivelle.• Non automatisable.• Coût : embase : 35 e, nivelle : 180e.

Conclusion• Points forts : faible coût, très grande précision et facilité des

mesures.• Points faibles : système non automatisable, qui ne donne

qu’une mesure locale (rotation).

Fiche B4 - Nivelle à vis micrométrique

Principe et objectif

Dans son principe, ce capteur est constitué d’un petit tube deverre partiellement rempli d'un liquide conducteur dans lequeltrempent deux électrodes. Toute variation du niveau du liquideentre les électrodes entraîne une variation de sa conductivité ;on obtient ainsi directement un signal électrique proportionnelà l’angle de rotation du système, ce qui rend la mesure automa-tisable. Lorsqu’un capteur isolé est fixé sur une structure, ilmesure sa rotation ; une chaîne de capteurs mis bout à boutpermet de mesurer un mouvement vertical (tassement ousoulèvement), si la position de l’une des extrémités de la chaîneest fixe ou connue.

Caractéristiques principales

• Etendue de mesure : ± 3°.• Incertitude de mesure : ± 0,1° (± 1 mm/m). La meilleure

précision est obtenue autour du zéro (0,005°), mais l'incerti-

tude augmente en s'éloignant du zéro, ainsi qu’avec toutevariation de la température ambiante (dérive).

• Coût : 150 e avant adaptation mécanique.

Applications

• Tassement de surface : les nivelles sont fixées sur la structure,ou installées sous la structure dans un forage horizontal(chaîne de capteurs en place).

• Déformation latérale du sol ou d’une paroi : les nivellespeuvent être installées dans un forage vertical (chaîne decapteurs en place, cf. fiche C4).

Conclusion

• Points forts : bon marché et automatisable.• Points faibles : précision moyenne de la mesure ; sensibilité

aux chocs et aux effets thermiques ; problèmes de dérive.

Fiche B5 - Electronivelle

Nivelle à vis micrométrique

Principe

Ce capteur est basé sur le principe d’une balance de forcetravaillant en boucle fermée. Le cœur du capteur est un détec-teur de déplacement ; la force nécessaire pour ramener unemasselotte pendulaire à sa position initiale par rapport audétecteur de déplacement est proportionnelle au sinus del’angle d’inclinaison ; cette force est appliquée à la masselottepar un système électromagnétique, actionné par un courantdont on mesure l’intensité (l’appareil est donc automatisable).L'ensemble est scellé dans une capsule d'huile de silicone,permettant l'amortissement des vibrations et des chocs.

Comme pour l’électronivelle, ce capteur peut être fixé seul pourmesurer une rotation, ou être installé sous forme d’une chaînede capteurs pour mesurer un mouvement vertical ; mais cettedeuxième configuration est rare en raison du coût du capteur.

Fiche B6 - Inclinomètre à servo-accéléromètre

Page 23: GT19R2F1 Tunnels Monitoring

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30 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Fiche B8 - Comparaison des méthodes de mesure du déplacement des structures

B8.1 - Mesure de tassement en forage horizontal (sous la structure)

Principe de mesure

Coût de fourniture :- Point de mesure- Appareil de lecture

Coût d'installation

Coût de mesure/point

Points forts

Points faibles

Inclinomètre 2 axes à servo-accéléromètre

- Tube : 25 e/ml- Sonde : 15 000 e

1 heure

- heure

- Détection du tassement avant son influence sur lesstructures en place

- Fiable

- Non automatisable ( mais possibilité de mettre unechaîne de capteurs dans ce forage)

- Temps long pour lecture + dépouillement- Plus délicat qu’en forage vertical

Electronivelle

- Tube : 25 e/ml- Capteurs + acquisition : 1000 e/ml

4 heures

Nul

- Lecture instantanée- Surveillance permanente- Coût de mesure indépendant du temps- Analyses différées poussées

- Investissement lourd au départ

Sonde inclinométrique (30 ml) Chaîne de capteur en place

Principe

Une balise reçoit les signaux émis par une constellation desatellites du Global Positioning System (GPS). A toutmoment, au moins cinq de ces satellites sont visibles par labalise en tout point du globe terrestre. A partir des signaux dessatellites, qui émettent l’heure et leur position en continu avecune très grande précision, la balise calcule sa position dansl’espace en XYZ.

Précision

La résolution atteinte est le millimètre. En mode différentiel,où on compare la position d’une première balise placée en unpoint de référence et d’une seconde balise, et avec un logicielde traitement performant, l’incertitude sur la position est de± 5 mm en altitude, et de ± 2 mm en X et en Y pour desdistances entre balises de 10 km maximum.

Limite d’utilisation

Dans les mesures de haute précision, les distances entre balisesne doivent pas dépasser 10 km, et la différence d’altitude entreles deux points doit être faible. Les balises doivent "voir" lessatellites ; la précision diminue avec la densité des obstacles :arbres, immeubles, montagnes.

Mise en œuvre et robustesse

La mise en œuvre d’un système de mesure GPS devientcomplexe lorsque une haute précision est recherchée. Mais cesont des appareils qui sont prévus pour fonctionner à l’exté-rieur dans des conditions difficiles.

Coûts

Balise monofréquence de précision : 7 000 e

Balise bifréquence de précision : 20 000 e (évolution rapidedes prix).

Télémesure

Un système de mesure GPS est automatisable.

Fiche B7 - Position d’un point par GPS

Caractéristiques principales

• Etendue de mesure : de ± 1° à ± 45°.• Précision : jusqu'à 0,02 % de l'étendue de mesure. Pour ± 1°,

l'incertitude est < 2 secondes d'arc (< 0,01 mm/m).• Coût > 1700 e avant adaptation mécanique.

Applications

• Mesure des rotations et tassements de surface : l’appareil estfixé sur la structure, mais on ne prévoit pas en général de

chaîne de capteurs en raison d’un coût trop élevé.• Déformation latérale dans un forage : l’appareil peut être

conditionné sous forme d’une sonde inclinométrique quel’on déplace dans un forage vertical (cf. fiche n°, C6).

Conclusion

• Points forts : précision, fiabilité et solidité.• Points faibles : coût élevé, et sensibilité aux vibrations.

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31TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

B8.2 - Mesure automatique de rotation en surface

Principe de mesure

Coût de fourniture

Coût d'installation

Coût de mesure

Points forts

Points faibles

Electronivelle

1 400 e

- Mesures instantanées- Surveillance permanente- Coût de mesure indépendant du temps- Analyses différées poussées- Mouvement d'ensemble de la structure-

Sonde inclinométrique (30 ml) Chaîne de capteur en place

Inclinomètre à servo-accéléromètre

2 700 e

- Mesures instantanées- Coût de mesure indépendant du temps- Analyses différées poussées

- Pas trop cher

- Précision moyene

- Précis

- Cher

- Pas trop cher

- Cumul desimprécisions

- Précis

- Très cher

Electronivelles

12 000 e

Inclinomètres àservo-accéléromètre

21 000 e

1 heure/capteur

Nul

B8.3 - Mesure manuelle de rotation en surface

Principe de mesure

Sujétion d'emploi

Coût de fourniture :- Point de mesure- Appareil de lecture

Coût d'installation

Coût de mesure/point

Points forts

Points faibles

Nivelle à vis micrométrique

Nivelle portable Clinomètre Capteur fixe relevé par appareil de mesure portable

Inclinomètre 2 axes à servo-accéléromètre

- Sur une structure : - heure/point de mesure- Sur le sol : 1 heure (fabrication du plot de béton)/point de mesure

- Simple à installer et à utiliser- Précis (contrôle possible car double mesure par

retournement)

- Automatisable- Pas de manipulation du capteur- Mémorisation électronique du résultat

Electronivelle Inclinomètre à servo-accéléromètre

- 50 e (plaque)175 e

- 100 e (plaque)10 000 e

- 500 e (capteur)1700 e

- 1700 e (capteur)1700 e

- Système robuste- Pas cher

- Lecture digitale- Mémorisation du résultat

- Pas trop cher - Précis

- Non automatisable- Manipulation du capteur (incertitude)

- Cher

- Précision moyenne - Cher

- Le site doit être accessible

2 minutes 30 secondes, 2 axes 10 secondes 10 secondes

NB. Que les mesures soient manuelles ou automatiques, il convient de veiller à ce que l'embase support soit collée sur un plotancré d'au moins 50 cm dans le sol (problème des effets de surface)

Page 25: GT19R2F1 Tunnels Monitoring

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32 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

La mesure des mouvements à l’intérieur du massif au voisinaged’ouvrages souterrains nécessite de disposer de forages. Ceux-cisont équipés de bagues ou de tubes spéciaux scellés au terraindont ils suivent les mouvements ; on mesure alors les déplace-ments de ces bagues de trois manières :

• soit en ramenant les translations vers la tête du forage (ensurface ou en souterrain) où elles sont mesurées par le biaisde tiges rigides, comme dans les extensomètres classiques(cf. fiches C1 et C2) ;

• soit en mesurant directement les mouvements en profondeurgrâce à des capteurs fixes, implantés en divers points duforage (cf. fiches C3 et C4) ;

• soit en mesurant les mouvements grâce à une sonde mobilequi parcourt le forage en mesurant des distances et/ou desinclinaisons dans des intervalles déterminés (cf. fiches C5, C6et C7).

ANNEXE C

MESURE DES DÉPLACEMENTS EN FORAGE

Définition et objectifs

C’est un appareil installé en forage et permettant de mesurer,grâce à une tige rigide ancrée dans le terrain en un pointdonné, la variation de distance entre ce point et le débouché duforage. Un même forage peut comporter 1 à 4 tiges ancréeschacune à une profondeur différente ; les tiges, à l’origine eninvar, sont plutôt maintenant en fibre de verre. Cet appareilsert à étudier l’amplitude et l’extension des mouvements dumassif autour d’un tunnel. On distingue :

• les extensomètres de surface, le plus souvent verticaux ; cesont les seuls à pouvoir être installés avant le passage du front,et à pouvoir mesurer la convergence totale du massif àquelques décimètres de l’extrados du futur tunnel ;

• les extensomètres de profondeur, mis en place depuis letunnel dans des forages radiaux (souvent 3 dans une mêmesection droite du tunnel, orientés par exemple à 30°, 90° et150° par rapport à l’horizontale) ; ils mesurent la différencede convergence entre la paroi et les points d’ancrage des tiges,éloignés de 2 à 10 m, voire 20 m lorsqu’on veut un pointd’ancrage certainement fixe.

Précision

La mesure se fait au comparateur entre l’extrémité de chaquetige et une platine solidaire du terrain au débouché du forage.La précision est celle du comparateur, soit 0,02 mm.

Difficultés ou limites d’utilisation

L’étendue de mesure n’est pas limitée (on peut toujoursrallonger le comparateur). La profondeur du forage ne cons-titue pas non plus une limite, mais dans la pratique on nedépasse guère 50 m en forage vertical. Pour des extensomètresdébouchant en calotte, le relevé manuel nécessite une nacelle.La télémesure n’est par définition pas possible, ou alors il fautéquiper l’extrémité des tiges de capteurs (cf. fiche C2).

Mise en œuvre et robustesse

Le scellement de plusieurs tiges à des profondeurs différentesest une opération délicate, surtout dans des forages remontants ;de plus, la technique de scellement doit être bien adaptée auterrain, à la présence d’eau dans les forages descendants, etc.Mais ce sont des appareils très robustes, sous réserve que le scel-lement des tiges ait été bien fait, et que la tête du forage soitbien protégée contre les chocs (surtout pour les extensomètresdébouchant en surface).

Coûts et délais

Forage : 800 e pour 10 ml Matériel : 400 e par tige de 10 mlScellement d’une tige : 1 h en forage descendant, 2 h en forage

Fiche C1 - Extensomètre manuel à tiges

Tête extensomètremanuel à tiges

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33TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et obectifs

Identiques à ceux de l’extensomètre manuel (cf. fiche B1), saufpour la mesure en tête de forage : le comparateur est remplacépar des capteurs de déplacement (un par tige), ce qui rend l’ap-pareil facilement automatisable. Cependant, si la distance entrela tête de forage et la centrale d’acquisition est trop grande, ilfaut interposer un système de conditionnement du signal.

Précision

Celle des capteurs, soit 0,01 mm.

Difficultés ou limites d’utilisation

Le problème principal est que la course des capteurs de dépla-cement doit être adaptée à l’amplitude des mouvements diffé-rentiels, que justement on ne sait pas bien prévoir dans lessections de mesure justifiant un tel appareillage ; en cas dedépassement de l’amplitude prévue, il faut alors intervenirpour rallonger la tige.

Mise en œuvre et robustesse

La principale difficulté reste le scellement de l’ancrage destiges, comme pour l’extensomètre manuel. Le montage descapteurs sur la tête des tiges est assez simple. Par ailleurs, lesrenseignements tirés seront d’autant plus intéressants que l’ap-pareillage sera mis en place tôt (au plus près du front). Ce sontdes appareils assez robustes. Seuls les capteurs craignent lafoudre, mais ils peuvent facilement être remplacés en tête deforage s’ils sont endommagés ; il est cependant nécessaire deréétalonner le dispositif pour assurer la continuité des résultats.

Coûts et délais

Pour un extensomètre triple avec tiges ancrées à 1 m, 3 m et10 m de la paroi, il faut compter, outre le forage lui-même,800 e pour les tiges et 1000 e pour les capteurs, non compris lacentrale d’acquisition toujours commune à plusieurs extenso-mètres (à partir de 3000 e).

L’installation d’une section de mesures avec 3 extensomètrestriples remontants, y compris le câblage, est un travail délicatqui demande 2 interventions d’une demi-journée (séparées parle temps nécessaire au durcissement du coulis) pour un techni-cien confirmé et un aide, forages non compris.

Fiche C2 - Extensomètre à tiges avec capteurs

Mise en place d’un extensomètre à tiges dans un forage en paroi

Tête d’extensomètre à capteurs électriques

Définition et objectifs

Les objectifs et la disposition générale sont identiques à ceuxdes extensomètres à tiges. Mais ici il n’y a qu’une seule tige,ancrée soit en tête soit en fond de forage ; cette tige coulissedans des bagues qui sont fixées sur des tubes plastiques télesco-piques, eux-mêmes solidaires du massif ; il peut y avoir jusqu’à12 bagues, au droit desquelles se trouvent autant de capteursde déplacement fixés sur la tige. On utilise des capteurs àinduction électromagnétique (qui délivrent une fréquence),dans des forages Ø 80 à 100 mm pouvant atteindre 100 m delongueur et d’orientation quelconque.

Précision

Le mouvement relatif de chaque bague le long de chaquecapteur peut atteindre 120 mm, tout en gardant pour chaquemesure une précision de 0,1 mm ; cette précision, jointe augrand nombre de points de mesure, constitue l’avantagemajeur de cet appareil ; des exemples montrent qu’elle peutêtre maintenue au-delà de 20 ans.

Limites d’utilisation

La convergence du massif ne doit pas dépasser la course descapteurs, en particulier pour les points les plus proches de laparoi.

Fiche C3 - Extensomètre à capteurs inductifs

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34 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Robustesse

Ce matériel présente une relative fragilité liée à celle descapteurs, qui intègrent des composants électroniques. Ceux-ciprésentent une certaine mortalité, liée à, la conductivité desterrains : la chaîne de mesure est protégée contre la foudre,mais le courant peut être transmis par le sol ; on doit alorsdémonter la tige et remonter les capteurs pour les réparer. Onpeut pallier ces faiblesses en ramenant des éléments électro-niques en tête de forage, afin de pouvoir les changer facilementsans altérer les caractéristiques des circuits. Il faut aussi faireattention aux problèmes d’étanchéité lors de la mis en place.

Difficultés de mise en œuvre

La principale difficulté est ici la mise en place, avec deux pointsdécisifs : le bon ancrage des tubes plastiques solidaires du

terrain, avec injections de scellement, et le positionnementcorrect des capteurs au droit des anneaux compte tenu du sensprévisible des mouvements du terrain.

Coûts et délais

Forage : 1000 e pour 15 ml ;

Matériel (hors centrale d’acquisition) : environ 6000 e pour unappareil à 6 points.

Installation : 2 jours (hors forage).

Possibilité de télémesure

Immédiate, des câbles transmettant facilement à grandedistance la fréquence de résonance de chaque circuit oscillant.

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectifs

Un forage est équipé d’une chaîne de capteurs fixes, monodi-rectionnels (en forages verticaux ou horizontaux) ou bidirec-tionnels (en forages verticaux seulement). Chaque capteurmesure une variation angulaire ; la technologie du capteur estle plus souvent basée sur l’électronivelle (cf. fiche B5), mais ilexiste aussi des chaînes inclinométriques en place utilisant descapteurs à corde vibrante, magnéto-résistifs ou capacitifs. Lescapteurs sont des éléments de 1, 2 ou 3 m ; placés bout à bout,ils forment une chaîne pouvant atteindre une centaine demètres ; celle-ci est placée à demeure dans un forage équipéd’un tube rainuré de même nature que celui des sondes incli-nométriques (cf. fiche B6). La déformation globale du forageest calculée par intégration des mouvements angulaires relevéspar chaque capteur tout au long du forage.

Précision

Les constructeurs annoncent une fidélité (répétabilité) de± 0,01 mm/m. Dans la pratique, il faut se méfier de la dérivede ces capteurs et de leur sensibilité aux conditions d’environ-nement (vibrations, variations de température…). Il est plusraisonnable d’annoncer une fidélité de ± 0,1 mm/m, qui tientcompte de toutes les incertitudes et des conditions de chantier.Ainsi, en supposant que le pied d’un forage vertical de 30 m eststable, la position de sa tête sera donnée à ± 3 mm. Il estd’ailleurs recommandé d’installer un forage tubé jumeau pourfaire des mesures de contrôle régulières à l’aide d’une sondeinclinométrique à servo-accéléromètre (cf. fiche C6). L’étenduede mesure du capteur est de ± 10°.

Coût

Il faut compter 10 000 e pour une chaîne inclinométrique enplace de 30 m constituée de 10 capteurs, hors forage, tubage etinstallation. Mais une fois la chaîne installée, le coût de lamesure est indépendant du pas de temps.

Conclusion

- Points forts : cette chaîne fournit une mesure automatiquedes déformations horizontales d’un forage vertical, ou desdéformations verticales d’un forage horizontal ; elle est facile-ment transformable en un outil de mesure temps réel.

- Points faibles : coût élevé à l’installation, et problèmes de fidé-lité des capteurs.

Variante : chaîne inclinométrique à capteurs inductifs

Une variante moins courante est d’est équiper le forage d’unechaîne de capteurs inductifs, mono- ou bidirectionnels. Leprincipe de ces capteurs est de détecter les déplacements d’unpendule cible entre deux bobines de détection. Contrairementaux inclinomètres habituels, cette chaîne ne nécessite pas detubes rainurés. Le capteur inductif a une résolution angulairede l’ordre de 1 à 5.10–5 radian, et donc une précision de l’ordrede 1 à 5.10–4 radian, suivant l’étendue de mesure de l’appareil.On a pu équiper ainsi un forage de 600 m de profondeur avec42 points de mesure. Les mesures sont bien sûr facilementautomatisables. La sortie en fréquence de ces capteurs faciliteson acquisition à grande distance et constitue l’un des avan-tages principaux de ce système (comme pour les cordesvibrantes).

Fiche C4 - Chaîne inclinométrique en place

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35TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectifs

L’objectif initial de cet appareil, d’origine suisse, était demesurer les déplacements axiaux dans un forage. Le principede base est de découper le forage en tronçons calibrés élémen-taires de 1 m, dont on vient mesurer périodiquement les varia-tions de longueur. Du fait de cette conception modulaire, l’ap-pareil peut être aussi bien rallongé que raccourci après soninstallation initiale, au gré des évolutions de l’ouvrage, sans quesoit altérée la référence initiale des mesures. Un modèlecourant est le " sliding micrometer ", qui comprend leséléments suivants :

• un tubage PVC souple constitué de tronçons indépendants de1 m de long, scellés au massif dont ils suivent les déformations ;

• des bagues en laiton usiné, qui séparent chaque tronçon dutubage ;

• une sonde mobile, qui vient mesurer avec une grande préci-sion, tronçon par tronçon, la distance entre bagues contigües,

• un train de tige servant à positionner la sonde (avec un treuilau-delà de 30 m).

Utilisation au front de taille

C’est la modularité de cette méthode qui la rend particulière-ment bien adaptée à la mesure des déformations à l’avant dufront de taille. L’appareil, installé au front dans un forage hori-zontal, est parfois nommé " extrusomètre ", car il mesure ladéformation longitudinale (ou extrusion) du noyau d’avance-ment. Tant que l’autre extrémité de l’appareil n’est pas influencéepar l’avancement, la somme des allongements des tronçonsélémentaires est une mesure de l’extrusion totale du front. Achaque passe d’avancement, un ou plusieurs tronçons sontdétruits, mais le système reste opérationnel.

Précision

Dans la sonde, la variation d’écartement entre bagues conti-guës est mesurée par un capteur inductif de déplacement detype LVDT, qui donne une excellente précision, en principe3 microns pour une base de 1 m ; la course du capteur est de± 5 mm. Il existe des sondes moins sophistiquées, donc moinscoûteuses, qui donnent une précision de 0,03 mm/m(" Sliding Deformeter ").

Mise en œuvre

En position verticale, la longueur totale du tubage équipé peutatteindre 100 m. En configuration d’extrusomètre, on équipe unforage horizontal dont la longueur est de 2 à 3 fois le diamètre del’excavation, en tous cas supérieure à celle des boulons longitudi-naux ; ceci nécessite une stabilité minimale du forage nu. Si onveut mesurer l’extrusion du front tout au long de l’avancementdu tunnel, un nouveau forage doit être équipé dès que desmouvements sont décelés dans le tronçon le plus éloigné dufront. De bonnes mesures nécessitent un excellent contact méca-nique entre les bagues et la sonde, sans poussière ni dépôt.

Robustesse

Le dispositif est très robuste et moins perturbé par les grandesdéformations que les inclinomètres à tubes rainurés. Il faut

bien sûr veiller à l’équilibre thermique entre le terrain et lasonde, et étalonner périodiquement la sonde sur un bâti eninvar. Pour une utilisation comme extrusomètre, il faut veillerlors de l’excavation du front à bien obturer la partie du foragequi ne sera pas détruite ; en cas d’excavation à l’explosif, il fautpositionner les trous du bouchon à plusieurs mètres de l’appa-reil pour limiter l’endommagement.

Coûts et délais

Coût du tubage et des bagues pour un Sliding Micrometer :70 e/ml (hors coût du forage) ; coût de la sonde, des tiges deguidage et du poste de mesure : 25 000 e ; pour un appareillage detype Sliding Deformeter, moins précis, le prix est divisé par deux.

Durée de mise en place d’un extensomètre : 6 h avec 2 opéra-teurs pour 20 ml, y compris mesure à blanc. Durée des mesurespour forage de 20 ml : 2 h avec un seul opérateur.

NB. Un nouveau développement du " Sliding micrometer " a étéréalisé en équipant la même sonde de deux capteurs d’inclinaison(servo-accéléromètres, cf. fiche B6), disposés dans des directionsperpendiculaires. Appliqué à un forage vertical, le dispositif ainsiobtenu devient à la fois un tassomètre et un inclinomètre ; ceciest particulièrement intéressant pour suivre depuis la surface lesmouvements du terrain au voisinage de l’extrados d’un tunnel,notamment avant le passage du front. La précision obtenue surles déplacements transversaux est de ± 0,1 mm.

Fiche C5 - Extensomètre démontable

Mise en place d’un extensomètre au fond d’un puits

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36 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectifs

C’est l’inclinomètre de forage le plus largement utilisé. Lasonde inclinométrique construite autour d'un servo-accéléro-mètre est inséparable des tubes rainurés, qui sont scellés auterrain dans des forages verticaux ; elle permet de mesurer lesdéplacements horizontaux de ces tubes, par intégration desvariations angulaires relevées tout au long des tubes.

La mesure inclinométrique consiste à mesurer à partir d'unedate donnée l'angle de la sonde avec la verticale tous les 0,50 m,en commençant par le fond du forage. Par intégration à partirdu fond du forage et par différence avec la mesure initiale toutau long du forage, on obtient les déplacements dans deuxdirections perpendiculaires.

Les tubes inclinométriques sont livrés par longueurs de 3 m, etréunis entre eux par des manchons dits télescopiques. En fait,l'adaptation aux mouvements du terrain des tubes résulte dufaible module de déformation des tubes et du coulis de scelle-ment. Les tubes sont en plastique ou en métal, sachant que l’on

doit faire attention à l'agressivité chimique du terrain. Les tubessont rainurés dans deux directions perpendiculaires (les tubes enaluminium ont une meilleure qualité de rainurage et une plusgrande déformabilité). La mise en place des tubes, avec lesrainures convenablement orientées, est délicate ; en particulier,leur rotation tout au long du tube doit être évitée ; si on ne peutl'éviter, elle est mesurable avec un appareil spécial.

Conditions de mise en œuvre

Cette mesure a fait l'objet de la norme NF P 94 156, quiprécise que l'on doit faire une double mesure en retournant lasonde. En complément à cette norme, on attirera l'attentionsur les causes d'erreur qui peuvent être introduites par l'usureet l'instabilité, non de la partie centrale du capteur, mais deséléments annexes comme les roulettes, les axes de ces dernières,les ressorts d'application des roulettes, et le câble qui sert àrepérer la profondeur des mesures successives. La profondeurmaximale des forages équipés atteint 100 à 120 m.

Précision

Selon la norme NF, l’intervalle de répétabilité des mesures (à 2écarts-types) est meilleur que ± 4.10-4 radian ; en fait, pour unforage de 80 m, l’incertitude sur le déplacement est inférieure à2 mm. Les premiers mouvements mesurés sont souvent dus à la" mise en place " du tube dans son forage. La mesure n'est pasautomatisable, mais le processus peut être facilité par des logi-ciels de saisie et de traitement adaptés, qui évitent toute écrituremanuelle et dessinent directement la déformée du forage.

Coût et délais

Le coût d'un tube inclinométrique est de l'ordre de 25 e/m,pièces annexes comprises. Sa mise en place demande 1 jourpour une longueur de l'ordre de 30 ml. Une sonde inclinomé-trique bidirectionnelle coûte environ 6 000 e, plus le touret etle poste de lecture (5 000 à 7 000 e). La mesure d’un forage de30 ml avec retournement (double mesure) prend environ1/2 heure.

Fiche C6 - Sonde inclinométrique à servo-accéléromètre

Sonde inclinométrique à servo-accéléromètre

Principe

Le but de cet appareil mis au point par le LCPC est de mesurerles déplacements verticaux tout au long d’un forage vertical.Un tube équipé de bagues magnétiques est placé dans unforage, et l’ensemble est scellé au terrain. Les déplacementsverticaux du terrain qui provoquent le déplacement des baguessont mesurés par une sonde que l’on glisse dans le tube, et quirepère la position précise des bagues par rapport à la surface.

Précision et limites d’utilisation

Elle dépend de la qualité du scellement et de la précision de lagraduation du câble de la sonde : ± 5 mm au mieux pour uneprofondeur de 30 m. Il n’y a pas a priori de limite de profon-deur, mais bien sûr plus la profondeur est grande, plus la préci-sion est faible, comme pour toute diagraphie.

Mise en œuvre et robustesse

La mise en œuvre ne pose pas de difficulté. La procédure demesure doit être bien établie ; il est fréquent qu’une baguedonne une ou plusieurs positions fantômes qu’il faut recon-naître. Mais c’est un appareil de mesure robuste.

Coûts et délais

• Matériel de mesure : 850 e. Bagues : 50 e/unité. Tube : 50 e pour 3 m.

• Durée d’installation : quelques heures, hors durcissement ducoulis.

• Relevé : 1 h pour un tassomètre de 30 m de profondeur.

TélémesureAppareil très difficilement automatisable.

Fiche C7 - Tassomètre magnétique

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37TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

La mesure des mouvements que subissent les parois d’unouvrage souterrain est plus délicate en profondeur qu’à l’airlibre car on manque en général de repères stables, c’est-à-direnon influencés par les travaux ; mais pour des ouvrages enconstruction, on se contente très souvent de mesures relatives,en particulier à grande profondeur. Trois types de méthodessont utilisées :

• les mesures topographiques sur repères fixés à la paroi, quisont devenues de plus en plus courantes depuis que lestachéomètres peuvent mesurer à la fois les distances et lesangles (cf. fiche D1) ; elles sont très bien adaptées aux travauxneufs, où l’on s’intéresse surtout à des déformations centimé-triques voire décimétriques ;

• les mesures classiques de convergence au fil invar (cf. ficheD2), qui sont plus précises que les mesures optiques, maismalcommodes à exécuter dans des ouvrages en constructionou sous circulation ; elles restent cependant très utilisées pourcertains ouvrages en exploitation (où l’on s’intéresse plutôt àdes variations millimétriques), ainsi que pour des galeriesexpérimentales ou de petites dimensions ;

• la mesure de l’évolution de fissures ou de joints structurels,réalisée soit avec des capteurs fixes reliés à une centrale d’ac-quisition (cf. fiches D3 et D4), soit avec un fissuromètreportable que l’on déplace de base en base (cf. fiche D5).

ANNEXE D

MESURE DES DÉPLACEMENTS À LA PAROI

Définition

Pendant longtemps, l’auscultation en souterrain par méthodestopographiques en souterrain ne permettait que des mesures denivellement, au demeurant très précises même avec un simpleniveau à bulle. Dans les années 1990, les mesures optiques deconvergence se sont imposées grâce aux progrès des appareils topo-graphiques de haute précision (tachéomètres électroniques outhéodolites), avec lesquels on vise des cibles réfléchissantes scelléesà la paroi de l'ouvrage. La mesure des distances et des anglespermet alors de calculer la position en XYZ de tous les points viséspar rapport à un point de référence supposé fixe, ainsi que lavaleur des convergences et tassements (absolus ou différentiels).

Avantages directs pour le processus de mesure

- Cette méthode ne nécessite qu'un seul opérateur en galerie(sauf pour le scellement des cibles qui nécessite une nacelle) ; letravail de mesure proprement dit est généralement rapide, etles mesures faciles.

- Les opérations de saisie sont supprimées grâce à l'enregistre-ment direct des mesures, et le contenu de la mémoire inclusedans l'appareil de visée est transféré sur ordinateur ; l'interven-tion humaine est donc limitée et les calculs automatisés, ce quirend le processus très fiable.

- La méthode est applicable aussi bien aux grandes voûtesqu'aux petites galeries.

Avantages indirects pour le chantier

- Les arrêts de chantier et autres gênes occasionnées par laméthode du fil invar (cf. fiches D2 et D3) sont supprimés.- Les cibles sont utilisables par divers services (topographe duchantier, contrôle extérieur…).

Avantages en terme de sécurité

- Suppression des risques de blessure liés au fil invar tenduentre piédroits, peu visible.- Plus d’échelle ni de nacelle pour accéder à chaque mesure auxrepères en hauteur.- Amélioration des conditions de travail (moindre fatiguephysique, pas de contraintes d'horaires, moins de tempsd'attente et de temps passé en galerie).

Précision de la méthode

Elle dépend essentiellement du matériel utilisé, de l'atmosphèredu chantier (chaleur, poussière…), de l'opérateur et de l'éloi-gnement du point de mesure. En effet, toutes les mesuresoptiques sont influencées par l'indice de réfraction de l'air, quiest variable selon la température, l'hygrométrie et la pression.L’incertitude de mesure est de ± 0,5 mm, et de ± 0,3 mm quandles conditions sont très favorables. La distance de mesurecompatible avec cette précision va de 5 m à 30 m ; au-delà, lesmesures sont toujours possibles mais la précision baisse.

Facilité de mise en œuvre et robustesse

Les mesures sont faciles sous réserve que l’atmosphère de lagalerie soit suffisamment propre et que les cibles soient bienéclairées ; elles nécessitent l’absence de vibrations. De son côté,le tachéomètre est un appareil robuste, qui nécessite cependantune révision annuelle.

Coût

• Tachéomètre : environ 25 000 e

• Cibles bi-réflex : 30 à 60 e selon le type de cible et la quantitécommandée.

Fiche D1 - Convergence optique

Repères réfléchissantspour mesure

optique deconvergence

(4 sections demesure visibles

en calotte)

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38 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectifs

On mesure à différentes dates la longueur de cordes (au sensgéométrique) joignant des plots scellés dans le parement d’unesection de tunnel. L’appareillage comprend, outre les plots etl’appareil de mesure, un jeu de fils calibrés en acier invar, dedifférentes longueurs, permettant de mesurer toutes lesdistances souhaitées en les mettant bout à bout (principe dujeu de poids). Ces fils sont tendus entre deux plots par l’inter-médiaire d’un appareil mesurant sous tension constante ladistance résiduelle. Un " profil de convergence " comprendtypiquement 3 (ou 5) plots, dont un en calotte, ce qui permetde mesurer jusqu’à 10 cordes horizontales ou obliques.

Précision et limites d’utilisation

L’incertitude de mesure est de ± 0,2 mm pour des bases déca-métriques, et de ± 0,1 mm pour de petites galeries ou puits(Ø < 5 m) ; elle donc meilleure que celle des mesures optiques,et indépendante de l’atmosphère du tunnel. Cependant, laprécision diminue au-delà de 20 m. Bien entendu, il ne fautpas d’obstacle fixe en travers de la galerie, et il faut pouvoirarrêter facilement la circulation des engins.

Mise en œuvre et robustesse

La mise en œuvre est délicate dans l’embarras des travaux, avecdes risques pour le personnel et le matériel du fait des circula-tions ; ainsi, dans les tunnels en exploitation, chaque mesurerequiert un arrêt du trafic ; de plus, une nacelle est nécessairelorsque la section comprend des repères en voûte. Mais c’est unappareillage robuste, où les chutes sont cependant à éviter. Unétalonnage du matériel est nécessaire pour le suivi à long terme ;il peut être fait sur un banc interférométrique, ou à défautremplacé par l’utilisation d’une deuxième série de fils calibréset de bases de référence.

Différents types de matériel

Il existe des modèles mécaniques et des modèles électriques :

• dans les modèles mécaniques (type LRPC), la tension cons-tante du fil est obtenue à l’aide d’une molette manuelle, et lalecture de la distance résiduelle est effectuée sur un vernier :on mesure donc la distance absolue entre deux plots, mesurequi peut être répétée périodiquement sous réserve d’un bonétalonnage des fils. Par ailleurs, ces appareils permettent lesmesures subaquatiques ;

• dans les modèles électriques, la mise en tension du systèmeest effectuée par un moteur électrique ; un dynamomètre très

précis arrête la mesure lorsqu’une tension préréglée par lefabricant est atteinte ; un compteur associé au moteur affichealors la distance résiduelle.

Il existe également un autre dispositif à moteur électrique, maisqui n’utilise pas de fils calibrés et ne peut donc mesurer que desvariations de longueur entre tournées successives. Dans cecas, lors de la première mesure, la longueur d’un fil invarunique est ajustée à celle de la corde à mesurer (la course del’appareil étant de 60 mm), ce fil devant être conservé pour lamesure suivante. Il y a donc autant de fils de mesure que decordes à mesurer (cependant, on utilise souvent le même filpour plusieurs cordes de longueur différente, en sertissant surle fil une olive d’acier à une distance correspondant à lalongueur de chaque corde). Si un fil est déformé ou cassé lorsd’une manipulation, il doit être remplacé, ce qui interrompt lacontinuité du suivi des convergences.

Coûts

• Coût du matériel de mesure : 10 000 e pour le distancemètre mécanique, 15 000 e pour le distancemètre électrique ; plots : 35 e/U ; fil invar : 15 e le ml.

• Fourniture et pose pour une section de 5 plots : 500 e.

• Prestation de mesure pour un profil à 5 repères : 1 h, avec 2opérateurs plus le chauffeur de la nacelle.

Télémesure

Rarement automatisable. Cependant des dispositifs perma-nents de mesure au fil invar, reliés à une centrale de mesure,sont utilisés pour la surveillance de certains ouvrages souter-rains non circulés.

NB. Une variante du distancemètre mécanique est le distance-mètre à ruban invar. Cet appareil, qui était déjà moins utiliséque le système à fil invar avant l’apparition des méthodesoptiques, ne s’en distingue que par les caractères suivants :• mesure de longueur absolue par lecture d’un ruban gradué, • appareil plus lourd et encombrant, difficile à manipuler pour

des plots d’accès difficile, • précision moins bonne au-delà de 10 m, car le ruban,

sensible aux courants d’air et à son poids, prend une formede chaînette,

• matériel de mesure moins coûteux (2500 e).

Fiche D2 - Distancemètre à fil invar

Distancemètreabsolu

à fil invar

Mesure deconvergence au fil invar

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39TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectifL’extensomètre à corde vibrante est un appareil à base décimé-trique qui mesure la déformation du support dont il est soli-daire ; on peut aussi en déduire la variation de l’état decontrainte de ce support, si l’on connaît son module. C’est unappareil très courant pour mesurer les efforts dans un cintre (surlequel l’extensomètre est soudé), ou au sein d’une voûte en bétoncoffré (on positionne alors à l’intérieur de la voûte, avant béton-nage, des paires d’extensomètres : l’un à l’extrados, l’autre à l’in-trados, voire un 3ème près de la fibre neutre). La déformation del’extensomètre est mesurée par l’intermédiaire de la variation defréquence de résonance d’une corde vibrante (cf. fiche A3).

PrécisionC’est un appareil de très grande précision et répétabilité. Leprincipe de la mesure, celle d’une fréquence, permet d’at-teindre aisément une résolution de 0,1 micromètre par mètre,d’où une incertitude habituelle de mesure de ± 3. 10-6.

RobustesseC’est un capteur extrêmement robuste, dont la durée de vie estde plusieurs dizaines d’années ; dans ce cas, on peut traiter lesrésultats annuels par des méthodes statistiques qui permettentde bien séparer les différents facteurs gouvernant la déforma-

tion du capteur : température, fluage du béton, évolution dessollicitations. Cette possibilité est utilisée en particulier pourausculter à long terme le revêtement de tunnels dans desterrains à comportement différé (marnes, argiles, gypse…). Lastabilité de la mesure est certainement la meilleure de l’en-semble des capteurs du génie civil.

Limites d’utilisationLa partie sensible du capteur, la corde en acier, compense leseffets de la température du support en acier et dans unemoindre mesure celle du béton. Mais un étalonnage est néces-saire car le coefficient de correction en température du capteurn’est pas parfaitement connu. L’étendue de mesure est limitéeen partie haute par le fluage (voire la rupture) de la corde, et enpartie basse par sa mauvaise réponse à basse fréquence.

Coût• Capteur : 120 à 200 e ; poste de lecture mobile : 3000 e ;

centrale de mesure fixe : à partir de 4 000 e.• Temps d’installation : 5 capteurs par heure ; durée d’un relevé :5 minutes par point.

TélémesureMesures automatisables.

Fiche D3 - Extensomètre à corde vibrante

Principe et objectifOn mesure les variations d’ouverture d’une fissure par l’inter-médiaire de la variation de longueur d’une corde vibrante,dont on mesure la fréquence de résonance (cf. fiche A3).Comme tous les appareils à corde vibrante, c’est un dispositifd’une très grande précision : l’incertitude de mesure est dequelques centièmes de mm.

Limite d’utilisation et robustesseUne fois fixé de part et d’autre de la fissure, l’appareil a unecourse limitée à quelques dixièmes de mm seulement. Mais samise en œuvre est aisée et rapide. De plus, c’est un appareilrobuste et très fiable ; mais il faut garder à l’esprit qu’une dérive

dans le temps est possible, d’où la nécessité d’un contrôlepériodique avec un fissuromètre mécanique.

Coût• Fourniture de l’appareil : 170 e.

Poste de lecture : 1700 e.• Temps de mesure: quelques minutes.

TélémesureFacilement automatisable, ce qui est intéressant car il y asouvent beaucoup de points de mesure à suivre, difficilesd’accès. Le coût d’une centrale de mesures avec une trentainede voies est de 7000 e environ.

Fiche D4 - Fissuromètre à corde vibrante

Principe et objectif

Fixé à demeure de part et d’autre des lèvres d’une fissure, cetappareil comprend principalement un ou des capteurs élec-triques de déplacement (inductifs ou résistifs), qui permettentde mesurer les déplacements relatifs des lèvres de la fissure avecune précision de l’ordre de quelques centièmes de mm. Maispar rapport au fissuromètre à corde vibrante, cet appareil a unecourse beaucoup plus grande (du millimètre au centimètre) ;les modèles tridimensionnels permettent surtout de mesurerles 3 composantes du déplacement relatif d’une fissure (ouver-ture, rejet et désaffleurement).

Mise en œuvre et robustesseLa mise en œuvre d’un fissuromètre est aisée et la lecturerapide. C’est un matériel robuste et très fiable ; il doit cepen-dant être protégé des salissures et de l’humidité.

Coût• Fourniture d’un appareil unidirectionnel : de 170 à 250 e ;

pour un appareil tridirectionnel, il faut compter de 600 à900 e.

• Temps de lecture : quelques minutes.

TélémesureFacilement automatisable. Le coût d’une centrale de mesureavec une trentaine de voies est de 7000 e environ.

Fiche D5 - Fissuromètre à capteur électrique

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40 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectif

Le principe de cette méthode consiste à matérialiser sur laparoi, de part et d’autre d’une fissure, une base de mesure fixe,et de venir périodiquement la relever avec un appareil portablequi permet de mesurer des longueurs. Les appareils les pluscourants sont les suivants :

• les fissuromètres unidirectionnels : leur base de mesurecomprend deux plots scellés dans la paroi, distants d’environ100 mm, et munis d’une tête usinée (sphérique ou conique).L’appareil vient se caler sur ces têtes et la distance qui lessépare est mesurée par un comparateur mécanique. Une basede référence indéformable permet de régler le comparateuravant chaque mesure. L’incertitude de mesure est excellente :± 0,2 mm ;

• les fissuromètres tridirectionnels : la base de mesure peut êtreconstituée soit de deux éléments métalliques coudés scellés depart et d’autre de la fissure (type Vinchon), soit comporterune pige centrale (type CETE) ; la disposition de cette baseest telle qu’elle permet de mesurer les 3 composantes dudéplacement relatif des épontes ; la course permise est de 10 à

40 mm. Les mesures se font avec un palmer ou un pied àcoulisse ; la précision est de l’ordre du dixième de mm.

Mise en œuvre et robustesse

La mise en œuvre est rapide, mais nécessite une nacelle pour lespoints difficiles d’accès. La seule limitation est la course desappareils qui, une fois la base scellée, ne dépasse pas quelquescentimètres ; mais en cas de déformations importantes, l’ins-tallation de nouvelles bases est peu coûteuse. Ce sont desdispositifs simples et robustes, ils doivent cependant êtreprotégés des risques de détérioration accidentelle et des salis-sures par un capot. Pour le long terme, il faut utiliser des dispo-sitifs en alliage inoxydable.

Coût et délais

• Fourniture d’un appareil tridirectionnel en inox : 600 e.

• Temps d’installation d’une base type Vinchon : 1/2 heure ;temps de mesure : quelques minutes.

Télémesure

Non automatisable par définition.

Fiche D6 - Fissuromètre mécanique

Cette annexe regroupe trois types de mesures très différentes :

(a) La mesure des efforts au sein ou à l’extrémité d’élémentsde soutènement (cintres ou butons le plus souvent) ; cesmesures peuvent être bien maîtrisées sur les chantiers etdonnent des résultats dont l’incertitude est connue ; elles fontl’objet des fiches E1 à E3, auxquelles il y aurait lieu de rajouterla fiche D4 (extensomètre à corde vibrante), déjà citée pour lamesure des déplacements mais très souvent utilisée pourmesurer les efforts dans les cintres et les butons ;

(b) La mesure des contraintes dans le massif ou le soutène-ment, objet des fiches E4 à E7 ; contrairement aux premières,ces mesures sont toujours difficiles et approximatives, pour aumoins trois raisons :

• l’introduction d’un appareil de mesure dans le milieu à testermodifie forcément l’état de contraintes là où on veut lemesurer (sauf dans le cas des extensomètres mis en place dansune voûte avant de couler le béton) ;

• on ne peut extrapoler valablement l’état de contraintesmesuré dans un volume donné que dans le cas exceptionneld’un massif non fracturé ; dans les massifs fracturés, onignore souvent la représentativité des mesures effectuées, quidonnent une information essentiellement ponctuelle dontl’incertitude propre est par ailleurs très élevée ;

• les mesures ponctuelles de contrainte en milieu rocheux(surcarottage et borehole slotter) nécessitent de faire des hypo-thèses supplémentaires quant aux paramètres élastiques dumilieu étudié ; ces méthodes sont citées ici par souci d’homo-généité, bien qu’elles soient surtout utilisées dans le cadre dereconnaissances préalables plutôt que pour l’auscultation.

Par contre, les mesures de contraintes par fracturation hydrau-lique n’ont pas été décrites car elles relèvent plus de la recon-naissance géotechnique par forages profonds.

c) La mesure des vibrations engendrées par certainesméthodes d’excavation comme le tir à l’explosif, le brise-roche,etc. (fiche E8).

ANNEXE E

MESURE DES PARAMÈTRES MÉCANIQUES

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41TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectifs

C’est un capteur qui mesure une force. Il est utilisé le plussouvent pour suivre la tension d’un tirant ou d’un boulon(donc la pression qu’il exerce sur sa plaque d’appui), ou encorela compression exercée par un pied de cintre. Le principe demesure est le plus souvent la mesure directe de la pressionengendrée par cette force, au moyen de capteurs variés : à cordevibrante, à contre pression, à jauge électrique ou encore àmanomètre électrique.

PrécisionL’incertitude habituelle de mesure est de ± 5 % de l’étendue demesure.

Limite d’utilisationLes gammes de mesure sont très variables selon les capteurs,mais la mesure des forces faibles est délicate. Les capteurs sontsouvent sensibles à l’excentrement de la force appliquée et à latempérature.

Mise en œuvre et robustesseLa force appliquée doit être centrée et répartie convenablementsur le capteur. Mais ce sont des appareils robustes – à l’excep-tion des modèles à jauges, réservés au laboratoire.

Coût• Capteur : 800 à 1800 e suivant la gamme ;

poste de mesure : 2800 e.• Temps d’installation : 5 capteurs par heure.• Mesure : 5 minutes par capteur.

TélémesureCapteurs automatisables (sauf pour les modèles à contrepression).

Fiche E1 - Dynamomètre

Cale dynamométrique en pied de cintre, avec capteur de pression

PrincipeUne jauge de contrainte est composée d’un fil ou d’une tramemétallique conductrice insérée dans un élément plastique. Lajauge est collée directement sur la pièce à tester ou sur unsupport métallique intermédiaire. La déformation du supportentraîne celle du fil métallique, donc une variation de sa résis-tance électrique, variation qui est mesurée par un dispositifélectrique du type pont de Wheastone. Ces jauges, ou desmodèles semblables mais à trame semi-conductrice, sont géné-ralement l’élément sensible des capteurs industriels. En géniecivil, elles servent à mesurer les efforts dans les cintres ou lesbutons, plus généralement sur des structures métalliques, rare-ment sur le béton et jamais dans le terrain.

La mesure est ponctuelle, sur la longueur de la jauge qui esthabituellement de 6 mm. Pour les milieux poreux ou microfis-surés, il faut utiliser des jauges de grande longueur (60 mm ouplus), plus difficiles à mettre en place. Pour les structures, ilfaut multiplier le nombre de jauges sur une section afin de faireune moyenne ; on en utilise aussi pour suivre l’évolution desefforts dans des boulons instrumentés, où l’on colle des jaugesà intervalles réguliers

PrécisionEn laboratoire, la résolution est meilleure que un micromètrepar mètre. Sur site, en l’absence de dérive, la précision à longterme atteint 10-5.

Limites d’utilisationLes variations de résistance mesurées sont très faibles, donc trèssensibles aux grandeurs parasites (humidité particulièrement).

Les jauges installées sur site présentent fréquemment desdérives non maîtrisables à long terme.

Les jauges, bien que compensées en température pour un typede support (acier ou béton, par exemple), ne le sont effective-ment que dans une plage limitée de température, indiquée parle constructeur ; au-delà, la compensation devient une sourced’erreur non négligeable. La mesure d’une jauge inactive dusite, ou des montages à plusieurs jauges (demi-pont ou pontcomplet), limitent l’effet de la température sur la mesure.

Mise en œuvre et robustesse

Le collage ou la soudure des jauges est un travail de spécialiste ;la protection des jauges et des câbles doit être sans faille. Lesdifficultés de tenue à long terme sur site limitent l’usage de cesjauges à des mesures de courte durée. La mesure elle-même surle site est délicate car la moindre variation de résistance (auniveau des contacts, par exemple) est vue comme une déforma-tion ! Globalement, la robustesse de jauges, même bien instal-lées et protégées sur site, peut être qualifiée de moyenne ; ellessont très sensibles à l’humidité.

Coût• Jauge : 2 à 25 e ;

poste de mesure manuel : 2 500 e.• Installation : 0,5 h par point instrumenté.• Mesure : 5 minutes par jauge.

Télémesure

Mesures automatisables grâce à des conditionneurs spécifiques.

Fiche E2 - Jauge de contrainte sur corps en acier

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42 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Définition et objectifs

Cet appareil, parfois nommée " coussin " ou " soufflet hydrau-lique ", est surtout utilisé pour mesurer des efforts perpendicu-laires à son plan, tels ceux transmis par un cintre ou un buton.Il comprend un soufflet déformable en acier, associé à uncapteur à corde vibrante qui mesure la pression du liquidecontenu dans le soufflet. Ce capteur est du type de ceux utiliséspour les mesures de pression d’eau (cf. fiche n° F2) ; il fautveiller à ce qu’il soit bien saturé lors du remplissage pour êtresûr que la pression mesurée reflète bien l’effort exercé sur lesoufflet. La raideur propre du coussin, bien que diminuée pardes gorges et autres dispositifs à sa périphérie, nécessite unétalonnage.

Difficultés ou limites d’utilisation

La qualité de la mesure est liée à celle de l’insertion de l’appareildans le milieu à ausculter, comme pour les cellules hydrau-liques à pression totale (cf. fiche n° E4) ; aussi n’est-il pasrecommandé de l’utiliser pour mesurer des contraintes à l’in-terface entre le soutènement et un terrain moins rigide.

PrécisionLa résolution est égale à 5.10–4 de la pleine échelle de mesure,d’où une très grande précision (5. 10–3).

Mise en œuvre et robustesseLe plus délicat est d’installer le soufflet contre la plaquedestinée à transmettre la force à mesurer, puis de s’assurer qu’ilest bien saturé avant la montée en pression. Mais une foisinstallé et étalonné, cet appareil est très robuste et durable,comme tous les appareils à corde vibrante.

Coûts et délais• Prix d’un soufflet : 1300 e ;

prix d’une centrale de mesure (qui peut être commune à ungrand nombre de capteurs) : 3500 e.

• Temps d’installation pour une paire de " coussins " hydrau-liques en pieds de cintre : 2 h (avec 2 opérateurs).

Possibilité de télémesureFacilement automatisable (contrairement aux cellules decontrainte à pression totale), avec tous les avantages descapteurs à sortie en fréquence.

Fiche E3 - Cellule hydraulique à corde vibrante

Définition, généralités

Ce capteur utilise le principe de mesure de la contrepression.Constitué d’une cellule plate remplie d’un liquide, il mesure lapression exercée par le terrain sur la cellule. Cette pression esttransmise au liquide puis, par son intermédiaire, à un élémentsensible à la pression.

Précision

Etendue de mesure : 0,3 à 3,5 MPa. L’incertitude est de l’ordrede ± 5 % de l’étendue de mesure.

Limite d’utilisation

Il y a une très forte interaction entre le terrain et la cellule demesure, puisque le seul fait d’installer le capteur modifie forcé-ment l’état de contrainte que l’on veut mesurer. Par suite, lavaleur de pression relevée par le capteur est habituellementassez éloignée de la valeur vraie qu’il est impossible, sauf excep-tion, de mesurer précisément par cette méthode.

Mise en œuvre et robustesse

La procédure de mise en place doit limiter au maximum lesinteractions terrain-capteur, par exemple en utilisant des maté-riaux de scellement de même rigidité que le terrain. Au demeu-rant, c’est un capteur très robuste. Mais la circulation du fluidequi sert à déterminer la pression dans les tubulures est quelque-fois perturbée par des bulles de gaz.

Coût

- Coût d’un capteur : 450 e plus les tubulures ; poste de lecture : 4000 e (pour une 1/2 douzaine de capteurs).

- Durée d’installation : 1 h par capteur, avec surfaçage. Mesure : 5 minutes par capteur.

Télémesure

Très difficilement automatisable.

Fiche E4 - Cellule hydraulique de pression totale

Cellule hydraulique de pression totale

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43TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectif

Cette méthode de mesure est basée sur le relâchement descontraintes dans une carotte lors de son détachement progressifdu massif, opération pendant laquelle on mesure simultané-ment la déformation de la carotte. Les opérations suivent laséquence suivante :• réalisation d’un forage de gros diamètre (Ø 100 à 150 mm)

jusqu’à la zone à tester ;• foration d’un trou pilote coaxial Ø 38 mm, de 400 mm de

longueur, où l’on place une cellule qui servira ensuite àmesurer les déformations de la roche ;

• reprise de la foration en gros diamètre autour du trou pilote,de façon à libérer complètement les contraintes dans lacarotte contenant la cellule ; pendant le " surcarottage ", lacellule enregistre les déformations de la carotte ;

• mesure au laboratoire des paramètres élastiques (E et ν) de lacarotte extraite.

Les déformations de la carotte sont mesurées le plus souventpar des rosettes de jauges de contraintes collées soit contre l’ex-trémité de la carotte (système " Doorstopper "), soit contre lesparois du trou-pilote (système CSIRO), avec de nombreusesvariantes. On peut alors remonter aux contraintes initiales sil’on connaît la loi de comportement de la roche ; mais pourrésoudre le tenseur complet, il faut le plus souvent 2 à 3 foragesd’orientation différente, avec si possible plusieurs essais parforages. A noter que la méthode CEJM (cellule extensomé-trique à jauges multiples) permet de déterminer le tenseur àpartir d’un seul forage (cf. Bull. de liaison des LPC, n° 172,1991).

Conditions d’utilisationCette méthode a été développée à l’origine – et ne donne derésultats incontestables – que pour des roches homogènes,isotropes et à comportement élastique et linéaire ; tout écartpar rapport à ces qualités entraîne des calculs très lourds et desdifficultés d’interprétation. La méthode est surtout adaptée auxbétons et aux roches homogènes et non fissurées. Dans tous lescas, les mesures sont complexes et très délicates (en particulierle collage à distance des jauges de contraintes, et la correctionde température, impérative) ; elles ne peuvent être réalisées etinterprétées que par des spécialistes.

Coûts et délais Pour une cellule type CSIRO HI, le coût d’amenée-repli d’unéquipement complet (hors machine de forage à mobiliser) peutêtre estimé à 5 000 e, et celui d’une mesure du tenseur completpar surcarottage à 4 000 e. Une équipe bien rodée de deuxpersonnes mobilisée pendant une semaine peut faire environ 5essais (non compris l’exécution préalable des trous de grosdiamètre jusqu’à la profondeur des essais).

Variante du " sous-carottage " Pour éviter certaines difficultés propres au surcarottage(discage des carottes, échauffement, présence d’un câble à l’in-térieur du carottier), on a imaginé de libérer les contraintesautour de la sonde positionnée dans le trou-pilote en réalisantun forage de gros diamètre non plus autour mais à côté dutrou-pilote. On réalise alors typiquement 3 trous pilotes,orientés à 120° autour du futur gros forage et garnis chacund’une sonde mesurant les déformations ; puis on réalise le grostrou en Ø 300 à 500 mm. L’interprétation nécessite alors unemodélisation intermédiaire, pour savoir comment on peutremonter aux contraintes initiales à partir des variations decontraintes mesurées dans les trous périphériques.

Fiche E5 - Mesure des contraintes par surcarottage

Principe et objectifLe but de cette méthode est de mesurer rapidement lacontrainte tangentielle à la paroi d’un forage, en 2D, grâce àune sonde réutilisable capable de faire de nombreuses mesures.Le principe de base est de provoquer le relâchement de cettecontrainte au voisinage de la paroi en réalisant une saignéesemi-circulaire dans un plan axial ; cette saignée est réalisée parune scie pneumatique rétractable de 90 mm de diamètre,contenue dans la sonde et refroidie à l’eau.

La déformation tangentielle (diminution du périmètre dutrou) qui résulte du relâchement de la contrainte est mesurée àproximité de la saignée pendant et après le sciage, au moyend’un déformètre de haute sensibilité, muni de pointes rétracta-bles qui sont plaquées contre la paroi. Un essai comprend clas-siquement l’exécution de 3 saignées en un point d’un forage,orientées à 120°.

Conditions de mise en œuvreLes mesures se font dans un forage Ø 103 mm, jusqu’à 30 mde profondeur, la sonde étant manœuvrée avec des tiges. Pourexécuter chaque saignée, la sonde est bloquée contre les parois

du trou avec des vérins. Cette méthode n’est bien adaptéequ’aux roches dotées d’une résistance suffisante (Rc > 10 MPa),à comportement isotrope et non plastifiées par l’excès decontrainte.

Précision et interprétationLa mesure de la déformation à la paroi est d’une très grandeprécision (10-6), mais la résolution du tenseur des contraintesest toujours délicate car elle nécessite à la fois la connaissancedes paramètres élastiques de la roche (E et ν), et un nombresuffisant de forages d’orientation différente (au moins 3). Deplus, les résultats sont toujours très perturbés par l’existence defractures à proximité des saignées testées ; par suite, les mesuresn’ont de sens que loin des zones affectées par l’excavation.

Coûts et délaisLe coût d’amenée-repli de la sonde est d’environ 7 000 E ; unedétermination complète du tenseur à partir d’essais dans 3forages orthogonaux est alors facturée 15 000 E. Une fois lesforages mis à disposition, et sachant qu’un essai dure environ10 minutes, une équipe bien entraînée de deux opérateurs peutréaliser et tester 4 saignées à l’heure.

Fiche E6 - Mesure des contraintes au Borehole Slotter

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44 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 187 - JANVIER/FEVRIER 2005

Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectif

Comme pour le borehole-slotter (cf. fiche E6), cette méthodeutilise le principe du relâchement des contraintes de part etd’autre d’une saignée ; mais ici la saignée est réalisée à la paroid’une galerie avec une scie de quelque 50 cm de diamètre, quipénètre d’un demi rayon dans le terrain. La distance entre lesépontes de la saignée est mesurée avec soin, avant et aprèssciage, grâce à un fissuromètre mécanique qui s’ajuste sur desplots en laiton scellés dans la paroi (cf . fiche D6). On introduitalors dans la saignée un vérin plat que l’on met en pressionjusqu’à annulation des déformations de la paroi ; la pressionpermettant de restituer l’état initial est assimilée à la contraintenaturelle qui régnait normalement à la saignée.

Cette méthode permet une excellente évaluation de lacontrainte verticale dans des piliers de mine non fissurés ; ellepermet aussi de bien évaluer la contrainte tangentielle à la paroide galeries en terrain massif et bien purgé, ou encore dans desrevêtements maçonnées ou bétonnés. Mais si l’on veut accéder

au tenseur complet des contraintes régnant autour d’untunnel, il faut tester au moins 6 saignées orientées différem-ment, puis modéliser le comportement du massif en recher-chant un tenseur qui coïncide au mieux avec les résultats desmesures.

Conditions d’utilisationCette méthode est applicable à des roches dures à très tendres,sous réserve que les plots encadrant la saignée soient bienscellés. La seule condition est que le comportement de la rochesoit réversible (pas forcément linéaire), et qu’il n’y ait pas defluage après libération des contraintes. De plus, les résultats nesont pas exploitables s’il existe des fractures à une distance infé-rieure à 3 fois le diamètre de la saignée – en particulier dans lesgaleries tirées " brutalement " à l’explosif. A noter qu’un appa-reil allemand permet d’aller faire une saignée jusqu’à 1,50 m àl’intérieur du parement.

PrécisionLorsque ces conditions sont réunies, la pression d’annulationdes déformations donne avec une précision meilleure que 10%de la contrainte normale à la saignée, quelque soit l’orientationdes contraintes principales. Bien que vieille d’un demi siècle etlourde en main d’oeuvre, cette méthode relativement simplereste donc très fiable.

Coûts et délaisLe coût de la scie et de son bâti, qu’il faut fixer sur la paroi àchaque essai, est d’environ 7 000 e, celui d’un vérin plat 200 e(sous réserve qu’ils soient fabriqués en série). Une équipe bienrodée de deux personnes peut créer et tester 3 à 5 saignées parposte, selon les conditions d’accès au point de mesure.

Fiche E7 - Mesure des contraintes au vérin plat

ObjectifsLe but est d’enregistrer les caractéristiques des ébranlementsprovenant de différentes sources de vibrations (explosifs,engins mécaniques puissants…), qui sont engendrées par lestravaux de construction ou de confortement d’un ouvragesouterrain, ou bien par des travaux effectués à proximité. Lesmesures peuvent porter sur les déplacements, les accélérationsou les vitesses particulaires que subissent les structures ou leterrain au passage de l’ébranlement (il ne s’agit donc pas demesurer les caractéristiques de propagation de celui-ci, commeen prospection sismique).

Ces mesures sont très importantes lors du creusement d’unsouterrain pour lequel le maître d’ouvrage impose des seuils devibrations dans le but de respecter l’environnement, en parti-culier pour ne pas risquer d’endommager des ouvrages voisins ;elles permettent, lors d’essais préalables, de déterminer descharges d’explosifs et d’optimiser des plans de tir respectant lesseuils de vibration imposés.

PrincipeDe façon générale, en travaux publics, ce sont les vitessesparticulaires qui sont mesurées. Les capteurs de vitesse sont

des géophones tridirectionnels, mais on utilise parfois des accé-léromètres. Le principe de fonctionnement du géophone estbasé sur le comportement d’une masse suspendue dans lechamp d’une bobine ; lorsque cette masse est soumise à vibra-tion, la mesure de la tension électrique aux bornes de la bobinepermet de déterminer la vitesse particulaire en mm/s.L’enregistrement des signaux vibratoires et leur quantificationnécessitent un traitement informatique à l’aide d’une chaîne demesure, qui permet notamment, par transformée de Fourier(FFT), d’obtenir le spectre en fréquences des vibrations.

Caractéristiques et mise en oeuvreLes types de géophone sont définis en fonction de leurfréquence propre, qui correspond à la limite inférieure desfréquences directement mesurables par ceux-ci : 1 Hz, 2 Hz ou4,5 Hz. Les mesures sont pratiquées en général par des labora-toires spécialisés.

CoûtLe coût d’une journée de mesure avec opérateur (mise en placede la chaîne de mesure, saisie et traitement) est de l’ordre de 3800 à 6 000 e.

Fiche E8 - Mesure des vibrations

Vérin plat pour mesure

de contrainte dans un pilier

de carrière

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AFTES

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Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Les méthodes de mesure des paramètres hydrauliques utilespour les travaux souterrains comprennent classiquement troiscatégories :

• les mesures de la pression interstitielle régnant au sein duterrain, qu’on la mesure directement au point étudié ou par lebiais du niveau hydrostatique d’un forage (cf. fiches F1 et F2),

• les mesures de débit d’un canal d’exhaure, qu’il s’agisse d’unfossé ouvert (fiches F3) ou d’une conduite fermée (fiches F4et F5),

• les mesures de perméabilité du terrain, non traitées ici carelles sont plutôt pratiquées lors des reconnaissances préala-bles et rarement pendant les travaux.

ANNEXE F

MESURE DES PARAMÈTRES HYDRAULIQUES

Principe et objectif

L’objectif est la mesure du niveau piézométrique en un pointd’une nappe ou d’un massif fracturé, au moyen d’un forageouvert spécialement équipé : il peut s’agir soit d’un tube plas-tique crépiné au voisinage du point étudié, soit d’un tubageétanche en liaison hydraulique avec une chambre de prise depression. Les variations de charge hydraulique dans la chambrese traduisent par des variations du niveau d’eau dans le forage,qui sont mesurées. Ce dispositif est bien adapté aux terrainsperméables. Les mesures peuvent être :

• soit manuelles : sonde électrique avec câble gradué ;

• soit automatisées :

- par capteur de pression immergé, relié à une centrale d’acqui-sition de données ; on utilise couramment des capteurs depression piézorésistifs ;

- par transmetteur pneumatique (dit " bulle à bulle "), où lecapteur de pression extérieur au forage est relié à une centraled’acquisition ;

- par capteur de niveau de type radar en tête du forage, etc.

Précision

• Sonde électrique : 0,5 cm à 1 cm jusqu'à une profondeur de50 m, 1 à 2 cm à 100 m.

• Capteurs piézorésistifs : 0,2 à 0,5 % de la pleine échelle ;l’étendue de mesure peut être très variée (quelques dizaines dekPa à 20 MPa ou plus).

Limites d’utilisation

Profondeur : forages généralement verticaux ou subverticauxde 10 à 100 m de profondeur. Il existe des dispositifs spéciale-ment adaptés pour les forages profonds (câble porteur pour lecapteur, capteurs de grande précision, etc.).

Robustesse

• Sondes électriques : simples et robustes. Mais l’usure descâbles doit être surveillée (mauvais contacts, raccourcisse-ment suite à réparation...) ;

• Capteurs de pression piézorésistifs immergés : problèmes dedérive, nécessitant un étalonnage annuel et un nettoyage sinécessaire (dépôts sur la membrane). Sensibilité à la foudre decertains modèles mal protégés.

Mise en œuvre

Le premier élément est un forage de diamètre excavé 60 à100 mm, ou plus. La chambre de mesure, longue de un àplusieurs mètres, doit être soutenue en terrain meuble par dugravier propre ; elle est reliée à la surface par un tube ouvert enPVC ou métal, Ø 30 mm minimum. Lorsqu’il y a plusieursnappes superposées de charge différente, le haut de la chambrede mesure doit être isolé en scellant au terrain le tube ouvert,grâce à un bouchon de ciment.

• Précautions de pose : propreté des parois de la chambre et dugravier, et scellement correct de l’annulaire ; l’opération estplus délicate lorsqu’il y a un tubage provisoire du trou, qu’ilfaut retirer après mise en place du gravier.

• Durée de pose : 3 à 4 h pour le nettoyage du trou (profon-deur < 30 m), la pose du tube et du gravier, et le scellementde l’annulaire par le foreur. Pour la mise en place et le réglaged’un capteur immergé, et son raccordement à une centrale : 1h de technicien.

Coût

• Sonde électrique : 150 à 300 e selon la longueur de câble.Temps de mesure manuelle : 5 minutes.

• Capteur piézorésistif immergé : 300 à 600 e selon la classe deprécision ; câble : 3 à 5 e/m ; centrale d’acquisition : de 800 e(pour une voie de mesure) à 4 000 e (pour 12 voies).

• Bulle à bulle : 800 à 1500 e selon le système d’acquisitionintégré.

Télémesure

Mesures automatisables par raccordement des capteurs à unecentrale d’acquisition de données compatible avec ceux-ci.

Fiche F1 - Piézomètre ouvert

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Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectif

L’objectif est la mesure du niveau piézométrique dans unmassif, à partir d’une chambre fermée de longueur métrique àplurimétrique, dans laquelle est placé un capteur de pression.Une variation de charge hydraulique du terrain se traduit parune variation de la pression d’eau sur le capteur, sans entraîner(comme avec un piézomètre ouvert) une variation de volumedu fluide dans la chambre ; le temps de réponse est plus rapide,ce qui rend ce dispositif est bien adapté aux terrains peuperméables.

Le capteur doit être positionné dans le gravier de la chambre ;c’est généralement un capteur de pression absolue à cordevibrante, en raison de sa robustesse, notamment dans le cas oùil n’est pas retirable du forage pour étalonnage ou échange.Possibilité de capteurs piézorésistifs (de pression absolue ourelative), ou à contre-pression.

Précision

• Capteur à corde vibrante : 0,1 à 0,25 % de la pleine échelle.Etendue de mesure : 0-20 m à 0-500 m d’eau. Pour lescapteurs de pression absolue à faible étendue de mesure,nécessité de disposer d’un baromètre pour corriger lesmesures.

• Capteurs piézorésistifs : 0,2 à 0,5 % de la pleine échelle.Etendues de mesure très variées (quelques mètres à plus de2000 m d’eau).

Limites d’utilisation

Profondeur maximale de mise en place : 100 à 200 m en géniecivil, dans des forages verticaux ou peu à moyennementinclinés (difficultés à mettre en place le gravier et le ciment sil’inclinaison dépasse 45°).

Robustesse

Elle dépend du capteur, du soin apporté à son installation et dusite (longueur des câbles, exposition à la foudre...). Une longueexpérience montre que les capteurs à corde vibrante sont trèsrobustes.

Mise en œuvre

• Forage : Ø 60 à 100 mm. Chambre de mesure longue dequelques mètres (mesure plus ou moins ponctuelle), etsoutenue par du gravier propre. Scellement de la chambre parun bouchon de bentonite, argile ou ciment (exceptionnelle-ment par un obturateur gonflable, ce qui nécessite une étan-chéité parfaite). Plusieurs chambres peuvent être superposéesdans un même forage.

• Précautions de pose : stabilité de la chambre, propreté desparois et du gravier, scellement correct de la chambre, satura-tion préalable du filtre du capteur. Pose plus délicate lorsquel’opération nécessite la présence d’un tubage provisoire dutrou.

• Durée de pose : 3 à 4 h pour le nettoyage du trou (profondeur< 30 m), la descente du gravier et du capteur, et le scellementdu bouchon, avec un technicien et le foreur si nécessaire.

Coût

• Fourniture du capteur à corde vibrante : 500 à 1000 e ; câble : 4 à 8 e/m ; poste de lecture : 2500 à 3500 e.

• Mesure manuelle : 5 minutes de technicien.

Télémesure

Mesures automatisables par raccordement des capteurs à unecentrale d’acquisition de données compatible avec ceux-ci(mesure d’une fréquence pour les cordes vibrantes).

Fiche F2 - Piézomètre fermé

Principe et objectifs

Le système de mesure comprend un canal de tranquillisation àl’amont, un déversoir de forme normalisée qui impose àl’amont un niveau d’eau fonction du débit, et un appareil demesure de ce niveau amont. Cet appareil peut être :

• un capteur inductif, associé à un flotteur coulissant le longd’un axe vertical,

• un capteur à ultrasons, immergé ou extérieur.

Précision

La mesure par capteur inductif permet une lecture du niveaud’eau avec une résolution de 1/100 de mm, et une incertitudede mesure de l’ordre de ± 0,1 de mm.

Robustesse

Paradoxalement, le problème principal n’est pas l’appareil demesure du niveau d’eau, mais l’entretien du canal d’amenée,qui doit faire l’objet d’une surveillance permanente pour évitertout entraînement de débris ou corps flottants susceptiblesd’obturer le déversoir.

Coûts et délais

Prix du matériel de l’ordre de 3000 e.

Installation du canal et du dispositif de mesure : environ 1 jourde technicien.

Possibilité de télémesure

Les deux variantes citées sont automatisables, sachant que lesconditions d’écoulement dans le canal doivent être fréquem-ment vérifiées de visu.

Fiche F3 - Mesure de débit en canal ouvert

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Méthodes d’auscultation des ouvrages souterrains

Principe et objectif

D’après la loi de Faraday, si un liquide en mouvement, électri-quement conducteur, est soumis à un champ magnétique, ilapparaît une différence de potentiel (proportionnelle à lavitesse du liquide) entre deux électrodes placées perpendiculai-rement au mouvement et au champ magnétique. La mesure dela vitesse se résume donc à celle d’une tension électrique.

PrécisionElle est de 0,2 % à 0,5 % de la pleine échelle de mesure. Deplus, le système possède une grande dynamique de mesure(jusqu'à 100).

Limite d’utilisation• La vitesse du liquide doit être comprise entre 0,1 et 10 m/s.• Il faut que la conduite soit pleine.• Le fluide conducteur doit avoir une résistivité minimale

(ρ > 5 µS).

RobustesseLe système de mesure est peu sensible à la nature du fluide,même s’il s’agit de fluides chargés. Il n’occasionne pratique-ment pas d’obstruction ni de pertes de charge.

Mise en œuvre

Comme la mesure ne peut être faite que sur une conduitepleine, les fournisseurs recommandent d’installer le dispositifen partie basse d’une conduite, et au milieu d’un tronçon recti-ligne de longueur suffisante (pas de turbulences). De plus, ilfaut procéder à un nettoyage périodique des électrodes, etveiller à ce que la conduite soit raccordée à une masse élec-trique de bonne qualité.

Coût

Selon diamètre : 2 000 à 4 000 e pour une conduite Ø 40 à100 mm. Onéreux pour de plus gros diamètres (les systèmes àinsertion sont alors mieux adaptés).

Télémesure

Le système est prévu pour transmettre des signaux analogiques(boucle de courant pour le débit) ou des impulsions (pour levolume débité) ; il est raccordable à une centrale d’acquisitionde données adaptée.

Fiche F4 - Débitmètre électromagnétique sur conduite noyée

Débimètre électromagnétique

sur tuyauterie

Principe

Le débit est mesuré par des transducteurs ultrasoniques, placésà l’extérieur ou à l’intérieur de la conduite. Deux principes sontutilisés :• mesure du temps de transit d’impulsions dans le fluide en mou-

vement : leur vitesse de propagation varie avec celle du fluide ;• effet Doppler : modification, du fait de la vitesse du fluide, de

la fréquence d’un signal ultrasonique émis dans l’écoulement.

Précision

La précision des appareils à temps de transit est de 0,5% à 1%de l’échelle, selon les modèles (fixés à demeure ou portables) ;celle des appareils à effet Doppler est de 3 à 10%. La dyna-mique de mesure est élevée (jusqu'à 50).

Limite d’utilisation• Appareils à effet Doppler : uniquement pour liquides chargés.• Vitesse du fluide comprise généralement entre 0,2 et 10 m/s.• Nécessité d’une conduite pleine dans tous les cas.

Robustesse

Appareils à transducteurs externes : robustesse excellente (faci-lement démontables). Pas de pertes de charge induites par lamesure.

Mise en œuvre

• Des configurations sont possibles avec plusieurs faisceauxd’ultrasons.

• Impérativement sur conduites pleines. Recommandations dufournisseur à respecter pour les parties droites de tuyauterieen amont et en aval.

• Nettoyage périodique pour les appareils à transducteursinternes.

Coût

• Appareils portables à capteurs externes : environ 5 000 e(pour Ø 50 à 500 mm) ; ils intègrent souvent une petitecentrale de calcul permettant de rentrer les caractéristiques dela conduite (diamètre et épaisseur).

• Appareil fixé à demeure : 4 000 à 5 000 e pour Ø 100 mm, leprix augmentant assez peu avec le diamètre de la conduite.

Télémesure

Le système est prévu pour transmettre des signaux analogiques(boucle de courant pour le débit) ou des impulsions (pour levolume débité) ; il est raccordable à une centrale d’acquisitionde données adaptée.

Fiche F5 - Débitmètre ultrasonique sur conduite noyée

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