La cartographie d'excavation en gCologie urbaine--application a la rCgion de MontrCal

MARC DURAND DPprrrtetnent des Sciences d e la Terre, UniversitP dlr Qrre'bec ii MontrPnl, MontrPal, QlrP., Crrnadrr H3C 3P8

R e ~ u le 22 octobre 1975

Accept6 le 22 avril 1976

La succession des Cvhements gCologiques depuis les temps reculis de I'Ordovicien (500 millions d'annCes) a profondCment marqui la nature et I'Ctat du substratum de la rigion de MontrCal. Le risultat de ces phinomenes a parfois une incidence non nigligeable sur le dtiroulement et le cokt des travaux deconstruction.

Les forages de reconnaissance permettent d'Cchantilloner le milieu, mais ils ne peuvent pas fournir une image aussi complete que celle qui est mise a nu au moment des travaux d'excavation. Les relevks d6taillCs des faces excavCes, complttent les sondages prkliminaires et permettent de confirmer ou d'infirmer les conclusions et projections faites a partir des donnCes de forage; cela peut signifier parfois des Cconomies sur les cokts d'execution ou des mises en garde contre un design ma1 adapt6 aux conditions locales.

Geological events dating back to the early Paleozoic (500 million years) have produced marked bedrock conditions in the Montreal area. The geological features are sometimes of importance to the execution and the cost of engineering works.

Boreholes provide samples and data on the subsurface conditions, but cannot yield as much information as an open excavation. Detailed surveys of exposed cuts supplement the results of preliminary borings and confirm or modify their conclusions. These could sometimes mean appreciable savings on the construction cost or warnings of foundation designs not suited to actual site conditions.

Can. Geotech. J . , 13,243 (1976)

Introduction La cartographie d'excavation consiste A re-

lever, pendant ou aprks l'excavation d'une fouille, le nombre optimum d'observations gCo- logiques. L'optimum dCpend des buts visCs, des moyens et des contraintes rattachCes B la prCsence d'un gCologue sur le site, ainsi que des phCnomhes gCologiques mbmes; certains sont statiques, comme la structure des strates stdimentaires; d'autres comme les venues d'eau ou I'Cvolution de la stabilitC des parois deman- dent plus d'une observation.

Buts de la Cartographie Les grands traits geologiques d'une rCgion

comme celle de MontrCal sont connus depuis fort longtemps. Leur connaissance est nCces- saire a 17interprCtation des Ctudes gkotechniques faites sur des sites limit&. Mais elle n'est pas suffisante et des observations additionnelles apportent des renseignements et des prCcisions utiles sur la variabiliti des faciks pCtrogra- phiques, des Cpaisseurs des formations et bien

[Traduit par la revue]

d'autres paramktres qui sont de I'intCrEt propre des giologues ou des geotechniciens.

De I'histoire gCologique d'une rCgion dCcou- lent un nombre ClevC 'd'CpiphCnornknes', comme par exemple les failles mineures, les diaclases, les petits intrusifs. . . etc, qui ne figurent pas sur la carte gCologique classique, mais qui ont par contre des incidences non nCgligeables sur les travaux d'excavation ou le comportement des fondations.

La variabiliti des paramktres des CpiphCno- mknes apparait plus grande que celle des paramktres des grands traits gCologiques. C'est normal si l'on considere les multiples possi- bilitCs d'interaction entre phCnom6nes; par exemple, les orientations des diaclases mesu- rCes au voisinage d'une faille ou d'un plisse- ment montrent plus de variation que les mesures faites pour la faille ou l'axe du plisse- ment. Comme conskquence pratique au niveau de 1'Ctude d'un site, I7Cvaluation d'un massif rocheux par les relevis prCliminaires a parfois bien du ma1 A extrapoler B tout le massif les donnCes fragmentaires recueillies sur le bien

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avec plus de prCcision les coGts des travaux, de diminuer les risques et les imprCvus, et de mieux adapter les mtthodes techniques d e rCalisation de toutes les opCrations oil le roc est concern&. Dans une agglomCration urbaine comme Montrtal, le massif adjacent celui oh l'on creuse actuellement a de plus toutes les chances d'&tre a son tour le site de travaux importants; les donnCes que l'on peut tirer de 1'Ctude de la fouille ne devraient pas &re perdues B jamais.

Mais du point de vue de ceux qui ont dCja Ctabli les plans difinitifs de l'ouvrage et qui sont B 1'Ctape de couler les fondations ou de bCtonner la vofite dans un tunnel, A quoi peut bien servir un relev6 gCologique? L'intCrEt est certainement plus dificile 21 dCmontrer car ce n'est pas au moment oi3 I'excavation est com- pl@tCe qu'une suggestion pour modifier les opCrations peut &tre bienvenue; elle serait sou- vent utile malgrC tout. Dans certains cas, c'est le milieu gCologique qui impose lui-mEme par un argument fort (Cboulement, tassement non prCvu) des modifications de dernikre minute accompagnCes d'arrets de chantier et de dClais cofiteux.

Lorsqu'un ouvrage est complCtC, le pro- priCtaire veille a conserver pricieusement les plans et les archives de la construction, pour y rCfCrer en cas de problkmes ou d'incidents futurs. Les donnCes sur le roc derrikre la voGte d'un tunnel ou sous les fondations sont tout aussi pricieuses a conserver, car elles seraient trks utiles mais trks cofiteuses a obtenir ad- venant le cas d'un comportement anormal de cette voGte ou de cette fondation.

Traits GCologiques Servant De Guide a L'Ctude des Fouilles a MontrCal

Les phCnomknes a reprisenter dans une cartographie de fouille qui veut retenir les facteurs primordiaux, dCpendent en fait du contexte gCologique regional. Dans chaque rC- gion le milieu gCologique rCsulte d'un long passe qui a produit et fasonnC le substratum, et ce rCsultat varie considCrablement d'une region 2 m e autre. On ne peut donc dCfinir ce que I'on doit faire dans la cartographie qu'aprks avoir considCrC la rCgion oh elle sera exCcutCe. Nous n'allons prksenter ici que les grands traits de l'histoire giologique de la rCgion de Mont- real en mentionnant au passage les facteurs ou

phknomknes qui sont susceptibles d'avoir quel- qu'impact sur le dCveloppement et la construc- tion. L'Ctude rCgionale est donnCe dans le rapport gCologique de Clark ( 1972) ; certains aspects gCotechniques furent commentCs rC- cemment dans un rapport de recherches (Du- rand 1974).

E n remontant au debut de I'kre palCozoi'que, la rCgion posskde un relief accident6 en cours d'Crosion et la mer qui I'envahit trks lentement comble les dCpressions sous une Cpaisse couche de sCdiments de graviers et de sable constituant aujourd'hui le groupe d e Potsdam. Bien que d'ipaisseur considCrable par endroits (plus d e 600 m ) , ces formations n'ont que peu d'im- portance ici Ctant donnC qu'elles sont situCes i une trop grande profondeur dans la r@gion mCtropolitaine.

L a pCriode ordovicienne dCbute il y a en- viron 500 millions d'annCes avec la formation de lits dolomitiques dans une mer qui recouvre maintenant une grande partie de I'est du con- tinent. Cette mer peu profonde est soumise par endroits 2 une forte Cvaporation; la formation de Beauharnois qui constitue ici le Beekman- town comporte des horizons de sulfates (gypse) et de sel (halite) redissout par la suite, mais dont on retrouve les empreintes cubiques dans les strates (Hofmann 1972) . Ces couches par- tiellement solubles montrent des cavitCs (karsts mineurs) dans les excavations (Fig. 1 ). L a karstification augmente considCrablement la permCabilit6, donc les venues d'eau potentielles d a m une fouille. De plus en raison de la prCsence des sulfates ces eaux peuvent Etre agressives pour les bCtons. La rksistance mCca- nique de la dolomie est bonne; plusieurs strates par leur Cpaisseur forment des dalles massives. Cette formation renferme cependant des hori- zons altirables qui se dkbitent sous I'action des cycles de variation d'humiditC.

L'Ordovicien moyen est constituC de quatre groupes (Chazy, Black River, Trenton et Utica) qui se sont succCdes dans un environnement marin aux caractCristiques changeantes. Les roches qui en ont rCsultC vont des grks formCs en eau peu profonde au voisinage imrnCdiat d'un rivage continental, jusqu'aux calcaires argileux et shales dCposCs dans des fonds ocCaniques de grande etendue et profondeur. La rCgularitC et 1'homogCnCitC des strates est plus grande dans le dernier cas.

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FIG. 1. Dolomie du groupe de Beekmantown au fond de la carrikre Rivermont B Caughna- waga; petites cavitis de dissolution le long des plans de litage.

Les groupes de Chazy et Black River mon- trent une grande variCtC de types pktrogra- phiques et d'Cpaisseur de strates. Ces sCdi- ments dCposCs sur la plate-forme continentale sont le rCsultat de toutes les variations subies par ce milieu. Les lits de calcaire et de dolomie du sommet du Chazy et du Black River offrent de meilleures caractCristiques nlCcaniques et ont des Cpaisseurs atteignant un ou deux pieds. Mais juste en dessous de ces strates rCsistantes s'intercalent des couches plus minces de schiste argileux, de grks, ou de calcaire argileux. La construction dans ces formations ou l'exploita- tion Cconomique des calcaires doit tenir compte de la position des couches plus friables dans le massif, ce qui peut Etre fait par une Ctude ou une cartographie dCtaillCe.

La compilation et llinterprCtation d'essais micaniques ne peut se faire qu'en distinguant bien chaque type pCtrographique. La varia- bilitC des risultats est grande et ceux-ci ne reprksentent la plupart du temps que les valeurs les plus ClevCes de rksistance, Ctant donnC que les interlits plus argileux sont trop fracturCs ou friables pour qu'ii soit possible d'y dtcouper des Cprouvettes. De fason gCnC- rale les Ctudes dans ces deux groupes nkces- sitent plus d'attention et de soin a corrkler les faciks.

Le groupe de Trenton qui surmonte le Black

River marque une Cvolution de strates presque pures en calcaire vers des couches de calcaire argileux interstratifik avec des couches plus minces de shale. Les fossiles et les niveaux de calcaire pur disparaissent en remontant vers le sommet du Trenton; par contre la rCgularitC de la stratification croit. Dans toute la forma- tion de TCtreauville (120 m d'Cpaisseur) une alternance rCgulikre de calcaire gris bleutC a grain si fin qu'on ne peut le dCceler qu'au microscope, et de shale noir maintient une composition assez constante propice B la fabri- cation du ciment Portland. La matikre orga- nique accumulCe sur les fonds marins du Tren- ton se retrouve aujourd'hui dCcomposCe en pCtrole, prCsent dans le calcaire argileux sous forme de fines gouttelettes. Le gaz se rencontre plus rarement dans des zones ou il a eu B la fois assez d'espace vide pour s'accumuler et une structure Ctanche l'empkhant de s'Cchap- per vers la surface.

En passant au groupe d'Utica le shale qui ne formait que 20 a 40% du volume dans le Trenton, forme maintenant toute la masse. Cette roche noire qui tend 2 se dCbiter en plaquettes est constituCe essentiellement de minCraux argileux et de silt trits fin. Etant fragile et moins rCsistante cette roche a CtC abondamment injectCe de filons de roche ignCe. Sa composition la rend trits sensible ii un cycle

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dessication-saturation de m&me qu'8 1'Crosion par la circulation dense d'engins sur un chan- tier. O n empCche la dCcohCsion des massifs d'Utica et I'ouverture des nombreuses diaclases virtuelles en rev&tant les parois des excavations par une mince couche de bCton projettk. Pour Etre eficace, cette protection doit Ctre appli- q~iCe aussi t6t que possible aprks le digagement d'une paroi; la cartographie des fouilles dans 1'Utica devient de ce fait trks diflicile 8 rialiser.

Les groupes de Trenton et d7Utica revCtent une grande importance dans l'ile de MontrCal parce qu'ils occupent plus des quatre cin- quikmes de la superficie, dont tout le territoire du centre-ville. Les formations postCrieures 8 1'Utica (Lorraine, Queenston . . . etc.) ont CtC CliminCes par I'Crosion de la rCgion 1n6tropoli- taine; nous arrEterons donc 8 I'Utica notre description stratigraphique.

Pendant que les sh ie s d e l'ordovicien se dkposaient, des forces tectoniques amorpient plus 8 I'est la formation d'une importante chaine de montagnes par plissement en pro- fondeur puis soulkvement. A MontrCal des poussCes attinukes ont produit un ltger bascule- ment et plissement des unitis giologiques. Les quelques synclinaux et anticlinaux ainsi que les systkmes de diaclases qui s'y rattachent cons- tituent les seuls vestiges de ces dtformations.

Plus tard au dCbut de la pCriode du CrCtacC (environ 125 millions d'annies) des poches de magma liquide se sont fray6 un chemin dans les zones faibles de la crocte terrestre locale pour mettre en place des plutons ignCs dont le Mont Royal est I'exemple type; c'est pourquoi ces roches sont dCsignCes par le terme 'montC- rCgiennes'. Elles sont venues en au moins deux phases successives de composition diffCrente (gabbro et syCnite), qui se retrouvent tant dans le pluton central que dans les dykes et filons- couches dispersCs dans la rCgion. Des volumes plus restreints de roche ~Cdimentaire ont CtC fracturCs et emportis par de puissants jets de gaz Cmanant du magma. Ces fragments se rencontrent aujourd'hui englobis dans une ma- trice ignCe et forment des brkches de compo- sitions diverses dans des pipes de quelques dizaines B quelques centaines de mktres de diamktre. L a plus connue est sans aucun doute celle de I'ile Bizard depuis que les journaux y ont par16 de la possibilitC d'y trouver des diamants, mais Gold (1972) en mentionne

plus d'une cinquantaine dans les rdgions d e MontrCal et d'Oka.

De la m&me pCriode datent les maximums de dCplacements le long des failles comprises dans la rtgion. Les mouvements surtout verti- caux impliquent B divers degrCs des rotations faibles dans les plans de faille. Deux orienta- tions prCdominent dans le faillage (voir Clark 1972, p. 162) : ( 1 ) L'orientation Est-Ouest est celle g r a d e s failles qui compartimentent la gkologie de la rCgion; la sCparation verticale dkpasse parfois 300 m. Les limites des compartiments se situent en bordure sud de l'lle de MontrCal, au centre le long d'un axe Pierrefonds-Longueuil et un peu en d e p de la pointe nord de I'Ile. (2 ' ) Un systkme de faille NW-SE h Ahuntsic MontrCal-Nord et dans la moitiC nord de I'Tle JCsus recoupe perpendiculaircment I'axe des plissements.

Ces failles se traduisent sur le terrain par des zones broyCes et fractur6es sur des dis- tances de quelques centimi-tres plusieurs dizaines de mktres. Leur position et nombre exacts ne sont pas encore connus parfaitement. L'ttude des fouilles permettra d'obtenir des donntes pricises sur ces failles et les familles de diaclases qui leur sont associCes.

Depuis le CrCtacC, peu de tCmoins nous renseignent sur les CvCnements survenus; on sait cependant que ce fut longue pCriode d'Cro- sion qui a CliminC quelques milliers de mktres de roc pour amener le relief presqu'au niveau actuel. Puis subitenlent dans les derniers mil- lions d'annCes de I'histoire gkologique; les glaciers sont descendus B quatre reprises en retouchant le relief. Les couches de roche alt6rCe ont CtC dCcapCes, les formes de roc en saillie ont CtC arrondies et localement quelques lambeaux de strates appartenant au Trenton ont CtC trainCes et plissies sur d e faibles dis- tances (Ballivy et Durand 1975; Grice 1972) . Si la roche fut relativement peu affectCe par les glaciers, les dCp6ts meubles ont par contre CtC presqu'entikrement produits et fa~onnCs par la glaciation et les CvCnements qui I'ont imm6- diatement survie. Nous n'aborderons pas I'his- torique des dCpbts meubles puisque le prCsent article ne concerne que les formations con- solidCes: il va sans dire que ces dCp6ts revitent la plus grande importance en giotechnique et devraient &re inclus dans toute cartographie

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Photos N8B (P) Diapos (D) Echanti l l o n s ( E ) : P L ~ v d Mur

P 52 Vobte PSI % Mur

Soutenement - Ruqosite' des p r o f i l s ( e n p ~ e d s ) : M ~ i r 2 2 1 2 1 1 2 I 1 1 1

Chalnage : 26 0 2L1 2 L 2 2L3 Z L L U5 I I

LEGENDE Station-\ pendage -- I- Intrusif: -

Diaclase: - Venue d'eau : -X

N.9. 858: boulons espace's tous les 5 pieds. I FIG. 2. Exemple de cartographie giotechnique d'une section de tunnel du Mitro, ligne 1

Est (tir6 de Durand 1974).

d'excavation. Nous recommandons la consults- normaliser les mCthodes et les codifications tion des textes de Prest et Hode Keyser (1962, (Proctor 1971, Durand 1974). 1975). Les relevCs peuvent &re trks dCtaillCs et

Quelques Exemples Des MCthodes De Cartographie

Les principes et mCthodes de cartographie sont dCcrites dans la plupart des manuels de gCologie de 1'ingCnieur. Les Ctudes dCtaillCes d'excavation peuvent se faire de bien des f a ~ o n s en fonction des conditions locales. On a avantage A YintCrieur d'un m6me organisme et m&me A I'intCrieur d'une m&me rCgion j.

utiliser plusieurs coupes pour reprkenter plus d'une catCgorie d'informations. L'exemple don& A la fig. 2 provient de 1'Ctude d'une excavation dans les calcaires rCguliers de la formation de TCtreauville; la structure gColo- gique est sub-horizontale et les plans de litage coi'ncident presqu'avec les surfaces de la vodte et du radier. Comme c'est le cas frkquent dans ce secteur, les hors-profils et les venues d'eau sont faibles; le southement en dehors des

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zones broyCes se limite 21 quelques boulons 2I la voQte. En plus de la cartographie des murs et de la voQte (au bas de la fig. 2 ) , nous avons relevC l'espacement des boulons, l'amplitude du relief des faces excavCes, la proportion de superficie formCe par des plans naturels prCexistants (contrble en % ), les points d'Cchantillonnage et l'emplacement des photo- graphies que nous avons prises pendant ce relevC. Le carnet de note contient des donnies additionnelles, comme les descriptions som- maires des Cpaisseurs du litage, des zones de roc fracturC, des intrusifs, du comportement apparent des parois et du soutknement ... etc. Les photos et 1'Cchantillonnage complittent le relevC 18 o i ~ le besoin d'une description plus dCtaillCe se fait sentir: par exemple certains intrusifs sont partiellement ou complktement altCrCs en argile molle (fig. 3 ) .

Dans les fouilles B ciel ouvert la photo- graphie remplace avec avantage les mCthodes plus conventionnelles de cartographie. Les ob- servations et commentaires peuvent &re port& directement sur des tirages des photographies prises pour couvrir toutes les parois. Les photos sont assemblCes pour former une mosa'ique exactement comme pour les photos aCriennes servant B la cartographie rCgionale. I1 est im- portant de placer suffisamment de repkres dans le champ de visCe de chaque photo pour la situer prCcisCment et calculer son Cchelle.

Nous avons expkrimentt cette mCthode dans la cartographie de quelques longueurs de tun- nel. Trois problitmes limitent cependant son utilisation: les difficult& d'assurer un Cclairage convenable, la presence frCquente de brume et I'impossibilitC de prendre un recul suffisant pour couvrir une grande superficie des murs et de la voQte.

Le relief des parois renseigne beaucoup sur I'importance des hors-profils ainsi que sur la qualit6 mCcanique des massifs et leur structure. I1 est relativement facile de conserver ce type d'information par un relevC photographique oil les clichCs sont pris en rangCes comme dans un relev6 aCrien (fig. 4) .

Pour enregistrer rapidement et de f q o n complkte le maximum de donntes de carto- graphie, I'expkience nous a montrC que la meilleure mCthode est une synthkse des prCcC- dentes. Une premikre visite de chantier permet

FIG. 3. Filon-couche Cpais de 15 cm, recoupant le tunnel sur une distance de 95 nl dans le prolongement de la ligne 1 Est du MCtro.

de photographier toutes les faces exposCes; chaque clichC recouvre B 60% le champ de visCe de la prCc6dente. Les photographies paires sont assemblCes en mosa'ique et les autres sont conservCes pour 1'Ctude en stCrCos- copie de cet assemblage. Au cours d'une deuxikme visite, le gCologue note sur la mo- sai'que ou un calque qui la recouvre, les don- nCes gCologiques importantes, les points d'tchantillonnage et toutes les autres observa- tions pertinentes. Lorsqu'on ne peut effectuer qu'une seule visite, les photos Polaroid permet- tent de retenir et d'annoter sur le site des images des coupes intkressantes.

Conclusion La cartographie des fouilles permet de con-

server de prkcieuses donnCes gCologiques ex- posCes pendant une d u d e relativement courte avant que les ouvrages soient complCtCs. Ces observations sont profitables pour l'enrichisse- ment des connaissances sur le substratum local et la recherche scientifique; mais on ne doit pas perdre de vue qu'elles sont profitables

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FIG. 4. Hors-profil rksultant d'une couche broyCe B I'emplacement d'une faille B faible pendage, dans les calcaires de TCtreauville. (Photos en paire stCrCoscopique.)

6galement aux ingenieurs et architectes respon- sables des projets. Ailleurs, la cartographie des excavations est considCrCe comme une Ctape indispensable de tout projet; comparCe aux relevis prCliminaires, elle leur fournit un cer- tain 'feed-back'. D'autre-part la cartographie amCliore la prCdiction et I'interpriitation des comportements des ouvrages dans leur environ- ment g@ologique, ainsi que le choix des sites et I1interprCtation des essais it1 situ.

Remerciements Le pr6sent travail a CtC rendu possible griice

i la collaboration du Laboratoire de ContrBle et de Recherches de la ville de MontrCal, du Bureau de Transport MCtropolitan de la C.U.M., ainsi que de nombreux autres services municipaux et organismes privCs. I1 a CtC com- men& I'aide d'une bourse post-doctorat et poursuivi par un octroi du CNRC No. A9148.

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