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

Le microtunnelage Technique de pose de canalisations sans tranche en site urbain Diamtre 250 1200 mm Profondeur 3 15 m Projet assainissement eau potable EDF - GDF rseaux tlcom

Le forage horizontal dirig

L organisation du P.N. Environ 25 adhrents : matres douvrages entreprises laboratoires bureaux dtudes industriels (fournisseurs de tuyaux, produits, etc ) Budget : 2,4 M.HT (16 MF) sur 7 ans (1994-2001) financs par 20 % : DRAST (Ministre de lEquipement) 15 % : adhsions 65 % : autofinancement

Les objectifs du Projet National Le point de dpart (dbut des annes 1990) : Intrt vident des travaux sans tranche en environnement urbain mais faible dveloppement en France Les objectifs : Amliorer les performances des matriels Adapter leur utilisation aux spcificits gologiques franaises Affiner la qualit des projets et la conduite des chantiers

Le programme de recherche Concernant les Microtunnelages et les Forages Horizontaux Dirigs Reconnaissances de terrain (gophysique) Comportement des tuyaux Problmes lis la nature des terrains et apport des additifs Suivis de chantiers (interactions sol-structure)

Le programme de recherche Rorient pour la seconde phase : Tuyaux : tudes sur le frottement linterface avec les terrains Suivis de chantiers : suivi mi-lourd renforc Impacts sur lenvironnement et distances de scurit (forages essentiellement) Caractrisation, optimisation et gestion des fluides de forages (aspects environnementaux) Aspects socio-conomiques et contractuels Autres applications des travaux sans tranche

Le programme de recherche Mise en oeuvre Plus de 50 tudes ralises par les divers organismes adhrents, chacune ayant fait lobjet dun (ou plusieurs) rapport(s) dits par la FSTT et diffuss aux adhrents Synthse finale : Rdaction de manuels de recommandations

Quelques rsultats sur le microtunnelage Comportement des tuyaux : Effet des dviations sur la flexion Essais de flexion en atelier Etudes en laboratoire sur le comportement dinterface sol-tuyaux Mthodes de dimensionnement

Quelques rsultats Reconnaissances de terrain : blocs et obstacles : Mthodes gophysiques (lectrostatique et goradar notamment) dveloppes et testes sur chantier Site-test construit au LCPC prciser les limites des mthodes et vrifier leur complmentarit

Quelques rsultats Problmes lis la nature des terrains et apport des additifs : Collage des argiles, abrasivit des terrains, broyage des blocs (tudes bibliographiques) Laboratoire de mousse : amlioration du marinage, avec campagnes dessais sur sables (stabiliser le terrain) et limons (faciliter lextrusion)

Quelques rsultats sur le microtunnelage Suivi experimental des chantiers analyse des interactions sol-machine-tuyaux : Paramtres de chantiers : lubrification, arrts de chantiers, quipement des ttes Paramtres de terrain : nature des sols (par examen des puits et du marinage) Paramtres de conduite : excavation, marinage, vrinage, guidage, choix du pilote, raction de la machine

16 chantiers suivis 3 types de machines : marinage hydraulique marinage par vis marinage lair Profondeurs : 3 15 m Diamtre : 500 800 mm Terrains : argiles silteuses marnes sableuses sables et graviers sables fins Quelques incidents observs lors des suivis Blocage : terrains htrognes ou obstacles enterrs Dviations : fissurations des tuyaux et dfauts dalignement Pousses excessives (frottement sol-tuyaux) : limite la longueur des tronons (100 to 150 m) -> contrainte pour la conception Dsordres en surface : tassements et soulvements (rares)

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

Vitesse davancement en fonction du type de terrain (2)

Principaux facteurs affectant la prcision du fonage Facteurs mcaniques : stabilit du laser positionnement du bti de fonage Facteurs de terrain : type et htrognits alternance de couches molles et raides sols gros lments Experience du pilote

Facteurs affectant le frottement sols-tuyaux Lubrification Arrts de fonage Dviations Surcoupe Granulomtrie des terrains

Objectifs Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Amliorer la conception des projets de microtunnelage Frottement linterface sol/structure Pression au front de taille Mouvements induits au massif de sol travers Prvision de ces trois paramtres Connatre les forces mises en jeu Apprhender les dgts occasionns

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

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

Instabilit potentielle du front de taille due une pression insuffisante Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Problmatique : Pression en tte TuyauMicrotunnelier Affaissement Refoulement potentiel au front de taille d une pression en excs Refoulement TuyauMicrotunnelier

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

Incidence de la lubrification Dbut lubrification volution de la pousse de fonage en fonction de la longueur fore -Chatenay-Malabry-

Incidence des interruptions de fonage volution de la pousse de fonage en fonction de la longueur fore Dbut lubrification

Quantification du frottement supplmentaire induit au redmarrage Augmentations de la pousse de fonage suite aux interruptions de fonage - Champigny 4 -

Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Mthodes de calcul de Pc pour bouclier marinage hydraulique Valeurs limites TuyauBouclier Refoulement Affaissement quilibre limite : pressions classiques de bute et de pousse Analyse limite : recherche du domaine de charges potentiellement supportables pour une structure Valeurs limites

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

La campagne dessais en laboratoire tude du frottement tude des mouvements induits par le fonage dans le massif de sol Influence de: la profondeur quivalente la surcoupe linjection de lubrifiant la nature du lubrifiant Base pour la modlisation numrique Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions Objectifs

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

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

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

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

Modlisation numrique des essais avec surcoupe Calcul bidimensionnel transversale Sol lastique parfaitement plastique Interface sol-tuyau rigide-plastique Rsultats : volution des contraintes normales mouvements du sol Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions

Synthse sur les essais Mise en vidence de l influence de la surcoupe Rduction du frottement de 50% dans notre cas Apparition de mouvements horizontaux Influence de la lubrification sans surcoupe : augmentation du frottement avec surcoupe : peu dinfluence sur le frottement, rle important de rduction des mouvements Introduction - Observations in situ - Campagne d essais en laboratoire - Conclusions

Quelques rsultats sur forages dirigs Interaction sols-tuyaux : Suivis de chantiers Essais de tirage en laboratoire (effet de la lubrification, de la tte de tirage, de la nature et compacit des terrains) Influence sur lenvironnement : prcisions et distances de scurit, risques de soulvement

Principe >100 m Rle de la boue Stabilisation du tunnel jusqu la pose de la conduite Mise en suspension des dblais (nombreuses phases darrt/dmarrage) vacuation des dblais (coulement laminaire en conduite annulaire) ESIP Les fluides de forage

Comprendre les mcanismes structuraux Caractrisation du comportement mcanique des suspensions Analyses minralogiques des poudres Dvelopper des modles de comportement Amlioration des procdures exprimentales Dveloppement de modles mathmatiques simples et ralistes Relier les proprits mcaniques aux situations de chantier Nature des sols, pollutions, modes de prparation, imprgnation des sols Simuler des coulements Travaux exprimentaux sur boucle pilote, simulations numriques, dimensionnement d installation - marinage Traitement et recyclage des boues Nos objectifs ESIP Les fluides de forage

ESIP Les fluides de forage Travaux sur Les proprits et la rhologie de divers fluides de forage Les problmes lis la mise en dcharge des dblais

Boucle exprimentale coulements en conduites 2 m 3 m D=12 mm D=19 mm D=32 mm Sens de lcoulement 4,10 m 1,70 m Fixe : Dbit Mesure : - Pression - Vitesse - Temprature Conduites circulaires et annulaires Paramtres coulement des boues de forage

Loi Pression-Dbit coulements en conduites Le modle dHerschel-Bulkley permet la simulation dcoulements laminaires industriels Conduites Circulaires Conduites Annulaires Suspension Wyoming 40 g/l

Boue bentonitique Sols excaver Boue pollue physiquement et chimiquement Recyclage ou Traitement avant rejet Sparation : phase solide - pulpe Phase solide grossire Pulpe Eau clarifie Phase solide fine + Interaction Sol Boue

installation sur site vacuation et traitement hors site Conditions de site (gologie, localisation) Volume de boue traiter (gomtrie de louvrage) Nature de la boue Critres de choix dune filire de traitement

Effet du traitement

Autres applications des travaux sans tranche Microtunnels multiples en pr-soutnements de grandes excavations : Station du mtro dAthnes (tassements) Forages dirigs en reconnaissance gologique de grands tunnels : Chantier exprimental pour traverse sous la Marne Champigny par microtunnelage

Cots sociaux Etude bibliographique des mthodes dvaluation des cots indirects et sociaux Facteurs de nuisances : gne, accidents, conomiques Proposition dune mthode de comparaison des cots des techniques avec et sans tranche

Cots sociaux Caractristiques des travaux et de leur environnement Evaluation de la sensibilit de la gne pour les diffrents critres (peu sensible, sensible, trs sensible) Coefficient multiplicateur du cot direct : 1,5 si peu sensible 3 si sensible 6 si trs sensible Comparaison des cots en tranche et sans tranche

Conclusions Meilleure connaissance des facteurs qui conditionnent un projet sans tranche Rdaction de recommandations sur le microtunnelage et les forages dirigs (publication en 2002) : lintention des Matres douvrage, Matres duvre, Bureaux dEtudes et Entreprises

Recommandations Volume A : MICROTUNNELIERS CONTENU 1. Prsentation 2. Rappel des techniques et principes de fonctionnement 3. Synthse des paramtres affectant le droulement d'un chantier 3.1. Paramtres conditionnant la ralisation d'un microtunnel Les cadences d'avancement Les carts de trajectoire Les efforts de frottement Les efforts en tte 3.2. Incidents pouvant survenir lors d'un chantier de microtunnelage Blocage Dsordres sur les tuyaux Dsordres en surface Roulis excessif 4. Recommandations pour les reconnaissances

5. Recommandations pour le choix des machines et quipements 6. Recommandations pour la conception du projet, le dimensionnement des tuyaux et du systme de fonage 6.1. Conception des puits : diamtres, formes, mthodes de ralisation 6.2. Efforts de pousse maximale frottements, longueurs 6.3. Fluides de forage (boues, mousses) 6.4. Dimensionnement des tuyaux vis vis des charges axiales (en cours de fonage ; dviations acceptables) 6.5. Dimensionnement des tuyaux vis vis des charges transversales (charges en service) 6.6. Traitement des boues 7. Recommandations pour la conduite du chantier 8. Aspects socio-conomiques et contractuels 8.1. Comparaison entre cots "en tranche" et cot "sans tranche" 8.2. Mode de passation des marchs 8.3. Assurance-qualit 8.4. Prise en compte de l'environnement

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