Rapport PFE

Avant-Projet Détaillé de trois passages Spéciaux par forages dirigés ou microtunnelier pour la conduite d’eau potable DN 700 « Préizerdaul-Junglinster »

Projet de fin d’études Juin 2007

Auteur : SOLER Magalie INSA Strasbourg, Spécialité Génie Civil, Option Aménagement du territoire Tuteur Entreprise : THUNUS Bruno Directeur Adjoint, SGI S.A. Luxembourg Tuteur INSA Strasbourg : REGENASS Pierre Professeur ENSAM

Etude de passages spéciaux par forages dirigés et microtunnelier de la conduite d’eau potable DN 700 « Préizerdaul – Junglinster »

2

REMERCIEMENTS

Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à l’ensemble du personnel du bureau d’études SGI INGENIERIE S.A. Luxembourg qui m’a intégré avec compétence, gentillesse et bonne humeur et a mis à ma disposition tous les moyens nécessaires afin de mener à bien mon étude. Tout d’abord, je remercie vivement Bruno Thunus, directeur adjoint de l’entreprise, pour m’avoir permis de réaliser mon projet de fin d’études au sein du département Génie Civil, pour m’avoir suivi tout au long de ce stage, m’avoir aiguillé et fourni toutes les informations nécessaires, pour sa disponibilité, malgré les responsabilités qui lui incombent. Je tiens également à remercier l’ensemble de l’équipe Agora, qui par leur gentillesse, les conseils avisés qu’ils m’ont prodigués durant la période de mon travail et leur accueil ont su rendre mon travail agréable. Mes remerciements s’adressent également à l’ensemble des ingénieurs du pôle Génie Civil pour leur amabilité, leur collaboration et leur accessibilité. Je remercie d’autre part M. Regenass, mon maître de stage, pour sa participation aux différentes étapes de ce projet. Enfin, je remercie toutes les personnes qui ont participé à un moment ou à un autre à l’élaboration de ce projet.

- Magalie Soler -

Projet de Fin d’Etudes


3

SOMMAIRE

INTRODUCTION _____________________________________________________________5 I.

Description du projet _______________________________________________________6 A.

Le barrage d’Esch sur Sûre______________________________________________________6

B.

Le Syndicat des Eaux du Barrage d’Esch-Sur-Sûre (SEBES) __________________________6

C. Mise en place d’une conduite d’eau potable DN 700 entre Grosbous et Junglinster : Description du projet _______________________________________________________________8 D.

Les travaux de forage dirigé et microtunnelage _____________________________________9

E.

Etat d’avancement du projet au début de mon projet de fin d’études : _________________11

F.

Travail réalisé durant le PFE ___________________________________________________12

II.

Les techniques de forage dirigé et de microtunnelage __________________________13

A.

Recherche bibliographique : ____________________________________________________13

B.

Les avantages des travaux sans tranchée __________________________________________13

C.

Le forage horizontal dirigé _____________________________________________________14 1. 2. 3. 4.

D.

Introduction _______________________________________________________________________ 14 Techniques ________________________________________________________________________ 15 Les différentes étapes d’un forage dirigé _________________________________________________ 15 Fluides de forage ___________________________________________________________________ 19

Le microtunnelage ____________________________________________________________20 1. 2. 3. 4. 5.

III.

Définition _________________________________________________________________________ 20 Introduction _______________________________________________________________________ 20 Principe __________________________________________________________________________ 20 Les differents systèmes de microtunnelage : ______________________________________________ 22 Choix des équipements : _____________________________________________________________ 24

Définition de la campagne géotechnique : ___________________________________26

A.

Recherche de données antérieures _______________________________________________26

B.

Réalisation de profils géologiques ________________________________________________27 1. 2. 3. 4.

C.

Projection des coupes de sols :_________________________________________________________ 27 Etude de la carte géologique et détermination des épaisseurs des couches de sols : ________________ 28 Récapitulatifs concernant les types de sols rencontrés. ______________________________________ 29 Détermination des différents niveaux d’eau à proximité des passages spéciaux : __________________ 31

Définition de la campagne géotechnique : _________________________________________32 1. 2. 3.

Contenu : _________________________________________________________________________ 32 Clauses techniques : _________________________________________________________________ 32 Estimation du prix : _________________________________________________________________ 34

- Magalie Soler -



4

IV. Caractéristiques du projet concernant les passages par forage dirigé et microtunnelier _35 A.

Technique du forage horizontal dirigé et choix concernant le projet ___________________35 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

B.

Rappels : Types de sols rencontrés _____________________________________________________ 35 Problèmes rencontrés ________________________________________________________________ 35 Paramètres à respecter lors de la réalisation d’un forage dirigé horizontal _______________________ 36 Choix du type de technique ___________________________________________________________ 40 Calcul des forces de traction pendant la phase de tirage _____________________________________ 40 Choix de la machine de forage_________________________________________________________ 44 Calcul du temps de forage brut : _______________________________________________________ 45 Réalisation de fouilles _______________________________________________________________ 47 Caractéristiques de la pose de la conduite DN 700 et des gaines DN 100 ________________________ 49 Comparaison des tuyaux DN 700en acier et en fonte ductile _______________________________ 49 Forages dirigés : récapitulatif _______________________________________________________ 51

Technique du microtunnelage et choix concernant le projet __________________________52 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Type de sols rencontrés :_____________________________________________________________ 52 Choix du type de marinage : __________________________________________________________ 52 Dimensionnement des tuyaux de fonçage ________________________________________________ 52 Station de fonçage intermédiaire _______________________________________________________ 64 Puits d’entrée et de sortie du microtunnelier ______________________________________________ 65 Massif de réaction __________________________________________________________________ 67 Choix des tuyaux ___________________________________________________________________ 68 Estimation de la durée des travaux______________________________________________________ 68

CONCLUSION _______________________________________________________________69 Bibliographie ________________________________________________________________71 Table des figures______________________________________________________________74 Index des tableaux ____________________________________________________________75 Annexes_____________________________________________________________________76

- Magalie Soler -



5

INTRODUCTION

Le bureau d’études SGI INGENIERIE S.A. Luxembourg (cf description Annexe A) travaille depuis 2000 sur le projet de pose de canalisation d’eau potable entre les villes de Préizerdaul et Junglinster. Cette conduite, d’une longueur d’environ 31 km, rencontre à trois endroits différents des obstacles qu’il est impossible de contourner ou très difficile de traverser en tranchée ouverte. Il s’agit notamment de routes nationales, de rivières, mais également de voies ferrées. Un Avant Projet Sommaire effectué en 2005 par un ingénieur du bureau d’études a établi qu’il était, d’un point de vue technique, écologique et financier, avantageux de réaliser deux de ces passages spéciaux par forages horizontaux dirigés et le troisième par la technique du microtunnelage. Pour cela, plusieurs variantes ont été étudiées et un tracé sommaire pour chaque forage a été retenu. Il m’a alors été demandé, dans le cadre de mon PFE, de poursuivre le travail qui a été initié en 2005 et de réaliser l’Avant Projet Détaillé de ces trois passages spéciaux, l’ensemble de mon travail devant par la suite permettre d’établir le dossier de consultation des entreprises concernant ces travaux. Après une brève description du projet général au sein duquel s’inscrit mon PFE, les techniques de forages dirigés et de microtunnelage seront détaillées. Il sera alors montré qu’il est indispensable pour étudier un projet concernant ce type de travaux, de connaître avec une bonne précision les types de sols rencontrés lors des forages. Les notions de contrôle et suivi de trajectoire et de fluides de forage ne seront abordés que brièvement. Une troisième partie expliquera alors comment, à partir de sondages antérieurs, j’ai pu reconstituer les différentes couches de sol présentes au niveau de ces passages. Afin de confirmer ces hypothèses et d’obtenir des données plus précises sur les sols rencontrés pour que les entrepreneurs puissent adapter au mieux les techniques de forage utilisées, il sera nécessaire dans la suite de l’étude du projet de réaliser des sondages et des essais de sols complémentaires au droit des passages spéciaux. Cette partie de mon rapport décrira également brièvement la campagne géotechnique complémentaire que j’ai définie en ce sens. Enfin, la dernière partie, rassemblera l’ensemble des caractéristiques et des choix techniques propres aux trois passages spéciaux étudiés. Il sera notamment expliqué quels sont les avantages et les inconvénients des canalisations en fonte ductile et en acier pour ces trois passages.

- Magalie Soler -



I.

6

Description du projet

L’eau potable qui alimentera les différents villages desservis par la conduite posée entre Grosbous et Junglinster provient du barrage d’Esch-Sur-Sûre. A. Le barrage d’Esch sur Sûre La consommation journalière en eau pour chaque luxembourgeois dépasse aujourd’hui les 150 litres [1]. Les sources du grès de Luxembourg ne fournissant pas assez d’eau potable pour satisfaire les besoins des habitants et les dangers écologiques qu’impliquerait . un captage prolongé des eaux souterraines ont conduit dans les années 50 à chercher une autre source d’eau potable pour le Luxembourg. Pour ces raisons, il a été envisagé en 1953 d’utiliser les eaux de surface provenant des rivières, des ruisseaux et des lacs. Le village d’Esch sur Sûre, situé au Nord Est du pays s’est révélé être le site idéal pour construire un barrage (cf. figure I-1 ci contre) et pour y aménager un lac artificiel. La situation de ce barrage, dont la retenue s’étend sur environ 3.8 km² permet de recueillir l’eau d’un bassin versant de 428 km². 65% de ce dernier sont situés en Belgique entre Arlon, Bastogne et Neufchâteau. Figure I-1 Le barrage d'Esch sur Sûre en travaux B. Le Syndicat des Eaux du Barrage d’Esch-Sur-Sûre (SEBES) Le Syndicat des Eaux du Barrage d’Esch-Sur-Sûre (SEBES) a pour mission de renforcer l’alimentation en eau potable du Grand Duché de Luxembourg à partir du barrage. Il a pour rôle d’établir, d’entretenir et d’exploiter tous les ouvrages, installations mécaniques et canalisations destinés à la conduite d’eau potable provenant des eaux puisées dans le réservoir d'Esch-sur-Sûre. Le syndicat a été chargé de créer à partir du réservoir d'Esch-surSûre les installations de conduite de l'eau vers les différentes parties du pays; il est également autorisé à construire et à exploiter, d’après la loi du 31 juillet 1962, une station de traitement de l'eau (cf. Figure I-2 ci après). L’ eau du barrage, après traitement est pompée au réservoir d’Eschdorf, situé entre EschSur-Sûre et Grosbous, et coule par gravitation vers les différentes zones à alimenter. L’eau potable est distribuée moyennant un réseau d’adduction d’une longueur approximative de 125 km.

- Magalie Soler -



7

Les différents points de fourniture sont : • • • • •

Le Syndicat de Distribution d’Eau des Ardennes (DEA) pour le Nord du pays : Le Syndicat des Eaux du sud (SES) La Ville de Luxembourg Le Syndicat Intercommunal pour la Distribution de l’Eau dans la Région de l’Est (SIDERE) le Syndicat des Eaux du Centre

Figure I-2 Barrage d’Esch-SurSûre et station de traitement

Figure I-3 Les différentes zones alimentées par le SEBES

Au total , le SEBES fournit un tiers de l’approvisionnement en eau du pays et alimente environ 80% de la population luxembourgeoise.

- Magalie Soler -



8

C. Mise en place d’une conduite d’eau potable DN 700 entre Grosbous et Junglinster : Description du projet Le syndicat des Eaux du Barrage d’Esch-sur-Sûre (SEBES) souhaite compléter son réseau principal d’adduction d’eau potable par une liaison entre Préizerdaul (Bettborn) et Junglinster via Mersch. Cette nouvelle conduite permettra d'améliorer la qualité et la capacité du réseau de conduites d'adduction d'eau potable du SEBES. Le projet nécessite la mise en place, sur une longueur d’environ 31 km, d’une conduite d’eau potable de grand diamètre (diamètre nominal de 700 mm) et d’une pression de service allant jusqu’à 3.2 MPa. Son origine se trouve au niveau de la conduite existante du SEBES située sur le territoire de la commune de Préizerdaul (Bettborn) et se raccorde à la conduite existante du SEBES située sur le territoire de la commune de Junglinster, traversant successivement les communes de : • • • • • • • • • • •

Préizerdaul (Bettborn ) Grosbous Useldange Vichten Boevange/Attert Bissen Mersch Lintgen Lorentzweiler Fischbach Junglinster

(cf. figure I-4 ci contre)

Figure I-4 Carte des communes du Grand Duché de Luxembourg Le plan de situation générale de la conduite est fourni en Annexe B La nature de la conduite et le profil du tracé imposent la création d'une quarantaine d’ouvrages:

- Magalie Soler -


Etude de passages spéciaux par forages dirigés et microtunnelier de la conduite d’eau potable DN 700 « Préizerdaul – Junglinster » − − − −

9

1 chambre à vannes de départ 5 chambres à vannes de sectionnement 17 chambres de ventouse 19 chambres de vidange

Il est prévu également de poser plusieurs conduites secondaires d’un diamètre nominal de 300 mm et d’une pression de service allant jusqu’à 3.2 MPa. Ces conduites partiront de la conduite principale pour alimenter le réservoir de Mersch, du SIDERE à Junglinster et un futur réservoir à Greivenknapp (Boevange/Attert). La longueur cumulée de ces conduites est d’environ 3.25km. Par ailleurs, parallèlement à la conduite principale, sera posé un câble, dans une gaine, de télétransmission pour le contrôle et le suivi de l’état de fonctionnement de la conduite. La conduite principale nécessite à trois niveaux le franchissement de plusieurs obstacles importants via des techniques spéciales de travaux sans tranchées (La pose de la canalisation par fonçage sous les routes secondaires n’étant pas prises en compte ici). D. Les travaux de forage dirigé et microtunnelage Le projet de construction de cette nouvelle conduite d’eau potable DN 700 nécessite le franchissement de 3 groupes d’obstacles importants. Il s’agit Entre Bissen et Mersch : du passage de la « Route du Nord », inclus les passages de la route nationale N7 et du ruisseau Wellerbaach sur une distance de 305 m,

Figure I-5 Plan de situation du passage par forage dirigé au niveau de la Route du Nord

- Magalie Soler -



10

Entre Pettingen et Mersch : du passage de la rivière Alzette et de la ligne ferroviaire des CFL (Chemins de Fer Luxembourgeois), inclus les passages de la route nationale N9 et la rue « Am Spangert » sur une distance de 352 m.

0

50

mètres

Figure I-6 Passage par forage dirigé au niveau de la ligne CFL et de l'Alzette Au niveau de Junglinster :Le passage sous la future voie de contournement de Junglinster et la route N11 sur une distance de 95 m.

0

50

mètre

Figure I-7 Passage par microtunnelier au niveau du contournement de Junglinster - Magalie Soler -



11

Le tracé de la conduite ne pouvant contourner ces obstacles, les techniques traditionnelles de pose en tranchée ouverte étant difficilement applicables à ces endroits là, il a alors été envisagé d’utiliser les techniques spéciales de travaux sans tranchées au niveau de ces passages. Plusieurs variantes ont été analysées par le bureau d’études SGI il y a deux ans. Plusieurs techniques et plusieurs tracés ont été comparés. Il est alors ressorti de l’Avant Projet Sommaire que ces franchissements imposaient d’utiliser des techniques de construction spécifiques et adaptées aux obstacles rencontrés, à savoir les techniques de forages dirigés et de microtunneliers. Les travaux de forage horizontal dirigé concerne les deux premiers tronçons et ceux de microtunnelage uniquement le dernier. Les techniques et les tracés retenus (cf. plans de situation et profils en long en Annexe C) ont été évalués comme étant les plus avantageux du point de vue technique, écologique et financier [18,19].

E. Etat d’avancement du projet au début de mon projet de fin d’études Comme il a déjà été mentionné, l’étude du projet sur lequel j’ai participé durant mon PFE a commencé il y a environ sept années chez SGI. Néanmoins l’ingénieur ayant réalisé l’AvantProjet Sommaire concernant les passages spéciaux par forage dirigé ou microtunnelier ne fait plus partie de l’entreprise. Les documents mis à ma disposition ont été plusieurs classeurs rassemblant son travail. Cette personne étant germanophone, beaucoup de ses documents sont en allemand, ce qui n’a pas facilité ma tâche. Le projet de la pose de la canalisation d’eau potable DN 700 entre Préizerdaul et Junglinster a été subdivisé en deux sous-projets principaux: l’un concernant la pose de la conduite en tranchée ouverte (y compris les simples fonçages sous route) et le second se rapportant aux travaux spéciaux sans tranchée. Lorsque j’ai débuté mon PFE au sein de SGI, l’étude du projet concernant la conduite d’eau potable entre Préizerdaul et Junglinster en tranchée ouverte était dans sa phase finale. Les tracés ainsi que les différents ouvrages étaient définis. Les soumissions concernant le terrassement et les ouvrages étaient en cours de réalisation et devaient être prêtes au mois de mars 2007. Le bureau d’étude prévoyait que le terrassement commence au mois de juillet et la construction des ouvrages courant septembre 2007. Durant mon PFE, le choix concernant le matériau à utiliser a été décidé : la fonte ductile. En ce qui concerne les trois passages spéciaux de la conduite par forage dirigé ou microtunnelier, l’avant-projet sommaire avait déjà été réalisé. L’objectif de mon PFE était de continuer les études réalisées au niveau de ces trois passages spéciaux et d’établir l’Avant-Projet Détaillé. Les résultats obtenus à l’issue de mon PFE devant permettre ainsi de passer directement à l’étape des études suivantes, à savoir l’élaboration du « dossier de consultation des entreprises ». F.

- Magalie Soler -



12

Travail réalisé durant le PFE Les différentes étapes de mon travail de fin d’études ont été les suivantes : • • • • • • •

Recherche bibliographique sur les techniques de microtunnelage et de forage horizontal dirigé, Collecte des données de base (réseaux, contraintes propres au projet), Définition de la campagne géotechnique complémentaire (clauses techniques et bordereau de prix) et examen du rapport géotechnique, Confirmation des options retenues au stade APS, Etude des tracés définitifs : planimétrie (situation) et altimétrie (profil en long) en fonction de la technique de franchissement retenue, Dimensionnement de la conduite et des ouvrages à construire, Détermination du phasage des travaux et planning de réalisation.

- Magalie Soler -



II.

13

Les techniques de forage dirigé et de microtunnelage A. Recherche bibliographique

J’ai commencé mon projet de fin d’études en effectuant une recherche bibliographique sur les forages horizontaux dirigés et les microtunneliers. Mes sources bibliographiques ont été principalement la littérature spécialisée, des revues, des sites Internet. J’ai également effectué des recherches auprès de la FSTT (French Society for Trenchless Technology), ’organisme spécialiste de travaux sans tranchées, mais aussi en demandant de la documentation aux entreprises spécialisées. (cf. Bibliographie). Cela m’a permis d’obtenir des contacts avec des personnes qui ont pu m’aider dans mon travail durant la suite de mon PFE. L’ensemble de la bibliographie consultée ainsi que la liste des contacts établis sont consignés dans des classeurs afin que mon travail puisse servir à d’autres personnes de l’entreprise ultérieurement. B. Les avantages des travaux sans tranchée

Les travaux sans tranchée comportent de nombreuses techniques qui s’utilisent aussi bien pour la mise en place d’installations nouvelles : microtunnelage, forage dirigé grande ou moyenne distance, fusée pneumatique, battage de tube… que pour le remplacement de conduites usagées : éclatement de conduite, mange tube…. L’utilisation de ces techniques permet sans conteste de réduire les coûts sociaux des travaux traditionnels de pose de réseaux en site urbain [2]: •

Le Bruit : Les techniques sans tranchée limitent au strict nécessaire l’usage du marteau piqueur et des autres engins.

•

Les Poussières : L’absence d’excavation diminue la poussière.

•

La Discrétion : Les accès des riverains aux commerces n'est pas perturbé.

•

L'Equilibre : Les rivières et les réserves naturelles sont particulièrement sensibles aux tranchées qui bouleversent l’équilibre du milieu. Les techniques de construction sans tranchée permettent d’éviter ces agressions.

•

Les travaux superflus : La pose en tranchée ouverte endommage les chaussées traversées. Les travaux nécessaires pour la remettre en bon état représentent des coûts supplémentaires pour le Maître d’Ouvrage qui sont absents lors de travaux sans tranchée.

•

Le Gaspillage : Lorsqu’une tranchée est excavée, le volume extrait doit être remplacé par des matériaux dits “nobles” extraits de carrières. Outre le fait que leur coût est élevé, ces matériaux se raréfient. Il s’agit donc d’un gaspillage de richesses. Les techniques sans tranchée ne nécessitent quasiment plus de matériaux nobles.

C.

- Magalie Soler -



14

Le forage horizontal dirigé

1. Introduction La méthode du forage dirigé permet de réaliser des installations sans tranchée sur des longueurs pouvant aller jusqu’à 1700 m. Elle permet d'installer une conduite sous un obstacle, comme une route, une voie de chemin de fer, une rivière, voire même sous des complexes industriels sans perturber le milieu environnant. Contrairement à la technique du forage horizontal, la trajectoire courbe d'un forage dirigé permet de faire passer la conduite sous des obstacles en partant de la surface, de sorte qu'aucune excavation importante n'est requise. Cette méthode permet ainsi d’éviter des terrassements importants par rapport aux techniques de pose traditionnelles en tranchée ouverte.

Figure II-1 Passage d'une route par forage dirigé

Le spectre des applications englobe toutes les constructions de conduites : • • • •

les bornes de gaz, le chauffage urbain et l’alimentation en eau potable, l’installation de conduites sous pression dans les égouts, conduites de protection de câbles pour la télévision ou le téléphone, les systèmes d’acheminement du trafic, téléphone d’urgence ou faible, moyenne ou haute tension et les câbles à fibre optique.

La méthode du forage horizontal dirigé est respectueuse de l’environnement et diminue les dommages sur celui-ci. Seuls des dégâts minimes sont causés à proximité de l’unité de forage. Plusieurs raisons expliquent l’utilisation du forage dirigé au centre des villes. Celles-ci sont surtout liées aux coûts de construction, les durées de construction, les procédures d’autorisation, les mouvements de sol, la surface à reconstruire et le trafic, en comparaison avec les méthodes classiques de tranchées ouvertes.

Figure II-2 Passage d'une voie ferrée par forage dirigé

Figure II-3 Passage d'un cours d'eau par forage dirigé

- Magalie Soler -



15

2. Techniques Il existe deux types de forage horizontal dirigé : •

Le forage horizontal dirigé à sec [29,30]: pour des sections inférieures à 200 m et des longueurs d’application allant jusqu’à 240ml. • Le forage horizontal dirigé humide : pour des sections de 100 à 1200 mm et des longueurs d’application pouvant atteindre 1700 ml. Compte tenu des longueurs des forages horizontaux dirigés concernant mon projet de fin d’études, je ne me suis intéressée par la suite qu’à la technique du forage horizontal dirigé humide, appelé par la suite simplement forage dirigé.

3. Les différentes étapes d’un forage dirigé Une opération de forage se déroule généralement de la façon suivante [26]: 1. 2. 3. 4. 5.

Etudes préliminaires, planification Sélection de l’unité de forage et des outils Forage pilote Alésage Mise en place de la conduite

a) Etudes préliminaires Une opération de forage horizontal dirigé bien planifiée inclue les études préliminaires de la zone où passera la conduite. Il s’agit notamment de déterminer la nature des sols rencontrés mais également d’identifier de détecter les réseaux existants. L’application de bentonite pouvant soulager le forage pilote et la traction de la conduite, l’expérience a prouvé que la technique du forage dirigé ne peut pas se faire dans des conditions de sol difficiles avec des composantes à gros grains, des inclusions de rocher importantes ou des déblais de matériaux de construction.

b) Choix de la machine de forage Le choix de l’unité de forage dépend du diamètre de percement, du diamètre de la conduite à installer et de la qualité du sol rencontré. Les machines de forage sont classées en 4 catégories selon leur force de traction maximale comme l’indique le tableau II-1 ci dessous [3]. Type de machine Machines de forage Machines de forage Machines de forage Machines de forage

mini midi maxi méga

Force de traction maximale 150 kN 400 kN 2500 kN >2500 kN

Tableau II-1 Caractéristiques des différentes machines de forage

- Magalie Soler -



16

Le tableau II-2ci-dessous résume les différentes caractéristiques des machines de forage. Type de machine

Couples

Masse

Mini

10 à 15 kN.m

10 t

Midi Maxi

Méga

Applications

Distribution en zone urbaine Pose de tubes PE ou câbles 15 à 30 kN.m 10 à 25 t Tous terrains 30 à 100 25 à 60 t Canalisations de grandes dimensions kN.m et forages de grandes longueurs Traversées de cours d’eau, de voies ferrées, d’importants croisements routiers >100 kN.m >60 t Longueurs de forage et diamètre de trous hors norme. Tableau II-2 Caractéristiques des machines de forage c) Forage du trou pilote

Le forage du trou pilote consiste à faire pénétrer dans le sol un train de tiges sous l’action combinée de la poussée et de la rotation d'une tête de forage, équipée à son extrémité d'une tête d'usure adaptée à la nature du terrain : Figure II-4 Tête d’usure munie • Bec de canard pour les sols tendres, de pics au carbure (Rhino Rock • Pics au carbure pour les roches dures (cf. figure II-4 Bit- Ditch Witch) ci-contre) • Tricône acier ou au carbure pour les roches dures à très dures Cette tête est équipée de buses permettant l’injection d’eau ou de boue de forage. Cette dernière joue plusieurs rôles : lubrifier l'outil, consolider le tunnel et favoriser l'évacuation des déblais. Au fur et à mesure de la progression de l'ensemble, des tiges, d'une longueur variable selon la foreuse, sont ajoutées. Pendant cette étape la trajectoire est suivie et contrôlée. Une sonde émettrice, placée à l'intérieur de la tête de forage permet en effet de communiquer en permanence à l'opérateur, en surface, des informations concernant sa profondeur, sa position, son inclinaison et son orientation. La transmission des informations se fait par ondes électromagnétiques. Ces informations permettent à l'opérateur de guider le forage. En effet, la partie antérieure de la tête n'étant pas symétrique, il est possible de modifier sa trajectoire en exerçant une poussée sans rotation du train de tiges. Dès que la modification du cap souhaité est obtenue, il suffit de reprendre la rotation pour que la trajectoire de la tige redevienne rectiligne.

Figure II-5 Illustration du forage pilote

- Magalie Soler -



17

d) Alésage

(1) Principe

Figure II-6 Illustration de l'alésage Une fois que le forage pilote a été réalisé, la tête de forage est démontée. Un aléseur adapté à la nature du sol et au type de conduite à poser est installé à l'extrémité du train de tiges. Le forage pilote est alors agrandi en fonction du diamètre des tuyaux à installer. Selon la nature du terrain et le diamètre de la canalisation, un ou plusieurs alésages successifs sont nécessaires pour arriver au diamètre définitif. Le paragraphe (IV-3-c-2) explique comment déterminer les séquences d’alésage. Les aléseurs, tout comme la tête de forage, lors du forage pilote, sont équipés de gicleurs d'injection de boue de forage.

(2) Choix de l’aléseur Le choix du type d’aléseur à utiliser dépend du type de terrain traversé. Il existe différents modèles, chacun étant plus particulièrement adapté à un type de sol. Les plus couramment utilisés sont les suivants :

(a) Aléseur à ailettes ou couronnes L’aléseur à ailettes est adapté aux matériaux homogènes (argile, sable compact). Il est muni de dents qui les découpent en copeaux et les mélangent au liquide de forage, formant ainsi une boue. Celle-ci est ensuite évacuée facilement vers l’arrière.

Figure II-7 Aléseur à ailettes

- Magalie Soler -



18

(b) Aléseur à spirales compactants L’aléseur à spirales compactant est adapté aux sols hétérogènes. Les spirales permettent d’évacuer les cailloux et les graviers en les comprimant vers l’extérieur.

Figure II-8 Aléseur à spirales compactant

(c) Aléseur à goujures L’aléseur à goujure est l’un des aléseurs les plus polyvalents. Sa forme hélicoïdale lui permet de compacter le sol alors que ses pics, gicleurs et goujures permettent de mélanger la boue et de l’évacuer vers l’arrière.

Figure II-9 Aléseur à goujures

(d) Aléseur à molettes L’aléseur à molettes est adapté aux terrains rocheux. Les molettes sont en acier ou en carbure selon l’abrasivité de la roche.

Figure II-10 Aléseur à molettes

(e) Aléseur à piston L’aléseur à piston est utilisé en phase finale lors du tirage de la conduite. Il permet de lisser les parois du tunnel.

Figure II-11 Aléseur à piston suivi de la canalisation à tirer

- Magalie Soler -



19

e) Le tirage du tuyau

Figure II-12 Illustration du tirage de la conduite Préalablement à cette phase, les tuyaux sont assemblés et contrôlés en surface. Le mode d’assemblage dépend du type de tuyaux : par exemple, les tuyaux en acier sont soudés alors que les tuyaux en fonte sont assemblés à l’aide d’un système de verrouillage. La conduite ainsi réalisée est ensuite mise en place sur une rampe de tirage équipée de rouleaux ou mise en flottaison à l’intérieure d’une tranchée remplie d’eau. Ces différents dispositifs ont pour but de diminuer les frottements lors du tirage. Lorsque l’alésage final est terminé, la canalisation, qui peut être soit la conduite finale, soit une gaine destinée à recevoir une ou plusieurs conduites, est attachée derrière l’aléseur et est ensuite tractée jusqu'au point d'entrée. Moyennant des outils et une mise en œuvre adaptés, il est possible de tirer plusieurs conduites simultanément, évitant ainsi la pose d’un fourreau.

4. Fluides de forage Les fluides de forage utilisés lors d’un forage horizontal dirigé ont plusieurs rôles [3]: • Maintenir les déblais en suspension et assurer leur évacuation par voie hydraulique, • Garantir la stabilité du forage et consolider les parois du trou de forage, • Lubrifier et refroidir les outils et trains de tiges • Faciliter le creusement Les fluides de forage sont soit des bentonites, soit des polymères hydrosolubles. Leurs compositions dépendent principalement de la nature du terrain. Selon les quantités à utiliser, les entrepreneurs peuvent décider de ne travailler qu’avec des fluides de forage propres ou alors de mettre en place un poste de traitement et de recyclage. En général, les boues de forage passent tout d’abord à travers des tamis vibrants qui séparent les sables puis les limons de la fraction fine. Puis des cyclones éliminent les éléments les plus fins par centrifugation. Après vérification de sa composition chimique, Le fluide ainsi obtenu peut alors être réutilisé. D.

- Magalie Soler -



20

Le microtunnelage

1. Définition La Société Internationale des Travaux Sans Tranchées ( ISTT) définit le terme microtunnel de la façon suivante : « Tunnel réalisé par poussage d'une conduite ayant un diamètre nominal intérieur ne permettant pas le passage d'un homme, et construit par une méthode mécanisée d'excavation du sol avec un marinage sorti par le microtunnel lui-même. »

2. Introduction Le microtunnelage est une technique de pose de canalisations de diamètre compris entre 400 et 1600 mm. Apparue au Japon dans les années 50, l’Allemagne emprunte cette technique dès cette époque. Il faut attendre 1989 pour que les premiers essais de microtunneliers débutent en France [4]. Les canalisations mises en place sont le plus souvent en béton armé. Néanmoins d’autres matériaux sont utilisés, de façon plus marginale : l’acier, le grès et le plastique renforcé par du verre (PRV). Leurs utilisations sont diverses [5]: • • •

Réseaux d’eau potable : le matériau généralement mis en œuvre est le béton armé avec âme tôle, Réseaux d’assainissements ou de transport d’eau pluviale : Suivant le fluide transporté, les conduites sont généralement en béton armé et quelquefois en PRV, Gaines techniques pour des câbles ou conduites : ces ouvrages sont considérés comme des fourreaux non visitables.

Tout comme le forage dirigé, cette technique permet de réaliser des travaux sans tranchées mais sa mise en œuvre est différente. En effet, contrairement au forage dirigé, le forage s’effectue à partir d’un puits et la trajectoire du microtunnelier est le plus souvent horizontale. Il est possible cependant de réaliser des profils en long inclinés montant ou descendant avec des inclinaisons allant jusqu’à 10 %.

3. Principe Le principe de fonctionnement d’un microtunnelier dérive de celui d’un tunnelier classique de grand diamètre, à attaque globale. Le tunnelier progresse dans le terrain sous l’action de vérins de poussée disposés à l’abri du bouclier entre la tête de forage et les anneaux de soutènement mis en place successivement au fur et à mesure de l’avancement. En ce qui concerne le microtunnelier, au contraire, la tête de forage et son bouclier sont poussés vers l’avant par le train de tubes grâce à des vérins installés dans un puits d’attaque.

- Magalie Soler -



21

Figure II-13 Schéma d'un chantier de microtunnelage a) Puits d’entrée et de sortie du microtunnelier La technique du microtunnelage nécessite la construction de deux puits : • Le puits d’entrée, ou puits d’attaque qui est le puits à partir duquel va être creusé le microtunnel. Son diamètre doit être suffisamment important pour permettre le passage du microtunnelier, du système de marinage, des éléments de canalisation qui sont poussés les uns après les autres, des deux vérins de poussée et du personnel. Les vérins de poussée sont disposés dans ce puits et viennent s’appuyer sur un massif de butée. Leur rôle est de pousser l’ensemble machine-canalisation. Le terrain situé à l’arrière du massif de butée doit donc avoir de bonnes caractéristiques de résistance. Dans certains cas, par exemple en terrain meuble, il peut être nécessaire de procéder à des injections de consolidation. •

Le puits de sortie, lui, ne sert lui qu’à la récupération de la tête d’attaque et sa dimension n’est limitée que par la dimension du microtunnelier. La forme de ces puits peut être ronde, ovale ou rectangulaire. Toutes les techniques classiques sont utilisées pour la réalisation des puits [6]: • • • •

méthode traditionnelle par blindage bois ou métallique ; rideaux de palplanches ; havage de buses préfabriquées ; parois moulées

- Magalie Soler -

Figure II-14 Photo d'un puits d'entrée


Etude de passages spéciaux par forages dirigés et microtunnelier de la conduite d’eau potable DN 700 « Préizerdaul – Junglinster » • •

22

jet grouting ; béton projeté avec ou sans clouage.

Pour les puits circulaires, les dimensions minimales sont généralement de 3,50 m pour des microtunneliers de diamètre inférieur à 800 mm et 5 à 11 m pour des diamètres supérieurs à 800 mm. b) Insertion de tuyaux dans le puits d’entrée Progressivement, des tuyaux, de longueur égale à l’allongement des vérins de poussée sont introduits dans le puits d’entrée et l’ensemble forme de la tête d’attaque et des tuyaux est poussé par les vérins. Les éléments s’emboîtent alors pour former la canalisation. c) Guidage de la trajectoire Au dessus du puits d’entrée, un poste de pilotage ajuste à l'avance la trajectoire de la tête d'attaque guidée par un laser (la précision est de l'ordre de 25 mm de déviation de part et d'autre de la ligne droite pour 100 m), celle-ci ajustant sa direction par des vérins d'articulation.

4. Les differents systèmes de microtunnelage Il existe plusieurs différents types de machine pour creuser des tunnels de diamètre compris entre 400 et 1800 mm: • Les machines sans confinement : à front ouvert • Les machines à pression de terre : qui utilisent le terrain excavé mélangé à de l’eau enrichie ou non de polymères . • Les machines à pression de boue : qui injectent une boue à base de bentonite au front de taille afin de tenir le terrain excavé • Les machines de creusement en roche dure : dont la tête du microtunnelier est renforcée par l’adjonction de molettes. Ce qui les différencie également les systèmes de microtunnelage est la façon dont sont transportés les déblais de la chambre de concassage vers la surface : le marinage. Celui-ci s’effectue en effet, à l’intérieur des tuyaux posés de trois manières différentes : a) Marinage pneumatique Les déblais sont aspirés du front de taille vers un réservoir étanche par une dépression d’air créée par une pompe à vide. Ce type de marinage peut être utilisé dans les sols noncohérents à peu cohérents (terrains argilo-graveleux) et dans des terrains qui se situent au dessus de la nappe phréatique. Il convient mal aux sols cohérents (argiles compactes) qui obturent le tuyau d’aspiration. Ce marinage peut néanmoins être utilisé dans ce type de sols si on l’associe à l’injection d’eau sous haute pression ou d’air comprimé au niveau des outils pour découper les terrains, mais son efficacité est sensiblement diminuée. Ce type de marinage est très peu utilisé en France.

- Magalie Soler -



23

b) Marinage à vis sans fin Les déblais sont évacués de la chambre d’abattage à l’aide d’une vis d’Archimède vers un tapis roulant ou directement dans un wagonnet situé dans le puits de poussée. Ce type de marinage peut être utilisé dans les sols non-cohérents et dans les argiles raides. Le diamètre des grains pouvant être excavés dépend du diamètre intérieur des tuyaux foncés. Le maximum est en général de 70 mm. Le diamètre de la vis doit être adapté au diamètre maximal des grains, et ce, afin que leur transport s’effectue sans problème. Ce type de marinage présente l’avantage de ne pas nécessiter l’installation de traitement des déblais, puisqu’ils peuvent être évacués dans l’état même où ils sortent de la machine. La présence d’une fraction sableuse trop importante risquant de se consolider dans la vis, ou d’une argile collante peut engendrer des difficultés de marinage. Il faut alors ajouter des additifs sous forme liquide ou de mousse pour faciliter le marinage. Des difficultés peuvent également apparaître lors de l’évacuation de gros blocs. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Roue de coupe Outils Chambre de concassage Vis de concassage Buses d’injection d’eau Roulement principal Entraînement de la roue de coupe Vérin de poussée Vis de marinage Cible Rayon laser Bloc de vanne

Figure II-15 Principe d'un microtunnelier à marinage à vis (AVN 800-1200 Herrenknecht)

c) Marinage hydraulique Les déblais sont mis en suspension dans un fluide en circulation et sont ensuite évacués vers l’extérieur. Le fluide injecté dans la chambre d’abattage peut être de l’eau claire ou de la bentonite. La suspension est évacuée à travers les tuyaux de marinage jusqu’à un bac de décantation où les déblais sont séparés du fluide. Le fluide ainsi obtenu est ensuite réutilisé comme liquide de marinage. Ce type de marinage est bien adapté aux terrains granulaires (sables et graviers) et dans les limons. Il peut être utilisé dans les terrains argileux plastiques (présentant des risques de collages et conduisant au colmatage de la chambre d’abattage et/ou à l’obturation des canalisations de marinage) avec un fluide de marinage et des additifs tels que les polymères appropriés au type de terrain rencontré. Ce marinage a l’inconvénient de devoir mettre en place une installation de séparation des déblais, ce qui est plus coûteux.

- Magalie Soler -



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

24

Roue de coupe Outils Chambre de concassage Buse d’injection Roulement principal Entraînement de la roue de coupe Joint d’articulation Vérin de poussée Conduite de marinage Conduite d’alimentation Cible Rayon laser Bypass Bloc de vanne

Figure II-16 Principe d'un microtunnelier à marinage hydraulique (AVN 250-700 Herrenknecht)

d) Récapitulatif Le tableau ci-dessous indique le choix de la machine de marinage en fonction du type de sol rencontré Argiles Machines à marinage

Galets

Graviers

Sables

Limons

Hydraulique A vis Pneumatique

** O O

** * **

** ** **

** ** **

Peu Plastiques plastiques (IP>30) (IP<30) ** * *

* O *

** : machine bien adaptée; *machine pouvant convenir; O machine déconseillée Tableau II-3 Choix des machines en fonction des types de terrain à excaver

5. Choix des équipements Quelque soit le type de marinage utilisé, la tête de la machine est munie d’une roue de coupe et d’un cône de concassage. Les outils de la roue de coupe permettent l’abattage du terrain sous l’action conjuguée de la rotation et de la poussée. Le cône de concassage réduit les blocs importants en morceaux suffisamment petits pour qu’ils puissent être transportés par le circuit de marinage. Les têtes de coupe doivent être choisies par l’entrepreneur en fonction du type de sol rencontré et adapté aux fonctionnalités recherchées.

- Magalie Soler -



25

Si le type de sol rencontré est constitué d’argiles, la tête de coupe doit permettre d’éviter le collage des argiles. En effet, pour un indice de plasticité IP supérieur à 30 environ, les copeaux de terrain découpés par la tête ont tendance à s’agglomérer, formant alors un mélange pâteux. Ceci conduit alors à une augmentation du couple de rotation de la tête, voire des bouchons dans celle-ci et le système de marinage. Pour les sols cohérents (limons, argiles, marnes), les roues de coupe sont munies d’outils appelés « couteaux » ou « pics » capables de découper le terrain rencontré. Le broyeur n’est dans ce type de sol nécessaire que si l’argile présente de gros blocs. La tête de coupe est généralement très ouverte afin que le terrain puisse bien entrer dans la chambre, notamment s’il s’agit d’argiles collantes qui ont tendance à s’agglomérer. Des buses d’injection peuvent, pour faciliter l’évacuation des argiles collantes, injecter de l’eau sous haute pression sur la roue et dans la chambre d’abattage afin d’éviter le collage de l’argile et le colmatage du circuit de marinage. Pour les terrains rocheux ou contenant de gros blocs, les têtes de coupe sont munies de molettes, qui, sous l’action de la poussée broient la roche.

- Magalie Soler -



III.

26

Définition de la campagne géotechnique

La pose de canalisation par forage dirigé ou microtunnelier nécessite la connaissance préalable des types de sols rencontrés lors du forage. Ceci est obligatoire pour déterminer le type de matériel à utiliser, mais également pour prévoir et éviter des incidents. En effet, les différentes machines ne réagissent pas de la même manière en terrain sableux ou argileux ou face à des obstacles rocheux ou des terrains hétérogènes. En ce qui concerne les microtunneliers, par exemple, il est à noter que les machines sont monotaches. En cas de disparité géologique, des puits de travail intermédiaires doivent être prévus au niveau des accidents géologiques pour adapter les outils de la roue de coupe. Il est également nécessaire de connaître avec précision l’emplacement des différents réseaux, et ce afin de prévoir une trajectoire de forage adaptée pour ne pas les détériorer. Dans l’objectif de minimiser les risques dus au type de sol rencontré et de juger définitivement sur la faisabilité du projet il est nécessaire de réaliser une analyse plus approfondie du sol. Il m’a donc été confié de définir une campagne géotechnique complémentaire. Elle doit permettre, à partir des résultats obtenus, de rédiger un mémoire de synthèse géotechnique qui sera par la suite joint au dossier de consultation d’entreprises (DCE) avec les résultats de la campagne (sondages, essais…). Celui-ci devra résumer les conditions géotechniques du projet tout en signalant et délimitant les points sur lesquels des incertitudes demeurent. Plus le dossier géologique remis aux entreprises est complet, plus les marges pour aléas incorporées dans leur devis seront petites. A. Recherche de données antérieures

Lors de l’étude d’une pose de réseaux par des travaux sans tranchées, il faut consulter des documents antérieurs pour : • •

Localiser les réseaux ou obstacles souterrains actuels ou hors d’usage Evaluer le niveau maximal que la nappe pourra atteindre pendant l’exécution des travaux. En effet, le niveau de la nappe pouvant varier de façon importante lors d’évènements tels que les intempéries, les crues ou l’arrêt de captage à proximité, il serait dangereux de ne se fier qu’aux seules cotes piézométriques relevées lors des sondages de reconnaissance.

Les documents à consulter sont les suivants [7]: • Cartes géologiques • Banques de données de sondage • Dossiers d’ouvrages antérieurs • Cartes des concessionnaires • Vieux plans, archéologie Il faut également estimer les surcharges. Celles-ci sont de deux types : • Les charges permanentes, transmises par les fondations des bâtiments • Les surcharges dues à la circulation Les emplacements des différents réseaux ont déjà été défini lors de l’étude initiale par mon prédécesseur, la première étape de mon travail a alors consisté à rassembler des informations sur les études de sols déjà réalisées le long du tracé de la conduite.

- Magalie Soler -



27

Aucun bâtiment ne se trouvant à proximité des passages spéciaux, les surcharges à calculer seront uniquement dues à la circulation. B. Réalisation de profils géologiques Grâce aux descriptions de coupes de sols réalisés lors de précédents sondages et de la carte géologique, on peut établir une estimation des profils géologiques se situant au niveau des différents passages spéciaux.

1. Projection des coupes de sols Une campagne géotechnique a été réalisée en Novembre 2002. Celle-ci visait à connaître la nature des sols au niveau du tracé projeté. Néanmoins, depuis, le tracé de la conduite a été quelque peu modifié. Il en découle alors que les sondages effectués en 2002 ne se situent plus aujourd’hui exactement sur le tracé de la conduite au niveau des passages spéciaux à étudier. Les distances varient de 2 à 230 m par rapport à l’axe de la conduite. Ces distances étant relativement faibles, il est assez probable, en supposant la continuité des couches de part et d’autre du tracé., que les sols rencontrés lors des sondages de 2002 soient similaires au niveau du nouveau tracé de la conduite. En projetant les coupes de sols obtenues lors des sondages sur le profil en long de la conduite, on peut ainsi reconstituer en partie le profil géologique au niveau des passages spéciaux. Dans l’exemple ci –dessous (figure III-1), au niveau de l’Alzette, on peut ainsi supposer que les couches rencontrées seront des limons et des argiles. Ceci ne permet pas de déterminer précisément la position des différentes couches de sol que l’on peut rencontrer lors du passage de la conduite, mais peut s mettre en évidence des discontinuités ou des endroits particuliers à étudier en détail.

Figure III-1 Exemple de profil géologique

- Magalie Soler -



28

Les sondages situés à proximité des passages spéciaux, effectués pour SGI, en moyenne de 3 pour chaque passage, ne descendaient pas assez en profondeur. Les conclusions faites uniquement avec ces informations auraient été trop imprécises. Les informations données par le service géologique du laboratoire des Ponts et Chaussées luxembourgeois, notamment les descriptions de coupes de sols issues de sondages existants plus profonds et plus proches des passages spéciaux ont alors été d’une grande aide et ont permis d’avoir une vision plus claire des différents types de sols rencontrés.

2. Etude de la carte géologique et détermination des épaisseurs des couches de sols La carte géologique est une carte topographique sur laquelle sont reportées en couleur des informations sur les terrains de surface (lithologie, âge) et sur les structures. Elle est utile pour estimer les différentes épaisseurs des couches de sols. Pour réaliser cette étude, je me suis basée sur la carte géologique établie en 1983 par le service géologique de l'Administration des Ponts et Chaussées luxembourgeois (Feuille n°8, Mersch 1 :25000). Après l'étude des différentes coupes de terrain fournies par cette carte, j'ai fait l’hypothèse que toutes les couches de terrain étaient sub-horizontales (très faible pendage SE) dans les calculs de leurs épaisseurs. On peut ainsi à partir de coupes géologiques, en connaissant l’altitude de la base et du toit d’une couche, déterminer approximativement son épaisseur. L’épaisseur de la couche de terrain que l’on souhaite connaître est alors déterminée en effectuant la moyenne des épaisseurs trouvées sur les différentes coupes. A l’aide de la carte géologique, il est également possible de déterminer à quelles profondeurs se situent les différentes couches géologiques. Ceci nous permet ainsi de savoir quels types de formations sont susceptibles d’être rencontrés au cours des forages. Les profils géologiques réalisés grâce aux sondages effectués en 2002 sont alors un moyen de vérifier si les hypothèses faites quant aux types de formations que l’on pourrait rencontrer sont exactes. a) Passage spécial par forage dirigé sous la route N7, la route du Nord et le Wellerbaach Le forage dirigé se situe dans le Keuper moyen. Les coupes effectuées d’après la carte géologique indiquent pour cette formation une épaisseur d’environ 82 m. Le toit du Keuper moyen se situe à une altitude d' environ 277 m au niveau du Beisenerbierg (proche du passage). On peut donc estimer que sa base se situe à une altitude d'environ 195 m. Le forage dirigé atteignant à son niveau le plus profond la cote 203 m, on peut donc supposer que la totalité du forage va se trouver dans le Keuper moyen caractérisé par les formations suivantes: •

Marnes rouges gypsifères et Grès à roseaux : grès dolomitique gris-vert avec intercalations de lentilles conglomératiques et de marnes, vers le toit marnes rougesgrises, rares bancs de grès ; gypse, concrétions calciques.

•

Keuper à pseudomorphoses de sel : alternance de marnes rouges et vertes et de grès avec niveaux gréso-conglomératiques en partie fortement dolomitiques.

Les couches se situant en dessous du keuper moyen 1, dont les probabilités d’être rencontrées sont faibles, sont respectivement la dolomite limite et les marnes bariolées. Le forage dirigé traverse également ces formations sous le Wellerbaach. S'agissant d'un ruisseau, l'épaisseur des alluvions y est négligeable.

- Magalie Soler -



29

b) Passage spécial par forage dirigé sous la ligne CFL, l’Alzette, la route N9 et la rue « Am Sprangert » D’après la carte géologique, le forage dirigé va s’effectuer en grande partie dans les alluvions mais ni la carte, ni les sondages actuels ne nous permettent de déterminer l'épaisseur de ces alluvions. Il faudra donc réaliser des sondages plus profonds qui dépassent la profondeur du forage pour déterminer l'épaisseur de ces alluvions. En l'absence d'alluvions, les terrains traversés par le forage seraient des marnes bariolées et du grès (à préciser ). c) Passage spécial par microtunnelier sous le contournement de Junglinster et la route N11 D'après la carte géologique, le microtunnelage s'effectue dans les Grès du Luxembourg (li2). La présence de sable en surface, observée lors des sondages réalisés en 2002, indique que ces grès ont été fortement altérés en surface. Sous cette formation gréseuse, on rencontre les Couches à psiloceras planorbe composées des marnes gris foncé et de bancs de calcaires gréseux. Les coupes réalisées d’après la carte géologique indiquent pour cette formation une épaisseur d'environ 8 m. Le toit de la formation au niveau du passage de la conduite par microtunnelier se situe à une altitude d'environ 340 m et en extrapolant on peut estimer la base de la formation à environ 332 m. Les formations des couches à psiloceras planorbe (li1) reposent elles-mêmes sur les formations du Rhétien supérieur(ko2) composées d’argiles feuilletées rouges et du Rhétien inférieur (ko1) composées d’argiles feuilletées noires, de conglomérats et de grès. L’épaisseur totale de ces deux formations est d’environ 5 m.

3. Récapitulatifs concernant les types de sols rencontrés En superposant les informations obtenues à l’aide des descriptions de coupes de sols et de la carte géologique, on peut estimer quelles seront les couches rencontrées lors des forages. Cette superposition permet d’affiner et de compléter les coupes géologiques au droit des passages spéciaux. a) Passage spécial par forage dirigé au niveau de la route du Nord Les sondages S23, S24, S26 et le LPC 18 indiquent que le forage s’effectuera dans une couche d’argiles marneuses puis dans les marnes, ce qui est en cohérence avec la carte géologique. Le sondage S24 est pris comme sondage de référence pour déterminer les épaisseurs des différentes couches : couche d’argiles jusqu’à une profondeur de 7,60 m puis couche de marnes b) Passage spécial par forage dirigé au niveau de la ligne CFL et de l’Alzette Tous les sondages S situés à proximité du tracé indiquent que le forage s’effectuera dans les limons argileux puis dans les argiles limoneuses. Le sondage S32 est pris comme référence pour délimiter les épaisseurs de couches : limons jusqu’à 7,90 m de profondeur

- Magalie Soler -



30

puis argiles. Le sondage LPC indique néanmoins la présence d’une couche de gravier puis de grès à proximité de l’Alzette. La présence de ces couches sera à vérifier lors de la campagne géotechnique complémentaire. c) Passage spécial par microtunnelier au niveau du contournement de Junglinster En superposant le profil géologique réalisé au niveau du passage de la conduite par microtunnelier et les sondages réalisés par exemple, on constate qu’il y a une cohérence entre l’épaisseur supposée des Couches de psiloceras. Néanmoins, on s’aperçoit qu’il y a un léger décalage entre les hauteurs présumées de couches. Cette absence de superposition parfaite provient sans doute du fait que les différentes couches ne sont pas tout à fait subhorizontales. Le sondage du Laboratoire des Ponts et Chaussées luxembourgeois, réalisé à proximité du forage, étant plus précis que la carte géologique, les niveaux des différentes couches trouvés grâce à cette dernière sont alors abaissés de quelques mètres.

Figure III-2 Superposition des épaisseurs de couches calculées d'après la carte géologique avec les descriptions des coupes de sols au niveau du passage par microtunnelier L’ensemble des profils géologiques retenus se trouve en Annexe D.

- Magalie Soler -



31

4. Détermination des différents niveaux d’eau à proximité des passages spéciaux

a) Passage Route du Nord Le niveau d’eau à proximité du Wellerbaach est fixé sécuritairement égal au niveau maximal des plus hautes crues : 233,50 m (atteint le 23/03/2005). A l’ouest de la route du Nord, le niveau de la nappe phréatique se trouve approximativement à 5 m au dessous du terrain naturel, comme le montrent les sondages S23 et S24 (cf Annexe E). En traçant ce niveau d’eau sur le profil géologique, on se rend compte que celuici est le même que le niveau des plus hautes crues du Wellerbaach. On constate d’après le plan de situation que le Wellerbaach passe également à l’Ouest de la route du nord, à proximité de la zone PIPE (cf. paragraphe IV-B-8) du forage dirigé. Néanmoins, après étude des courbes de niveaux, on se rend compte que le talus de la rivière à cet endroit a un niveau inférieur au niveau du terrain naturel sur la zone PIPE. Ainsi, les deux systèmes sont indépendants. La hauteur d’eau au niveau du forage dirigé n’est donc pas influencé par ce bras de la rivière. Par conséquent, le niveau d’eau à proximité de la route du Nord est fixé égal à 233,50 m.

b) Passage ligne CFL et Alzette Le niveau d’eau dans les terrains se situant sur ce passage peut être évalué sécuritairement grâce à la connaissance de la limite de la zone d’inondation. Celle-ci se situe à environ 215,25 m d’altitude.

c) Passage contournement de Junglinster Les sondages S80 et S81 situés à proximité du passage du microtunnelier indiquent respectivement des niveaux d’eau à 0.70 et 1 m de profondeur. On peut ainsi faire l’hypothèse sécuritaires que la hauteur de la nappe au niveau de ce passage spécial se situe à environ 1 m de la surface du terrain naturel. Un système d’évacuation de l’eau sera donc à prévoir quasiment dès le début des travaux d’excavation des puits. Le sondage S81 (cf. Annexe E) laisse envisager de possibles arrivées d’eau au niveau du passage du microtunnelier. Celles-ci seront ou non à confirmer lors de la campagne géotechnique complémentaire. Elles n’ont toutefois pas été prises en compte lors de cette étude. Il est également à noter à titre indicatif que la hauteur d’eau atteinte à la fin du forage lors du sondage S81 réalisé en 2002 est de 2.50 m. C.

- Magalie Soler -



32

Définition de la campagne géotechnique

La campagne géotechnique complémentaire a pour but d’affiner les connaissances et contrôler les hypothèses émises lors de la réalisation des profils géologiques. Elle pourra permettre de détecter des anomalies, ou du moins de suspecter leur présence. Elle doit également servir aux entrepreneurs qui réaliseront les passages spéciaux pour déterminer les outils et les techniques de forage [33].

1. Contenu D’après la FSTT [3,4], il est recommandé d’effectuer une reconnaissance géophysique du sol préalable à la reconnaissance géotechnique. Néanmoins, en ce qui concerne ce projet, des sondages ayant déjà été effectués à proximité du tracé ; les types de sols qui seront rencontrés lors des sondages complémentaires sont a priori connus. De plus, pour ces passages spéciaux, suite aux profondeurs importantes des forages et à leur situation en campagne, des obstacles artificiels (anciennes fondations par exemple) détectables par radar par exemple sont peu probables. La définition de la campagne de reconnaissance de sol que j’ai définie est donc uniquement géotechnique.

2. Clauses techniques a) Emplacement et profondeurs des différents sondages D’après les recommandations de la FSTT [3,4] un sondage est nécessaire au droit de chaque puits ou chaque début de forage, avec pour chaque tronçon une distance moyenne entre sondage de l’ordre de 30 à 50 m. Les sondages entre les extrémités doivent être implantés le long du tracé décalés en quinconce entre 2 et 5 m de l’axe prévu. Les sondages doivent descendre 2 à 5 m sous le niveau de la trajectoire prévue. b) Essais à réaliser Les différents essais à réaliser sont les suivants [7, 27]: • Sondages carottés • Identification des sols : Analyse granulométrique Limites d’Atterberg, teneur en eau Valeur au bleu de méthylène Essais de résistance à l’abrasion • Essais pressiométriques • Essais triaxiaux CU avec détermination de u • Essais de compression simple et de résistance à la traction (essai brésilien) • Essais de perméabilité • Mise en place de piézomètres

- Magalie Soler -



33

c) Normes Il n’existe pas de normes propres au Grand Duché de Luxembourg. Les normes applicables au Luxembourg sont en priorité les normes européennes. Si aucune norme européenne n’existe, les normes à appliquer sont les normes française (NF) ou allemande (DIN). d) Intérêt des essais Le tableau ci-dessous décrit l’intérêt des différents essais à réaliser : Essais

Forages dirigés

Sondages carottés

Nature du terrain Echantillons pour essais en laboratoire Sol potentiellement stable par boue de forage ou non Débit fluide de forage Traitement boues de forage (décantation simple ou désableur) Choix aléseur Aptitude au guidage Tendance à l’agglomération dans le circuit de marinage et colmatage de la boue de forage Détermination des caractéristiques du fluide de contrôle Aptitude au collage des argiles Choix du type de marinage

Analyse granulométrique

Limites d’Atterberg WL, WP, IP

Teneur en eau w Valeur au bleu de méthylène Aptitude au collage des argiles Essais de résistance à Usure de la tête et des tiges l’abrasion de forage Choix des têtes de forage Essais pressiométriques EM, pl Essais triaxiaux CU + u Essais compression simple Essais de résistance à la traction Piézomètre

Perméabilité

Choix des têtes de forage Stabilité des fouilles Choix outils adaptés Estimation des vitesses d’avancement

Microtunnelage

Usure têtes de coupe Effort de frottement Dimensionnement puits et massif de réaction Comportement du terrain lors de l’excavation Dimensionnement puits Stabilité de l’excavation Choix disques de coupe Usure têtes de coupe

Détermination des caractéristiques (composition, volume, débit) des fluides de forage Dimensionnement des puits Détermination des caractéristiques (composition, volume, débit) des fluides de forage Dimensionnement des puits Tableau III-1 Intérêts des différents essais à réaliser

Le but de ces essais est de déterminer les caractéristiques géotechniques des terrains rencontrés mais également de mettre en évidence des zones d’hétérogénéité.

- Magalie Soler -


Etude de passages spéciaux par forages dirigés et microtunnelier de la conduite d’eau potable DN 700 « Préizerdaul – Junglinster » Les clauses techniques et le bordereau complémentaire sont donnés en Annexe F.

de

prix

de

la

campagne

34

géotechnique

3. Estimation du prix Pour un projet de microtunnelage ou de forage dirigé, le coût des reconnaissances est égal à 5 à 15% de celui des travaux. A l’aide des prix unitaires connus pour certains essais et prestations, on peut évaluer quel sera le prix de la campagne géotechnique complémentaire à réaliser. Compte tenu des essais demandés et de leur nombre, une première estimation montre que le coût de la campagne géotechnique complémentaire s’élèverait à environ 120 550 euros HT. Ce prix se décompose de la façon suivante : Passage par forage dirigé « Route du Nord »

Passage par forage dirigé « Ligne CFL et Alzette »

31 450 €

43 730 €

- Magalie Soler -

Passage par microtunnelier « Contournement de Junglinster » 45 370 €



IV.

35

Caractéristiques du projet concernant les passages par forage dirigé et microtunnelier

A. Technique du forage horizontal dirigé et choix concernant le projet

1. Rappels : Types de sols rencontrés D’après les sondages réalisés en 2002 et les informations fournies par le service géologique du laboratoire des Ponts et Chaussées Luxembourgeois, les hypothèses selon lesquelles les forages horizontaux dirigés s’effectueraient : • Dans les limons argileux puis dans l’argile limoneuse pour le passage de la ligne CFL et de l’Alzette, • Dans de l’argile puis une couche composée de marnes et de grès pour le passage de la Route du Nord, ont été retenues pour l’étude.

2. Problèmes rencontrés Les principaux problèmes rencontrés pour le projet concernent : a) Choix du matériau L’avant-projet sommaire a été réalisé en 2005 a opté pour le matériau acier pour la conduite d’eau potable DN 700, qui semblait être le matériau choisi pour la conduite posée en tranchée ouverte. Néanmoins, durant mon PFE (Avril 2007), l’entreprise Saint- Gobain Pontà-Mousson, fabricant de tuyaux en fonte ductile, a remporté le marché de la pose de la conduite en tranchée ouverte. Il m’a alors été demandé de réaliser une comparaison entre l’utilisation de l’acier et de la fonte ductile pour les trois passages spéciaux. Les caractéristiques des deux types de tuyaux mis en concurrence sont les suivantes : Tuyau DN 700 Revêtement intérieur Revêtement extérieur

Acier Mortier-ciment Polypropylène

Diamètre extérieur (en mm) Poids (en kg/m)

724 mm 109

Fonte ductile Mortier-ciment ZMU (revêtement zinc et mortier de ciment) 738 à 864 mm 266

Tableau IV-1 Caractéristiques des tuyaux en acier et en fonte ductile DN 700

- Magalie Soler -



36

b) Choix du type de pose Le projet nécessite la pose d’une conduite d’eau potable DN 700 et de deux gaines en PEHD DN 100. Plusieurs techniques de mise en place peuvent être utilisées, selon le type de matériau utilisé de différentes façons : • Tirage des trois conduites simultanément avec (DN 700 en fonte ) ou sans fourreau (DN 700 en acier ou en fonte) • Réalisation de deux forages dirigés séparés l’un de l’autre de 2 à 3 m : l’un pour la conduite DN 700 et un second pour les gaines en PEHD, le dernier pouvant suivre la même trajectoire ou alors posé en tranchée ouverte sur quelques tronçons. • Le nombre de gaines en PEHD étant encore à déterminer par le Syndicat des Eaux du Barrage d’Esch-Sur-Sûre lors de la réalisation de mon projet de fin d’études, je n’ai étudié que le forage dirigé de la conduite d’eau potable DN 700 pour la détermination des efforts.

3. Paramètres à respecter lors de la réalisation d’un forage dirigé horizontal Plusieurs paramètres sont à respecter pour effectuer un forage horizontal dirigé. On étudiera successivement : • Le rayon de courbure, • La couverture, • L’alésage. a) Rayon de courbure Pour déterminer la position de l’axe de forage, il faut connaître le rayon de courbure minimal autorisé. Il faut distinguer : •

Le rayon de courbure minimal autorisé vis à vis des tiges de forage. Celui-ci est donné par le constructeur de tiges. • Le rayon minimal autorisé pour les tubes à mettre en place. Le rayon de courbure minimal autorisé étant alors donné par le plus grand des deux. (1) Rayon minimal des tiges de forage Pour une machine de forage maxi (cf. paragraphe 6 p.41), les rayons de courbure minimaux des tiges vont de 120 à 200 m. (2) Rayon minimal des tubes Le rapport final du groupe de travail de la société Ruhrgas AG de 1996 [8] préconise d’utiliser pour des conduites ayant des diamètres supérieurs à DN 400, les relations empiriques suivantes : (établies à partir d’observations d’expériences faites sur chantiers)

- Magalie Soler -


Etude de passages spéciaux par forages dirigés et microtunnelier de la conduite d’eau potable DN 700 « Préizerdaul – Junglinster » Diamètre nominal du tube acier

37

Formule

Rmin1 = 1400

400
Da

Rmin 2 = 1250 ⋅ Da

700
3

3

avec Da : diamètre extérieur de la conduite (en m) Tableau IV-2 Rayons de courbure minimaux à respecter Dans le cas du projet, s’agissant d’une conduite en acier de diamètre DN 700, le choix peut donc à priori être fait entre les deux formules. Afin de se placer en sécurité, il est plus prudent de prendre comme rayon minimal pour les tubes : 3

Rmin =1400⋅ Da avec Da (en m) En ce qui concerne les tuyaux en fonte ductile, de par leur système d’assemblage, le rayon de courbure minimal vaut 172 m. Cette information provient de l’entreprise Saint-Gobain Gussrohr [34]. Les résultats obtenus pour les tuyaux en fonte et en acier sont donnés dans le tableau IV-1. Tuyau DN 700 Acier Fonte ductile Diamètre extérieur 724 mm 738 à 824 mm Rayon de courbure minimal 862 m 172 m Tableau IV-3 Rayons de courbure minimaux en fonction du tuyau On constate que le rayon de courbure minimal à respecter est beaucoup moins grand dans le cas de la fonte que dans le cas de l’acier. Cela s’explique par le système de verrouillage des tuyaux en fonte qui permet un déplacement des tuyaux les uns par rapport aux autres. Les rayons de courbure choisis lors de l’avant-projet sommaire, étant de 900 m pour le passage au niveau de la route du Nord et de 1000 m pour celui de la ligne CFL et de l’Alzette, sont alors convenables.

b) Couverture On appelle couverture la distance qui sépare le sommet du trou de forage de la surface du terrain ou du niveau du lit du cours d’eau. Elle doit être comprise entre 10 et 15 fois le diamètre de la canalisation. Elle ne doit cependant pas être inférieure à 5 m car des couvertures aussi faibles peuvent occasionner des remontées de boues de forage éventuellement dangereuses. Pour les traversées de voies ferrées, il existe des données nationales. Plus la couverture est importante, plus les dangers de remontées de fluide de forage et d’affaissement de terrains sont minimisés. Il devra être demandé aux Chemins de Fer luxembourgeois leurs propres prescriptions. Le département californien de transports (CALTRANS) donne dans sa directive les couvertures à respecter pour le passage au dessous de routes selon le diamètre intérieur du tuyau posé par forage dirigé [8]. Celle-ci est de 7.60 m pour un diamètre nominal de 700 mm. Le tableau ci-après récapitule les hauteurs de couvertures prévues lors de l’avant-projet sommaire sous les obstacles des différents passages :

- Magalie Soler -



Obstacles

38

Couvertures (en m)

Ligne CFL Passage ligne CFL et Alzette rivière Alzette Route d'Ettelbruck Rue Am Sprangert RN 7 Passage Route du Nord Route du Nord et rivière Wellerbaach Wellerbaach Chemin agricole

6 7,75 8,33 5,85 14,43 > 30 5,2 11,47

Tableau IV-4 Hauteurs de couvertures pour les différents obstacles On constate que ces hauteurs de couverture, bien qu’un peu faibles au niveau du Wellerbaach sont convenables car toutes supérieures à 5 m. Des précautions seront à prendre au niveau du passage sous la voie ferrée pour assurer que le terrain à ce niveau ne subisse aucune déformation. Les autorisations nécessaires devront être demandées aux Chemins de Fer Luxembourgeois. c) Recommandations sur l’alésage

(1) Diamètre de l’alésage Le diamètre de l’alésage dépend de plusieurs paramètres : • Diamètre de la canalisation • Longueur du forage • Nature du terrain Pour des longueurs de forage supérieures à 300 m, le diamètre de l’alésage doit valoir, selon les recommandations de la FSTT [3] et par sécurité 1.5 fois le diamètre de la conduite. Tuyau DN 700 Diamètre extérieur Diamètre alésage

Acier 724 mm 1086 mm

Fonte ductile 738 à 824 mm 1107 à 1236 mm

Tableau IV-5 Diamètre d’alésage nécessaire en fonction du type de tuyau On constate alors que le diamètre d’alésage est moins important dans le cas d’une conduite en acier que dans celui d’une conduite en fonte ductile. Il est rare de ne réaliser qu’un alésage, correspondant au diamètre final du forage. Plusieurs pré-alésages de diamètre progressifs sont donc effectués avant le diamètre du forage final.

- Magalie Soler -



39

(2) Détermination des séquences d’alésage La résistance d’un aléseur est proportionnelle à la surface travaillée. Etant donné que le couple de la foreuse est constant, il faut alors choisir les fréquences d’alésage de sorte que chaque aléseur rencontre la même résistance. Celle-ci est fonction de la surface travaillée par chaque aléseur :

(

S = π ⋅ Rn +1 − Rn 2

2

) avec R , rayon de l’aléseur numéro n. n

Par exemple, la séquence ci-après conviendrait parfaitement : Numéro de l’alésage

Diamètre de l’alésage (en mm) 475 675 830 970 1086

1 2 3 4 5

Surface d’alésage (en dm²) 17.72 18,06 18,32 19,79 18,73

Tableau IV-6 Exemple de séquence d’alésage Le cas présenté dans le tableau IV-6 représente un cas idéal. Les séquences d’alésage dépendent et sont à adapter selon le matériel disponible de l’entreprise qui réalisera le forage dirigé. (3) Vitesse d’alésage La vitesse d’alésage va doit être compatible avec la capacité de la pompe à boue. Il faut que le volume de boue injecté dans le tunnel soit suffisant pour remplir le volume creusé et évacuer les déblais vers l’extérieur. Généralement [1], un facteur de boue (nombre de volumes de boue nécessaire pour évacuer un volume de terrain) égal à 3 est pris. D’où Vb = 3Vc Or Vb = Qpompe ⋅ t

avec

Vb le volume de boue injecté et Vc le volume creusé avec Qpompe , le débit de la pompe et t le temps.

Or Vc = Da ⋅ l avec Da le diamètre de l’alésage final et l la longueur du forage Et donc Qpompe = 3 ⋅

Ainsi va =

Da ⋅ l = 3 ⋅ Da ⋅ va t

Qpompe 3 ⋅ Da

L’alésage ne doit pas être réalisé à une vitesse supérieure à va , sous peine de voir l’effondrement du tunnel.

- Magalie Soler -



40

De même que pour la séquence d’alésage, je n’ai pas pu déterminer la vitesse d’alésage pour les deux forages horizontaux dirigés. Celle-ci doit être définie par l’entrepreneur en fonction des caractéristiques des pompes à boue qu’il possède. A titre d’exemple, pour une pompe à boue de 145 l/min, en considérant pour chaque séquence d’alésage une surface de 18 dm² cf. paragaphe (2)), on obtient une vitesse d’alésage de 145/(3*18)=2,7 dm/min= 0,27 m/min. (4) Choix du type d’aléseur Les aléseurs à ailettes, recommandé pour les sols homogènes, semble être bien adapté au passage de la Route du Nord. L’aléseur à spirales compactant le serait pour le passage de l’Alzette, notamment si la présence d’une couche de graviers est démontrée. Les aléseurs à goujure et à piston, tous deux polyvalents sont également appropriés aux types de terrains rencontrés lors des deux passages spéciaux par forage horizontal dirigé. Il existe de nombreux autres types d’aléseurs, adapté à chaque type de terrain rencontré. Leur choix reviendra à l’entrepreneur, en fonction des résultats obtenus lors de la campagne géotechnique complémentaire.

4. Choix du type de technique Les deux passages de la conduite atteignant des longueurs de 305 et 350 m, la technique choisie est celle du forage dirigé humide. Contrairement à une pose traditionnelle de canalisation en tranchée ouverte, les tuyaux doivent résister aux efforts de traction durant la force de tirage. C’est en général ces forces qui dimensionnent le choix des tuyaux. Le paragraphe ci- après décrit comment les évaluer. La vérification du dimensionnement des canalisations en acier est détaillée en Annexe G. Pour les canalisations en fonte ductile, on doit vérifier en particulier que le système de verrouillage résiste à ces forces de traction.

5. Calcul des forces de traction pendant la phase de tirage Méthodes de calcul des forces de traction : Il existe plusieurs méthodes pour calculer les forces de traction maximales qui sont susceptibles de s’exercer au niveau de la tête de forage durant la phase de tirage . Les plus utilisées sont les suivantes : • La méthode selon la norme des Pays-Bas NEN 3651 • La méthode américaine AGA (American Gas Association) Des logiciels ont été développé par Geodelft aux Pays-Bas et J.D Hair aux USA permettant de calculer ces forces selon respectivement les méthodes ci-dessus. De manière empirique, on peut dire que cette valeur maximale est atteinte juste avant la fin de la phase de tirage, quand presque toute la canalisation se trouve à l’intérieur du trou. Il existe d’autres méthodes et également des logiciels propres aux entreprises de forage dirigé. La société HDI, par exemple, en possède un validé par des sociétés d’ingénierie et par l’ENPC.

- Magalie Soler -



41

Selon le poids de la canalisation à mettre en place, il peut être nécessaire de ballaster la conduite durant la phase de tirage, et ce, afin qu’elle ne flotte pas à l’intérieur du trou foré sous l’action de la poussée d’Archimède exercée par les fluides de forage. Le ballastage de la conduite peut se faire, soit à l’aide d’un tuyau en PEHD fermé et rempli d’eau, soit en remplissant le volume compris entre la conduite à installer et un tuyau en PEHD posé à l’intérieur de cette dernière. Une conduite en fonte ductile peut également servir de ballastage à la conduite en fonte ductile à poser, comme l’illustre la figure ci-après. Figure IV-1 Ballastage d'une conduite en fonte ductile En ce qui concerne les tuyaux en acier, leur poids étant insuffisant, il est nécessaire de ballaster la conduite durant la phase de tirage. Néanmoins, pour les conduite en fonte ductile, un ballastage n’est pas nécessaire. La détermination des caractéristiques du ballastage à mettre en place à l’intérieur de la conduite pendant la phase de tirage, étant du ressort des entreprises de forages dirigés, je tiens à préciser que la démarche ci-dessous a été illustrée uniquement pour des tuyaux en fonte ductile non ballastés. a) Détermination des forces de traction durant la phase de traction selon la méthode de Huey, Hair et McLeod Dans leur publication “Installation Loading and Stress Analysis Involved with Pipelines Installed by Horizontal Directional Drilling” [9], Huey, Hair et McLeod énoncent la méthode suivante pour la détermination des forces de traction durant la phase de tirage. Dans une section droite , la force de traction s’exprime de la façon suivante :

T2 = T1 + R + RS ± WS ⋅ L ⋅ sin θ avec Figure IV-2 Détermination des forces de tirage pour une section rectiligne

- Magalie Soler -



42

T2 = Force de traction nécessaire [kN] T1 = Force de traction de l’autre côté du tuyau [kN] R = Force de frottement entre la conduite et le sol [kN] RS = Force de frottement entre la conduite et le fluide de forage[kN] WS = Poids de la conduite au mètre linéaire [kN/m]

R = WS ⋅ L ⋅ cos θ ⋅ µ sol et RS = De ⋅ L ⋅ cos θ ⋅ µ fluide de forage

Avec avec

µ sol coefficient de frottement entre la conduite et le sol µ fluide de forage coefficient de frottement entre la conduite et le fluide de forage

Dans une section courbe, les extrémités et le milieu de la conduite sont en contact avec le sol. D’où une nouvelle expression de la force de traction :

T2 = T1 + 2R + RS ± WS ⋅ Larc ⋅ sin θ L arc = R ⋅ α Connaissant l’équation de la courbe suivant laquelle se fait le forage dirigé, on peut déterminer pour chaque abscisse le coefficient directeur de la tangente à la courbe grâce à la dérivée. On peut alors en déduire, pour chaque abscisse, l’angle formé entre cette tangente et l’horizontal, c’est à dire l’angle θ. Figure IV-3 Détermination des forces de tirage pour une section courbe Connaissant également le centre de la courbe et son rayon, on peut facilement calculer l’angle α. La force de traction totale a donc pour expression : TTotal =

∑ ∆T

i

avec ∆ Ti = T2 − T1

i

La force de traction nécessaire pour tirer l’ensemble de la conduite durant la phase d’installation est supposée être appliquée uniformément sur la section de la conduite. (Ainsi, la contrainte de traction est obtenue en effectuant le quotient de la force de traction par l’aire de la section de la conduite. La contrainte de traction maximale admissible doit être limitée à 90% de la limite d’élasticité pour une conduite en acier.)

- Magalie Soler -



43

L’ensemble des calculs pour la détermination des forces de tirage sont consignés en Annexe H. Au final, les résultats trouvés sont : Passage spécial Route du Nord (L= 305 m) Ligne CFL & Alzette (L= 352 m)

Force de traction (en kN) 869 1112

Tableau IV-7 Calcul des forces de traction selon la méthode de Huey, Hair et McLeod b) Evaluation des forces de traction selon la méthode de Kögler et Lübbers Kögler et Lübber [8] proposent la formule suivante pour déterminer les forces de traction durant la phase de tirage de la conduite :

F = (L + D − K ) ⋅ X avec

: force de traction (en kN) : longueur du forage (en m) :diamètre extérieur de la conduite (en mm) :coefficient de correction K = 500 : facteur lié au type de sol, X = 1 pour des sols « normaux » (sols sableux par exemple) X = 1,5 pour les sols « difficiles » (sols avec de gros grains, sable grossier avec des cailloux et des roches isolées, graviers)

F L D K X

Cette formule est valable pour des longueurs de forage comprises entre 200 et 2000m et des diamètres forés allant de 100 à 1500 mm, ce qui correspond au cas du projet. D’où les résultats suivants, pour une conduite en acier de diamètre extérieur D = 711 mm : Passage spécial Route du Nord (L= 305 m) Ligne CFL & Alzette (L= 350 m)

X=1 516 561

Force de traction (en kN) X=1.5 Moyenne 774 645 842 702

Tableau IV-8 Calcul des forces de traction selon Kögler et Lübber c) Evaluation des forces de tirage selon Herrenknecht La société Herrenknecht [10] utilise en règle générale la formule suivante pour évaluer les forces de traction nécessaire d’une conduite :

F = ( D + L ) ⋅ 1 ,2

avec D et L représentant respectivement le diamètre de la conduite à poser en mm, et la longueur du forage en m. D’où les résultats suivants :

- Magalie Soler -


Etude de passages spéciaux par forages dirigés et microtunnelier de la conduite d’eau potable DN 700 « Préizerdaul – Junglinster » Passage spécial Route du Nord (L= 305 m) Ligne CFL & Alzette (L= 350 m)

44

Force de traction (en kN) 1206 1260

Tableau IV-9 Calcul des forces de traction selon la méthode de l’entreprise Herrenknecht d) Comparaison des résultats avec les forces de traction évaluées par l’entreprise Saint-Gobain Gussrohr L’entreprise Saint-Gobain Gussrohr a évalué les forces de traction nécessaire au tirage de la conduite DN 700 au niveau du passage de la ligne CFL et de l’Alzette à 757 kN. (cf. Annexe I) Les tuyaux en fonte ductile K10, résistant à une force de traction de 1000 kN, sont alors convenables. Huey, Hair & McLeod 1112 kN

Kögler & Lübber

Herrenknecht

702 kN

1260 kN

Saint-Gobain Gussrohr 757 kN

Tableau IV-10 Comparaison des forces de traction calculées au niveau de la ligne CFL et de l’Alzette Le tableau IV-10 montre alors que la méthode donnant le résultat le plus proche de celui de l’entreprise Saint-Gobain Gussrohr est la méthode de Kögler et Lübber. Le passage de la route du Nord étant légèrement plus court que celui de la ligne CFL et de l’Alzette, les forces de traction nécessaires au tirage de la conduite à cet endroit seront du même ordre de grandeur au niveau des deux passages.

6. Choix de la machine de forage Les calculs selon Huey, Hair et McLeod estiment la valeur de la force de traction de la conduite sans ballastage pour le forage dirigé concernant le passage de la route du Nord à environ 869 kN et celui pour le passage de la ligne CFL et de l’Alzette à environ 1112 kN. Ces forces de traction étant relativement proches, on peut émettre l’hypothèse que la machine de forage utilisée sera la même pour les deux passages Le tableau « Performances maximales » contenu dans les recommandations pour les forages dirigés de la FSTT [3] donne une idée du diamètre maximal et de la longueur maximale du forage pouvant être atteints pour une force de traction donnée dans des conditions favorables. Compte tenu du diamètre de la conduite à poser et de sa longueur pour chacun des passages, les forces de traction nécessaires pour les deux forages dirigés sont estimés, pour les deux passages, supérieures à 400 kN, ce qui est cohérent avec les calculs effectués. Pour le dimensionnement de la machine de forage à utiliser, la DCA (Drilling Contractor Association) [11] préconise de prendre en compte un coefficient de sécurité de 2 à 3. En effet, lors de la phase de tirage, du fait de l’instabilité du trou et parfois des interruptions prolongées, une force de traction supérieure à celle déterminée par calculs apparaît. Les forces de traction ayant été évaluées précédemment à environ 869 et 1112 kN, il en résulte que la machine de forage à utiliser pour les deux passages spéciaux est de type Maxi (2500 kN). La nature des obstacles à éviter, la longueur du forage et de son diamètre implique également d’après le tableau II-1, d’utiliser un tel type de machine.

- Magalie Soler -



45

7. Calcul du temps de forage brut On suppose que l’entrée du forage se situe dans les roches tendres. D’après Stein [3], le temps de forage peut être déterminé à l’aide de la formule suivante :

t = tE + avec

d forage ⋅ l forage ⋅ f Puissance ⋅ f sol + tR tjour

t : temps de forage (en jour) tE : temps pour l’installation sur chantier (en jour) d forage : diamètre du trou de forage (en m)

l forage : longueur du forage (en m) f puissance : facteur de puissance f sol : facteur lié au type de sol t jour : temps de travail journalier (en heure) tr : temps pour le rangement de l’installation de chantier (en jour) tE , tr et f puissance dépendent du type de machine. Pour une machine de forage maxi, on a : tE =3.0

tr =2.0 f puissance =0.5 Dans le cas le plus défavorable, pour un sol non-homogène avec des pierres dispersées, on a f sol = 1.5. Pour un sol sableux, avec des graviers, légèrement cohérent, f sol =0.7. Avec un temps de travail journalier de 8 heures, on obtient les résultats suivants : Passage

f sol = 1.5

f sol =0.7

Moyenne

Route du Nord ( l forage =305 m)

25 jours

16 jours

21 jours

Ligne CFL et Alzette ( l forage =352 m)

28 jours

18 jours

23 jours

Tableau IV-11 Durée des travaux selon f sol Ces temps ne comprenant ni les phases de préparation et de remise en état du terrain, ni la phase de contrôle de qualité du tuyau, sont cohérents avec ceux déterminés lors de l’avant projet sommaire. (21 à 26 jours pour le passage de l’Alzette et 19 à 22 jours pour celui de la Route du Nord).

- Magalie Soler -



No

Phase

Passage « Alzette » [jours ouvrables]

46

1

Préparation du terrain

3

Passage « Route du Nord » [jours ouvrables] 3

2

Installation du chantier

5

5

3

Forage pilote

4à5

3à4

4

Alésages (en 3 passes)

8 à 10

7à8

5

Assemblage du tuyau

6

Tirage

12 à 15 (en parallèle aux 10 à 11(en parallèle aux n° 2 à n° 2 à 5) 5) 1à2 1à2

7

Contrôles de qualité

8

Repli du chantier

1 (en parallèle aux n° 3 et 1 (en parallèle aux n° 3 et 4) 4) 3 3

9

Remise en état du terrain

2

2

10

Total

26 à 30

24 à 27

Tableau IV-12 Temps de forage déterminé lors de l’avant-projet sommaire pour les différents passages par forage dirigé

- Magalie Soler -



47

8. Réalisation de fouilles Il est nécessaire de réaliser des fouilles à l’entrée et à la sortie du forage dirigé pour permettre la récupération des boues de forage et par la suite le raccordement de la conduite posée en tranchée ouverte avec celle tirée. Les fouilles auront lieux au niveau des zones PIPE et RIG de chaque forage : o o

La zone RIG est celle où l’on installe la machine de forage La zone PIPE se trouve à l’autre extrémité du forage, où sont assemblés les tuyaux avant la phase de tirage.

D’après les informaions recueillies auprès de l’entreprise HDI, il s’avère que la hauteur des fouilles prévues lors de l’avant-projet sommaire est trop élevée et que des fouilles de 1,50 à 2,00 m de profondeur sont suffisantes. L’emplacement des fouilles sera donc à déplacer par rapport à l’avant-projet sommaire.

Terrain à excaver

Figure IV-4 Excavation au niveau de la zone RIG du passage « ligne CFL et Alzette »

Figure IV-6 Photo zone PIPE

Figure IV-5 Photo zone RIG

- Magalie Soler -



48

La profondeur de la nappe phréatique considérée par la suite est conforme aux hypothèses prises dans le paragraphe III-B-4. Ces dernières sont à confirmer par la campagne géotechnique. Dans le cas où les fouilles ne sont pas blindées, les recommandations de la fiche D114 intitulée de l’AAA (Association d’Assurance contre les accidents) [12] préconise de prendre, par sécurité, un angle de talus égal à 45°. Compte tenu de la hauteur des fouilles et de la nature des sols, en modélisant ces excavations sur le logiciel DC- Fouilles (logiciel déterminant la stabilité des talus), on se rend compte qu’elles ne sont pas stables. Elles nécessiteront donc la mise en place de blindage type parois berlinoises. La campagne géotechnique complémentaire fournira des données exactes sur les sols rencontrés. Lorsque les caractéristiques des sols seront connus avec précision, le dimensionnement du blindage ainsi que la stabilité des fouilles devront être effectués.

Figure IV-7 Exemple de fouille blindée

- Magalie Soler -



49

9. Caractéristiques de la pose de la conduite DN 700 et des gaines DN 100 Lors de mes recherches, il s’est avéré que le tirage simultané des trois conduites n’était pas forcément la technique la plus simple à réaliser. En effet, cela conduirait à réaliser un diamètre de forage plus important (supérieur à 1 m), que tout les entrepreneurs de forages dirigés ne sont pas capables techniquement et matériellement d’effectuer [31]. Néanmoins, les entreprises française HDI [13] et belge Denys, spécialisées dans le forage dirigé, toutes deux contactées dans le cadre de mon PFE peuvent réaliser le tirage simultané de ces trois conduites au moyen d’une tête de forage adaptée. Concernant les gaines en PEHD, un système capable de les maintenir attachées contre la conduite DN 700 et devant éviter leur enroulement autour de cette dernière durant la phase de tirage devra être mis en place par l’entreprise. (cf. figure IV-8) Figure IV-8 Tirage simultané de plusieurs conduites Après informations auprès d’entreprises spécialisées, l’utilisation d’un fourreau qui avait été envisagé s’avère inutile. Il serait néanmoins intéressant de laisser aux soumissionnaires la possibilité de proposer des variantes avec des forages dirigés réalisés séparément.

10. Comparaison des tuyaux DN 700en acier et en fonte ductile Plusieurs critères doivent être pris en considération pour le choix d'un tuyau. Il y a deux types de critères différents, les critères techniques et les critères financiers. Les critères techniques, sont essentiellement : • Les pressions de service et maximales, voire les dépressions. • La qualité des revêtements intérieurs et extérieurs. Pour le revêtement intérieur, il s'agit de vérifier qu'il permet de transporter l'eau, dans des conditions sanitaires répondant aux normes de potabilité. Pour le revêtement extérieur, il s'agit là de vérifier qu'il protège le tuyau contre les agressions extérieures, principalement les attaques chimiques et électrochimiques, source de corrosion. • Les charges statiques et dynamiques dues au poids des terres et aux trafics usuels peuvent, suivant les cas, être importants.

- Magalie Soler -



50

Les critères financiers sont essentiellement: • • •

Le prix du matériau Le temps de pose La durée de vie du matériau

Pour ce projet, les deux matériaux à comparer pour la canalisation à poser par forage dirigé sont l’acier et la fonte ductile dont les principales caractéristiques sont indiqués dans le tableau suivant. Tuyau DN 700 Revêtement intérieur Revêtement extérieur

Acier Mortier-ciment Polypropylène

Fonte ductile Mortier-ciment ZMU (revêtement zinc et mortier de ciment) Diamètre extérieur (en mm) 724 mm 738 à 864 mm Poids (en kg/m) 109 266 Tableau IV-13 Caractéristiques principales des tuyaux en acier et en fonte ductile Ces deux types de canalisations ont des caractéristiques telles, qu’elles peuvent être utilisés pour la pose en forages dirigés de conduites d’eau potable. Ces différentes caractéristiques techniques sont données par les fabricants.

Avantages

Le tableau ci-dessous présente les principaux avantages et inconvénients de ces deux matériaux pour un tuyau DN 700 dans le cadre du projet. Tuyau Acier • Meilleure flexibilité • Meilleur comportement vis à vis du tassement (raclage facilité) • Possibilité de disposer la conduite sur des rouleaux lors de la phase de tirage • Prix inférieur de 20% à celui de la fonte ductile

Inconvénients

• • • •

Tuyau en Fonte ductile K10 • Assemblage rapide (système de verrouillage) • Bonne résistance à la corrosion • Protection cathodique inutile • Ballastage inutile • Raccords facilités avec la conduite en fonte ductile posée en tranchée ouverte • Revêtement en ZMU adapté aux sols agressifs • Durée de vie : 100 ans (Source Geophen 2002)[14] Nécessité de ballaster la conduite • Impossibilité de disposer la conduite durant la phase de tirage (ex : tuyau sur des rouleaux de lancement PEHD fermé et rempli d’eau) classique, compte tenu du système de Durée d’assemblage des tuyaux plus verrouillage : nécessité de mettre la long (soudage + réfection des joints conduite en flottaison dans une tranchée ou sur une voie ferrée + contrôle) Protection cathodique nécessaire • Excroissances aux emboîtements donc Durée de vie : 75 ans (Source Geophen augmentation du diamètre d’alésage. 2002) [14] • Prix supérieur de 20% à celui de l’acier Risque de création de « cassures » ou de « points hauts » et « points bas » non souhaités

Tableau IV-14 Avantages et inconvénients de l’acier et de la fonte ductile pour les forages dirigés

- Magalie Soler -



51

On constate que les deux matériaux comportent tous deux des avantages et des inconvénients. Les avantages de l’un étant les inconvénients des autres. Le choix est donc difficile à opérer. Néanmoins, pour notre étude, la fonte ductile est mieux appropriée pour assurer une homogénéité de la canalisation tout le long du tracé.

11. Forages dirigés : récapitulatif En choisissant comme matériau la fonte ductile pour la conduite DN 700, on obtient les principales données suivantes pour les deux passages par forage dirigé :

Longueur Rayon de courbure Types de sols Obstacles

Diamètre alésage Forces de traction (selon Huey, Hair et McLeod) Type de machine Durée approximative des travaux

Passage « Route du Nord » 305 m 900 m Argiles Marnes RN 7 Route du Nord Wellerbaach 1107 à 1236 mm 869 kN

Passage « Ligne CFL et Alzette » 352 m 1000 m Limon argileux Argiles limoneuses Ligne CFL Alzette RN 9 RueAm Sprangert 1107 à 1236 mm 1112 kN

Maxi 21 jours

Maxi 23 jours

B.

- Magalie Soler -



52

Technique du microtunnelage et choix concernant le projet

1. Type de sols rencontrés Les sondages réalisés en 2002 et ceux réalisés par le service géologie du laboratoire des Ponts et Chaussées Luxembourgeois montrent que le passage du microtunnelier s’effectuera dans les marnes avec présence de bancs de calcaire (à confirmer).

2. Choix du type de marinage Compte tenu des hypothèses faites sur les types de sols rencontrés, le marinage retenu pour le projet est le marinage hydraulique. Le type de microtunnelier à utiliser est un microtunnelier type AVN-T 1200 de Herrenknecht. Il est à noter que le T dans cette appellation désigne le mot « Tür » (qui signifie porte en français) et indique la présence d’un système permettant l’accès à la roue de coupe de manière à procéder à la vérification de son bon fonctionnement (éléments coincés).

Figure IV-9 Photos d'un microtunnelier de type AVN-T

3. Dimensionnement des tuyaux de fonçage Le dimensionnement des tuyaux à foncer doit se faire pendant deux phases : • Pendant les travaux où ils sont essentiellement soumis à des charges axiales dues aux efforts de fonçage. Ces charges peuvent parfois être excentrées compte tenu d’éventuels désalignements • En service où ils sont soumis à différentes charges transversales Il a été montré que la plupart du temps, la situation dimensionnante est celle durant les travaux [22]. Les paragraphe ci-dessous décrira tout d’abord quelles sont les actions générales à prendre en compte suivant la situation. Puis, le dimensionnement des tuyaux

- Magalie Soler -



53

durant la phase des travaux sera décrit dans une seconde partie. Enfin, le dernier paragraphe vérifie que les tuyaux sont bien dimensionnés durant la phase de service de la conduite. a) Paramètres à prendre en compte pour les différents dimensionnements

(1) Charges verticales dues au terrain seul Modèle expérimental de Terzaghi [15]: Lorsqu’un microtunnel est creusé dans un sol, les contraintes dans le terrain situé autour de la conduite sont perturbées car le sol se relâche du fait de l’ouverture de la cavité. Terzaghi a déterminé, pour des canalisations posées en tranchées ouvertes, un modèle de comportement permettant de connaître le nouvel état de contraintes. Celui-ci suppose que le terrain situé au dessus de la conduite s’affaisse par rapport à deux plans verticaux distants l’un l’autre d’une largeur b. Cette largeur est calculée en tenant compte de la formation de deux coins de cisaillement inclinés à l’horizontal, soit

π +ϕ 4

2

par rapport à

ϕ b = De ⋅ tan(3π − ) 8 4

σ EV

H

Dans le cas du projet, en prenant

ϕ=

30°, on obtient H> b .La FSTT recommande alors de

prendre, si la cohésion interne et l’angle de frottement sont connues avec précision, la valeur de pression vertical σ EV = γ ⋅ b avec γ , le poids volumique du sol. Les caractéristiques du terrain n’étant pas connues avec précision à ce stade de l’étude, la pression verticale à prendre en compte par prudence est σ EV = γ ⋅ H .

- Magalie Soler -



54

(2) Pressions hydrauliques En tenant compte du modèle de Terzaghi, la pression verticale due au terrain au niveau de la génératrice supérieure de la conduite devient

σ EV = k1 ⋅ γ ⋅ (H − hw) + k2 ⋅ γ '⋅hw + γ w ⋅ hw avec

γ = 20 kN/m³, poids volumique du sol γ ' = 10 kN/m³, poids volumique du sol immergé, γ w = 10 kN/m³, poids volumique de l’eau H= 12 m, hauteur de couverture sur la génératrice supérieure de la conduite hw = 11 m, hauteur de la nappe phréatique sur la génératrice supérieure de la conduite k1 et k2 , deux coefficients déterminés de la façon suivante : − 2⋅ K ⋅(tan ϕ )⋅

k1 =

1− e

2 ⋅ K ⋅ (tan ϕ ) ⋅

H − hw b

H − hw b

d’où avec b = De ⋅ tan(3π −

8

− 2⋅ K ⋅(tan ϕ )⋅

k1 =

1− e

hw b

2 ⋅ K ⋅ (tan ϕ ) ⋅

hw b

(sans unité)

ϕ ) = 2.61 m et K = tan ²(π − ϕ ) =0.33 pour , ϕ = 30° 4

4

2

on obtient alors au niveau de la génératrice supérieure, en phase travaux, pour H=12 m et σ EV =136.4 kPa hw= 11 m:

(3) Surcharges dues à la circulation routière Deux valeurs de surcharges dues à la circulation routière sont à prendre en compte pour le dimensionnement de la gaine de fonçage: • Durant la phase d’installation de la conduite : la canalisation est posée à une profondeur de 12 m environ. La circulation routière a lieu sur la N11. • Durant la phase de fonctionnement : la canalisation se situe à des profondeurs atteignant au minimum 2.50 m. La circulation routière a lieu sur la N11 et sur le contournement de Junglinster. Le fascicule 70 donne la valeur de la surcharge qo appliquée sur un tuyau de diamètre extérieur donné en fonction de la hauteur de remblai. (cf Annexe J). La valeur de la surcharge n’est définie que pour des hauteurs de remblai inférieures ou égales à 6 m. La valeur de qo pendant la phase d’installation des tubes de fonçage sera donc prise pour cette valeur maximale de remblai, plaçant ainsi les calculs en sécurité. En ce qui concerne cette valeur pendant la phase de fonctionnement de la conduite, la hauteur de remblai la moins importante se situe sous le contournement de Junglinster et vaut 2.50 m. D’où

qoinstallation ≈ 7 kPa qo fonctionnementcont.Junglinster ≈ 20 kPa

qo fonctionnement RN 11 ≈ 7 kPa

- Magalie Soler -



55

b)

- Magalie Soler -



56

Calcul des efforts durant la phase de travaux La force de poussée totale, nécessaire pour mettre en place l’ensemble de la canalisation doit être supérieure ou égale à la somme des forces de frottement avec les forces de poussée en tête.

P = F + Rp = ∫ fdS + Rp Pour des tronçons dont la longueur dépasse 70 m, les pics de poussée les plus importants sont dus à l’augmentation du frottement au redémarrage fsup. D ‘où

Ptot = sup{F + R p; ∫ f + fsup dS

}

(1) Calcul du frottement sol/tuyau F L’ensemble des calculs a été effectué dans ce paragraphe pour les tuyaux dimensionnés lors de l’avant-projet sommaire. Il s’agit de tuyaux en béton armé de diamètre intérieur 1200 mm et de diamètre extérieur 1509 mm. On appelle surcoupe la différence entre le rayon extérieur des tuyaux et celui de l’excavation réalisée par la roue de coupe. La surcoupe prise est de 30 mm, selon les recommandations de la FSTT.

(a) Description du phénomène L’excavation réalisée par microtunnelier peut être de 3 types : • •

•

Instable :Dans ce cas, le terrain vient en contact avec l’ensemble de la canalisation. Les efforts de frottement sont donc déterminés en multipliant les efforts de contact s’exerçant sur la canalisation par le coefficient de frottement sol/tuyau. Stable et la convergence du sol est inférieure à l’épaisseur du vide annulaire : le train de tuyaux glisse sur sa base à l’intérieur du vide annulaire. Les efforts de frottement sont égaux au produit du poids propre des tuyaux par le coefficient de frottement sol/tuyau. Stable et la convergence du sol est supérieure à l’épaisseur du vide annulaire : on se retrouve alors dans le premier cas.

(b) Vérification de la stabilité à l’excavation La méthode de calcul utilisée pour déterminer si l’excavation est stable ou non est celle proposée par la Pipe Jacking Association [16]. Elle permet d’évaluer la pression de confinement requise σ T pour assurer la stabilité de la surcoupe. L’excavation est stable si σ T est inférieure ou égale à 0. Dans les sols cohérents, la stabilité à court terme est liée à la cohésion non drainée. La pression qui est nécessaire pour maintenir l’excavation stable est donnée par la relation suivante :

- Magalie Soler -



σ T = γ ⋅ ⎛⎜ H + ⎝

avec

γ

57

De ⎞ − T ⋅ C (en kPa) 2 ⎟⎠ c u

:poids volumique apparent du sol au dessus de la canalisation (en kN/m3)

H : hauteur de la couverture au dessus de la canalisation (en m) De : diamètre de l’excavation (en m) Cu : cohésion non drainée Tc : coefficient de stabilité des sols cohérents, déterminé à l’aide d’abaque (cf figure ci-dessous)

Figure IV-10 Valeur du coefficient de stabilité Tc

Tc est fonction du rapport entre la profondeur h et du diamètre D de l’excavation ainsi que de la longueur d’excavation non soutenue d (cf. figure IV-10). Dans le cas de pose de canalisation par microtunnelier, cette longueur est nulle. Ainsi, d / D = 0 Dans le cas du projet, la valeur h / D , étant supérieure à 3, on prend par extrapolation Tc =10. Les coupes géologiques dont on dispose au niveau du passage par microtunnelier suggèrent que son passage se fera au sein d’un sol cohérent raide à très raide. Ouvry, Colas et Kastner, dans leur article « Estimates of lateral soil-pipe friction following geotechnical tests and comparison of results with a monitorial microtunnel operation in finegrained sand » [15] donnent des valeurs moyennes indicatives pour ce type de sol :

cu =75 kPa

γ

=20 kN/m³

Pour H = 12 m et De =1.604 m, on trouve

σ T =-494 kPa<0, l’excavation est donc stable.

- Magalie Soler -



58

(c) Convergence élastique La convergence élastique d’une excavation est donnée par les formules suivantes :

1 −ν s ∆v = ⋅ De ⋅ (3σ v − σ h ) Es 2

∆h =

1 −ν s ⋅ De ⋅ (3σ h − σ v ) Es 2

avec :

Es : module d’élasticité du sol,

νs

:coefficient de Poisson du sol, =0.3

σ v = σ EV + γ ⋅ ⎛⎜

De ⎞ ⎟ + qoinstallation ⎝ 2 ⎠

⎛

⎞ De ⎞ + qoinstallation ⎟ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎠

σ h = K2 ⋅ ⎜ σ EV + γ ⋅ ⎛⎜ ⎝

où K 2 est le coefficient de poussée des terres s’appliquant sur la canalisation, K 2 =0.3 On se place dans le cas le plus défavorable, soit σ EV = γ ⋅ H (cf. paragraphe IV-B-3-a-1) Application numérique : γ =20 kN/m³

H = 12 m De =1.509 m qoinstallation ≈ 7 kPa Es =50 MPa ∆v =12 mm ∆ h =-0.439 mm On constate, dans le cas du projet que ∆ v et ∆ h sont inférieurs à la valeur de la surcoupe s= 30 mm, il n’y a pas de contact entre le sol et le tuyau , le vide annulaire reste ouvert et le frottement est seulement dû au poids propre du microtunnel.

(d) Calcul des efforts de frottement L’excavation étant stable, et la convergence inférieure à la valeur de la surcoupe, les efforts de frottement ont pour expression :

F = µ ⋅ L ⋅W

avec

µ : coefficient sol/tuyau µ =0.29 (d’après Stein [8])

pour une canalisation en béton avec

revêtement extérieur dans des marnes bariolées.

L la longueur de la canalisation W le poids du tuyau par mètre linéaire Pour le projet, on trouve F= 438 kN

- Magalie Soler -



59

(2) Effort de poussée en tête Rp L’effort de poussée en tête dépend essentiellement : • De la nature du terrain • Du diamètre de forage et des paramètres de forage (vitesse de vérinage, débits de marinage) Il s’exprime selon la relation suivante : Rp =rp ⋅π ⋅ où

De 4

2

De est le diamètre du trou excavé (en m) rp est la valeur moyenne de résistance en tête maximale dans les argiles. La FSTT a établi, d’après des résultats expérimentaux que rp =600 kPa sans

lubrification pour des argiles.

Pour De =1.509m , on trouve Rp ≈ 1200 kN

(3) Calcul de la poussée totale

Ptot = sup{F + R p; ∫ f + fsup dS

On a

}

avec F et Rp déterminés ci-avant (en kN)et fsup en kPa

De ⋅ l (en m²) 2 Donc dS = π ⋅ De ⋅ dl

Or S = 2π ⋅

où De représente le diamètre de l’excavation (en m) D’où

∫f

sup

dS =∫ fsup ⋅π ⋅De dl

Des valeurs moyennes des frottements dus aux arrêts de fonçage ont été calculées lors du Projet National Microtunnels sur différents chantiers. Pour des marnes faiblement sableuses, les valeurs trouvées sont les suivantes : Arrêt d’un week end

fsup (kPa)

Arrêt d’une nuit

2.4

1 à2

Arrêt < 3 heures 0.6 à 0.8

La valeur du frottement du aux arrêts de fonçage la plus défavorable est atteinte lors d’un arrêt d’un week end. Cette valeur est de ce fait prise pour déterminer la poussée totale. On trouve ainsi,

∫f

sup

dS ≈ 1080 kN

Ainsi, dans le cas du projet, on se rend compte que la poussée totale maximale n’est pas atteinte lors de la reprise du fonçage. Au final, on trouve Ptot = 1630 kN Soit, pour une surface de 0.658 m², une contrainte de 2.5 MPa. (4)

- Magalie Soler -



60

Calcul de la poussée maximale admise par les tuyaux lors du fonçage Lorsqu’ils sont mis en place par fonçage, les tuyaux sont soumis à deux types d’action : • Les actions transversales (poids des terres, surcharges…) • Les actions longitudinales (efforts de poussée) Ce sont les actions longitudinales qui conditionnent généralement le dimensionnement des tuyaux. Les tuyaux supportent en effet une poussée maximale. Celle-ci est fonction : • De la surface de contact entre les tuyaux • Du désalignement des tuyaux, ce qui crée un excentrement des efforts de poussée : En effet, lors de la mise en œuvre, la poussée est appliquée axialement sur le dernier tuyau ou sur un tuyau de fonçage intermédiaire. La force de compression axiale, transmise d’un tuyau à un autre par un matériau répartiteur de poussée disposé entre les tranches d’extrémité, engendre des contraintes de compression dans la section transversale de chacun des tuyaux. La pose d’une canalisation par fonçage n’étant jamais parfaitement rectiligne, les faces de poussées ne sont que rarement d’équerre. Ceci conduit alors à un excentrement de la poussée d’un tuyau à l’autre et à une répartition non uniforme des contraintes dans les parois des tuyaux. La poussée maximale admissible a été calculée pour différents tuyaux en béton armé DN 1200.

(a) Détermination de la résistance mécanique des tuyaux de fonçage en béton à l’aide du Document combiné « Tuyaux en béton » Le document combiné « Tuyaux en béton » constitué de la norme EN 1916 et du Document National d’Application luxembourgeois de l’EN 1916 [21] propose le calcul de résistance mécanique pour le fonçage de tuyaux ci-dessous :

(i)

Principe

Le calcul de la force de poussée relatif à un tuyau particulier dépend de la valeur caractéristique de la résistance du béton fck , déclarée par le fabricant pour le calcul ainsi que la surface comprimée Ac des tranches d’assemblage. Dans le cas d’assemblage à manchette, la surface comprimée d’assemblage est la suivante :

Ac = (de - di ) ⋅ π 4 La force de poussée théorique admissible maximale Fj max est calculée en supposant qu’elle est perpendiculaire aux tranches d’extrémité (absence de déviation et faces de poussée toutes parfaitement d’équerre) et en appliquant à fck un coefficient de sécurité de 0.6.

On distingue deux cas, illustrés sur la figure ci-après. (ii)

Cas de l’angulation fermée

- Magalie Soler -



61

Il n’y a pas de jeu entre deux tuyaux adjacents, le matériau répartiteur de poussée absorbant toute déviation. La formule à appliquer pour le calcul de la force de poussée admissible est :

Fcj ≤0.5⋅Fj max où

Fcj =0.5⋅Fj

et

0.5⋅Fj max =0.3⋅ fck ⋅ Ac (iii)

Cas de l’angulation ouverte

Deux tuyaux adjacents présentent un jeu variable entre le matériau répartiteur de poussée et la tranche de l’assemblage. La formule à appliquer pour le calcul de la force de poussée admissible est :

Foj =0.3⋅e⋅ fck ⋅ Ac où

Foj = e

Foj et

e ≤1

avec e l’excentricité déterminée à l’aide d’abaque (cf. Annexe K) Cette force de poussée maximale admissible doit être supérieure à la force de poussée appliquée sur le chantier. L’Annexe K présente la vérification de plusieurs tuyaux de fonçage en béton de diamètres extérieurs différents pour un même diamètre intérieur de 1200 mm.

Figure IV-11 Schéma explicatif Angulation fermée/Angulation ouverte

- Magalie Soler -



62

(b) Calcul de la poussée maximale admissible selon la norme française et européenne NF EN 295-7 (Janvier 1996) Cette norme a repris la norme allemande ATV A161 et propose la formule suivante pour calculer la poussée maximale admissible par les tuyaux :

σ 0 Pthéorique ⋅ σ maxm f

Pmax =

σ maxm est la contrainte maximale marginale

où

σ 0 est la contrainte répartie de façon uniforme dans le cas d’une poussée théorique résultante centrée Le rapport

σ maxm σ0

est fonction du rapport

z (cf. paragraphe précédent). de

La norme française conseille de prendre pour ce rapport la valeur de 2, ce qui correspond d’après la norme allemande à une angulation angulaire limite de 0.5°, lorsqu’il y a des corrections de trajectoires dans des tracés à pente et direction rectiligne, ce qui est le cas dans le projet.

Pthéorique est la poussée théorique indiquée par le fabricant. f est un coefficient de sécurité. Il est fixé d’après la norme française à 1.6 pour les machines de fonçage à conduite automatique et à 2 pour les manuelles. Pour se placer en sécurité, la valeur prise dans le cas du projet sera f =2 . Ainsi, avec

σ max m = 2 et f =2 , on obtient : σ0

Pmax =

Pthéorique 4

Vérification des contraintes axiales : La contrainte axiale σ max =

Pmax doit être inférieure à la contrainte admissible qui dépend du Ac

type de matériau utilisé. Pour le béton, σ max ne doit pas dépasser 10 à 18 Mpa. L ‘Annexe L consigne la vérification des contraintes axiales pour différents tuyaux de fonçage en béton armé de diamètre intérieur 1200 mm. (c) Comparaison des résultats : On constate que les résultats trouvés sont cohérents, la poussée admissible calculée d’après la norme française se trouvant entre celles calculées pour l’angulation fermée et pour l’angulation ouverte dans le cas du document combiné « tuyaux en béton ».

- Magalie Soler -



63

Contrainte maximale dans le tuyau (en Mpa) Document combiné Diamètre Diamètre Poussée NF EN intérieur extérieur théorique Angulation Angulation 295-7 (en m) (en m) (en kN) fermée fermée Caractéristiques du tuyau

1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

1,544 1,724 1,494 1,509 1,524 1,564

5280 9070 4230 4750 4890 5680

2,6 4,5 2,1 2,4 2,4 2,8

1,5 2,5 1,2 1,4 1,4 1,6

1,78 1,88 1,70 1,81 1,76 1,80

Tableau IV-15 Comparaison des contraintes maximales selon la norme utilisée (tuyaux de

fonçage SCHÄFER BETON) La contrainte maximale dans le tuyau calculé d’après la norme NF EN 295-7 constitue donc une valeur moyenne convenable pour le projet. (d) Conclusion On se rend compte que la poussée totale est trop importante pour les tuyaux. La poussée nécessaire pour mettre en place la gaine en béton armé, qui correspond à une contrainte de 2,5 Mpa (calculé au paragraphe IV-3-b-3) dépasse la poussée maximale admissible de la gaine DN 1200. Afin d’y remédier, il est alors nécessaire d’intercaler une station intermédiaire de poussée dans le train de tuyaux afin de diminuer la poussée exercée par la station principale sur les tuyaux de fonçage (cf paragraphe 4. Station de fonçage intermédiaire ci-après).

c) Vérification du dimensionnement des tuyaux pendant la phase de service D’après la FSTT, les contraintes dues au terrain, à la nappe phréatique et aux surcharges en un point quelconque d’origine y par rapport à l’axe de la conduite ont les expressions suivantes :

σV = k1 ⋅ γ ⋅ (H − hw) + k2 ⋅ γ '⋅hw + γ ' (De / 2 + y) + qo + γ w ⋅ (hw + De / 2 + y) σ h = K ⋅ [k1 ⋅ γ ⋅ (H − hw) + k2 ⋅ γ '⋅hw + γ ' (De / 2 + y) + qo] + γ w ⋅ (hw + De / 2 + y) On détermine alors que, au niveau du contournement de Junglinster, pour H=2.50 m, hw=1.50 mm et qo fonctionnement ≈ 20 kPa cont.Junglinster

et

σV max

= 0.097 MPa

σ hmax

=0.050 Mpa

- Magalie Soler -


Etude de passages spéciaux par forages dirigés et microtunnelier de la conduite d’eau potable DN 700 « Préizerdaul – Junglinster » De même, au niveau de la N11, pour H=9m, hw=8 m et qo fonctionnement

et

σV max

= 0.183 MPa

σ hmax

=0.124 Mpa

RN 11

64

≈ 7 kPa , on obtient :

On vérifie alors que toutes deux sont bien inférieures à la contrainte admissible du béton (10 à 18 Mpa) En conclusion, on peut dire qu’en mettant en place une station de poussée intermédiaire, les tuyaux retenus en phase d’avant-projet sommaire de diamètre extérieur 1509 mm (qualité de béton C40/50) conviennent.

4. Station de fonçage intermédiaire Les stations de poussée intermédiaires [17] sont constituées de vérins hydrauliques et d’un anneau de répartition d’efforts installé dans un tuyau métallique intercalé en cours de tronçon. Le banc de poussée et les vérins de la station de poussée intermédiaire agissant de façon alternée permettent ainsi de faire progresser la conduite en « accordéon ». (les vérins hydrauliques de la stations non active étant bloqués afin que les efforts soient transmis au bâti de poussée). Les efforts de poussée sont ainsi répartis sur plusieurs trains de tuyaux. Une fois le microtunnelage terminé, les vérins sont démontés et la continuité intérieure du revêtement en béton rétablie. L’emplacement et le nombre de stations de poussée intermédiaire est à déterminer par l’entrepreneur.

Figure IV-12 Description station et tuyau de poussée intermédiaire

- Magalie Soler -



65

5. Puits d’entrée et de sortie du microtunnelier Il faut procéder à la construction de deux puits, comme l’illustre la figure IV-13 :un de départ et un second d’arrivée du microtunnelier. Dans le projet, le puits de départ jouera en même temps le rôle de chambre de vidange. Au moment de la réalisation du contournement, ce puits se trouvera dans un des talus de la route et sera adapté au profil de celui-ci (réduction de la profondeur du puits). Afin de raccorder la conduite posée par microtunnelier à celle posée en tranchée ouverte de part et d’autre du passage spécial, il a été décidé de prévoir deux zones de transition faisant un angle d’environ 30° par rapport à la verticale Figure IV-13 Puits d’entrée et de sortie du sur une longueur estimée de 15 m. microtunnelier Cela permettra ainsi de passer d’une profondeur de 12 m à une profondeur de pose normale de 2 m. Lors de la pose de la conduite dans cette zone, les parois de la tranchée devront être blindées, à l’aide, par exemple de palplanches. D’après les conseils de M. Schuler, de la société Saint-Gobain Gussrohr, il serait préférable de déplacer les coudes de la conduite à l’extérieur des puits d’entrée et de sortie du microtunnelier. Dans l’avant projet sommaire [18], il avait été évoqué la technique de construction de puits d’entrée et de sortie du microtunnelier par la méthode du havage. Après vérification auprès de M. Alexandre Lapeyre, représentant de l’entreprise Meyer en France, il s’est avéré que cette technique n’était pas réalisable pour de tels diamètres (11 m). Les autres techniques de construction de puits restant à notre disposition pour le projet sont donc : • • •

Les parois moulées Les palplanches Les pieux sécants Figure IV-14 Illustration pieux sécants

Compte tenu du coût des installations de chantier pour la mise en œuvre de parois moulées et du fait qu’il est obligatoire au Luxembourg de recycler la bentonite utilisée lors de la mise en œuvre des parois moulées, cette technique de construction s’avère alors trop chère et est écartée du choix pour le projet. La traversée d’éventuels bancs de calcaires très durs rend la technique de construction par battage ou vibrofonçage de palplanche elle aussi inapplicable

- Magalie Soler -



66

dans le cas du projet. Par élimination, les puits de sortie et d’entrée du microtunnelier seront donc construits par la technique des puits sécants. (cf. figure IV-14) Dans le cas du puits de sortie, un diamètre analogue au puits de départ a été choisi. Ceci permettra le raccord de la canalisation posée en profondeur à celle posée en tranchée ouverte. Compte tenu du manque d’informations sur les types de sols rencontrés, seul un dimensionnement grossier peut être établi. Cette démarche a uniquement été réalisée pour le puits de sortie du microtunnelier, de 11 m de profondeur. Par simplification, le sol situé au niveau des puits d’entrée et de sortie du microtunnelier a été décomposé en trois couches : • Sable argileux jusqu’à 337 m • Marnes calcaires de 337 à 329 m • Argile de 329 à 324 m Couche Sable Marnes calcaires Argile

γ (en kN/m³) 18 20 20

φ (en °) 30 22 30

c (en kPa) 1 5 10

Pour un puits circulaire composé de pieux sécants de 0.88 m de diamètre, muni d’une poutre de chaînage et d’une poutre de contournement; le logiciel DC-Talus indique une longueur de fiche de 6.96 m (cf. Annexe M) Il a été défini [18] que les puits auraient une forme circulaire, cette forme s’appliquant d’avantage, suite à la répartition symétrique et régulière des efforts internes. On démontre alors, cf. Annexe M, que la forme du puits nécessite de ne mettre en place que des armatures minimales. La norme allemande DIN 1536 donne les valeurs d’armatures minimales dans des pieux : Section nominale des pieux AC AC < 0.5 m² 0.5 m² < AC < 1.0 m² AC > 1.0 m²

Surface des armatures AS AS > 0.5% AC AS > 0.0025 m² AS > 0.25% AC

Tableau IV-16 Valeurs minimales d’armatures dans des pieux selon la norme allemande DIN 1536 D’où, pour un pieu de 0.88 m de diamètre et de surface 0.608 m², la surface d’armature minimale à mettre en place dans chaque pieu est de 25 cm². Des calculs précis devront être réalisés pour les deux puits lorsque les résultats de la campagne géotechnique complémentaire seront connus. Dans le puits d’entrée du microtunnelier, il faudra, de plus, dimensionner le massif de réaction, comme l’explique le paragraphe ci-après.

- Magalie Soler -



67

6. Massif de réaction Les tuyaux sont poussés dans le puits d’entrée du microtunnelier à l’aide de vérins. L’effort de réaction dans les vérins qui se réparti sur le massif de réaction ne doit pas dépasser l’effort de butée mobilisable dans le terrain. L’effort admissible de poussage Vadm peut être calculé selon la formule ci dessous, détablie par Stein [23]:

Vadm =

Kp ⋅γ ⋅b [h3² + h3 ⋅ (2 ⋅ h2 + h1)] 2.F

où Kp = 3 est le coefficient de butée γ =20 kN/m³, le poids volumique des terrains b, la largeur du massif F, un coefficient de sécurité pris égal à 1.5 h1 , h2 et h3 , les paramètres décrits sur la figure cicontre. L’effort de poussage admissible doit être supérieur ou égal à la force de poussée maximale du microtunnelier AVN 1200 T d’Herrenknecht qui est de 5200 kN.

V

On a h2 + h3 =11 m et h1 = 6.96 m (cf dimensionnement paragraphe précédent) Pour un massif de réaction de 2 m de hauteur ( h2 ), sur 2 m de largeur(b), on obtient :

Vadm =6067 kN Les dimensions de ce massif conviendraient.

Figure IV-15 Massif de réaction

- Magalie Soler -



68

7. Choix des tuyaux Le choix du matériau de la conduite d’eau potable DN 700 à tirer à l’intérieur de la gaine en béton doit, comme dans le cadre du forage dirigé s’effectuer entre l’acier et la fonte ductile. Pour ce passage spécial, le seul point décisif est le dispositif à mettre en place pour le tirage. La conduite en acier pourra être mise en place sur des rouleaux pour être tirée. La conduite en fonte ductile, elle, de part les excroissances de son système de verrouillage, ne le pourra pas. L’entreprise Saint-Gobain Gussrohr propose alors de mettre en place des manchons en acier plus épais au niveau des assemblages en tuyau. De ce fait, seuls ces parties seront usées lors de la phase de traction au contact avec la paroi en béton, l’ensemble de la canalisation restant alors intacte.

Figure IV-16 Manchons en acier au niveau du système de verrouillage d’un tuyau en fonte ductile

8. Estimation de la durée des travaux Les hypothèses prises pour l’estimation de la durée des travaux sont les suivantes : • •

Réalisation de 3 pieux par jour pour les puits, Vitesse d’avancement du microtunnelier : 7 m/jour

Selon ces hypothèses la durée des travaux serait approximativement de 56 jours (cf. Annexe L)

- Magalie Soler -



69

CONCLUSION Trois tronçons de la conduite d’eau potable DN 700, entre les villes de Préizerdaul et Junglinster seront mis en place par les techniques de travaux sans tranchée : o Entre Bissen et Mersch, le passage de la Route du Nord inclus celui de la route nationale N7 et du ruisseau Wellerbaach s’effectuera par forage dirigé sur une longueur de 305 m, o Entre Pettingen et Mersch, le passage de la ligne CFL et l’Alzette , inclus celui de la route nationale N9 et de la rue Am Spangert s’effectuera par forage dirigé sur une distance de 352 m, o Au niveau de Junglinster, le passage sous le futur contournement de Junglinster, inclus celui de la route nationale N11 s’effectuera par microtunnelier sur une distance de 95 m. Ces deux techniques ont été choisies lors de l’avant-projet sommaire comme étant les plus appropriées d’un point de vue technique, écologique et financier. La technique du microtunnelage permet la pose de canalisations par tronçons rectilignes au dessous des obstacles à franchir et nécessite la construction de deux puits pour l’entrée et la sortie du microtunnelier. La technique du forage horizontal dirigé permet, elle, d’obtenir un tracé courbe de la conduite . A ce jour, une étude détaillée concernant ces passages spéciaux a été réalisée et une campagne géotechnique complémentaire définie. Le premier point a permis d’apporter des compléments par rapport à l’étude d’avant-projet sommaire, notamment en ce qui concerne les types de sols rencontrés au droit des passages spéciaux. Certains problèmes ont été soulevés, par exemple le choix du type de matériau ou encore la technique de construction à utiliser pour les puits du microtunnelage. Le second, quant à lui, doit permettre de passer à l’étape suivante : la consultation des bureaux d’études en ingénierie géotechnique. Les prédictions concernant les différents types de sols rencontrés au niveau de ces passages spéciaux montrent que ceux-ci s’effectueront : o Dans les argiles et les marnes pour le passage par forage dirigé de la Route du Nord, o Dans les limons et les argiles pour le passage par forage dirigé de l’Alzette et de la ligne CFL et de l’Alzette, o Dans les marnes calcaires pour les travaux par microtunnelier. Les essais définis dans la campagne géotechnique complémentaire à réaliser permettront de confirmer ou non la présence de ces couches de sols au droit des trois passages. Ils pourront également mettre en évidence certaines hétérogénéités (couche de gravier au niveau de l’Alzette, par exemple) qui nécessiteront des précautions particulières lors des forages. A partir des données obtenues, un dossier géotechnique, comprenant l’ensemble des résultats de la campagne géotechnique complémentaire et un mémoire de synthèse, devra être rédigé à l’attention des entreprises soumissionnaires. Il ressort de l’avant-projet détaillé que le matériau fonte ductile serait celui le plus approprié pour la conduite d’eau potable DN 700. Les propriétés de la fonte ductile, mais également l’obtention d’une homogénéité de la canalisation le long du tracé, expliquent ce choix. Il a alors été montré que les tuyaux en fonte ductile type K10 développés par la société SaintGobain Gussrohr conviendraient pour la réalisation de ces tronçons.

- Magalie Soler -



70

L’avant-projet sommaire réalisé en 2005 a déjà intégré de nombreux paramètres à respecter pour le choix des tracés (couvertures, rayons de courbure, emprises). Ceux-ci semblent alors être optimisés. Il aurait néanmoins été intéressant de chercher à modifier les tracés des passages par forage dirigé en vue de diminuer, soit la longueur des forages, soit leurs profondeurs. On a pu voir qu’il serait préférable de modifier le tracé de la conduite au niveau des puits d’entrée et de sortie du microtunnelier, de sorte que le raccord avec la conduite posée en tranchée ouverte se fasse à l’extérieur des puits. Ceci nécessitera, certes, des terrassements plus importants à l’extérieur des puits, mais évitera la mise en place de dispositifs de soutènement de la canalisation à l’intérieur des puits. De plus, cela permettra de diminuer les dimensions du puits de sortie, qui ne servira alors plus qu’à récupérer le microtunnelier. Les perspectives de mon étude sont tout d’abord de lancer la campagne géotechnique. Un mémoire de synthèse géotechnique devra par la suite être rédigé, d’après les résultats obtenus. Il précisera les caractéristiques des sols dans lesquels s’effectueront les passages spéciaux et indiquera les zones d’incertitudes et/ou susceptibles de nécessiter des précautions particulières durant la phase des travaux. Des calculs détaillés pour le dimensionnement des puits d’entrée et de sortie du microtunnelier devront également être menés dès que les données géotechniques des sols seront connus. Les procédures à respecter et les autorisations concernant ces travaux devront être demandées, notamment auprès de l’ Administration de la Gestion de l'Eau et de l’Environnement et des Chemins de Fer Luxembourgeois. La suite logique de mon PFE est ,enfin, de rédiger le dossier de consultation des entreprises spécialisées dans les travaux sans tranchée

- Magalie Soler -



71

Bibliographie [1]

Brochure du SEBES, L’eau potable au Luxembourg, 20 p.

[2] ISTT, Trenchless Technology Systems – An Environmentally Sound Approach for Underground Services – An Introductory Guide for Decision-makers, 2001, 8p. [3]

F.S.T.T., (French Society for Trenchless Technology), Forages dirigés, 2003, 202p.

[4]

F.S.T.T., Microtunneliers, Lavoisier, 2003, 222p.

[5]

MAQUENNEHAN F., Mini et microtunneliers, Techniques de l’Ingénieur, C5 572, 8p.

[6]

Pipe Jacking Association, An introduction to pipe jacking and microtunnelling design, 1995, 24p.

[7]

F.S.T.T., Objectifs et moyens des études de sol pour les projets de microtunnels, Cahiers techniques de la F.S.T.T. n°1, Mai 1994, 12 p.

[8]

STEIN D.,Grabenloser Leitungsbau , Verlag Ernst & Sohn, 2003, 1144p.

[9]

Huey, Hair, McLeod, Chapter 5- Pulling Load and Pipe Stress Analysis, 2005, 15p.

[10]

Email du 15/05/2007 de M. Michael Lubberger - société Herrenknecht

[11]

DCA Technical Guidelines - Information and Recommandations for the Planning, Construction and Documentation of HDD – Projects, 2001, 66 p.

[12]

AAA (Association d’Assurance contre les Accidents), Fouilles de terrassement talutées, fiche D 114

[13]

Canal de Roubaix : AXEO a réalisé une première en France, AX’Presse. [En ligne]. Disponible sur : www.axeo-tp.fr/axpresse/news_11102006.php

[14]

BERLAND J.M., JUERY C., Inventaire et scénario de renouvellement du patrimoine d’infrastructures des services publics d’eau et d’assainissement

[15]

PHELIPOT A., Interaction sol-structure lors d’opérations de microtunnelage, Thèse, 2000, 269 p.

[16]

Pipe Jacking Association, Guide to best practice for the installation of pipe jacks and microtunnels, 1995, 77p.

[17]

Concrete Pipe Association of Australasia Pipe Jacking, Jacking Design guidelines, 1990, 13 p.

[18]

CREUTZ P, Etude comparative des techniques de réalisation du passage spécial « Contournement de Junglinster » - Rapport final de l’avant-projet, 2005, 45p

- Magalie Soler -

Lavoisier,



72

[19]

CREUTZ P, Etude comparative des techniques de réalisation des passages spéciaux « Route du Nord » et « Vallée de l’Alzette » - Rapport final de l’avant-projet, 2005, 48p

[20]

Horizontal Drilling International S.A.S., Méthode opératoire Standard - Forage Horizontal Dirigé, 2006, 21 p.

[21]

Annexe B : Calculs de résistance mécaniqu pour le fonçage des tuyaux, Document combine « Tuyaux en béton » constitué de la norme EN 1916 et du Document National d’Application luxembourgeois de l’EN 1916

[22]

F.S.T.T., Etat de l’art et recommandations pour le dimensionnement des tuyaux pour microtunnelage, Cahiers techniques de la F.S.T.T. n°2, Septembre 1994, 18 p.

[23]

F.S.T.T., Microtunnels : Construction d'ouvrages, Cahiers techniques de la F.S.T.T. n°3, Novembre 1994, 40 p.

[24]

F.S.T.T., Glossaire des princiapux termes utilisés dans le domaine des additifs pour microtunnelage, Cahiers techniques de la F.S.T.T. n°5, Janvier 1995, 13p.

[25]

F.S.T.T., Travaux sans tranchée : Pose de canalisations par forage dirigé, Atelier 7, Septembre 2001, 11 p.

[26]

W. BONDS R., Horizontal Directional Drilling with ductile iron pipe, DIPRA, 2004, 8p.

[27]

Horizontal Drilling International S.A.S., Recommandation pour la réalisation d’une prospection géologique, 2006, 21 p.

[28]

HERRENKNECHT M., Microtunneling with Herrenknecht MicroMachines, rapport de conférence Colorado School of Mines, 2003, 13 p. (différences microtunnelier)

[29]

CHIRULLI R., La tecnologia del directional drilling a secco, Strade e autostradde 6-99, p 28 à 33.

[30]

ISTT, Dry Directional Drilling – A new Challenge, Nodig International vol. 7, 2000, p 12 à 13.

[31]° Information M. Baumlin, directeur technique de l’entreprise SMCE Forage [32]

HEUERTZ M., HEYART H.,Les alluvions de l’Alzette entre Pettange et Moesdorf (Mersch) et leur contenu préhistorique, Musée d’histoire naturelle Luxembourg, 1966, p.269 à 296

[33]

Email du 03/05/2007 de Mme Diana Pfeff – société Herrenknecht

[34]

Présentation des tuyaux en fonte ductile par l’entreprise Saint Gobain Gussrohr du 8/05/2007

- Magalie Soler -



73

Sites Internet : o o o o o o o o o o

o

http://www.contactenvironnement.com http://www.univ-savoie.fr http://www.herrenknecht.com http://www.meyer-polycrete.com http://www.ditchwitch.com http://www.huxtedtunneling.com http://www.microtunneling.com http://www.maxscherle.com/ http://www.istt.com/ http://www.fstt.org http://www.no-dig-pipe.com

- Magalie Soler -



74

Table des figures Figure I-1 Le barrage d'Esch sur Sûre en travaux ............................................................................6 Figure I-2 Barrage d’Esch-Sur-Sûre et station de traitement ...........................................................7 Figure I-3 Les différentes zones alimentées par le SEBES..............................................................7 Figure I-5 Plan de situation du passage par forage dirigé au niveau de la Route du Nord ..............9 Figure II-5 Illustration du forage pilote..........................................................................................16 Figure II-6 Illustration de l'alésage.................................................................................................17 Figure II-7 Aléseur à ailettes ..........................................................................................................17 Figure II-8 Aléseur à spirales compactant......................................................................................18 Figure II-9 Aléseur à goujures........................................................................................................18 Figure II-10 Aléseur à molettes......................................................................................................18 Figure II-11 Aléseur à piston suivi de la canalisation à tirer..........................................................18 Figure II-12 Illustration du tirage de la conduite ...........................................................................19 Figure II-15 Principe d'un microtunnelier à marinage à vis (AVN 800-1200 Herrenknecht) .......23 Figure II-16 Principe d'un microtunnelier à marinage hydraulique (AVN 250-700 Herrenknecht) ........................................................................................................................................................24 Figure III-1 Exemple de profil géologique.....................................................................................27 Figure IV-1 Ballastage d'une conduite en fonte ductile .................................................................41 Figure IV-2 Détermination des forces de tirage pour une section rectiligne .................................41 Figure IV-3 Détermination des forces de tirage pour une section courbe......................................42 Figure IV-4 Excavation au niveau de la zone RIG du passage « ligne CFL et Alzette » ..............47 Figure IV-5 Photo zone RIG ...................................................................................................47 Figure IV-6 Photo zone PIPE ......................................................................................................47 Figure IV-7 Exemple de fouille blindée.........................................................................................48 Figure IV-8 Tirage simultané de plusieurs conduites ....................................................................49 Figure IV-9 Photos d'un microtunnelier de type AVN-T...............................................................52 Figure IV-10 Valeur du coefficient de stabilité Tc .........................................................................57 Figure IV-12 Description station et tuyau de poussée intermédiaire .............................................64 Figure IV-15 Massif de réaction ....................................................................................................67 Figure IV-16 Manchons en acier au niveau du système de verrouillage d’un tuyau en fonte ductile ........................................................................................................................................................68

- Magalie Soler -



75

Index des tableaux Tableau II-1 Caractéristiques des différentes machines de forage.................................................15 Tableau II-2 Caractéristiques des machines de forage...................................................................16 Tableau II-3 Choix des machines en fonction des types de terrain à excaver................................24 Tableau III-1 Intérêts des différents essais à réaliser .....................................................................33 Tableau IV-1 Caractéristiques des tuyaux en acier et en fonte ductile DN 700 ............................35 Tableau IV-2 Rayons de courbure minimaux à respecter .............................................................37 Tableau IV-3 Rayons de courbure minimaux en fonction du tuyau ..............................................37 Tableau IV-4 Hauteurs de couvertures pour les différents obstacles.............................................38 Tableau IV-5 Diamètre d’alésage nécessaire en fonction du type de tuyau ..................................38 Tableau IV-6 Exemple de séquence d’alésage...............................................................................39 Tableau IV-7 Calcul des forces de traction selon la méthode de Huey, Hair et McLeod ..............43 Tableau IV-8 Calcul des forces de traction selon Kögler et Lübber ..............................................43 Tableau IV-9 Calcul des forces de traction selon la méthode de l’entreprise Herrenknecht .........44 Tableau IV-10 Comparaison des forces de traction calculées au niveau de la ligne CFL et de l’Alzette ..........................................................................................................................................44 Tableau IV-11 Durée des travaux selon f sol ..................................................................................45 Tableau IV-12 Temps de forage déterminé lors de l’avant-projet sommaire pour les différents passages par forage dirigé ..............................................................................................................46 Tableau IV-13 Caractéristiques principales des tuyaux en acier et en fonte ductile......................50 Tableau IV-14 Avantages et inconvénients de l’acier et de la fonte ductile pour les forages dirigés ........................................................................................................................................................50 Tableau IV-15 Comparaison des contraintes maximales selon la norme utilisée (tuyaux de fonçage SCHÄFER BETON) ..........................................................................................................63 Tableau IV-16 Valeurs minimales d’armatures dans des pieux selon la norme allemande DIN 1536 ................................................................................................................................................66

- Magalie Soler -



76

ANNEXES

(cf. document joint)

- Magalie Soler -


Rapport PFE

Recommend Documents