12 – Excavation en milieu urbain et excavabilité du roc

Excavation en milieu urbain et excavabilité du roc;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ralph B. Peck (1912 – 2008), éminent ingénieur civil, spécialisé en mécanique des sols, né à Winnipeg, auteur de nombreux articles en géotechnique.

Quel que soit la rigidité d’un soutènement temporaire (mur berlinois, palplanches), ce type de mur temporaire induit inévitablement des mouvements aux sols environnant dans une zone proche de l’excavation où les déplacements horizontaux et les tassements des sols sont importants. Ces mouvements sont dus aux diminutions des contraintes horizontales occasionnées dans les sols par l’excavation et aussi à la flexibilité des éléments de soutènement.

En se basant sur des mesures effectuées dans des excavations étançonnées, Peck a publié en 1969 un  graphique permettant d’estimer de façon empirique les mouvements des sols aux environs d’une excavation étançonnée. Ce graphique, malgré son caractère empirique, reste un instrument de prévision pour les géotechniciens. La figure 1 montre les résultats de l’article de Peck. La figure 2 montre les profils déformés des murs berlinois et des murs de palplanches. On constate que la déformé maximale se produit au niveau du fond de l’excavation si la couche dure ou le roc est loin. Depuis les travaux de Peck, d’autres chercheurs ont publié des résultats pour améliorer notre connaissance dans ce domaine.

 

 

La section L, Fondation, du supplément du CNBC est consacrée aux mouvements de sol reliés aux excavations  et aux reprises en sous-œuvre. Les mouvements verticaux et horizontaux reliés aux excavations sont résumés dans le tableau L-5 du supplément de CNBC. La figure 27, figure L-1, du supplément montre l’étendue des zones A,B et C avec les recommandations de CNBC pour chaque zone en terme de nécessité ou non de la reprise en sous-œuvre.

Les effets des mouvements des murs d’étançonnement des excavation sont devenus importants à cause de l’augmentation des nouvelles technologies dans ce domaine et des poursuites suite aux dommages survenus.  Notre connaissance dans ce domaine augmente suite aux résultats des études de cas avec des excavations instrumentées et de l’application de la MEF.

Les mouvements des excavations étançonnées sont fonction  de plusieurs facteurs comme: 1) condition des sols et de la nappe phréatique; 2) Changement du niveau d’eau; 3) Profondeur et forme de l’excavation; 4) Type et rigidité du mur et ses supports; 5) Méthode de construction du mur; 6 ) surcharges; 7) durée d’ouverture de l’excavation

Un mur d’étançonnement peut éprouver des problèmes de mouvements de sol à cause des trois groupes de paramètres suivants :

  1. insuffisance structurale du mur suite à l’érosion des sols, à l’insuffisance structurale, aux méthodes de construction inappropriées, aux conditions de sol ou de l’eau imprévues et à une coordination déficiente des travaux par rapport au reste du projet;
  2. Mouvements excessifs du mur à cause des faiblesses structurales mentionnées précédemment ou à cause des conditions suivantes :

I.        Rigidité faible du mur;

II.        Sur-excavation des sols au niveau des ancrages, retard dans la mise en place des supports;

III.        Contrôle inadéquat du drainage des sols en place;

IV.        Remblayage inadéquat à l’arrière du mur

  1. Mouvements des sols à l’arrière du mur causés par l’excavation, indépendamment du système de support du mur suite aux phénomènes suivants :
    1.                  I.       Tassement des sols suite à l’augmentation des contraintes effectives suite au rabattement de la nappe phréatique;
    2.                II.       Érosion des sols en place par manque de drainage approprié d’une nappe phréatique ou à cause des fuites d’eau imprévues survenues dans le secteur suite à l’excavation ou qui existait avant l’excavation;
    3.               III.       Tassement des sols granulaires suite au battage des pieux ou du dynamitage dans le secteur;
    4.              IV.       Altération des sols ou du roc suite à l’excavation.

 

Excavabilité du roc

D’une manière générale, pour excaver le roc, il faut lui transmettre une quantité d’énergie de façon appropriée, sous forme mécanique, hydraulique, thermique ou électro-physique. L’efficacité du processus d’excavation dépendra de l’énergie spécifique pour excaver un volume unitaire de roc et de la puissance spécifique fournie par le système par unité de surface. Ces deux grandeurs énergétiques permettent de formuler le rendement du système d’excavation.

Les deux techniques principales d’excavation du roc sont l’abattage à l’explosif (dynamitage) ou l’abattage mécanisé (tunnelier, machine à pic, marteaux hydrauliques, etc..).

Les méthodes suivantes peuvent être utilisées dans le cadre des projets d’excavation en milieu urbain si l’on exclut le dynamitage:

  1. Creusage direct de roc au moyen d’une rétrocaveuse ou une pelle hydraulique;
  2. Fragmentation de roc au moyen de marteaux hydrauliques montée sur une pelle hydraulique ou une rétrocaveuse et ensuite son excavation par les engins conventionnels de terrassement.

La compétition que se livre l’abattage mécanique et l’abattage à l’explosif, depuis environ 60 ans, ne cesse de repousser continuellement la limite entre ces deux techniques vers des roches toujours plus agressives  où l’explosif reste encore le plus utilisé.

Dans des conditions favorables (roc altéré, fragmenté en surface de roc), le roc peut être excavé directement par les engins de terrassement (rétrocaveuse ou pelle hydraulique). Cependant, avec l’augmentation de la profondeur et la diminution de fragmentation naturelle de roc, l’augmentation de la résistance de roc et les conditions défavorables des discontinuités de roc, l’excavation mécanisée pour fragmenter le roc devient nécessaire pour son excavation.

Franklin et al. (1971) ont présenté un critère d’excavabilité de roc en fonction de la résistance en compression simple de roc et de l’espacement de discontinuité.  Depuis 1971, les équipements de creusage de roc ont évolué considérablement. Walton et Wang (1993), ont présenté la mise à jour de critère d’excavabilité de roc en fonction de RQD et la résistance en compression simple ou l’indice de résistance de roc

L’excavation du roc par les engins de terrassement est contrôlée par les facteurs suivants :

  1. Puissance de l’engin;
  2. Méthode de travail;
  3. Nature et orientation des discontinuités de roc (structure géologique du roc);
  4. Résistance en compression simple du roc sain.

L’utilisation de marteau hydraulique pour l’excavation de roc est relativement récente. Elle a commencé vers les années 1960. En Italie, quelques tunnels ont été excavés en utilisant des marteaux hydrauliques. En Turquie, 11 km de tunnel ont été excavés en utilisant des marteaux hydrauliques (Bilgin 1996 et 1998). Cette méthode exige l’utilisation de marteau hydraulique d’une masse variant entre 2 000 à 3 500 kg ou plus montée sur un engin de terrassement compatible avec la masse de marteau.

Le principe de fonctionnement d’un marteau hydraulique est simple. L’outil à emmancher du marteau suit un mouvement descendant-ascendant contre la surface du roc à briser. Afin de procurer une énergie élevée durant sa chute, le marteau est équipé d’un accumulateur capable de fournir le volume nécessaire d’huile en un court laps de temps. L’accumulateur est chargé continuellement par une pompe hydraulique. Les techniques actuelles permettent de fournir une énergie d’au plus 150 kW pour un marteau de 7 à 8 tonnes avec une énergie d’impact jusqu’à 122 kj/coup (Pelizza, 1994). L’excavation de roc par un marteau hydraulique est réalisée en deux étapes : 1) étape de fragmentation primaire où le roc sain est fragmenté suivie de 2) étape de fragmentation secondaire où le massif rocheux (roc fissuré) est fragmenté en morceaux plus petits.

Les marteaux hydrauliques conviennent pour l’excavation du roc fissuré, lité, folié. Un roc sain, sans fissures ni discontinuités, peut être fracturé par marteaux hydrauliques, mais à un faible taux d’avancement. Cependant, le roc de forte à très forte résistance, mais présentant de joints prononcés ou de plans de litage, peut être fragmenté par les marteaux hydrauliques convenablement choisis (Tatiya, 2005).

Selon Ocak et Bilgin (2010), la relation empirique suivante a été établie entre le taux de fragmentation de roc (Instantaneous ou net breaking rate) en m3/h et la puissance de marteau (P) en HP et l’indice d’excavabilité de roc (RMCI (rock mass cuttability index) en MPa selon la relation empirique suivante

Taux de fragmentation de roc (m3/h) = IBR = 4,24 P (RMCI)-0,567

avec RMCI = C0 x (RQD/100)2/3

C0 : La résistance en compression simple de roc en MPa

RQD : Rock quality designation;

La puissance P d’un marteau est calculée selon l’expression :

P = n (fréquence de marteau) x Ei (énergie de chaque coup de marteau)

Extrait de Ocak et Bilgin (2010)

 

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