Cet ouvrage exceptionnel a nécessité des terrassements en déblai d’une profondeur de 12 à 14 mètres environ, dans un contexte géotechnique et hydrogéologique complexe qui a conduit la maîtrise d’oeuvre à définir des dispositions particulières tant en phase de conception que de réalisation.
VINCI Construction, attributaire de l’opération, a confié à Géotec, dans le cadre de sa mission d’exécution, plusieurs campagnes de reconnaissances géotechniques et hydrogéologiques complémentaires afin de préciser le modèle géotechnique du site et limiter les aléas géotechniques résiduels.

CONTRAINTES GÉOLOGIQUES ET HYDROGÉOLOGIQUES

Le contexte géotechnique de ce secteur de l’agglomération de Nancy est très spécifique. En effet, des alluvions de nature principalement argilo-limoneuse, épaisses de 8 à 10 mètres, recouvrent
les « schistes-carton » du Toarcien. Cette formation est altérée dans sa partie supérieure en argile marneuse. Avec la profondeur, on atteint les schistes-carton au sens strict, à savoir des marnes
indurées présentant une schistosité marquée et un potentiel de gonflement très important. Ils reposent sur les grès médioliasiques. Il s’agit d’une marne gréseuse compacte plus ou moins fracturée qui passe progressivement à des calcaires marneux très compacts.
Du point de vue hydrogéologique, les investigations et les suivis piézométriques ont mis en évidence une nappe libre dans les alluvions et une nappe captive dans les marnes gréseuses et les calcaires marneux. Le niveau piézométrique de la nappe captive se situe environ 4 à 6 mètres au-dessus du toit de cette formation.

PARTICULARITÉ DES SCHISTES-CARTON

Les schistes-carton présentent une spécificité liée à leur minéralogie. De par la présence de pyrite dans les feuillets marneux, une réaction avec l’O2 de l’air et l’eau conduit à la fabrication d’acide sulfurique, lequel attaque le calcaire pour former de l’anhydrite qui en présence d’eau se transforme en gypse avec une augmentation de volume de 60 %.
Il est donc important, durant la vie de l’ouvrage, de maintenir ces matériaux dans un état le plus proche possible de leur état antérieur à la réalisation des travaux de terrassement (surtout du point de vue hydraulique). En phase définitive, il est prévu que le niveau de la nappe baigne à nouveau ces niveaux schisteux. Du point de vue technique, VINCI a prévu des pieux à même de reprendre les efforts liés à un éventuel gonflement des schistes-carton.
Du point de vue hydraulique, les schistes-carton constituent un horizon quasi imperméable verticalement.
La nappe des marnes gréseuses sous-jacentes étant en charge, il existe un risque important de soulèvement des schistes-carton résiduels du fait des sous-pressions.

OBJET DE LA MISSION DE GÉOTEC

De manière à supprimer le risque lié au soulèvement des schistes-carton résiduels, il a été nécessaire de caractériser précisément les conditions hydrogéologiques du site. Une campagne de reconnaissance a donc été mise en oeuvre. Cette campagne a consisté en la réalisation de mesures de perméabilité de type Lefranc réparties dans les différentes couches, et de pompages d’essai par paliers, puis de longue durée. Il a été également mis en place des piézomètres sélectifs intéressant les différents aquifères.

MODÈLE HYDROGÉOLOGIQUE NUMÉRIQUE

Ainsi, afin de simuler différentes configurations hydrodynamiques, Géotec a réalisé un modèle numérique des écoulements souterrains (méthode de calcul aux éléments finis). Compte tenu des incertitudes relatives, notamment aux valeurs de perméabilités et à leur anisotropie, Géotec a développé trois modèles hydrogéologiques locaux comprenant un modèle moyen basé sur les résultats nets des essais, un modèle minoré et un modèle majoré.

PRESCRIPTIONS POUR LE CHOIX DU RABATTEMENT

Après calage du modèle et plusieurs tests de sensibilité du modèle effectués en régime permanent et en régime transitoire, le dispositif de rabattement de la nappe retenu pour les travaux a compris 12 puits (2 lignes de 6 puits), crépinés sur toute la hauteur des grès médioliasiques. En appoint à ces 12 puits est mise en place une tranchée drainante périphérique à la fouille inférieure.
Ce dispositif permet de maintenir la piézométrie à l’extrados immédiat des puits à la cote 230,5 mètres NGF (de manière à maintenir la piézométrie de la nappe des grès médioliasiques sous le projet à une cote moyenne de 231 mètres NGF) ; et, via la tranchée drainante périphérique à la fouille inférieure, d’écrêter le niveau piézométrique à la cote 229,25 mètres NGF.
Les résultats de la modélisation avec le modèle hydrogéologique conduisent aux estimations suivan-
tes : le débit initial total issu du pompage par les 12 puits et du drainage par la tranchée en fond de fouille inférieure est de l’ordre de 7 à 70 m3/heure suivant les hypothèses retenues.

MISE EN OEUVRE EN PHASE TRAVAUX

Les puits de pompage, moins nombreux mais de plus gros diamètre, ont été mis en place au niveau de la galerie centrale progressivement en fonction du creusement de cette dernière, et les pompages ont démarré. Les volumes pompés au niveau de ces puits ont fait l’objet d’un suivi par VINCI Construction.
La tranchée drainante projetée en périphérie de la galerie n’a finalement pas été réalisée, les schistes-carton étant trop peu productifs, ils ont essuyés rapidement. Au bout d’une vingtaine de jours, le volume pompé s’élevait à environ 31 200 m3, soit un débit de 60 m3/heure, en moyenne. Cette valeur se situe dans l’ordre de grandeur de l’hypothèse majorée, mais il faut noter que le rabattement
obtenu a été supérieur également. En effet, par souci de sécurité, la maîtrise d’oeuvre a souhaité prendre des précautions supplémentaires sur ce critère.
À l’heure actuelle, les pompages ont cessé et le niveau piézométrique retrouve progressivement son niveau d’avant travaux.

Damien Petitjean
Responsable de l’agence de Nancy pour Géotec
François Auroux
Hydrogéologue expert pour Géotec