ENJEUX GÉOTECHNIQUES POUR LA CONSTRUCTION DU MÉTRO AUTOMATIQUE GRAND PARIS EXPRESS

Le Grand Paris Express contribue à structurer ce grand projet d’aménagement de par l’amélioration à
court terme du service offert aux voyageurs, la modernisation et l’extension du réseau existant, mais
également par la création d’un réseau de transport public automatique qui concerne l’ensemble de l’Île-de-France. Il vise à desservir de nouveaux territoires et à apporter une réponse satisfaisante aux très nombreux voyageurs qui vont quotidiennement de banlieue à banlieue, et qui sont, à ce jour, obligés de transiter par Paris. Il a aussi vocation à relier les différents aéroports à l’ensemble des
activités de la région.
Il comporte :

• une rocade de grande capacité, la ligne 15, pour dessaturer la zone dense ;
• des transports automatiques à capacité adaptée pour la desserte des territoires en développement : ligne 16, ligne 17, ligne 18 ;
• des prolongements de lignes de métro existantes : ligne 14 au nord et au sud ; ligne 11 vers l’est, de Mairie-des-Lilas à Noisy-Champs via Rosny-Bois-Perrier.

Ces lignes représentent 200 kilomètres et 68 gares, découpées en 8 tronçons. L’ensemble, le Grand
Paris Express, constitue un réseau très maillé avec les infrastructures de transport existantes (métro,
RER, Transilien) afin de fluidifier les échanges à l’échelle de l’Île-de- France. Le schéma d’ensemble de ce projet a fait l’objet d’un décret en Conseil d’État, en août 2011.
Les procédures d’enquêtes publiques sur l’ensemble des lignes ont été validées. Les premières mises
en service sont attendues à l’horizon 2022. Trois marchés de génie civil ont été attribués sur la ligne 15 sud. Les travaux de la gare de Fort d’Issy-Vanves-Clamart ont démarré avec la réalisation en cours des parois moulées. Les prochains marchés de la ligne 15 sud seront attribués début 2017. La procédure de consultation sera engagée pour la ligne 16 tout au long de l’année 2017, avec pour objectif une attribution des marchés de génie civil pour fin 2017.
Cet article vise à détailler la mission du maître d’ouvrage durant les phases études, au niveau de l’acquisition des données d’entrée géologiques, géotechniques et hydrogéologiques, et comment ces données ont été ou vont être utilisées, et par quel acteur.
La géologie du Bassin parisien est plutôt bien connue, et, dès les premières études du projet, le MOA disposait d’une base documentaire sérieuse et étoffée sur les formations géologiques intéressées par le projet (BRGM). Mais cette base n’était pas suffisante : des campagnes de reconnaissances ont dû être mises en place, dont certaines toujours en cours de réalisation.
S’ils servent d’abord à définir les paramètres des calculs de dimensionnement des ouvrages, ces résultats doivent permettre aussi d’apprécier le comportement des terrains lors de l’exécution des
travaux et les conséquences sur l’environnement, et sur le bâti.
La typologie et l’état de ce bâti sont déterminants pour juger des conséquences des travaux. Des enquêtes détaillées du bâti ont été entreprises, et, pour certaines, sont toujours en cours. Cette partie ne fait pas l’objet du présent article, mais constitue une composante tout à fait prépondérante dans la conception du projet en parallèle de la définition des conditions géologiques, hydrogéologiques et géotechniques.

LA GÉOLOGIE, L’HYDROGÉOLOGIE ET LA GÉOTECHNIQUE

But des investigations géotechniques entreprises

Un projet de transport en souterrain est, par essence, en forte interaction avec le sous-sol. De ce fait, afin de réaliser des études de qualité, la meilleure connaissance du sous-sol au sens large est nécessaire. Les investigations géotechniques entreprises dès la phase d’études préliminaires ont donc pour objectif :

• d’établir le modèle géologique du projet ;
• d’établir un modèle hydrogéologique ;
• de caractériser les horizons et faciès rencontrés d’un point de vue tant mécanique qu’environnemental.

Le but est de localiser et caractériser des zones dites « homogènes » afin d’adapter tant la conception des ouvrages que les méthodes constructives associées à chacune d’entre elles.

ORGANISATION DES ÉTUDES GÉOTECHNIQUES

Les études géotechniques sont régies par la norme NF P 94-500 relative aux missions géotechniques. Ces missions sont à mettre en regard des phases d’études de conception définies par la loi relative à la maîtrise d’ouvrage publique, dite « loi MOP ».
C’est toujours au travers d’une organisation rigoureuse, permettant divers niveaux d’expertise, que la Société du Grand Paris compte maîtriser les risques techniques, les coûts et les délais.
À cet effet, elle s’est adjoint, pour chacun des tronçons, les conseils d’assistants à maîtrise d’ouvrage en géotechnique qui ont plusieurs missions : définir et superviser les investigations géotechniques ;
interpréter et établir pour le compte de la Société du Grand Paris les missions G1 ; et accompagner la maîtrise d’ouvrage dans ses discussions avec les maîtres d’oeuvre vis-à-vis des missions G2. Les résultats factuels de ces investigations géotechniques sont transmis aux maîtres d’oeuvre pour une analyse et une interprétation qui lui sont propres.

G1 ET G2 : DOUBLE REGARD SUR CES DEUX MISSIONS

Le but de cette organisation est d’avoir un regard partagé sur l’interprétation des données de sols entre les spécialistes des maîtres d’oeuvre et des assistants à maîtrise d’ouvrage géotechnique, afin de concevoir un projet adapté au contexte géologique, hydrogéologique et géotechnique par une adéquation des méthodes constructives retenues. Par ailleurs, la Société du Grand Paris a mis en place un comité des travaux souterrains, constitués d’experts indépendants, qui est consulté, en phase conception, dans tous les grands choix techniques liés à la géotechnique et aux méthodes constructives.

DISPOSITIONS MISES EN PLACE EN PHASE TRAVAUX

La norme NF P 94-500 régit aussi la phase de réalisation, et l’impose pour deux missions G3 et G4.
La SGP a prévu d’être accompagnée de spécialistes dans le domaine de la géotechnique via des missions de conseil, assurées par les assistants à maîtrise d’ouvrage en géotechnique, ayant pour objectif de maintenir la vision partagée sur les données géotechniques et les méthodes constructives qu’elle a initiées dès les phases études du projet. De plus, le comité des travaux souterrains pourra être consulté lors de grands choix techniques qui sont liés à la géotechnique et les méthodes constructives.

PRINCIPAUX ENJEUX GÉOLOGIQUES, HYDROGÉOLOGIQUES ET GÉOTECHNIQUES

Le projet de réalisation du réseau Grand Paris Express s’insère majoritairement en souterrain. Des études et des sondages sont entrepris dans ce cadre, avec des enjeux géologiques, hydrogéologiques et géotechniques tels que :

• prendre en compte les cavités d’origine anthropique que sont les anciennes carrières. Le projet passe sous des anciennes carrières souterraines et à ciel ouvert. Cet enjeu représente l’une des priorités auxquelles les études de conception se sont attachées à répondre.
• éviter au maximum tout impact sur les nappes d’eau souterraine, que ce soit en termes de pollution des eaux, de modification du niveau des nappes, ou de modification de la circulation des eaux.
• identifier et prendre en compte les zones marquées par la présence de sols évolutifs, dans
  lesquels des phénomènes de dissolution peuvent avoir eu lieu ou avoir lieu. Cet enjeu est principalement localisé au nord et au nord-est du réseau.
• prendre en compte la présence d’argiles et, par conséquent, un phénomène éventuel de retrait ou de gonflement des argiles.

ENJEUX D’UN PROJET DE TYPE MÉTRO SOUTERRAIN LIÉS À LA PRÉSENCE DE CARRIÈRES

Dès la fin de leur exploitation, ces carrières ont été le siège de mouvements verticaux pouvant entraîner des cloches de décompressions dans les terrains sus-jacents, voire la formation de fontis.
Les carrières à ciel ouvert sont souvent remblayées par des matériaux de mauvaise qualité et présentent l’inconvénient de constituer des terrains de consistance médiocre, sous-consolidés pour la réalisation d’un projet de type métro souterrain. D’une part, la traversée de ces terrains meubles peut perturber le bon avancement du tunnelier, et ensuite son passage dans des terrains sous-consolidés peut engendrer des tassements en surface difficilement compatibles avec la présence de bâtis de surface.
Les anciennes carrières souterraines constituent des ouvrages fragiles. Le passage du tunnelier ou la réalisation de travaux à proximité de ces dernières, et donc la modification du milieu en termes de contraintes, dans le sol notamment, peut engendrer la remise en cause de l’équilibre parfois précaire des carrières. Ainsi, la réalisation d’un projet de type métro souterrain à proximité d’anciennes carrières souterraines est susceptible de créer des désordres sur ces dernières, engendrant des décompressions dans le sol, et donc des tassements pouvant remonter en surface et impacter le bâti situé à l’aplomb des zones concernées. Il est important de souligner que le risque lié aux carrières sur un chantier de type métro provient essentiellement de carrières qui n’auraient pas été identifiées préalablement au chantier.

PRISE EN COMPTE DES ENJEUX DÈS LA CONCEPTION

De façon générale, le tracé en plan du projet a cherché autant que possible à éviter la traversée de zones de carrières en s’en éloignant au maximum, lorsque cela était compatible avec les objectifs de desserte du projet.
Lorsque la zone de carrière n’a pu être évitée :
Pour les carrières à ciel ouvert remblayées, le profil en long du tunnel est adapté afin que l’épaisseur de terrain au-dessus de la voûte du tunnel soit suffisante pour que les tassements soient non significatifs concernant le bâti sus-jacent. En cas de remblaiement très médiocre de la carrière à ciel
ouvert, des traitements de terrains peuvent être mis en place. Les études ont permis pour les tronçons les plus avancés à d’identifier et à caractériser ces remblais afin d’adapter au mieux le passage du tunnelier dans ces zones.
Pour les carrières souterraines, le profil en long du tunnel est ajusté afin de le faire passer sur la
majorité des zones concernées en dessous de ces dernières. En effet, le passage au travers d’une carrière souterraine est délicat, du fait de son équilibre précaire, du manque d’homogénéité des
terrains traversés et de leur mauvaise qualité. Il doit donc se cantonner à des linéaires très faibles nécessitant, de ce fait, des confortements préalables lourds. D’autre part, pour une grande partie du tracé l’épaisseur de terrain n’est pas suffisante pour faire passer le tunnel au-dessus de la zone de carrières souterraines.

MESURES MISES EN OEUVRE

Les mesures mises en oeuvre, ou à mettre en oeuvre selon la phase, pour supprimer le risque de désordre sur les bâtis et les ouvrages souterrains dans la zone d’influence du projet et des carrières, sont les suivantes :

• en phase études : investigations des anciennes carrières avant le chantier afin de reconnaître leurs limites, leurs épaisseurs, la nature des remblais de comblement et de définir l’état de la carrière.
• par ailleurs, un suivi avec instrumentation sera mis en place, déclenchant en fonction de seuils de pilotage des mesures correctives ; pour certains ouvrages, une méthode observationnelle pourra être mise en place.

Deux grandes techniques existent : injection depuis la surface grâce à des forages afin de combler les carrières avant la réalisation du tunnel ; et traitement à pied d’oeuvre.
Et afin de vérifier l’efficacité du renforcement des carrières, des sondages de contrôle des traitements des carrières seront réalisés.

NAPPES ET CIRCULATIONS SOUTERRAINES

Le projet Grand Paris Express, de par sa profondeur, va se situer majoritairement sous nappe. Sa réalisation est donc susceptible de générer différents phénomènes tels que la modification du niveau de la (des) nappe(s) ; modification des écoulements : « effet barrage » et la pollution d’une nappe par mise en communication, du fait de la réalisation de l’infrastructure, avec une nappe polluée. Le projet Grand Paris Express va traverser différents aquifères ayant leur propre système hydrogéologique : sens d’écoulement, puissance de l’aquifère, perméabilité. Chaque aquifère ne répondra pas de la même façon à la réalisation de ce projet.

PRISE EN COMPTE DES ENJEUX DÈS LA CONCEPTION

Modification du niveau de la (des) nappe(s)

Le tunnel n’impacte pas (ou peu) le niveau des eaux souterraines. En effet, la technique du tunnelier
permet de contrecarrer la pression hydrostatique au front, limitant grandement les venues d’eau. Pour les gares et tranchées couvertes, la méthode constructive « enceinte étanche » en parois moulées est majoritairement retenue, ce qui limite les venues d’eau horizontales.
En fonction des conditions géologiques, de la sensibilité de la zone en termes environnementaux, il peut également s’avérer nécessaire de limiter au maximum les venues d’eau par le fond de l’enceinte étanche. Pour cela, un bouchon injecté en sous-face du radier serait réalisé. Dans le cas de terrain imperméable en fond de fouille, ou de bouchon injecté, l’eau extraite en phase chantier se limite au volume d’eau contenu dans la gare (vidange de l’enceinte), ainsi que des venues d’eau résiduelles ; l’évacuation de ces dernières est toutefois non significative au regard du niveau de la nappe baignant l’ouvrage.
Certaines gares peuvent être réalisées en technique mixte, associant la réalisation d’un puits en parois moulées, présentant les mêmes caractéristiques que présentées plus haut, et le reste réalisé en souterrain, en méthode traditionnelle. Cette technique est utilisée lorsque des contraintes de surface ne permettent pas de réaliser la gare à ciel ouvert.
La partie puits est similaire au cas d’une enceinte étanche. Lorsque la partie souterraine est sous nappe, un traitement de terrain ou des pompages en phase chantier pourront s’avérer nécessaires ;
aussi, quand le contexte géologique ou environnemental ne permettra pas d’abaisser le niveau de la nappe pour le creusement, un traitement d’étanchéité des terrains sera mis en place par injection ou jet grouting, voire de congélation, afin de limiter au maximum l’impact des travaux sur le niveau piézométrique de la nappe en présence.

EFFET BARRAGE

L’effet barrage induit par la réalisation de l’infrastructure est fonction du sens d’écoulement de la nappe dans laquelle s’insère cette dernière. Cet effet se manifeste par l’abaissement du niveau piézométrique en aval de l’obstacle à l’écoulement, et une augmentation du niveau piézométrique en amont de ce dernier.
Certaines gares ou tranchées couvertes peuvent induire un effet barrage non négligeable, qui
nécessite la mise en oeuvre de mesures spécifiques. Des modélisations hydrogéologiques ont permis d’identifier les ouvrages ou portions d’infrastructures concernés, de quantifier cet effet, et d’estimer le réel impact des ouvrages du métro souterrain sur le niveau des nappes afin de prendre d’éventuelles dispositions pour limiter ce phénomène. Il existe différents dispositifs permettant de lutter contre cet effet de barrage parmi lesquels : recépage des têtes de parois moulées, tranchées drainantes, siphons…

PHÉNOMÈNE DE DISSOLUTION DU GYPSE ANTÉLUDIEN

Le gypse, sulfate de calcium dihydraté, est présent, en quantité plus ou moins importante dans certaines formations sédimentaires présentes sur le tracé du Grand Paris Express.
Ce minéral, selon sa forme, peut être affecté par un mécanisme de dissolution en présence d’eau non saturée. Ce phénomène peut ainsi entraîner soit une dégradation diffuse des caractéristiques mécaniques d’un horizon géologique, soit la création de vides de dissolution accompagnés de décompressions des terrains sus-jacents et/ou dans le cas extrême, d’apparition de fontis en surface. Ce phénomène fait l’objet de plusieurs plans de prévention des risques sur l’ensemble de la région Île-de-France.

ENJEUX D’UN PROJET DE TYPE MÉTRO SOUTERRAIN LIÉS À LA DISSOLUTION DU GYPSE

Les enjeux sont de deux natures :
La présence préexistante de zones décomprimées ou de vides dans le sous-sol est potentiellement à l’origine des mêmes enjeux que les carrières souterraines d’origine anthropique.
Dans ce cas particulier, la réalisation d’un projet de type métro souterrain est susceptible, de par la modification éventuelle du régime d’écoulement des nappes d’eau souterraine, d’activer ou de réactiver le mécanisme de dissolution du gypse dans les zones marquées au sein desquelles le sol en contient. La création de ces vides pouvant avoir des impacts à court terme sur les travaux en cours de réalisation, nécessitant une adaptation des méthodes constructives au niveau des gares, ainsi qu’à long terme sur le bâti situé dans la zone d’influence hydrogéologique du projet.
Une difficulté réside, pour l’appréciation et la maîtrise des risques liés à l’aléa, dans le caractère diffus du gypse dans les formations géologiques. La Société du Grand Paris a initié un projet de recherche, avec le CEREMA et l’INERIS, en partenariat avec l’IGC et la DRIEE, visant à améliorer la connaissance du mécanisme géochimique de dissolution.

PRISE EN COMPTE DES ENJEUX DÈS LA CONCEPTION

Dans un premier temps, afin de maîtriser les effets de la présence de gypse, les mesures suivantes ont été mises en oeuvre dans les zones concernées :

• reconnaissances adaptées avant le chantier, en phase études : le but est de caractériser le massif et de repérer la présence de gypse ainsi que d’éventuelles décompressions ou vides. Si des anomalies sont repérées, il pourrait être nécessaire de traiter les vides par injection, selon leur taille et la sensibilité de la zone d’influence du creusement.
• dans un deuxième temps, afin d’éviter les phénomènes de dissolution du gypse, la conception du projet Grand Paris Express prévoit de limiter au maximum l’impact du projet sur le régime d’écoulement des nappes dans les zones susceptibles de développer ce phénomène.

La conception et les mesures adoptées pour limiter cet impact sont donc celles décrites en début d’article, récapitulant les méthodes constructives à mettre en oeuvre pour ne pas perturber le niveau piézométrique et les sens d’écoulement des nappes.

RETRAIT ET GONFLEMENT DES ARGILES

Certaines argiles voient leur consistance se modifier en fonction de leur teneur en eau. Ces variations
de consistance s’accompagnent de variations de volume, dont l’amplitude peut s’avérer très importante.
Les variations de volume générées par le retrait des argiles provoquent des tassements qui se manifestent par des désordres sur les ouvrages. A contrario, le phénomène de gonflement peut provoquer des soulèvements ou des surcontraintes.
En général, ces phénomènes se produisent à proximité de la surface, où la teneur en eau des argiles est soumise à de fortes variations liées à la météorologie, mais aussi à la végétation ou à l’activité humaine. Ce phénomène fait l’objet de plans de prévention des risques en Île-de-France.

LES IMPACTS D’UN PROJET DE TYPE MÉTRO SOUTERRAIN SUR LE RETRAIT/GONFLEMENT
DES ARGILES

Un projet de type métro souterrain est susceptible d’activer ou de réactiver le phénomène de retrait/gonflement des argiles en modifiant le régime d’écoulement des nappes d’eau souterraine.
Par ailleurs, la réalisation de terrassements à ciel ouvert est susceptible d’exposer des argiles aux aléas météorologiques, alors qu’elles étaient jusqu’à présent protégées, favorisant également leur retrait/gonflement. Le projet du Grand Paris Express recoupe plusieurs formations géologiques
argileuses considérées comme fortement sensibles (argiles vertes, argiles plastiques…).

PRISE EN COMPTE DES ENJEUX DÈS LA CONCEPTION

Le projet du Grand Paris Express traverse les argiles vertes à l’est de Paris ; les gares traversent cette
couche et s’ancrent plus bas. Par conséquent, du fait des méthodes constructives retenues (parois
moulées), les argiles vertes ne sont jamais exposées aux intempéries.
L’impact lié au retrait/gonflement des argiles vertes est donc quasi nul. Quant à la partie courante, le
tunnel s’inscrit systématiquement sous cette couche, l’impact est donc nul, lui aussi.
Pour la partie en section courante située entre Arcueil, Cachan et Fort d’Issy, le tunnel s’inscrit partiellement dans la couche d’argiles plastiques qui se situe en profondeur. Comme mentionné
précédemment, la réalisation du tunnel au tunnelier perturbe peu les conditions hydriques des argiles plastiques : le phénomène de retrait/gonflement des argiles plastiques est donc quasi nul pour cette partie.
Concernant les gares ancrées dans les argiles plastiques, lors des terrassements en phase chantier,
des précautions particulières pourront être mises en place en cas d’intempéries, le but étant de
limiter l’intrusion d’eau dans la fouille et ainsi minimiser le gonflement des argiles.
Pour la phase définitive, les radiers des gares seront dimensionnés pour faire face au potentiel retrait des argiles/marnes du fait de l’isolement hydrique des argiles/ marnes encagées entre les fiches de parois moulées et le radier ; les radiers seront également dimensionnés pour reprendre le potentiel
« gonflement » des argiles, principalement dû à une décompression différée des argiles du fait des terrassements.

CAMPAGNES DE RECONNAISSANCES

Les campagnes de reconnaissances G1 sont terminées sur l’ensemble du Grand Paris Express, tout comme les campagnes G2 phase avant-projet (excepté pour la ligne 15 est qui démarre les travaux de sondages). Les campagnes G2 phase projet sont, pour certains tronçons, terminées (ligne 15 sud) ou en cours. Ce sont les problématiques rencontrées le long du tracé qui ont dicté le type de reconnaissances à effectuer.
Au total, pour un tracé de 200 kilomètres et comprenant 68 gares (partie sous maîtrise d’ouvrage SGP), la campagne d’investigations géotechnique a compris :

• 1 695 sondages carottés dans lesquels ont été prélevés un grand nombre d’échantillons intacts
  pour la réalisation d’essais en laboratoire;
• 1 545 sondages pressiométriques avec un essai pressiométrique tous les 1,50 mètre ; des essais cycliques ont également été réalisés pour certaines formations, ainsi que des essais dilatométriques ;
• 1 205 forages destructifs avec enregistrement des paramètres de forage ;
• 315 sondages à la tarière ;
• 75 sondages CPT ont également été réalisés ;
• 1 066 piézomètres ont été posés pour suivre les niveaux de nappes ; certains piézomètres sont posés depuis 4 ans ;
• 35 essais de pompages ont à ce jour été réalisés ;
• 3 puits de reconnaissances grandeur nature ont été réalisés sur la ligne 15 sud ; un autre va démarrer sur la ligne 16, courant 2017.

La profondeur des sondages varie de 20 à 95 mètres de profondeur, avec une profondeur moyenne s’établissant aux alentours de 45 mètres.

L’espacement moyen entre sondages, à la fin de l’ensemble des phases de sondages, s’établit
à environ 70-100 mètres hors ouvrages annexes, en zone courante pouvant être réduite en zone singulière. Au niveau des gares, le nombre de sondages est compris entre 15 à 25 sondages.
Le projet Grand Paris Express ayant un développé important en termes de tracé, et un planning d’études contraint, six entreprises de travaux de forages ont mené et mènent encore à bien ces investigations, avec en moyenne 20 à 30 machines par mois le long des 200 kilomètres de tracé. Ces investigations font l‘objet d’un contrôle réalisé par l’assistant à maîtrise d’ouvrage géotechnique de la SGP afin de garantir la qualité et l’homogénéité de ces dernières.
Le but de ces reconnaissances conséquentes menées dès la phase G1 et poursuivies en phase G2, est de permettre de stabiliser au plus tôt le modèle géologique, hydrogéologique et géotechnique le long du tracé afin de statuer sur les méthodes constructives.
Il est reconnu que l’occurrence de désordres et accidents graves en travaux souterrains est inversement proportionnelle à la quantité et à la qualité de reconnaissances engagées lors des phases
d’études. La Société du Grand Paris a donc, au vu de l’échelle du réseau, décider d’engager d’importantes investigations géotechniques dès les phases amont, ceci dans le but de maîtriser les risques.
Cette maîtrise des risques est au coeur de l’organisation des études via de multiples regards partagés sur les sujets techniques majeurs (bâti, géotechnique, méthodes constructives). La Société du Grand Paris a l’objectif d’étendre cette culture de la maîtrise des risques à l’ensemble de ses partenaires (conduite d’opération, maîtres d’oeuvre, entreprises).
Le Grand Paris Express est donc un projet d’envergure de par de nombreux aspects : les investigations géotechniques entreprises en sont un ; elles sont à la hauteur de la
volonté de la Société du Grand Paris de maîtriser les risques techniques.

Vincente Fluteaux
Société du Grand Paris
Unité infrastructures et
méthodes constructives