L16 DU GRAND PARIS EXPRESS: UN PROJET À L'HYDROGÉOLOGIE INTÉGRÉE

CARACTÉRISTIQUES ET ENJEUX DU PROJET

La ligne 16 (L16 - 29 km de tunnel, 10 gares, 36 OA) d’une profondeur moyenne de 25 à 30 m) est par essence en interaction forte avec les eaux souterraines.

En termes d’hydrogéologie, la L16, dont le dernier des 3 lots de travaux démarre, c’est:

• un tunnel entièrement sous (plusieurs) nappes,
• des puits de pompages pour alimenter les boues nécessaires au fonctionnement des tunneliers,
• la majorité des ouvrages ponctuels, dont le principe de mise hors d’eau prévoit l’ancrage des fiches hydrauliques dans une formation peu perméable permettant de limiter les arrivées d’eau,
• une zone d’influence hydrogéologique (ZIH) de 300 km² qui englobe l’ensemble des zones cibles identifiées dans le DAE,
• plus de 800 piézomètres et 650 essais hydrogéologiques depuis le début des reconnaissances.

Sur le tracé sont recensées jusqu’à 10 nappes différentes (plus de détails sur les différents types de nappes dans le dossier «L’eau dans le sol» du Solscope Mag n° 17 – avril 2021), des différences de pression plurimétriques, et des terrains dont la perméabilité (horizontale) mesurée s’étend de l’imperméable (10-9 m/s) au très perméable (10-3 m/s).

Devant de telles variations, chaque ouvrage enterré devient un cas particulier avec ses défis et innovations pour la maîtrise des eaux. En premier lieu, l’hydrogéologue doit regarder au-delà des bordures de la zone d’influence géotechnique (ZIG) pour comprendre les écoulements souterrains, les éléments qui les structurent (rivières, limite d’affleurement, urbanisation) et évaluer leurs interactions avec le projet et les milieux sensibles (zones humides ou de prélèvement).

Face aux enjeux hydrogéologiques, le programme d’investigations doit être ambitieux. Ces enjeux se répartissent classiquement en deux catégories, qui peuvent avoir des conséquences importantes sur les coûts, les délais, les personnes et les biens:

• sur les ouvrages (stabilité de fond de fouille, entraînement de particules…),
• sur le patrimoine existant naturel ou anthropique (stabilité du bâti situé à proximité, spécialement dans les zones contenant du gypse, zones naturelles et captages…).

Afin de définir des reconnaissances, d’en assurer l’interprétation, de participer à la définition des ouvrages et suivre les travaux, l’équipe d’hydrogéologues a été intégrée de manière transverse à l’ensemble des équipes du projet de maîtrise d’œuvre (équipes responsables des gares, du tunnel, de l’environnement, du bâti, du suivi des travaux…) et en relation parfois directe avec le maître d’ouvrage (pour les dossiers environnementaux réglementaires). Une telle organisation évite donc un travail en «silo», et permet, par des contacts fréquents (et enrichissants) avec l’ensemble des corps de spécialité, une intégration fine de l’hydrogéologie.

Au sein de l’équipe transverse, le rôle de l’hydrogéologue est principalement de définir les niveaux d’eau de référence (Eurocode 7) et les perméabilités qui serviront de base à la conception des ouvrages souterrains et à l’estimation des impacts. En phase travaux, cette transversalité se renforce et trouve tout son sens pour assurer la cohérence d’ensemble face aux aléas et méthodes constructives propres à chaque entreprise.

À cela s’ajoute une caractérisation hydrochimique des eaux souterraines servant à la fois aux génie civilistes pour caractériser la qualité du béton, les éventuels traitements de terrain (liés à la présence de gypse), et aux environnementalistes pour vérifier la compatibilité des eaux pompées avec le milieu récepteur.

DÉFINIR LES ENJEUX: DU TERRAIN À LA MODÉLISATION

LES RECONNAISSANCES

L’hydrogéologue s’appuie sur des essais adaptés pour définir le niveau de la nappe et la perméabilité du terrain. Ces caractérisations apparemment simples ne peuvent être approchées directement et doivent faire l’objet d’hypothèses et d’interprétations.

En effet, bien qu’un niveau de nappe puisse être mesuré directement dans un piézomètre, la définition d’un niveau d’eau au sens de l’Eurocode nécessite d’avoir théoriquement un suivi assez long (> 30 ans), souvent non disponible. Différentes méthodes d’estimation sont alors mises en place par l’hydrogéologue pour pallier ce manque. Il en est de même pour l’estimation de la perméabilité qui résulte de l’interprétation d’essais. Comme toute interprétation, elle peut être entachée d’une incertitude plus ou moins forte selon la vérification des conditions de validité qui demande une connaissance avisée du milieu et de son fonctionnement.

DÉFINITION DES NIVEAUX D’EAU CARACTÉRISTIQUES

Les mesures piézométriques doivent être de qualité: représentatives d’un aquifère, fiables et robustes (redondance).

Pour satisfaire à cette exigence, les principes suivants ont été déployés:

• sélectivité des piézomètres (= ne capter qu’un seul aquifère pour une connaissance précise de chaque nappe),
• réalisation au plus tôt des piézomètres (pour des suivis les plus longs possible),
• suivi mensuel manuel de l’ensemble du réseau et automatique sur des piézomètres cibles en phase travaux,
• densification progressive du réseau pour aboutir à un objectif de:

• 2 piézomètres sélectifs par aquifère et par ouvrage (au moins jusqu’à l’aquifère où est implanté la base des fiches),
• un piézomètre par aquifère traversé par le tunnelier tous les 200  m selon l’axe du tracé,
• de piézomètres satellites éloignés d’au moins 100 m de l’axe du tunnelier pour définir les gradients, 
• de piézomètres dans les zones à enjeux environnementaux.

Afin d’étoffer ce réseau de piézomètres «projet», de nombreux contacts ont été pris avec les grandes institutions publiques (Ville de Paris, RATP, BRGM, conseils départementaux, ARS…) pour établir des partenariats d’échange de données. Ceux-ci ont permis d’enrichir les données projet de 40 piézomètres supplémentaires, dont certains avec des chroniques de 10 ans ou plus. Les données collectées doivent être interprétées, principalement au regard des enjeux identifiés. Une certaine expérience du site est primordiale pour ce faire.

En effet, l’absence d’observation de niveau d’eau dans des piézomètres n’exclut pas la présence de circulation d’eau (notamment dans les formations superficielles) et de nappes, à long terme.

À l’inverse, la mesure d’un niveau d’eau n’indique pas nécessairement la présence d’une nappe à proprement parler, mais simplement parfois la présence d’eau résiduelle comme dans les formations très hétérogènes ou peu perméables. Dans les roches, il peut être difficile de caractériser l’état de fissuration et les chemins d’écoulements préférentiels qui peuvent entraîner des venues d’eau importantes non prévisibles en phase travaux.

Comme précisé précédemment, les suivis piézométriques n’étant pas assez longs pour définir de manière directe (ou probabiliste) les niveaux d’eau normés, une approche itérative a été utilisée pour définir une méthode d’estimation considérée comme «raisonnablement prudente». Elle se base sur l’analyse des données du site, mais aussi sur la compréhension du fonctionnement hydrogéologique du milieu (variations piézométriques et interaction avec les cours d’eau).

DÉFINITION DES PERMÉABILITÉS DE RÉFÉRENCE

Afin d’accéder à la perméabilité du terrain in situ (sol ou roche), l’hydrogéologue dispose de 2 grands types d’essais: les essais ponctuels, réalisés dans un forage de petit diamètre (<  200  mm), relativement rapides à mettre en œuvre et intéressant généralement une hauteur de 1 m (voire plus pour les essais type slug-test), et les essais en grand, nécessitant la réalisation d’un puits de pompage (> 200 mm) et de plusieurs piézomètres intéressant toute la hauteur aquifère.

De par leur différence de méthode, ces essais diffèrent dans leur représentativité. Les essais ponctuels intéressent un volume de terrain faible (généralement < 1 m autour du forage testé modulo la perméabilité), alors que les essais en grand intéressent un volume de terrain plus conséquent (10 < X < 1 000  m modulo la perméabilité). Ces derniers sont donc à privilégier lorsqu’il s’agit de retenir une valeur caractéristique des terrains pour les calculs (débit d’exhaure, impact du rabattement).

Il est d’ailleurs plus juste de parler de «plage de perméabilité» que de perméabilité unique d’un terrain. Ainsi, pour chaque formation et ouvrage, des gammes de perméabilité ont été établies avec proposition d’une valeur par défaut. Ces plages et valeurs par défaut sont directement intégrées dans la gestion des risques globale du projet. La perméabilité étant le paramètre de sol ayant le plus d’influence sur la gestion des eaux souterraines (en termes de débits et d’effets à longue distance), un programme de reconnaissances ambitieux a été élaboré. La Société du Grand Paris, en maître d’ouvrage averti des enjeux, a permis la réalisation de ce programme. La caractérisation de la perméabilité a reposé sur les principes suivants:

• au moins un essai en grand par gare dans la formation perméable d’ancrage des soutènements les plus profonds, généralement CG (calcaire grossier) ou MC (marnes et caillasses):
• au moins 3 piézomètres crépinés dans le même horizon que le puits de pompage,
• réalisation d’un micromoulinet dans le puits afin d’identifier les arrivées d’eau/hétérogénéités,
• ajout de 1 ou 2 piézomètres complémentaires dans les formations sus et/ou sous-jacentes pour caractériser la drainance,
• au moins un essai ponctuel par ouvrage et par formation en interaction directe avec l’ouvrage.

À noter que pour la formation du CG, une approche numérique 3D a été développée afin d’estimer la perméabilité de cette formation. En effet, les méthodes analytiques qui supposent que la perméabilité de la formation testée soit supérieure aux formations directement sus et sous-jacentes sont non valides, car ne correspondant pas à la réalité du terrain rencontré. La caractérisation de la perméabilité représente aussi un enjeu environnemental du fait des possibles effets longue distance.

LA MODÉLISATION

L’utilisation de la modélisation est fondamentale pour l’hydrogéologue puisqu’elle permet d’intégrer l’ensemble des données collectées, de représenter le fonctionnement du système hydrogéologique et de réaliser, dans la majorité des cas, des analyses de sensibilité. En ce sens, elle devient un outil d’aide à la décision. Il faut toutefois rappeler que tout modèle est une simplification de la réalité qui nécessite prudence et esprit critique dans l’analyse des résultats prédictifs.

La modélisation permet à l’hydrogéologue d’identifier d’éventuelles incohérences ou erreurs de données et d’évaluer les incertitudes dans une optique de sécurisation et d’optimisation des ouvrages. Dans le cadre de la L16, compte tenu de l’extension du tracé, ce sont 6 modèles globaux qui ont été créés, notamment pour réduire les temps de calcul, tout en assurant une représentation fine (< 1 m) des futurs ouvrages, et permettre la multiplication des études de sensibilité. Les modèles ont été utilisés dans le cadre des dossiers administratifs de demande d’autorisation pour évaluer les impacts sur les eaux souterraines et ses usages (captages AEP par exemple), ainsi que pour estimer les débits d’exhaure maximaux (et volumes autorisés associés), ou l’effet du projet en phase définitive sur les eaux souterraines (effet barrage).

Afin de prendre en compte les effets cumulés des travaux du projet, mais aussi des projets connexes, un découpage fin du planning a été réalisé en tenant compte de la concomitance des opérations de pompage. Ce découpage par phase permet de limiter les cas de calcul tout en se plaçant du côté de la sécurité vis-à-vis des impacts, considérant des interférences entre ouvrages.

Des modèles spécifiques ont également été créés au cas par cas pour des problématiques spécifiques (test de réinjection en nappe, dimensionnement d’un système de pompage pour le soutien de plan d’eau, estimation du potentiel géothermique du milieu souterrain).

PAR-DELÀ L’HYDROGÉOLOGIE DE LA CONSTRUCTION

Au-delà de ces contributions, les hydrogéologues sont également impliqués sur des thématiques variées (mais toujours transverses à la L16) telles que :

• la géothermie comme solution énergétique durable, que ce soit avec des solutions classiques (puits, sondes) ou peu répandues (géostructures thermiques),
• la géochimie comme élément-clé permettant de comprendre finement les phénomènes régulant la précipitation/dissolution du gypse.

Ainsi, le projet de la L16 a montré le rôle prépondérant de l’hydrogéologie dans la maîtrise de la conception et de la réalisation de projets souterrains urbains. La discipline a de beaux jours devant elle…

Quentin Beaumont et Luc Fauvain

Hydrogéologues

Egis