PRÉSENTATION DES PROJETS

Le premier projet vise à construire le collecteur VL8 pour relier la station de pompage et d'épuration de Valenton à la vanne de décharge d'orage V10 à Athis-Mons, dans la région parisienne.
L'objectif principal de cette opération est de renforcer et de sécuriser le réseau d'assainissement pour éviter les déversements dans l'environnement naturel, en vue de rendre la Seine baignable pour les Jeux olympiques de Paris en 2024.
Pour la construction du collecteur, 2 types de tunneliers sont utilisés : un microtunnelier de diamètre utile de 2,5 m pour une partie du tronçon, et un tunnelier de diamètre utile de 3 m pour l'autre partie. Les sections du collecteur réalisées avec un microtunnelier sont situées entre le puits de Vigneux 10 et le puits d'Athis-Mons, ainsi qu'entre le puits de Vigneux 10 et le puits Vigneux 15.
Dans la zone étudiée du projet, nous identifions une succession habituelle des formations géologiques du Bassin parisien avec des alluvions modernes et anciennes de la Seine, des masses et marnes du gypse, des marnes et sables infra-gypseux, des calcaires de Saint-Ouen, des sables de Beauchamp,
ainsi que des marnes et caillasses.
L'environnement aquatique des travaux implique l'interception de deux nappes phréatiques : la première est alimentée par les eaux de surface, la Seine et les eaux souterraines, tandis que la seconde est maintenue par une couche argileuse intermédiaire.
Les travaux de microtunnelage se dérouleront principalement dans le calcaire de Saint-Ouen ayant une épaisseur moyenne de 10 m. Cette formation est caractérisée par une alternance de bancs calcaires et de marnes à passées argileuses. Dans sa partie inférieure, on trouve des niveaux de gypse de faible épaisseur ainsi que des zones de dissolution.
En raison de l’état de fissuration et de la présence des niveaux gypseux et sableux, la perméabilité moyenne peut remonter jusqu’à et 5.10-3 m/s, par endroits. Dans ce contexte sensible, la traversée sous la Seine présente des difficultés majeures, notamment en raison des risques de communication entre les nappes phréatiques et le microtunnelier.
Le 2e projet concerne la construction d’une galerie souterraine par microtunnelage sous la Durance, entre les communes de Jouques (Bouches-du-Rhône) et de Mirabeau (Vaucluse), pour GRTgaz. Une canalisation en béton armé de 1,8 m sera installée par fonçage en deux tirs à partir de deux puits
de poussée. Le premier tir de 739 m passera sous la Durance et le second tir de 475 m passera sous le torrent de Saint-Blaise.
Le projet se situe dans le lit majeur de la Durance, où la couche d'alluvions varie entre quelques mètres et une trentaine de mètres d'épaisseur. La couche sousjacente est constituée des formations
molassiques du Miocène et des niveaux de poudingues. Le tracé du projet est caractérisé par la présence d'alluvions graveleuses d'une épaisseur d'environ 10 m, principalement composées de
graviers, de sables et avec une faible proportion de limons.
Une nappe phréatique est présente dans les alluvions et s'écoule globalement parallèlement à la rivière, qui l'évacue. La perméabilité moyenne de l'aquifère est comprise entre 2.10-2 et 5.10-3 m/s
permettant la circulation facile des eaux souterraines dans cette couche non cohésive. Les risques géotechniques identifiés pour cette couche sont principalement associés à l'instabilité des sols
traversés, qui nécessitent un maintien, à la forte perméabilité du milieu qui peut entraîner une perte de fluide, et à la présence potentielle de blocs, qui impose le choix d'un matériel adapté pour la réalisation du creusement.
Ces deux projets de microtunnelage présentés, situés sous la Seine et la Durance, sont confrontés à des défis en matière de gestion des eaux et de maîtrise des efforts de poussée. Étant donné que la construction de puits intermédiaires n'est pas envisageable dans ces cours d'eau, il est essentiel
de prévoir une lubrification adaptée au contexte et de réduire les efforts de poussée nécessaires à l’avancement de ces deux microtunneliers.

ADAPTATION DE LA LUBRIFICATION SUIVANT LA NATURE DES SOLS

La réussite d'un projet de microtunnelage repose en grande partie sur la gestion efficace de l'effort de poussée, qui exige une maîtrise précise des frottements entre les tuyaux et le sol environnant.
Pour y parvenir, l'utilisation d'un système de lubrification appropriée est nécessaire afin de réduire
les frottements entre la conduite et le sol. Généralement, une suspension de bentonite est utilisée comme lubrifiant principal. Sa résistance et sa viscosité sont ajustées en fonction des conditions
géologiques locales pour garantir des performances optimales. Les suspensions de bentonite utilisées sont composées d'eau, de bentonite et d'additifs en polymère. Ces suspensions sont des
fluides thixotropes, grâce à leur structure en feuillets, qui leur confère une résistance. Cette résistance correspond à une très faible contrainte de cisaillement au-dessus de laquelle la suspension se comporte comme un fluide. Les suspensions de bentonite sont donc considérées comme des fluides de viscosité élevée qui ont la capacité de créer un film imperméable appelé « cake », leur permettant ainsi de colmater les vides du terrain. Les additifs en polymère sont ajoutés dans les suspensions
de bentonite pour modifier leur rhéologie en augmentant leur viscosité et leur résistance, ce qui améliore leur capacité d'infiltration et leur stabilité. Il est important de noter que la stabilité des suspensions de bentonite dépend de leurs propriétés physiques et chimiques, et une dégradation de ces propriétés peut entraîner une perte de stabilité.
La figure suivante illustre l'influence de la lubrification sur les efforts de poussée avec et sans utilisation d'une station intermédiaire de poussée. Une lubrification efficace permet d'assurer des longueurs de poussée plus importantes sans avoir recours à une station intermédiaire.
Toutefois, s'il y a un doute quant à l'efficacité de la lubrification, il est préférable de prévoir des stations
intermédiaires de poussée pour continuer le travail.
Dans le calcaire de Saint-Ouen et les alluvions graveleuses de la Durance, il est essentiel d’avoir une viscosité élevée afin de garantir l'efficacité des lubrifiants.
L’ajout des additifs en polymère permet d’obtenir une formulation adaptée à chacun de ces contextes géologues.
De plus, en raison de la longueur importante des tirs, le système de lubrification doit être capable de fournir continuellement une quantité adéquate de lubrifiant dans l'espace annulaire.
La quantité de lubrifiant à injecter varie en fonction de plusieurs facteurs, tels que la taille du microtunnelier, le type de tuyau utilisé et les propriétés mécaniques du sol, comme la granulométrie,
la compacité et la perméabilité. Le calcaire de Saint-Ouen est considéré comme stable, la suspension de bentonite injectée dans l'espace annulaire est donc utilisée comme lubrifiant afin de réduire efficacement la valeur de frottement entre la conduite et le sol intact et de réduire les efforts de poussée. Afin de pouvoir former un film, le lubrifiant doit remplir l'espace annulaire et sans pénétrer dans le sol environnant. Les paramètres qui influencent la formulation du lubrifiant sont principalement
liés à la perméabilité du sol ainsi qu'à la capacité du lubrifiant à limiter la pénétration en profondeur dans le milieu.
La présence de fissures dans un milieu rocheux a également un impact majeur sur la capacité de remplissage et la stabilité de la suspension de bentonite dans le temps. Notamment lorsque les
fissures sont larges et ouvertes, l’ajout des additifs devient indispensable afin d'assurer une viscosité adéquate permettant à la suspension de rester stable.
Les alluvions graveleuses de la Durance sont considérées comme des sols instables, nécessitant l'utilisation d'une suspension de bentonite pour stabiliser le sol intact et maintenir l'espace annulaire
ouvert. Le lubrifiant permet de transférer la différence de pression entre le lubrifiant et le sol environnant dans la structure granulaire du sol intact. Dans les sols granulaires, la perméabilité est
particulièrement importante, car elle peut avoir un impact significatif sur la quantité de lubrifiant nécessaire à injecter dans l'espace annulaire pour garantir la stabilité des sols avoisinants.
Pour maintenir les fonctions de support et de lubrification dans ces deux configurations, il est crucial d'injecter une quantité suffisante de suspension de bentonite dans l'espace annulaire.
Cependant, il est important de noter que le volume de bentonite qui pénètre dans le sol peut être plusieurs fois supérieur au volume théorique de l'espace annulaire en raison de la perméabilité du sol. Par conséquent, il est essentiel de surveiller attentivement le volume de bentonite injecté pour éviter toute surconsommation et pour maintenir un équilibre entre la pression de la boue et la pression du sol environnant.

GESTIONS DES EAUX EN ÉCOULEMENT

La suspension de bentonite a la capacité de créer une zone dans le sol qui présente une perméabilité à l'eau inférieure à celle du sol environnant, ce qui permet de gérer les écoulements d'eau
souterrains. La formation d'une zone à perméabilité réduite dans le sol peut se produire de deux manières différentes : par application de pression de soutien ou par pénétration du lubrifiant dans
le sol environnant. Dans le premier cas, la résistance thixotropique du lubrifiant est déterminante, tandis que dans le second cas, la viscosité joue un rôle crucial.
Les sols avec une perméabilité élevée et les roches avec de grandes ouvertures de fissures génèrent généralement une consommation supplémentaire de suspension de bentonite. En particulier
dans les sols très perméables, mais également dans les fissures de marne ou de roche, des flux d'eau souterraine importants peuvent se produire à proximité de l'espace annulaire. Dans une roche fissurée, il y a un danger particulier pour le microtunnelier que l'espace annulaire entre en connexion hydraulique avec des aquifères isolés, ce qui peut entraîner le lavage de la bentonite. Dans ce
cas, des mesures appropriées seraient le maintien continu de la pression d'injection dans l'espace annulaire et l'utilisation d'une suspension de bentonite très visqueuse afin de contrer la perte du film lubrifiant. Les sols granulaires très perméables, en présence d'écoulements d'eau, posent une problématique similaire. Pour déterminer la quantité et la consistance du lubrifiant à injecter dans les vides du sol, la perméabilité du sol et la vitesse d'écoulement sont étudiées. Si la formulation du lubrifiant n'est pas adaptée au contexte géologique et hydrogéologique, il pourrait être entraîné par les écoulements souterrains.

CONCLUSION

La présence d'eau souterraine peut engendrer des difficultés d’exécution majeures pendant la réalisation des travaux de microtunnelage. Ainsi, l'utilisation d’un lubrifiant adapté au contexte
permet de surmonter ces difficultés. Les roches fracturées et les sols granulaires très perméables sous nappe présentent des défis supplémentaires qui nécessitent une maîtrise parfaite des propriétés géotechniques et hydrogéologiques du milieu pour déterminer la quantité et la consistance du lubrifiant
à injecter.
La stabilité à long terme du lubrifiant est fortement influencée par ses propriétés physiques et chimiques. En cas de dégradation, il est important de procéder aux ajustements nécessaires afin de prévenir toute incidence sur l'opération. Un suivi régulier des propriétés telles que la dureté, l'acidité, la densité, la viscosité, le filtrat et la teneur en sables permet de détecter les signes de détérioration et
de traiter le lubrifiant en conséquence. Un projet souterrain est un projet en constante évolution et nécessite un suivi continu de tous les paramètres, ainsi qu'une capacité décisionnelle rapide et
efficace pour surmonter les difficultés et les imprévus qui peuvent survenir.
L'efficacité de ce processus décisionnel dépend de la coordination et de la collaboration efficaces entre les différentes parties impliquées.

Umur Salih Okyay
Directeur technique adjoint et conseiller scientifique Infraneo