APPROCHE GLOBALE DES PROBLÉMATIQUES DE CAVITÉS SOUTERRAINES

Que les cavités soient d’origine naturelle (karst, vide de dissolution
du gypse, suffosion…) ou anthropique (carrière souterraine, marnière, caves, sapes de guerre...),
leur présence est un risque contre lequel le bâtisseur doit se prémunir.
Si l’on considère les cavités anthropiques, la situation la plus répandue est celle des marnières de l’ouest du Bassin parisien. Estimées à plusieurs centaines de milliers d’années, ces anciennes exploitations souterraines de craie ont été pour la plupart rebouchées de manière superficielle. Or, si elles se situaient à l’origine à la périphérie des villes et villages, elles se retrouvent aujourd’hui, avec le temps et le développement des zones urbanisées, en zones constructibles et fragilisées, provoquant chaque année plusieurs sinistres. (Figure 1)
La présence des cavités et le risque induit ne peuvent qu’inciter, lors d’un projet de construction,à conduire une étude spécifique.
L’Inspection générale descarrières (IGC) ou des organismes de contrôle (COPREC) émettent
notamment des préconisations sur le contenu des études et la démarche globale à mettre en oeuvre.

RECUEIL DE DONNÉES ET PROGRAMME DE RECONNAISSANCE GÉOPHYSIQUE
Réalisées en plusieurs phases, ces études associent enquête bibliographique, enquête et reconnaissances de terrain, prospection géophysique et sondages de contrôle. De fait, qu’il s’agisse du géophysicien, du géologue ou du géotechnicien, chacun a son rôle à jouer.
La première étape d’identification de potentielles cavités repose, à l’échelle de la commune, sur
la consultation des documents et cartes existants (cartes topographiques, cartes géologiques,
modèles numériques de terrain (MNT) à grande échelle, cartes informatives, PPR, thèses et publi-cations scientifiques, archives communales…), sans toutefois que cette liste soit exhaustive. (Figure 2)
Cette phase est complétée par une reconnaissance de terrain. Grâce aux nouvelles technologies, il est désormais possible de déceler des indices géomorphologiques en recourant à un drone. (Figure 3)
Lorsqu’elle est possible, la visite de cavités accessibles permet par ailleurs une meilleure caractérisation des cavités recherchées : taille, géométrie, morphologie…
Les éléments obtenus lors de cette première phase permettent de définir plus précisément la problématique et d’établir en regard le programme de reconnaissance géophysique le plus pertinent et le mieux adapté au contexte rencontré et aux cavités recherchées, en termes de choix de méthode(s), de maillage, de longueur de dispositif…

DES OUTILS TECHNOLOGIQUES DE PRÉCISION AU SERVICE DE LA RECONNAISSANCE DES CAVITÉS

Différentes méthodes de reconnaissance peuvent, en effet, être mises en oeuvre selon le contexte géologique (nature lithologique et épaisseur des formations), le contexte hydrogéologique (présence ou non d’une nappe). et les cavités recherchées (profondeur, géométrie, présence ou non de remplissage) : méthode microgravimétrique, méthode électrique multi-électrodes, méthode radar géologique, méthode électromagnétique, méthode sismique, méthode scanner 3D. Le contexte et le problème posé pourront déterminer le choix de la méthode, chacune présentant ses avantages et ses contraintes d’exploitation.
Les outils et les moyens de calcul du géophysicien lui permettent de modéliser la signature générée par une cavité en fonction de sa taille, sa profondeur et ses caractéristiques physiques (densité, résistivité…). Il peut ainsi évaluer la capacité de chacune des méthodes de prospection dont il dispose. (Figure 4)
Les anomalies mises en évidence par la géophysique doivent ensuite être contrôlées par sondages. Ceux-ci sont réalisés en rotation (et non en roto-percussion), en « gros » diamètre et avec enregistrement des paramètres de forage.
En cas de rencontre de vide franc, les sondages sont équipés pour permettre le passage d’une caméra endoscopique, et/ou d’une sonde laser ou sonar pour le dimensionnement. (Figure 5)
Si la taille du passage l’autorise, il est également possible de réaliser un scan 3D de la cavité, et de disposer ainsi d’une précision centimétrique. Dans le cadre du projet de construction d’un centre médical en zone urbaine à Lezennes (Nord), l’équipe géotechnique a fait appel à la technologie scan 3D proposée par Ecartip Groupe Fondasol pour modéliser avec une précision centimétrique la cavité d’origine anthropique située au droit du futur ouvrage (Figure 6). Si la modélisation 3D permet de définir et positionner les murs de barrage à poser avant injection et comblement, elle établit également avec exactitude le volume à combler, optimisant ainsi ce poste financier pour le maître d’ouvrage.
L’apport des nouveaux outils, et notamment des outils de dimensionnement des cavités identifiées, est à souligner en ce qu’ils permettent une plus grande compréhension de l’ensemble des données collectées. Corollaire du point précédent, ils peuvent également montrer combien l’interprétation de sondages ponctuels peut parfois être délicate et erronée.

PRISE EN COMPTE DES ANOMALIES DANS LA CONCEPTION DES OUVRAGES

Grâce à la caractérisation fine de la position et des dimensions des cavités, le géotechnicien est à même de modéliser l’impact de ces anomalies sur le projet, de
définir le confortement ou le comblement le plus adapté, voire d’optimiser les coûts finaux pour le maître d’ouvrage.
La Figure 7 présente quant à elle un exemple de modélisation aux éléments finis de l’effet d’un effondrement de cavité dans le calcaire de Beauce, recouvert par environ 3 m de colluvions, avec apparition d’un fontis en surface. La mise en oeuvre d’un réseau d’inclusions rigides sous radier (Figure 8) permet de limiter les effets de cet effondrement à des tassements acceptables pour la structure du projet. (Figure 9)

Dans d’autres cas, l’adaptation du projet va consister à conforter le sol en réalisant, selon le type d’anomalie, un comblement gravitaire des vides, un clavage des zones remblayées ou encore un traitement par injections des anomalies de type fontis.
Au stade de la conception, et pour ce type de traitement, Fondasol rédige des notes techniques définissant les principes de mise en oeuvre du traitement : type d’injection ; produits à mettre en oeuvre ; maillage et profondeur des forages d’injection ; principes d’injection et critères à retenir pour la réalisation des injections (volumes injectés, pressions atteintes, selon les débits d’injection) ; enfin, définition des objectifs à atteindre, généralement traduits par des critères de réception des injections, à partir d’essais in situ réalisés après traitement. La mise en oeuvre d’une planche d’essai en début de travaux conditionne fréquemment ce type de travaux, car elle permet de valider la technique et la méthode proposée par l’entreprise retenue pour les travaux.

TRAVAUX DE TRAITEMENT ET MISSION G4
Au stade des travaux, la supervision géotechnique (mission G4 de la norme NF P94-500) est fondamentale pour ce type de travaux, car elle permet de s’assurer que le traitement envisagé est suffisant et permet d’atteindre les objectifs recherchés.
Les Figures 10 et 11 présentent ainsi un exemple d’injections de comblement d’anciennes carrières souterraines dans le calcaire grossier par injection gravitaire de mortier.

Autre illustration à Antony, où la construction d’un EHPAD a nécessité le traitement préalable des zones de terrain très décomprimées par effondrement du toit des niveaux exploités au sein des masses et marnes du gypse du Ludien, et partiellement remblayées. Lors des investigations menées en étude G2, les enregistrements de paramètres de forage ont permis à Fondasol de localiser les niveaux à traiter, et de définir les modalités de traitement pour réaliser les fondations du bâtiment en toute sécurité, à savoir : comblement gravitaire et par clavage des carrières souterraines et des zones broyées, et injection sous pression des anomalies de type fontis, à partir d’un tube à manchettes.
Afin de caler les modalités d’injection (zone à traiter et type d’injection), chaque forage réalisé par l’entreprise fait l’objet d’enregistrement de paramètres (Figure 12), tandis que les coulis ou mortiers mis en oeuvre font l’objet de contrôles.
Après traitement, des sondages destructifs avec enregistrements de paramètres et essais pressiométriques sont mis en oeuvre de façon à vérifier que l’objectif recherché est atteint, et conforme aux préconisations de l’Inspection générale des carrières.
Le compte rendu de fin de mission géotechnique G4 rassemble l’ensemble des données de suivi, rappelle les travaux réalisés et conclut quant à l’atteinte des objectifs par l’entreprise, ce qui permet au maître d’ouvrage une réception des travaux sans réserve.