TUNNELS ET PUITS DE CONSTRUCTION : AVANTAGES DE LA SURVEILLANCE PAR CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES

Parmi les techniques les plus avancées de construction et de surveillance utilisées dans le tunnel de base se place la détection distribuée par fi bre optique (DFOS), déployée par l’institut d’ingénierie
géodésique et de systèmes de mesure (IGMS) de l’université technique de Graz (TU Graz) en Autriche, en complément des stations totales, des réseaux de Bragg à fi bres optiques (FBG) et des capteurs à corde vibrante (VWS).
Grâce à la possibilité d’être noyés à l’intérieur des structures en béton, les capteurs à fi bre optique distribués permettent une détection précoce des événements de déformation plus anticipée qu’avec d’autres technologies de surveillance déployées traditionnellement.
De plus, grâce à ce type d’installation sous la surface, les capteurs à fi bre optique noyés ne perturbent aucunement les opérations de génie civil. L’état des revêtements du tunnel, d’un puits
de construction, ainsi que d’un grand mur de soutènement en terre a été surveillé dès le début du projet et continuera de l’être pendant l’exploitation du tunnel. IGMS, TU Graz a travaillé en étroite collaboration avec ÖBB, le propriétaire de l’infrastructure ferroviaire autrichienne.

POURQUOI UTILISER LA DÉTECTION DISTRIBUÉE PAR FIBRE OPTIQUE POUR LA SURVEILLANCE DES INFRASTRUCTURES ?

Le système de mesure de FibrisTerre, basé sur l’analyse Brillouin dans le domaine des fréquences optiques (BOFDA), comprend une unité d’interrogation propriétaire et des câbles de détection à fi bre optique capables de détecter et de localiser des déformations avec une grande précision, en continu et en temps réel. Il existe de nombreux types de câbles de détection pour garantir que les données obtenues correspondent aux besoins du projet.
De plus, une fois installés, les câbles de détection ne nécessitent aucun entretien.
Les avantages de la détection par fi bre optique sont les suivants :

• le système FibrisTerre détecte et localise de petits événements, observant des changements de température plus petit que 1 °C et des déformations inférieures à 20 μ sur des distances de dizaines de kilomètres, en continu et en temps réel ;
• plus la distance et l’étendue de la zone sont étendues, plus la surveillance est économiquement avantageuse ;
• les câbles de détection, insensibles aux interférences électromagnétiques (EMI), sont donc idéals pour déploiement le long de lignes de transport électrifiées.

Les pieux et les revêtements de tunnels font partie des éléments structurels couramment surveillés à l’aide de la détection par fi bre optique distribuée de FibrisTerre dans les domaines du génie civil et de la géotechnique. Cette technique permet, entre autres, de surveiller en permanence la convergence de tunnels, l’érosion, l’affaissement et d’autres mouvements du sol, ainsi que les changements de température. Par exemple, la température peut être mesurée pendant la phase de prise
du béton, ce qui permet d’obtenir des températures de durcissement
réelles, à l’intérieur de la structure, plutôt qu’estimées.

SUIVI DE LA DÉFORMATION DES REVÊTEMENTS EN BÉTON PROJETÉ DANS LE TUNNEL DE BASE DU SEMMERING

Des câbles de détection à fi bre optique ont été incorporés pendant la construction du tunnel, permettant la détection et la localisation à distance et en continu des événements de déformation et de température. Sensibles aux petites variations, mais suffisamment robustes pour résister à la pression et aux vibrations, ces capteurs sont idéaux pour l’environnement difficile de la construction des tunnels.

SURVEILLANCE CONTINUE, MODÈLES ET DÉTECTION DE FORME (SHAPE SENSING)

Outre la surveillance pendant la construction, le système DFOS fournit des données permettant de valider les modèles de construction. Un logiciel propriétaire a fourni des profi ls de convergence, permettant de comparer le modèle de préconstruction avec les données réelles.

Les profils de déformation (figure 5B) ont montré une stabilisation de la déformation après 4 jours de l’excavation de la voûte. Ensuite, comme prévu, une nouvelle accélération de la déformation est enregistrée lors de l’excavation de la banquette et du radier. Ces données ont confi rmé que les matériaux et les techniques utilisés étaient appropriés pour ce tronçon de tunnel et que la construction pouvait se poursuivre en toute sécurité.
Les mesures DFOS étaient en accord avec celles fournies par les capteurs ponctuels et des stations totales.

SURVEILLANCE DES PUITS DE CONSTRUCTION

Deux puits de 240 m ont été creusés, permettant l’accès aux opérations du tunnel en dessous.
Il s’agissait d’une excavation difficile. La structure était complexe et les nombreuses failles géologiques entraînaient des infi ltrations d’eau à plusieurs endroits. En outre, l’écoulement de l’eau derrière le revêtement du puits risquait constamment d’éroder la terre et la roche le long de la paroi verticale.
Les technologies conventionnelles de surveillance géotechnique se sont révélées inappropriées pour ces conditions de déploiement. Premièrement, leur présence physique interférait avec l’excavation
et la construction des puits ; deuxièmement, les mesures nécessitaient de longs temps d’acquisition et
étaient difficiles à acquérir à cause de la présence d’eau ; troisièmement, les cibles réfléchissantes étaient difficiles à nettoyer et, enfin, l’inclinaison du terrain donnait lieu à des observations
presque verticales.
Des capteurs à fibre optique ont été intégrés dans les revêtements en béton projeté afin de détecter au plus tôt toute dégradation de la stabilité des puits.

INSTALLATION DES CAPTEURS DISTRIBUÉS À FIBRE OPTIQUE

Deux couches du revêtement en béton projeté ont été instrumentées à chaque section transversale avec des câbles de surveillance de contrainte et de température (figure 7). Une boucle de 70 m
sensible simultanément à la déformation et à la température a été installée.
La position des câbles de surveillance a été cartographiée pendant l’installation à l’aide d’une station totale. Les sections surveillées ont été reliées à un instrument de mesure localisé dans la caverne
supérieure, évitant ainsi toute perturbation avec les travaux de construction.

MESURES DE DÉFORMATION DANS LES PUITS DE CONSTRUCTION

Des mesures automatiques ont été réalisées mensuellement pour saisir le comportement
du revêtement en béton des puits, avec une résolution spatiale de 0,5 m et un intervalle d’échantillonnage de 0,05 m.
On voit l’évolution de la convergence dans la figure 8. Au cours de 6 semaines, un changement maximal d’environ 1 000 μm/m a été détecté sur cette section transversale.
La campagne de mesure se poursuivra jusqu’à ce que les puits soient remblayés à la fin des opérations de construction, et pourra assurer une maintenance basée sur les informations
relatives à l’état de la structure pendant les 150 ans de durée de vie du tunnel.

SURVEILLANCE DES MOUVEMENTS DE TERRAIN ET DES DÉFORMATIONS STRUCTURELLES

Pour le tunnel de base du Semmering, une vallée voisine a été transformée en un énorme dépôt à ciel ouvert pour accueillir les matériaux excavés.
Conformément aux objectifs de respect de l’environnement, des procédures strictes d’élimination des matériaux garantissent l’intégration sûre et durable du nouvel aménagement géologique dans le milieu naturel de la région.
La transformation a impliqué la réalisation d’un mur de soutènement renforcé de 25 m de haut avec des pentes allant jusqu’à 75°. Compte tenu des défis géologiques et hydrogéologiques, la surveillance des mouvements de terrain pendant et après la construction était cruciale pour garantir l’intégrité de la
structure. Le système de surveillance à fibres optiques de FibrisTerre a été utilisé pour détecter rapidement tout mouvement de terrain, autant que tout fluage et érosion à long terme, de façon spatialement distribuée. Des techniques géodésiques conventionnelles, avec des cibles réfléchissantes et une station totale ont été utilisées pour mesurer le déplacement de la structure en surface.

INSTALLATION DES CAPTEURS DISTRIBUÉS À FIBRE OPTIQUE

Les capteurs distribués à fibre optique ont été fixés aux géogrilles de renforcement à l’aide de micro-ancrage.
Suivant un parcours continu sur différents niveaux, une boucle de câbles d’environ 2,5 km détecte simultanément la contrainte mécanique et la température, ce qui permet d’obtenir des mesures de déplacement du terrain, en profondeur, compensées en température.

RÉSULTATS DES MESURES DE CONTRÔLE STRUCTUREL

Des mesures hebdomadaires ont été effectuées pendant la phase de construction initiale afi n de saisir l’évolution de la déformation.
Le plan de gestion de la sécurité avait défi ni les actions correctives à prendre en cas de dépassement des seuils de déformation. Aucune des valeurs seuils n’a été dépassée pendant la période de mesure le long des années de remplissage. La déformation s’est développée en 3 phases distinctes (fi gure 11A). La phase A correspond à la période de construction de la structure. La charge a augmenté au fur et à mesure de l’ajout de couches de terre. Le poids supplémentaire a entraîné une déformation
relative jusqu’à 0,4 %. Selon les attentes, un fluage s’est ensuite progressivement accumulé dans les
années suivants la construction, comme le montrent les mesures pendant les phases B.

QU’EST-CE QUI BOUGE ?

En 2017, les relevés de déformation ont montré une soudaine augmentation de la déformation dans la phase C. Une enquête a révélé que la route avait été élargie à l’aide de l’apport de terre supplémentaire afi n de pouvoir permettre l’accès à de plus gros camions à benne.
La date des travaux d’extension de la rampe d’accès coïncide avec l’augmentation soudaine de la déformation mesurée par le système de détections à fi bre optique. La section concernée a été mise sous stricte surveillance afi n que des actions correctives puissent être prises si l’évolution de la déformation ne s’était pas stabilisée.
Par la suite, la déformation s’est transformée en fluage régulier.

CONCLUSION

Les travaux en cours sur le tunnel de base du Semmering, à l’instar de nombreux autres projets réalisés dans le monde entier, montrent que la détection distribuée par fi bre optique est un outil de surveillance géotechnique puissant avec des capacités uniques. La surveillance à distance permanente permet une construction plus effi cace, grâce à des données réelles plutôt qu’estimées
ou modélisées.
Ces enregistrements spatialement distribués, continus et en temps réel du comportement des déformations dans les revêtements des tunnels constituent une information précieuse que seule la
détection distribuée par fi bre optique peut offrir.
Les données en temps réel et la détection précoce des événements géotechniques permettent de réduire les risques pendant la construction et d’améliorer l’effi cacité des programmes de maintenance
basés sur l’évaluation cognitive de l’état de la structure.

Dr Massimo Facchini
Global Sales and Applications FibrisTerre Systems GmbH