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Etude de cas – Hong-Kong Traitement des CDG avec Slurry Shield TBM

Yves Chouanard

Directeur commercial et marketing MS SAS

y.chouanard@m-s.fr

Résumé:

Les Slurry TBMs ont été choisis dans des géologies de granites peu homogènes afin d'assurer des conditions de forage sécurisées, tant à Hong Kong qu’à Singapour. Malgré le fait que, dans les deux cas, le GIBR donne une très grande variété de distributions granulométriques, il est primordial pour l'entrepreneur au niveau de l'appel d'offres de fournir une évaluation raisonnable des quantités de déblais qui seront traitées par la solution de séparation, tout particulièrement pour la proportion d’extra-fines - 63µm. Le but de cette présentation est de confronter les chiffres extrapolés à partir du GIBR avec ceux obtenus sur les sites et d'adapter les outils de simulation utilisés pour le dimensionnement des différents composants de l'installation de séparation par le fournisseur de STP, en particulier la section de traitement des boues excédentaires.

 

1. PRESENTTION DES PROJETS: 1.1. MTR WIL 703 :

Hong-Kong MTR 703

Ces deux tunnels (forage de Ø 6,35 m, 770 m + 490 m de long) font partie de la West Island Line (Sheung Wan à Sai Ying Pun), située dans une zone urbaine très encombrée. L’appel d’offre a été attribué par MTR Corporation au consortium Dragages, Maeda et Solétanche Bachy. Son premier anneau a été percé en septembre 2011, et le tunnel a été achevé en novembre 2012. Le profil géologique a montré environ 31 % de CDG, 42 % de mélangé, 21 % de roche, et une petite section représentant 6 % d’alluvionnaire.

 

1.2. XLR 820/821:

Hong-Kong MTR 820/821 – 2x 1 800 m3/h

Ces tunnels jumeaux, de 3,5 + 0,75 km de long sur les bords de Kowloon (forage de Ø 9,32 m) appartiennent à Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong Express Rail Project XLR. Le contrat a été attribué par MTR Corporation au consortium Dragages et Bouygues. Son premier anneau a été foré en octobre 2011, et les tunnels devraient être achevés en 2015. Le profil géologique montrait environ 52 % de CDG, 14 % de mélangé et 35 % de roche.

 

2. NTERPRETATION DES DONNEES GEOLOGIQUES L'une des difficultés dans l'interprétation de la GIBR est l'extrapolation des deux valeurs critiques de la section CDG : sa densité à sec (γd) et son % d'extra-fines, à cause de leur influence directe sur le dimensionnement de la section de traitement des boues excédentaires de la STP. Le GIBR donnait les informations suivantes en ce qui concerne la distribution granulométrique:

Ce qui est un très large éventail... de 8 à 80 % ! - une valeur moyenne de 30 % a été choisie pour MTR 703 et 32 % pour XLR 820/821.

Les densités in situ (γh) étaient également données parmi un large éventail de :

 

ð Une valeur moyenne de 19kN/m3 a été choisie pour MTR 703 et 2 pour XLR 820/821.

3. OUTILS POUR SIMULER LE PROCESS ET LES VOLUMES DE DEBLAIS

GENERES Les feuilles de calcul « Volume & Mass Balance », ou « VMB », ont été développées par MS pour aider au dimensionnement d'une usine de traitement des boues en ce qui concerne la géologie d'un projet de tunnel particulier et pour les choix techniques de la maitrise d’ouvrage en terme de vitesse (instantanée) de forage et de progression journalière. Elle comprend les sections suivantes : · Un résumé du profil géologique du tunnel · Les calculs de VMB dans chaque géologie · Un résumé indiquant les valeurs critiques données par la VMB dans ces différentes géologies et les valeurs qui vont devenir des facteurs de dimensionnement, · Un calcul des volumes de déblais et des consommables pour l'ensemble du tunnel.

 

4. RECAPITULATIF DES RESULTATS OBTENUS SUR LE SITE XLR 820

Data GIBR Results from XLR 820

Soils bulk density

γh

Bedrock 2.6 2.6

Mixed face 2.2 2,2

Soft CDG 1.9 2

< 63µm Soft CDG 32% (extrapolation) 40%

Densité des déblais :

CDG jusqu'à l’anneau 250, puis mélangé et granite intégral pour les 50 derniers anneaux.

 

Principalement CDG.

% de fines - 63µm : 1er tunnel:

 

La valeur moyenne des fines < 63µm mesurée sur site en CDG est proche de 25 %, mais les conglomérats d'argile récupérés avec le sable ou le gravier, qui représentent un autre 5 %, doivent être ajoutés, signifiant que le total est effectivement proche de 32 %. % de fines: 2nd tunnel:

Sur le deuxième tunnel, la valeur moyenne des fines < 63µm mesurée sur site est près de 35 %, avec des pics jusqu'à 39 % sur les 50 derniers anneaux, mais là encore, les conglomérats des fines récupérées avec du sable ou avec le gravier doivent être ajoutés, représentant 5 % supplémentaires, signifiant que le total est proche cette fois de 40 % avec des pointes jusqu'à 45 %. Ces deux exemples montrent la variabilité du sol et en particulier le % de quantité de fines.

 

Abrasivité des CDG: Un problème majeur dans le traitement de CDG est le dessablage approprié de la boue, tout en résistant à sa très haute abrasivité : dans ces CDG, 56 % de la roche est considéré comme "Très abrasif" (Cerchar abrasivité Index 2 à 4) et 41 % "Extrêmement abrasifs » (CAI 4 à 6).

Rock Abrasiveness

Percentage Distribution Class (after Cerchar)

CAI (Cerchar Abrasiveness Index)

Not Very < 0.5 0%

Slightly 0.5 to 1 0%

Medium to Abrasive 1 to 2 2.6%

Very 2 to 4 56.4%

Extremely 4 to 6 41%

Quartzitic > 6 0%

Un dessablage et un dessiltage efficaces des boues sont donc nécessaires, et une attention particulière doit être portée à la protection contre l'usure.

 

Qualité des boues MTR 703: faible couverture, zone urbaine, hautes qualités de boues en terme de propriétés rhéologiques:

Densité YV Filtrats

CDG 1,147 7,5 Pa 52 mL

Roche 1,094 1,9 Pa 147 mL

Mixte 1,138 2,7 Pa 49 mL

XLR 820 : moins de contrainte, mais la viscosité naturelle due à l'activité des fines (jusqu'à 6 Pa, sans ajout de bentonite), diamètre plus important et autres contraintes telles que la contamination de la boue par des ciments.

Sable

(elutriometer) Densité YV Filtrats Anneaux/ jour

Moyenne 1,5% 1,136 4 Pa 80 mL 8 r/d

Max 3,5% 1,23 6 Pa 170 mL 12 r/d

Min 0,5% 1,03 1 Pa 60 mL 6 r/d

Dans les deux cas, le brevet MS « Slurry Management System » permet de gérer de manière autonome les propriétés rhéologiques des boues, en terme de densité et de viscosité.

 

Traitement des extra-fines 40 à 45 % de fines < 65µm dans le sol signifie pour un tunnel de Ø 9,3 m 120 à 140 m3 de boues excédentaires par mètre foré , finissant dans la cuve de boue. Pour les deux tunnels forés simultanément avec une progression journalière de 40m, c'est 4 800 à 5 600 m3 de boues qui doivent être traitées tous les jours. Seuls les filtres presses permettent une transformation de ce volume de boues liquides en gâteaux solides, avec une humidité résiduelle moyenne de 27 % (poids de l'eau sur le poids total de gâteau) :

Gâteaux des filtres presses

 

Productivité des filtres presses:

Concentration de bentonite

dans les boues excédentaires

Filtrats (API-30 min)

Valeur de rendemment

moyen Addition de

chaux

Densité moyenne des

boues excédentaires

Production FP15-C80-M16

en m3/h de boue

excédentaire

in t/h de solides

XLR 820 0 kg/m3 ~80 ml 3 Pa

(viscosité naturelle des

fines)

2% (+ coagulant) 1.207 30 - 36 10 - 12 t/h

MTR 703 0 to 40 kg/m3 ~50 ml 6~7.5 Pa 5% 1.167 30 - 37 8 - 10 t/h

Volume total de déblais à la fin des tunnels: En prenant l'exemple du XLR 820/821, l’hypothèse d’origine des 30% de fines dans le CDG conduit à un total de 175 000 tonnes de matières solides < 63µm après l'achèvement des deux tunnels et aux volumes suivants : Volume des

boues excédentaires

Densité des boues

excédentaires Reduction

ratio

Volume d’origine dans la cuve à boue excédentaire 600,000 m3 1,182

Après traitement par centrifugeuses 325,000 m3 1,335 / 1.8

Après traitement par filtres presses 132,500 m3 1,822 / 4.5

Collecte des déblais sur barges ou stockage sur terrain  

 

5. COMPARAISON ENTRE HONG KONG ET SINGAPOUR:

Comparaison de granite: HONG KONG vs SINGAPORE

Paramètres Hong Kong Singapore

Roche

Nom des granites Granites de Kowloon et Sha Tin

Granite de Bukit Timah et Jurong

Densité in situ (γh) 2,5 à 2,6 2,4 à 2,6

Densité à sec (γd) 2,4 à 2,5 2,25 à 2,5

Perméabilité 10-7 à 10-9 m/s 10-6 à 10-9 m/s

Abrasivité Very abrasive to quartzitic Very abrasive to quartzitic

CDG rangs V&VI

Densités Min Medium Max Min Medium Max

Densité in situ (γh) 1,7 2 2,1 1,7 2 2,1

Densité à sec (γd) 1,2 1,6 1,8 1,2 1,6 1,8

Distribution granulométrique Min Medium Max Min Medium Max

% > 6 mm 0,0% 10,0% 25,0% 0,0% 5,0% 15,0%

Sable (63 µm - 6 mm) 35,0% 50,0% 90,0% 30,0% 55,0% 75,0%

Extra-fines (< 63 µm) 10,0% 40,0% 60,0% 25,0% 40,0% 55,0%

Limite de liquidité 30 - 70% 40 - 80%

Limite de plasticité 10 - 45% 10 - 35%

Plastique index 10 - 50% 10 - 60%

Perméabilité 10-5 à 10-8 m/s 10-6 à 10-8 m/s

6. CONCLUSION:

Forer avec une Slurry Shield TBM dans un granite peu homogène est difficile car il nécessite : · Une parfaite séparation des solides excavés, · Une maîtrise des propriétés rhéologiques de la boue, · Une solution performante pour traiter le volume important d’extra-fine. L'expérience acquise à Hong Kong pourrait être parfaitement applicable à l'environnement et à la géologie de Singapour.