GT4R4F1 boue de forage tunnelier pression de boue

Boue de forage à usage des boucliers

à pression de boue

GT4R4F1

www.aftes.asso.fr

ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELSET DE L’ESPACE SOUTERRAIN

Organisation nationale adhérente à l’AITES

RRReeecccooommmmmmaaannndddaaatttiiiooonnnsss dddeee lll’’’AAAFFFTTTEEESSS

Texte présenté par P. LONGCHAMP (Bouygues Travaux Publics)

assisté de :A. BESQ (LEA) - F. BONIN (JF Tech) - B. DEMAY (Vinci) - M. GUERIN (Calypso)

A. GUILLAUME (MS) - A. PANTET (ESIP-Poitiers) - J-M. ROGEZ (RATP) - A. SCHWENZFEIER (CETU)

Et avec la participation des membres du groupe de travail n°4 (évacuation mécanisée) suivant :D. ANDRE (SNCF) - F. BERTRAND (Chantiers Modernes) - L. CHANTRON (CETU) - D. CUELLAR (SNCF)

J-M. FREDET (Pergolese) - J-L. GIAFFERI (EDF) - C. MOLINES (Eiffage) - P. MONNET (ESIP Poitiers)L. NICOLAS (JF Tech) - P. RENAULT (Razel) - J-F. ROUBINET (Vinci).

Le groupe de travail remercie les lecteurs du Comité Technique pour leur lecture de validation :J. GUILLAUME (Razel) - B. GODINOT ( GTM Construction) - G. PIQUEREAU (CAP)

Version 1 - approuvée par le Comité Technique du 14/11/2001

AFTES RECOMMANDATIONS RELATIVES A LA

BOUE DE FORAGEA USAGE DES BOUCLIERS A PRESSION DE BOUE

L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.

141TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002

L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.

PagesPages

1 - PREAMBULE ET OBJET DE LA RECOMMANDATION- - - - - - 1422 - ROLES ET FONCTIONS DE BASE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1432.1 - Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1432.2 - Fonctions premières de la boue de forage - - - - - - - - - - - - - - 1432.3 - Fonctions et qualités secondaires de la boue de forage - - - - 1433 - PRINCIPES DE BASE DE FONCTIONNEMENT

DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1443.1 - Fonction de confinement - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144

3.1.1 - Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1443.1.2 - Filtration - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1443.1.3 - Rigidification de la boue- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1443.1.4 - Nature du cake - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1443.1.5 - Vitesse de formation du cake - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144

3.2 - Fonction transport - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1443.3 - Fonction séparation - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1443.4 - Evolution de la boue en cours de forage - - - - - - - - - - - - - - - - 144

3.4.1 - Contamination physique de la boue par la charge solide - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144

3.4.2 - Contamination chimique de la boue - - - - - - - - - - - - - - - 1444 - PROPRIETES DE BASE ET MESURE DES PROPRIETES

DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1444.1 - Propriétés rhéologiques - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145

4.1.1 - Introduction- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1454.1.2 - Viscosité apparente (VA)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145

4.1.3 - Viscosité plastique (VP)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1454.1.4 - Seuil d'écoulement - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1454.1.5 - Thixotropie et gels - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146

4.2 - Propriétés physiques- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1464.2.1 - Densité de la boue de forage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1464.2.3 - Filtration - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1464.2.4 - Qualité du cake - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146

4.3 - Propriétés chimiques- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1464.3.1 - Présence d'électrolytes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1464.3.2 - Variation de pH - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 147

5 - MATERIELS ET PROCEDURES POUR LA MESURE DE LA QUALITE DE LA BOUE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 147

5.1 - Matériels de contrôle - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1475.2 - Procédures - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1476 - CHOIX DES CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DE LA BOUE6.1 - Propriétés - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1476.2 - Orientations de solutions de boue de forage - - - - - - - - - - - - 1477 - CONSTITUANTS DE LA BOUE DE FORAGE : - - - - - - - - - - - - 1487.1 - Composition - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1487.2 - Choix des constituants - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1488 - TRAITEMENT DES BOUES EXCEDENTAIRES - - - - - - - - - - - - 1489 - PROGRAMME BOUE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1499.1 - Objectifs - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1499.2 - Elaboration - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149

SOMMAIRESOMMAIRE

142 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002

Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue

A titre d’exemple :

➬ En forage vertical :

• Le volume et la section d’excavation sontrelativement faibles, les phénomènes d’insta-bilité sont locaux.

• La pression de la boue est gérée directe-ment par la charge hydrostatique et sa densité.

• Le transport des déblais issus de l’abattageest effectué en régime laminaire pour éviterl’érosion des parois du forage. Cela nécessitedes vitesses d’écoulement faibles et une bouedont la viscosité permet de porter les cuttings.

• L’excavation recoupe les horizons géolo-giques sub-horizontaux successivement maisgénéralement en pleine face.

➬ En excavation de tunnel :

• Les conditions de soutènement sont géné-ralement plus difficiles (grandes sections, sou-tènement de voûte) avec d’importants risquesd’instabilité.

• La pression de la boue est obtenue etcontrôlée mécaniquement.

1 - PREAMBULE

La boue de forage est un auxiliaire indispensable à l’usage des boucliers mécanisés à confinement de boue dans le processus de soutènementde l’excavation et de marinage des déblais. Le lecteur pourra consulter à ce propos, les recommandations relatives au choix des techniquesd'excavation mécanisée (TOS n°157 janvier/février 2000, chapitres 4.3.4, 6.3.3, 7.3.3 et 8.5).

Il est donc apparu important au groupe de travail n°4 de l’AFTES, en charge de l’excavation mécanisée, de produire une recommandation traitantde ce sujet.

En effet, la science de la boue est relativement complexe. Elle est un mélange d’expérience et de théorie, le siège de phénomènes rhéologiques,physiques et chimiques. Elle est aussi confrontée aux autres sciences complexes, que sont les sciences de la terre.

L’usage de la boue pour réaliser des excavations a sans aucun doute trouvé son origine dans l’activité des forages verticaux. Les pétroliers, grâce àleurs grands moyens et les enjeux économiques, se sont impliqués très fortement dans le développement de cette technologie. Le génie civil aainsi bénéficié d’un formidable acquis tout d’abord dans le domaine des fondations profondes et les forages pour le traitement des terrains puis,quelques années plus tard, pour le creusement des tunnels en terrains meubles et aquifères.

Si la composition de la boue est sensiblement la même que dans le domaine pétrolier, son utilisation en tunnel répond à des exigences singulières.

PagesPages

9.2.1 - Aspects réglementaires : environnement / hygiène et sécurité - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149

9.2.2 - Conditions de site: géométrie du projet, géologie, géotechnique, et emprises au sol - - - - - - - - - - - - - - - - 149

9.2.3 - Matériels - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1499.2.4 - Qualité des constituants (eau, additifs) - - - - - - - - - - - - - 1499.2.5 - Estimatif de consommation - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149

9.3 - Contrôles de la mise en œuvre et suivi - - - - - - - - - - - - - - - - - 1499.3.1 - Contrôles & système documentaire - - - - - - - - - - - - - - - 1499.3.2 - Personnel - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149

10 - MISE EN ŒUVRE DE LA BOUE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15010.1 - Réception des produits de base - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15010.2 - Fabrication - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 150ANNEXE 1 : GLOSSAIRE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 150ANNEXE 2 : POLYMERES ET BENTONITES POUR BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1511 - Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1512 - Types de polymères utilisés en boue de forage- - - - - - - - - - - 1512.1 - Amidons et dérivés amylacés - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1512.2 - Gommes de Guar - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1512.3 - Xanthanes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1512.4 - Ethers de cellulose- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1512.5 - Polyacrylamides- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1522.6 - Polyacrylates - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1523 - Bentonites - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1523.1 - Structure de la bentonite - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1523.2 - Propriétés de la bentonite - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1523.3 - Bentonite pour travaux souterrains - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 153

ANNEXE 3 : PRINCIPE D’EVALUATION DES CARACTERISTIQUES RHEOLOGIQUES DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 153ANNEXE 4 : TABLEAU INDICATIF DE PARAMETRAGE DE LA BOUE DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 154ANNEXE 5 : RHEOLOGIE DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - 1551 - Définition de la rhéologie - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1552 - Rhéologie des fluides de forage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1553 - Définitions et terminologie - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1554 - Modèles rhéologiques - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 155ANNEXE 6 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE STATION DE TRAITEMENT DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - 1576.1 - Séparation des déblais solides de la boue - - - - - - - - - - - - - 157

6.1.1 - Scalpage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1576.1.2 - Dessablage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1576.1.3 - Essorage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 157

6.2 - Séparation de la fraction boue excédentaire de la boue recyclée - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1576.3 - Traitement de la boue excédentaire- - - - - - - - - - - - - - - - - - 157

6.3.1 - Epaississement par flocution-décantation sous forme de boue pâteuse- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 158

6.3.2 - Traitement complémentaire par pressage pour obtenir des déblais solides manutentionnables en vrac - 158

6.3.3 - Indices de filtrabilité des boues- - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1586.3.3.1 - Résistance spécifique à la filtration - - - - - - - - - - - - - 1586.3.3.2 - Facteur de compressibilité - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 158

ANNEXE 7 - PERMEAMETRE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 159ANNEXE 8 - DOCUMENTS-TYPES DE SUIVI DE LA BOUE - - - - - - 160

SOMMAIRESOMMAIRE

AFTES



• Le transport des déblais est réalisé enrégime turbulent nécessitant une fortevitesse d’écoulement, les cuttings sont por-tés par la dynamique des turbulences

• Les profils géologiques étant sub-horizon-taux, les sections sont souvent mixtes ethétérogènes

• Les volumes et sections d’excavation sontde grandes dimensions

Le matériau de base de la boue de forage estla bentonite, variété d’argile possédant despropriétés rhéologiques et physiques parti-culières.

D’autres produits, tels que les polymères,défloculants, de plus en plus employés, vien-nent compléter et améliorer les propriétésde base de la boue. Ils sont donc intégrésdans cette recommandation.

D’un projet à l’autre, les conditions géolo-giques, hydrogéologiques et les dimensionspourront être très différentes et donc poserdes problèmes spécifiques.

Cette recommandation a pour objectif d’ap-porter une aide pour l’élaboration, la gestionet le contrôle des boues de forage utiliséespar les boucliers mécanisés à confinement deboue.

2 - ROLES ET FONCTIONSDE BASE

2.1 - GENERALITES

La boue de forage assure des rôles multiples.Les principaux sont l’étanchement et le sou-tènement des parois de l’excavation.D’autres rôles, qualifiés de secondaires, sontégalement à prendre en compte. Ceux-cisont détaillés dans le chapitre 2.3.

Dans les cas les plus simples, seule la fonc-tion transport doit être assurée (marinagehydraulique). L'eau seule (sans additif) peutremplir alors correctement ce rôle.

Cependant, dans la grande majorité des cas,les conditions d'utilisation du fluide deforage sont plus défavorables et liées aucumul de :

• la présence d'un terrain instable

• une perméabilité forte à moyenne

• une forte charge d'eau, ce dernier pointétant un facteur aggravant des deux pre-miers.

La boue de forage composée alors d'eau, debentonite et éventuellement d'additifs com-plémentaires doit permettre, de par ses pro-priétés, de s'affranchir de ces difficultés.

2.2 - FONCTIONS PREMIERESDE LA BOUE DE FORAGE

La fonction fondamentale de la boue deforage est d'apporter aux parois de l’excava-tion les qualités permettant d'obtenir unconfinement de celles-ci. A cet effet, ses pro-priétés rhéologiques et physiques doivent :

• Imperméabiliser les parois de l'excavationaussi bien du front qu'autour du bouclier(dans le cas d’une surcoupe). Celle-ci estnécessaire au développement par le circuitde marinage d’une pression de confinement,ou plus exactement d’une surpression deconfinement par rapport à la charge hydro-statique.

• Créer et maintenir dans ces mêmes paroisun gradient de pression de confinement suf-fisamment élevé en vue d’assurer la stabilité(Voir Annexe 3).

Il est parfois admis que les boues de forageet le développement des pressions de confi-nement améliorent les caractéristiquesmécaniques des terrains en place par apportd’une cohésion additionnelle et/ou d’un étatde contrainte supplémentaire. Au stadeactuel des connaissances, ces améliorationsn’étant pas quantifiables parce que com-plexes, il n’en est pas tenu compte dans lescalculs de stabilité.

Il faut noter que ces fonctions fondamentalesdoivent aussi être assurées lors des interven-tions à des fins de maintenance dans lachambre d’abattage en conditions hyper-bares.

Les conditions de la stabilité du front parconfinement peuvent être représentées surle diagramme de Mohr suivant :

L’excavation de la galerie provoque une réor-ganisation du champ initial des contraintes.

σv a été supposé constant, alors que σh tendvers 0. Le cercle de Mohr initial � se déplacejusqu’à atteindre le cercle critique ➃ au-delàduquel la stabilité n’est plus assurée.

Ce schéma est simplifié, il correspond à lastabilité d’un front infiniment grand. Dans lapratique, les calculs de stabilité font appel àdes mécanismes tri-dimensionnels.

2.3 - FONCTIONS ET QUA-LITES SECONDAIRES DE LABOUE DE FORAGE

Ces fonctions et qualités, bien que qualifiéesici de secondaires, sont très importantes etpeuvent devenir déterminantes dans certainscas particuliers.

On notera les cas suivants :

➬ Marinage : la viscosité de la boue en mou-vement doit permettre son écoulement àgrande vitesse dans les conduites du circuitde marinage.

➬ Lubrification : la boue peut limiter l'usuredu matériel (outils de coupe, tuyaux, vannes,pompes..) en réduisant les frottements maté-riaux-matériel.

➬ Encapsulage du terrain excavé : Dans cecas, la boue doit réduire l'hydratation desmatériaux abattus pour limiter le collage et laré-agrégation de ceux-ci (en particulier s'ils'agit de matériaux silto-argileux dont lateneur en eau est inférieure au seuil de plasti-cité).

➬ la boue de forage doit être conçue defaçon à faciliter son traitement, c'est-à-dire laséparation entre les déblais qu'elle trans-porte et elle-même.

➬ Neutralité vis-à-vis de l'environnement :l’eau, les matériaux et les boues de foragerésiduelles doivent être acceptables vis-à-visdes règles d'environnement.

� Etat initial

➁ Courbe caractéristique du terrain (C, ϕ)� Cas d’une excavation sans confinement (et instable)➃ Cercle critique correspondant à une pression de confinement minimale pour assurer la

stabilité (sans sécurité et hors charge d’eau)τ Contrainte de cisaillementσ Contrainte normaleσh Contrainte normale horizontaleσv Contrainte normale verticaleσc Contrainte résultant de la pression de confinement (hors charge hydrostatique)

τ

AFTES



3 - PRINCIPES DE BASE DEFONCTIONNEMENT DESBOUES DE FORAGE

3.1 - FONCTION DE CONFINEMENT

3.1.1 - Généralités

La boue de forage pénètre dans le terrainsitué au front d’abattage et le long desparois de l’excavation (notamment en cas desurcoupe).

En fonction de la perméabilité du terrain etde ses caractéristiques intrinsèques, celle-civerra son écoulement dans le terrain pro-gressivement ralenti puis bloqué, selon deuxprocessus interdépendants et simultanés : lafiltration (pressio-filtration) et l’augmentationde la rigidité de la boue.

3.1.2 - Filtration

La surpression agissant dans la chambred’abattage contraint la boue de forage àmigrer dans le terrain au travers des paroisde l’excavation. Cette migration ne peut seproduire qu’au détriment des élémentssolides de la boue qui sont retenus progressi-vement par le terrain en place.

Ce processus de filtration s’auto-entretientpar apport cumulatif des solides jusqu’à sonblocage. Lors de l’abattage, ce filtre est tota-lement ou partiellement détruit au passagede l’outil, mais le processus de filtration serenouvelle aussitôt.

Ainsi, ceci conduit à la formation d’une"membrane" appelée "cake", d’épaisseurvariable selon la perméabilité du terrain etles caractéristiques de la boue.

3.1.3 - Rigidification de la boue

La filtration de la boue à travers le terrain aaussi pour effet immédiat de diminuer lavitesse d’écoulement de la boue de forage.

La boue bentonitique est un fluide "bingha-mien" et thixotrope (cf. chapitre 4). Enconséquence sa réduction de vitesse d’écou-lement conduit à sa rigidification progressivepuis à son blocage.

Le blocage est directement lié au seuil (oulimite) d’écoulement appelé aussi "yieldvalue", lequel est l’une des caractéristiquesde la boue.

3.1.4 - Nature du cake

On distingue deux types de cake :

➬ Le cake membrane : obtenu dans un ter-rain peu perméable, à l’aide d’une boue rela-

tivement rigide. Celle-ci ne pénètre que trèspeu dans le terrain et son effet est de confé-rer une étanchéité superficielle aux parois del’excavation. Son épaisseur est pluri-millimé-trique.

➬ Le cake imprégnation : dans les terrainsmoyennement à fortement perméables et àporosité variable, la boue pénètre relative-ment loin dans les interstices du terrain avantson blocage. Cette imprégnation constitue la" paroi " étanche. Son épaisseur est décimé-trique à pluri-métrique.

3.1.5 - Vitesse de formation ducake

On a vu précédemment (cf. 3.1.2) que, dansle processus d’excavation, le cake est détruità chaque passage d’outil mais se reformeaussitôt.

Les rhéogrammes (cf. chapitre 4.1) montrentque le seuil d’écoulement de la boue aprèsagitation est inférieur à sa valeur initiale.

Pour retrouver cette valeur, un délai estnécessaire, qui doit être aussi court quepossible pour reformer l’étanchéité perdue.Il est caractérisé par l’essai dit Gel 0-10(cf. 4.1.5).

3.2 - FONCTION TRANSPORT

Pour le transport hydraulique, la viscositéapparente (cf. 4.1.2) doit être la plus faiblepossible. C’est l’une des propriétés desliquides dits " binghamiens " dont la visco-sité apparente, au-delà du seuil d’écoule-ment, diminue avec l’accroissement d’agita-tion. Un état d’agitation suffisammentintense est obtenu par la mise en œuvre d’unrégime turbulent dans les conduites de mari-nage.

3.3 - FONCTION SEPARA-TION

Le processus de creusement et de soutène-ment de l’excavation ainsi que du transportdes déblais à l’aide de boue de forageimplique nécessairement de traiter celle-cien vue de :

➬ Séparer les déblais solides de la boue avantson recyclage dans le circuit de marinage

➬ Séparer la boue excédentaire issue desajouts de boue neuve

➬ Traiter les boues excédentaires pour miseen décharge

Les 2 premiers points sont réalisés en tempsréel et dimensionnés sur la vitesse de creuse-ment instantanée du tunnelier, alors que letraitement de la boue excédentaire peut seréaliser en temps masqué et se dimensionnesur une vitesse moyenne d’excavation (limité

à une période de temps) intégrant les arrêts,la pose des voussoirs…

Les caractéristiques rhéologiques et phy-siques demandées à la boue de forage doi-vent prendre en considération cette néces-sité de séparation. Celles-ci peuvent être encontradiction avec les caractéristiquesdemandées pour le soutènement de l’exca-vation. Un équilibre est donc à trouver poursatisfaire à la fois aux exigences de soutène-ment et de séparation.

Une description du fonctionnement de based’une station de traitement des boues estdonnée en Annexe 6.

3.4 - EVOLUTION DE LABOUE EN COURS DE FORAGE

Lors des processus d’excavation, divers élé-ments s’incorporent peu à peu à la boue. Ilspeuvent modifier sensiblement ses caracté-ristiques initiales.

3.4.1 - Contamination physique dela boue par la charge solide

Les stations de traitement des déblais nepermettant pas d’isoler les éléments trèsfins, la boue recyclée se charge et voit sadensité augmenter peu à peu au détriment(en général) de ses caractéristiques (yieldvalue, filtrat, …) (cf. 4.2).

Une régénération par apport de boue neuveest dans ce cas nécessaire.

3.4.2 - Contamination chimique dela boue

Les minéraux ou polluants contenus dans lesterrains et/ou dans l’eau des aquifères, peu-vent également altérer les caractéristiquesde la boue. Le choix de ses composants doitdonc les prendre en considération (cf. 4.3).

On veillera aussi à la contamination par leciment et les produits de traitement préa-lable de terrain.

4 - PROPRIETES DE BASE ETMESURE DES PROPRIETESDES BOUES DE FORAGELa boue de forage utilisée pour les boucliersà confinement de boue est un fluide à based'eau et de différents éléments solides for-mant une suspension colloïdale. Ces élé-ments sont essentiellement :

➬ Des colloïdes minéraux (principalementdes argiles bentonitiques)

➬ Des colloïdes organiques (principalementdes polymères).

AFTES



On trouve de par le monde des centaines denoms commerciaux portant le qualificatif debentonites ou de polymères, d'où unesource de confusion importante car, bien queprésentant des analogies, ils possèdent sou-vent des propriétés physico-chimiques, derhéologie et de filtration très différentes.

4.1 - PROPRIETES RHEOLOGIQUES

4.1.1 - Introduction

La rhéologie est la science consacrée àl'étude des déformations et de l'écoulementde la matière sous l'effet de contraintesinternes et externes. Dans ce domaine, lesboues de forage sont définies par un certainnombre de caractéristiques dont le contrôleet la mesure ont une grande importance carelles conditionnent :

➬ La stabilisation du front de taille

➬ Le marinage

➬ Les performances de préparation et detraitement des boues.

Cf. annexe 5 (rhéologie des boues deforage).

4.1.2 - Viscosité apparente (VA)

Il s'agit de la "viscosité vraie" de la boue deforage. Toutefois, de tels fluides étant non-newtoniens, leur viscosité dépend de lavitesse d'écoulement.

La viscosité est élevée pour des vitessesd'écoulement faibles (lors de la filtration dela boue dans le terrain, dans les bacs de stoc-kage) et, inversement, faible pour desvitesses d'écoulement élevées (dans lesconduites de marinage, au niveau des hydro-cyclones) comme illustré sur la représenta-tion graphique ci-dessous :

Les graphiques représentant la viscosité sontpeu utilisés. La viscosité étant issue desforces de cisaillement qui règnent entre lescouches de fluide, on a pris pour habituded’utiliser une représentation graphiquereliant contrainte de cisaillement et gradientde vitesse : c’est le rhéogramme. La viscositén’apparaît donc plus explicitement.

On appelle viscosité apparente le rapportentre contrainte de cisaillement et gradientde vitesse, grandeur qui n’est donc pasconstante :

Rhéogramme : trait plein

Viscosité apparente : trait pointillé

La viscosité apparente s’exprime en mPa.sanciennement centipoise (cP).

1 mPa.s = 1 cP

4.1.3 - Viscosité plastique (VP)

La viscosité plastique s’applique aux fluidesnon newtoniens et caractérise les fluides bin-ghamiens. Il s’agit de la pente de la partielinéaire du rhéogramme comme illustré ci-dessous :

Dans le cas des boues de forage, la viscositéplastique est considérée en premièreapproximation comme constante. Elle estdéterminée par interpolation de la partielinéaire du rhéogramme (comme tracée ci-dessus). Cette grandeur physique est impor-tante pour le calcul des pertes de chargedans les conduites de marinage. Elle dépendavant tout de la teneur en solides de la boueet de leur nature.

La viscosité plastique s’exprime égalementen mPa.s ou cP.

4.1.4 - Seuil d'écoulementIl conditionne la capacité d'une boue deforage à bloquer son écoulement dans le ter-rain. Dans le processus de filtration de la bouesur les parois de l'excavation, les vitessesd'écoulement étant faibles, les contraintes decisaillement deviennent insuffisantes pourgénérer l'écoulement d'où blocage.

Contrairement à un fluide newtonien, unfluide binghamien exige une contrainte decisaillement minimale pour pouvoir s’écouler,il se comporte comme un fluide viscoélas-tique. Pour des contraintes inférieures à ceseuil d’écoulement, sa viscosité étant infinie,

Fluide newtonien

Visc

osité

app

aren

te

Gradient de vitesse

AFTES



il se comporte comme un solide. La valeur dece seuil dépend des conditions initiales etaugmente avec le temps de repos. Dans lapratique des boues de forage on utilise defaçon conventionnelle une valeur détermi-née par l’intersection sur le rhéogramme dela droite obtenue au rhéomètre FANN avecl’axe des ordonnées. Cette valeur conven-tionnelle est représentative d’un seuil extra-polé appelé limite d’écoulement ou YieldValue (cf. ci-dessous).

Le seuil d'écoulement d'une boue de forageest dû aux interactions physico-chimiquesexistant entre les particules actives de la sus-pension ; il dépend également de la teneurde ce type de solides. On notera toutefoisqu'une augmentation de la densité et de laviscosité par incorporation de particulesinertes ne conduit pas nécessairement àl'augmentation de ce dernier, mais peut aucontraire l'abaisser sensiblement. Dans lapratique du creusement, le sol pouvantcontenir des particules inertes ainsi que desparticules actives (argile), la viscosité pourradonc aussi dans certains cas augmenter avecla densité.

La limite d'écoulement s'exprime générale-ment en Pascal (Pa) ou en Livres par centpieds carrés (lb/ 100 ft2) . La correspon-dance : 1 Pa = 2,084 lb/100 ft2

4.1.5 - Thixotropie et gels

Certains fluides ou suspensions colloïdalescomme les boues bentonitiques présententla propriété d'édifier au repos une structurequi de fait augmente la rigidité du fluide etqui peut être détruite par agitation. Onappelle thixotropie le fait que ce phénomènesoit réversible. Ce processus de constructionde la structure n'est toutefois pas immédiat.

Comme mentionné au paragraphe 3.1.5, leseuil d’écoulement effectif évolue avec letemps de repos de la boue, lequel permetune restructuration progressive de celle-ci.

Cet état est mesuré par les vitesses de for-mation de gel. Dans la pratique, cette pro-priété représente l'aptitude de la boue àreformer plus ou moins vite un cake derrière

l'outil excavateur, propriété quantifiée enlaboratoire par la mesure des gels 0 et gels10 (voir glossaire " Thixotropie ").

La bentonite possède ce comportementthixotropique, les autres additifs générale-ment utilisés tels que les polymères hydroso-lubles apportant d'autres propriétés (visco-sité, réduction de filtrat, stabilité auxélectrolytes…).

Le rhéogramme ci-après illustre les conceptsprésentés ci-dessus.

4.2 - PROPRIETES PHYSIQUES

4.2.1 - Densité de la boue de forage

La mesure de la densité d'une boue deforage dessablée permet principalement decontrôler la charge en fines de la boue recy-clée vers le tunnelier. D'autre part, le suivi deson évolution peut renseigner sur les condi-tions au front puisque :

• Une augmentation des formations argi-leuses ou marneuses, durant l'excavation, estun indice d'apport de la boue en solides(apport bénéfique ou néfaste selon les cassur la valeur du seuil d’écoulement ).

• Une diminution non consécutive à un ajoutd'eau (dilution) est l'indice d'une venued'eau ou d'un déséquilibre chimique (actiondes silicates par exemple qui causent unmicrobullage de la boue).

4.2.2 - Teneur en sable (particules > 80 µm)

La teneur en sable résulte des performancesde limite de séparation des déblais solides.

La présence de sable dans la boue affectedirectement la perméabilité du cake et sastabilité sur les parois de l'excavation.

4.2.3 - Filtration

La filtration est la mesure de l'aptitude àimperméabiliser les parois de l'excavationpar le processus de formation du cake. Elledépend de la qualité et de la quantité deséléments qui composent la boue.

On notera que la propriété de filtration esten général une fonction inverse de la densitéde la boue.

4.2.4 - Qualité du cake

Le cake résulte du dépôt de matériaux sur lesparois d'excavation lors du processus de fil-tration de la boue. Les qualités intrinsèquesd'un cake sont définies par son épaisseur etson aptitude à se déformer sans rupture.Elles sont représentatives respectivement desa stabilité sur les parois de l'excavation etde sa résistance aux effets mécaniques ethydrauliques induits par l’action d'abattage.

4.3 - PROPRIETES CHIMIQUES

4.3.1 - Présence d'électrolytes

L'apport volontaire ou non d'électrolytes telsque les ions Ca++, Mg+, K+, Cl—, SO4— (eau defabrication, eau de l’aquifère, minéralogie duterrain, zones injectées…) peut modifierconsidérablement les propriétés physiqueset rhéologiques des boues de forage. Eneffet, l'apport de ces ions modifient les équi-

Rhéogramme et viscosité d’une suspension bentonitique(bentonite très Haut Rendement à 25g/L

Gradient de vitesse (sec.–1)

AFTES



libres ioniques et conduit à une séparationde phases par libération des molécules d'eaulibre initialement attachées aux feuillets d'ar-gile ou chaînes de polymères : phénomènede floculation. Une attention particulièredevra être portée sur la nature des eaux (eauchaulée, eau de mer…) tout au long du creu-sement.

4.3.2 - Variation de pH

Une modification du pH affecte égalementles équilibres ioniques et les propriétés phy-sico-chimiques des boues de forage. Endehors d’une plage de pH de la boue situéeentre 8 et 10, ce risque de mauvais compor-tement de la boue est significatif tant enmilieu acide (par exemple en présence dematière organique) qu’en milieu basique (parexemple en présence de ciment).

5 - MATERIELS ET PROCEDURES POUR LAMESURE DE LA QUALITE DE LA BOUE

5.1 - MATERIELS DECONTROLE

Parmi le grand nombre d'appareillages sus-ceptibles de mesurer les différents para-mètres physiques, chimiques et rhéologiquesdes boues de forage, nous avons retenu lesappareils de mesures de laboratoire et lesappareils de mesure en continu ci-après :

➬ Contrôle des propriétés rhéologiques :mesure des VA, VP, YP, gels

• Viscosimètre MARSH (peu représentatifdans le cas de cette activité)

• Rhéomètre FANN

• Eventuellement rhéomètre à gradient devitesse imposée (Rhéomat ou similaire)

- On rappelle que les viscosimètres automa-tiques présents sur certains chantiers déri-vent de la géométrie FANN et permettentainsi de déterminer les paramètres rhéolo-giques caractéristiques de la boue de forageen " quasi-continu " par mesure des valeurs à600 et 300 tours/min

➬ Contrôle des propriétés physiques

• Densité : Balance à boue type BAROID,densimètre

• Teneur en sable : Elutriomètre

• Filtration et cake : Cellule de filtration API,et, pour une approche plus réaliste desphénomènes d’interface, grand perméa-mètre (cf. Annexe 7).

➬ Contrôle des propriétés chimiques

• pH : bandelettes, ph-mètre

• Conductivité : conductivimètre

• Surface spécifique ("activité") : valeur aubleu de méthylène

• Teneur en électrolytes

5.2 - PROCEDURES

La majorité des équipements de contrôle desboues font déjà l’objet de procédures stan-dardisées principalement par l’industriepétrolière (cf. American Petroleum Institute :section 13, "Recommended practice stan-dard procedure for field testing water baseddrilling fluids") et l’ISO 13500. Les autreséquipements ayant leur propre mode d’em-ploi compte tenu notamment de leurs appli-cations dans d’autres domaines.

La valeur au bleu est obtenue à partir d’unessai normalisé (norme NF P18 - 592).

6 - CHOIX DES CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DE LA BOUE

6.1 - PROPRIETES

Pour entreprendre l’excavation d’un ouvragesouterrain à l’aide d’un bouclier mécanisé àconfinement de boue, les principales carac-téristiques de celle-ci doivent être établiesen fonction:

• de la nature des terrains à traverser

• de la présence ou non d’une nappe phréa-tique ainsi que de ses propriétés chimiques,

• des risques identifiés (géologiques, envi-ronnement, …)

Parmi les différents critères de définitiond’une boue, on retiendra principalement :

� Les paramètres rhéologiques, essentiel-lement la limite d’écoulement (YP) et la vis-cosité plastique (VP)

Leur connaissance permet de définir :

• les conditions d’imprégnation des paroisde l'excavation (formation du cake),

• les conditions d’écoulement du fluide et deséparation des solides dans le circuit de mari-nage et la station de traitement.

Des méthodes de calcul de ces paramètressont proposées en Annexe 3.

➁ Les propriétés de filtration

Elles conditionnent la formation du cake. Cedernier doit être suffisamment imperméableet déformable pour garantir l'établissementd'un gradient de pression dans l’épaisseur

du " cake ". Il permet parfois de limiter l’hy-dratation des horizons géologiques conte-nant des argiles ou des évaporites.

� La densité

La densité d’une boue de forage dépend desproduits constitutifs du fluide. Elle est lerésultat de la contamination physique de laboue par apport des fines du terrain recy-clées dans le circuit de marinage et des opé-rations de régénération par apport de boueneuve et d'additifs.

Elle interfère sur la viscosité et donc sur lespertes de charges dans le circuit de mari-nage.

La perméabilité ainsi que l’épaisseur du cakeaugmente avec l’accroissement de la den-sité. Ces résultats sont donc néfastes respec-tivement pour l’étanchéité de l’excavation etla tenue des membranes.➃ Les autres caractéristiques :

D’autres caractéristiques (pH, type et dosageen polymère ou sels solubles,...) sont àrechercher pour un meilleur contrôle de laboue, et pour répondre à des exigencesd’environnement :

• interaction sol-boue lors de l’excavation(sites pollués et zones traitées)

• recyclage dans le circuit des déblais,

• évacuation des rejets liquides.

A titre indicatif, et pour donner des ordres degrandeur, un tableau de paramètrage descaractéristiques en fonction de la perméabi-lité des sols est donné en Annexe 4.

6.2 - ORIENTATIONS DESOLUTIONS DE BOUE DEFORAGE

Le nombre de paramètres à prendre encompte pour le choix d'une solution boueest tel qu'on ne peut, dans le cadre de cetterecommandation, définir une démarche pré-établie et exhaustive. Une difficulté s’ajouteaussi dans le cas de front mixte (pour ce quiconcerne la géologie).

A titre indicatif et d'exercice, une classifica-tion élémentaire de sols sur base de leur per-méabilité et des orientations de solutionscorrespondantes sont présentées ci-après :

� Sols à forte perméabilité à structure gra-nulaire ou fissurée.

Solution : boue bentonitique à rhéologieadaptée à la forte porosité ; en particulierlimite d'écoulement, gels 0/10, filtrat.

➁ Sols semi-perméables silteux à sableux.

Solution : boue bentonitique pure ouadjuvant à faible filtrat et rhéologie adap-tée (cf. ci-avant).

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� Sols imperméables sans réactivité ni sen-sibilité particulière à l'eau.

Solution : eau, ou boue bentonitiqueou/et polymère seul.

➃ Sols imperméables et réactifs.

La mise au point de la solution requiert :

• de connaître précisément la minéralogie

• d'analyser les interactions physiques et chi-miques des minéraux associés et desmatières organiques

Celle-ci permettra rapidement de définir lemeilleur système pour inhiber l’hydratationde l’argile, et donc limiter les problèmes liésau gonflement, à la dispersion ou au collage.

On peut distinguer les cas suivants :

• Sols à haut pouvoir de dispersion (parexemple en présence d'illites ou kaolinites …) : matériaux se dispersant rapidement et engrande quantité dans la boue.Solution : boue bentonitique et/ou de poly-mère (PHPA , CMC, fluidifiant acrylique ouphosphates..)

• Sols gonflants ou fluents (par exemple :smectite, argiles fibreuses …) :matériaux très sensibles à l’hydratation par laboue ou de consistance plastique.Solution : boue polymère inhibée type KCl,Ca++, …

• Sols surconsolidés (par exemple : shale,argilite, …) :matériaux dont la structure souvent feuille-tée crée un ensemble fragileSolution : boue bentonitique à faible filtrat etparamètres rhéologiques adaptés.

• Sols contenant des évaporites (parexemple : gypse ou anhydrite, divers sels)Solution : eau, boue bentonitique et/ou depolymères traités au carbonate de sodium ;dans certains cas une boue au sel de Ca++ estpossible.

7 – CONSTITUANTS DE LABOUE DE FORAGE

7.1 – COMPOSITION

Le fluide de forage est composé d’élémentsissus de quatre catégories distinctes :

� L'eau de fabrication :

• La qualité et la température de l'eau defabrication influent de manière significativesur les propriétés des constituants.

➁ Les argiles actives (principalement) detype bentonite.

� Les additifs organiques et chimiques :

• Les additifs organiques sont classés en

deux catégories :- les polymères hydrosolubles (cf. Annexe 2)- les produits organiques spécifiques (anti-mousses, antifrictions,...).

• Les additifs chimiques :Divers additifs chimiques : KCl, soude, carbo-nate de sodium, polyphosphate de sodium,etc., permettent de modifier les propriétésinitiales des colloïdes argileux par échangeionique.

➃ Les solides du terrain et l’eau de lanappe aquifère.

Les argiles actives et les additifs sont choisisen fonction de l’effet recherché :

• Viscosifiants et réducteurs de filtrat : bento-nites, polymères cellulosiques, polymèresacrylates / acrylamides.

• Dispersants et fluidifiants : polymères acry-lates de sodium à faible poids moléculaire,phosphates.

• Stabilisants des argiles : polymères cellulo-siques et polymères acrylates / acrylamides àhaut poids moléculaire, sels.

• Correcteur de pH : bicarbonate et carbo-nate de soude

Il est à noter que la préparation de la boue(ordre de mélange, puissance de mixage, …)influe sur la performance des composantsdans le mélange final. Il faut aussi prendre encompte leurs éventuels effets indésirables:par exemple moussage ou microbullage detensioactifs détergents.

Les fluides de forage sont des produits com-plexes, présentant un ensemble de proprié-tés communes et très sensibles à des fac-teurs extérieurs. Leur étude nécessite desessais de formulation, car leurs propriétéssont en général peu “récurrentes” et dépen-dantes des conditions géologiques et hydro-géologiques.

Un programme d’études spécifique préa-lable des boues de forage est recommandédans la plupart des cas. Ce programme seravalidé et éventuellement corrigé en cours detravaux dans le cadre de la gestion techniquede la boue ; une démarche est proposée àcet effet dans le chapitre 9.

7.2 – CHOIX DES CONSTITUANTS

Les boues de forage sont essentiellementdes suspensions colloïdales renfermant deuxtypes de colloïdes :

• Les colloïdes minéraux ( principalement desargiles ).

• Les colloïdes organiques ( principalementdes polymères ).

On trouve de par le monde des centainesde noms commerciaux portant le qualificatifde bentonites ou de polymères, d’où unesource de confusion importante car, bienque présentant souvent quelques analo-gies, ils aient bien souvent des propriétésphysico-chimiques, rhéologiques et de fil-tration très différentes.

Le choix de polymères et des bentonites àutiliser dépendra de considérations écono-miques, des performances propres àchaque produit et du contexte dans lequel ilsera utilisé et des fonctions demandées sui-vantes :

• Niveau de viscosité.

• Sensibilité aux sels, au pH, à la dégrada-tion bactérienne ou enzymatique.

• Capacité à stabiliser les argiles.

• Réduction de filtrat.

• Temps d’utilisation.

• Facilité de mise en œuvre.

• …

En plus des méthodologies de contrôlepropres à chaque entreprise, il existe uneméthode standardisée pour tester l’effica-cité de certains additifs dans divers types deboues : "Recommended practice standardprocedure for laboratory testing drillingfluids API RP 13I".

Il faut garder en mémoire que l’addition debentonite ou de polymère à une boue deforage a souvent un double effet :

• Un effet principal : augmentation de laviscosité, réduction de filtrat…

• Un ou des effets secondaires : inhibitiondu gonflement ou de la dispersion desargiles, augmentation de la viscosité..

8 – TRAITEMENT DESBOUES EXCEDENTAIRES (voir annexe 6)Pour être complète la sélection d’un sys-tème boue doit prendre en compte la bouedans toute sa durée de vie, depuis sa fabri-cation, son entretien en fonction des conta-minations physiques ou chimiques atten-dues, jusqu’à son élimination.

Il est parfois possible de valoriser les rejetsde boue : mortiers ou coulis de blocage oud’injection, amendement des sols agricoles,étanchéité de sol…

Plus généralement, leurs évacuations outraitements constituent donc une charged’exploitation importante pour le chantier.De ce fait, il faut donc :

AFTES



• Prendre en compte cet impératif lors de larecherche d’une solution boue.

• Minimiser le volume de rejet.

• Limiter le coût du traitement au justebesoin.

• Prévoir, dès l'étude préliminaire, lesemprises de chantier nécessaires aux installa-tions de traitement

Les boues sont des suspensions colloïdalesstables de particules difficiles à décanternaturellement.

Il faut généralement mettre en œuvre destraitements physico-chimiques pour les clas-sifier et clarifier l’eau extraite.

Divers essais-type sont à réaliser préalable-ment pour optimiser la qualité du traitementavant les essais industriels.

9 - LE PROGRAMME BOUE

9.1 - OBJECTIFS Le programme boue est un document desynthèse qui permet de déterminer les typesde boue et les moyens de les contrôler pourrépondre aux exigences techniques et éco-nomiques du projet.

Il a pour objectif de proposer le systèmerépondant au juste besoin.

De la boue naturelle aux chimies les pluscomplexes, les options sont nombreuses etpermettent en principe une parfaite adapta-tion aux conditions du chantier.

9.2 - ELABORATION

En complément aux chapitres précédents, leprogramme boue comprendra l’étudedétaillée des différents points exposés ciaprès :

9.2.1 - Aspects réglementaires :environnement / hygiène et sécurité

L’utilisation, le stockage et le rejet de déblaiset de la boue sont réglementés par la loi n°92-3 du 3/01/92 sur l’eau et sur les déchets.Celle-ci impose aux acteurs potentiels d’étu-dier soigneusement leurs projets de ce pointde vue dès l’origine. Le programme boueainsi que l’utilisation d’équipement de traite-ment des rejets doivent conduire à limiter levolume des rejets et à optimiser la qualité deceux-ci vis à vis de l’environnement.

9.2.2 - Conditions de site: géomé-trie du projet, géologie, géotech-nique, et emprises au sol

Le programme boue doit tenir compte de lagéométrie du projet, de sa géologie, des

traitements éventuels de terrain et de sonenvironnement. Dans le dossier géologique,il doit être précisé la nature physique, chi-mique et minéralogique des terrains traver-sés en y incluant les points particuliers. Il estaussi utile de faire figurer sur un profil enlong géologique, les traitements des solspréalables en précisant la nature des pro-duits utilisés. Ce profil précise et segmente lasuccession des différentes formations. Cesdonnées identifient la définition séquentielledes fluides retenus en précisant leurs carac-téristiques les mieux adaptées.

Par ailleurs, ce programme doit intégrer lesautres conditions relatives au projet, en parti-culier les emprises au sol susceptibles d'êtremises à disposition pour la station de traite-ment des boues.

9.2.3 - Matériels

Le choix et la définition des matériels(machine et installations de traitement) sontprimordiaux.

• le programme boue traitera l’adéquationentre le matériel, le terrain et les produitsextraits. Il doit tenir compte des fréquentesvenues d’eau parasites modifiant les concen-trations initiales. Il sera adapté pour prendreen compte les interventions hyperbares dansla chambre.

La prise en compte de ces éléments ainsi quedes cadences prévues d’avancement,conduit au dimensionnement de la station depréparation et de traitement de la boue.

9.2.4 - Qualité des constituants(eau, additifs)

Le Cahier des charges établi pour la consul-tation des fournisseurs de bentonite et addi-tifs, définit les moyens d’approvisionnement,les stocks nécessaires et la qualité desconsommables (eau, adjuvants principaux ).

9.2.5 - Estimatif de consommation

En fonction des éléments définis ci-dessus, ilsera possible d'estimer les quantités néces-saires et le prix de revient des différentessolutions envisagées (coût total, au m3 deboue, et au m3 excavé).

Les quantités prévisionnelles de consomma-tion des différents matériaux sont estiméesen tenant compte des volumes suivants :

• Volume des purges du circuit de marinage.

• Volume perdu dans les formations.

• Volume évacué avec les déblais solides.

• Volume des boues excédentaires.

9.3 - CONTROLES DE LAMISE EN ŒUVRE ET SUIVI

Les contrôles visent à établir un système devérification des prescriptions et consignesrequises ; ils concernent :

• Les types et constituants de la boue.

• Les caractéristiques imposées. Cescontrôles sont réalisés au moyen de testsnormalisés et standardisés et/ou d’autressystèmes de mesure (ex. système d’acquisi-tion en temps réel).

• Les traitements des rejets.

9.3.1 - Contrôles & système docu-mentaire

Les contrôles doivent être décrits dans lesprocédures spécifiques du chantier :

• Contrôles d’entrée des produits livrés sur lechantier (quantité et qualité) ; ces contrôlesde réception des produits sont au besoincouplés avec une prise d’échantillons.

• Les contrôles de suivi sont effectués aumoins à chaque anneau, en comparant lesvaleurs à l’entrée du circuit et après dessa-blage pour quantifier au mieux les contami-nations physiques ou chimiques de la boue.

• Les consommations en produits (eau, ben-tonites, adjuvants…) sont suivies quotidien-nement.

Les résultats de ces contrôles sont reportéssur des fiches de chantier types (cf. annexe 8).

Pour formaliser ces données, le systèmedocumentaire comprend donc au minimum :

- un ensemble de procédures.

- un rapport de poste (ou journalier) permet-tant la rédaction d’un document de suivi desparamètres effectifs et des consommations.

- un rapport de synthèse de fin de chantier.

9.3.2 - Personnel

Il faut prendre en compte la qualificationtechnique du personnel et définir les besoinséventuels en formation spécifique à ces tech-niques.

Le personnel et son encadrement doiventavoir suffisamment de connaissances demanière à maîtriser :

• La technique des boues de forage et de sestraitements

• L’impact de ces techniques sur l’environne-ment, l’hygiène et la sécurité (les fabricantsmettent à disposition les fiches techniques etde sécurité ainsi que les précautions d’em-ploi éventuelles).

AFTES



10 - MISE EN ŒUVRE DE LABOUE

10.1 - RECEPTION DES PRODUITS DE BASE

La bentonite est un produit à l’origine natu-rel. Si nécessaire, il convient à réception surle chantier de contrôler ses caractéristiquesrhéologiques.

La qualité de l’eau devra être analysée lorsde la formulation de base.

10.2 - FABRICATION

Usuellement, on fabrique des "boues mères"fortement dosées en bentonite en vue dediminuer les volumes de stockage (60 à 80kg/m3). Cette "boue mère" est alors diluéeavec de l’eau pour atteindre une densitéappropriée juste avant son incorporationdans le circuit de marinage.

Ces dilutions et incorporations doivent êtrefaites avec beaucoup de soin en particulierpour ce qui concerne la maîtrise du dosageet la qualité du mélange. Pour ce faire, la sta-

tion de traitement des boues doit comporterdes équipements spécifiques à cet usage.

L’hydratation de la bentonite est difficile etson rendement est très dépendant de l'éner-gie de malaxage déployée. Elle nécessite lamise en œuvre de malaxeur à haute turbu-lence complétée par un temps de maturationminimum (12 à 24 heures).

L’incorporation d’additif nécessite égale-ment des équipements spécifiques de stoc-kage, manutention, dilution (le cas échéant)et de dosage.

• Activité des argiles : L'activité d'une argileest représentative de sa charge ionique luiconférant un pouvoir de gonflement paradsorption.

• Adsorption : Fixation de molécules d’eausur la surface des particules élémentaires desol (par exemple, feuillet d’argile).

• Bentonite : Cf. annexe 2, chapitre 3.

• Boue : ou fluide de forage, suspension col-loïdale d’argile, additionnée ou non de poly-mères hydrosolubles et de sels pour améliorerses caractéristiques initiales donnant des pro-priétés rhéologiques, de filtration et de stabili-sation éventuelle des matériaux à excaver.

• Cake : En laboratoire : épaisseur d’unecouche de solide, déposé sur un papier filtredurant le test de mesure du filtrat ; l’unité estle mm. Pour l’excavation, voir définitions auxchapitres 3.1. 2 et 3.1.4 .

• Coagulants : Produits qui neutralisent ouinversent les charges de surface des matièresen suspension : chlorure ferrique, chaux, sul-fate d’alumine…

• Contrainte de cisaillement : C’est la forceappliquée par le fluide à une surface et quiprovoque le cisaillement (voir aussi annexe 5,chapitre 3).

• Densité : Rapport de masse d’un certainvolume d’un corps à la masse du mêmevolume d’un corps de référence dans desconditions qui doivent être spécifiés pour lesdeux corps (l’eau à 4°C pour les liquides) ; elles’exprime par un nombre sans dimension.

• Filtre-presse : Un filtre-presse est constituéd’un ensemble de plateaux évidés, mainte-nus entre une plaque mobile et une plaque

fixe par un vérin hydraulique. Les chambresétanches créées ainsi sont recouvertes detoiles de filtration. Le gavage de la boue sefait généralement par le centre des plateaux,et les filtrats sont recueillis dans une goulottelatérale.

• Filtrat : Essai de laboratoire caractérisant lepouvoir de rétention d’eau d’un fluide deforage. Le filtrat s’exprime par la quantité defluide recueilli dans une éprouvette en 30min sous une pression de 7 bars à l’aide d’unappareil appelé filtre-presse ; l’unité est leml. Toutes choses égales par ailleurs, levolume de filtrat est proportionnel à la sur-face de filtration, ainsi qu’à la pression et à laracine carrée du temps.

• Floculants : Produits qui ont des actionsinter-particules par pontage : polymères àhauts poids moléculaires, bentonites…

• Fluide : Voir Annexe 5, chapitre 3.

• Fluide Binghamien : Fluide pour lequel ilest nécessaire d’appliquer une contrainteminimale pour le mettre en mouvement. Le"Yield value" donne la valeur de cettecontrainte.

• Fluide Newtonien : Fluide pour lequel lacontrainte de cisaillement est directementproportionnelle au taux de cisaillement.

• Gradient ou vitesse (ou vitesse de cisaille-ment) : Voir annexe 5, chapitre 3.

• Limite d’écoulement : Voir article 4.1.4.

• pH : Il exprime l’acidité ou la basicité d’unesolution aqueuse. Le pH de l’eau pure est 7.Les produits utilisés en boue de forage ont unrendement optimum pour l’état colloïdal dela boue dans une gamme de pH de 8 à 10.

• Polymères : Voir annexe 2, chapitre 2.

• Rhéogramme : Représentation graphiquedu comportement d’un fluide soumis à uncisaillement. On trace la contrainte decisaillement en fonction du gradient devitesse.

• Rhéologie : Branche de la mécanique quiétudie la déformation des matériaux ou leurécoulement sous l’effet de la contrainte (voirAnnexe 5).

• Rhéomètre FANN : Dispositif normaliséA.P.I permettant d’appliquer un cisaillementà un fluide au moyen d’un cylindre immergétournant à une vitesse contrôlée, et dedéduire la réponse de ce fluide par la mesurede la contrainte appliquée à un cylindreconcentrique libre. Les vitesse de rotationdisponibles sont de 3, 6, 100, 200, 300 et 600tr/mn.

La lecture de la contrainte est en lbs/100ft2.Des méthodes calculatoires simples permet-tent d’utiliser ces données pour déterminerles valeurs des différents paramètres rhéolo-giques (viscosité apparente, viscosité plas-tique, Yield point)

• Rigidité : Voir article 4.1.4.

• Seuil d’écoulement : Voir article 4.1.4.

• Thixotropie : Phénomène réversible decertaines suspensions colloïdales se manifes-tant par une fluidification sous agitation etpar une reprise sous forme de gel au coursd’un repos. La thixotropie peut être estiméepar l’évolution du gel dans le temps. Avec lerhéomètre FANN, les gels sont mesurés parla lecture à 3 tours/min maximum après uneattente de 10s GEL 0 et de 10mn GEL 10 ;l’unité est lbs / 100ft2.

AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 1111 :::: GGGGLLLLOOOOSSSSSSSSAAAAIIIIRRRREEEE

AFTES



• Viscosité apparente ou VA : Rapport de lacontrainte de cisaillement sur le gradient devitesse. L’unité est le pascal seconde (ou lemilli pascal seconde). Avec le rhéomètreFANN, elle se calcule par la lecture à 600tours par minute divisés par 2 ; l’unité est lacentipoise. (1 centipoise = 1 milli pascalseconde)• Viscosité MARSH ou VM : Essai de labora-toire dans lequel on mesure le temps d’écou-lement en secondes que met 946 ml pours’écouler à travers un ajutage de 4,75 mm

(eau =26s). La mesure obtenue dépend duYP, de la VP, de la thixotropie, de la densité.C'est pourquoi cette mesure indicative estpeu représentative des caractéristiquesd'une boue.

• Viscosité plastique ou VP : Voir article4.1.3. Avec le rhéomètre FANN, elle se calculepar la lecture à 600 tours par minute moinsla lecture à 300 tours par minute, l’unité est lacentipoise. (1 centipoise = 1 milli pascalseconde).

• Yield value ou YV : C’est un seuil d’écoule-ment extrapolé (voir article 4.1.4) avec lerhéomètre FANN, elle se calcule par la lec-ture à 300 tours/min moins la valeur de la vis-cosité plastique VP. L’unité est alors deslbs/100ft2. Pour obtenir des Pa, il faut diviserle résultat par 2.

• Yield point ou YP : voir Yield value

AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 2222 ::::

PPPPOOOOLLLLYYYYMMMMEEEERRRREEEESSSS EEEETTTT BBBBEEEENNNNTTTTOOOONNNNIIIITTTTEEEESSSS PPPPOOOOUUUURRRR BBBBOOOOUUUUEEEESSSS DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE

1- GENERALITES Polymère : composé chimique provenant dela polymérisation des molécules d’un mêmecomposé appelé monomère.

Les polymères ont des poids moléculairessouvent élevés et sont formés par la répéti-tion :

➬ d’un même motif :

-A-A-A-A-A

➬ ou plusieurs :

(-A-B-A-B-A-B)n

➬ ou des motifs linéaires, ramifiés, avec desbranches :

B-B

|

(-A-B-A-B-A-A-B-A-B)n

|

A

Le degré de polymérisation (n) rend comptedu nombre de répétition du motif de base.

Le poids moléculaire fonction du degré depolymérisation et le degré de substitutionainsi que sa répartition contrôlent les pro-priétés physiques et chimiques du produit.

Les polymères organiques constituant lagrande majorité des produits disponibles surle marché peuvent être purs ou mélangés,entre eux ou avec des produits inorganiquestels que : argiles, sels, carbonates…

2 - TYPES DE POLYMERESUTILISES EN BOUE DE FORAGENous distinguons 4 familles de polymères

hydrosolubles :

➬ Polymères d’origine bactérienne : gomme,xanthane, scleroglucane

➬ Polymères d’origine naturelle : amidons,guars

➬ Polymères synthétiques : acrylamides,acrylates

➬ Polymères semi-synthétiques : éthers decellulose, amidons et guar modifiés

2.1 - AMIDONS ET DERIVESAMYLACES

Extraits de divers féculents : pomme deterre, maïs, blé, riz…Les amidons sont for-més d’amylose et d’amylopectine.

Les amidons sont hydrolysés à chaud, ce quiaccroît leur solubilité dans l’eau.

Ils sont sensibles à la fermentation et sontpeu utilisés, sinon comme réducteurs de fil-trat en boue.

L’éthérification leur confère un meilleurniveau de viscosité.

2.2 - GOMMES DE GUAR

Extrait de la graine de guar, ils sont souventappelés polymères naturels ou polysaccha-rides et sont utilisés comme viscosifiants.

Leur caractère non ionique leur confère unebonne tolérance aux sels monovalents :NaCl, KCl, … ou divalents : CaCl2…Ils sontcependant sensibles aux attaques bacté-riennes, aux enzymes, à l’oxydation et auxpH élevés.

Leur “tamisabilité” est difficile.

Il est possible de les réticuler pour obtenirune gelée rigide par formation de ponts liantles différentes chaînes de polymères.

2.3 - XANTHANES

Ils proviennent de la fermentation bacté-rienne de résidus sucriers et sont souventappelés biopolymères et sont utilisés commeviscosifiants.

Leur caractère pseudo plastique : (viscositéélevée aux faibles taux de cisaillement et uneviscosité faible aux taux de cisaillement éle-vés) est recherché dans les boues à faibleconcentration en bentonite.

Malgré leur caractère anionique ils possè-dent une bonne résistance aux différentssels.

2.4 - ETHERS DE CELLULOSE

Extrait de la cellulose, nous trouvons selon leprocédé de fabrication des produits anio-niques : CMC, PAC ou des non ioniques :HEC.

Les CMC sont largement utilisées commeviscosifiant et réducteur de filtrat.

Cette annexe a pour objet de présenter les principales familles de polymères utilisées en travaux souterrains.

AFTES



Les CMC sont caractérisées par :

➬ Leur poids moléculaire : Les produitsobtenus donnent des solutions aqueusesd’autant plus visqueuses que le poidsmoléculaire est élevé.

➬ Leur degré de substitution : ou nombrede groupements carboxyl fixés sur lamolécule (DS= 0.7 – 1.2 ). Cette caracté-ristique leur confère solubilité et résis-tance aux sels. Si la substitution est plusrégulière comme dans le cas des PAC,une stabilisation des argiles est accrue enréduisant leur hydratation et donc leurdispersion et gonflement.

➬ Leur degré de pureté : c’est à dire leurteneur en matière active, les autres pro-duits étant des sels, sous produits de laréaction (degré de pureté = 50 à 99%).

Les éthers de cellulose ne sont pas stablesaux dégradations bactériennes ou enzyma-tiques.

2.5 - POLYACRYLAMIDES Les polyacrylamides sont des dérivés del’acrylamide. Toute une série de dérivés a étépréparée à partir de cette structure de basepar copolymérisation :

➬ Soit avec des composés acides commel’acide acrylique pour donner des copoly-mères anioniques : PHPA..

➬ Soit avec des composés du type aminepour donner des copolymères cationiques

Polymères anioniques, non ioniques ou catio-niques à longues chaînes et poids molécu-laires élevés purement synthétiques, stablesà la dégradation bactérienne ou enzyma-tique mais sensibles au fort taux de cisaille-ment. Ils sont utilisés comme viscosifiant, flo-culant associé ou non avec un coagulant,stabilisant des argiles

Le motif de base est répété un très grandnombre de fois et a subi une hydrolyse plusou moins poussée, ce qui mène à une grandevariété de produits avec des caractéristiquesvariées en ce qui concerne :

➬ La viscosité

➬ L’adsorption sur les argiles

➬ La résistance à l’écoulement

➬ La sensibilité aux sels

2.6 - POLYACRYLATES Polymères synthétiques anioniques à faiblepoids moléculaire utilisé comme fluidifiant,dispersant.

Il existe d’autres variétés avec des poidsmoléculaires plus élevés, utilisés commeréducteur de filtrat ou dopant des bento-nites.

3 - BENTONITESLa composition centésimale brute de laMontmorillonite est celle d'un silicate d'alu-mine et de magnésie hydratée, commebeaucoup de silicates naturels, mais ses pro-priétés exceptionnelles sont dues à unestructure moléculaire particulière, caractéri-sée par les éléments ci-après.

3.1 - STRUCTURE DE LABENTONITE

Le feuillet élémentaire de la Montmorilloniteest composé de deux couches tétraédriquesSi++++, appliquées de part et d'autre d'unecouche octaédrique dont le centre estoccupé par un cation tel que Al+++.

L'ensemble de ces trois couches constitue unfeuillet élémentaire d'une épaisseur de 10 Åenviron.

Le plus petit volume présentant toutes lescaractéristiques du cristal est constitué d’unsandwich de deux couches de feuillets élé-mentaires précités.

Pratiquement, on a toujours affaire, soit à desparticules primaires d'une dizaine defeuillets, soit à des micro-agrégats ou à desagrégats de feuillets composés de quelquescentaines de feuillets. Ceux-ci constituent lesparticules les plus fines d'une bentonite biendispersée dans l'eau et les dimensions deces particules sont ultra-microscopiques (0,1à 2 microns).

Au cours des réactions d'altération desroches éruptives (pegmatites, diorites, rhyo-lites, cendres), un certain nombre de migra-tions de cations ont provoqué des substitu-tions de Si par Al, par exemple, dans lescouches tétraédriques et de Al par descations Mg-Fe-Li, etc., dans la couche octa-édrique.

Les substitutions de cations de valencemoindre provoquent des excès de chargenégative dans le feuillet. Cet excès est com-pensé par des cations entre les feuillets(exemple Na+, Ca++) ; ils sont à l'origine de lacapacité d'échange de cations, caractéris-tique essentielle pour les bentonites (CEexprimé en milliéquivalents de cation pour100 g de bentonite calcinée à 1000° C ).

Ces substitutions, en nombre très variable,se faisant toujours d'une façon désordonnéeet selon de très nombreuses combinaisons,on imagine facilement la très grande variétéde bentonites qui en résulte.

Les cations échangeables qui sont fixés surles charges négatives disponibles, sont loca-lisés dans les espaces interfoliaires et sur lescassures des feuillets.

En milieu aqueux, les molécules d'eau sefixent entre les feuillets qui s'écartent et pro-voquent ainsi le gonflement intra-structuralde la bentonite. L'espace interfoliairedevient le siège d'échanges de cations.

Certaines propriétés importantes des bento-nites dépendent étroitement de la nature etdu nombre de ces cations échangés. Ce sont :le gonflement, la viscosité des suspensions,la plasticité, les limites d'Atterberg, ainsi quequelques autres caractéristiques spécifiquesà la fonderie…

Par ailleurs, la nature des cations échan-geables présents dans les bentonites natu-relles, permet de classer ces dernières endeux catégories :

➬ Les bentonites calciques naturelles :

Où les cations échangeables sont constituésgénéralement par des cations Ca++ et Mg++

en diverses proportions.

➬ Les bentonites sodiques naturelles.

Où les cations échangeables sont en majo-rité des cations Na+ (70 - 80%), avec 20 à30% environ de cations Ca++ et Mg++.

3.2 - PROPRIETES DE LABENTONITE

Les propriétés d'une bentonite dépendentde l'ensemble des caractéristiques minéralo-giques évoquées précédemment soit enrésumé :➬ de la nature et de la variété de la

Montmorillonite.➬ de la pureté de la bentonite brute (% de

Montmorillonite).➬ de la taille colloïdale des particules

hydratées (1-2 µm).➬ de la surface spécifique (indiquée en

m2/g).➬ de la capacité d'échange de cations.➬ de la nature des cations échangeables

(alcalin - alcalino-terreux).➬ du comportement au chauffage (jusqu'à

1000°C).➬ de la présence éventuelle d'électrolytes

(action stabilisante ou floculante).

Les propriétés d'une bentonite dépendentégalement de l'état physique dans lequelelle se trouve.

Elle peut être à l'état solide, semi-solide,plastique, semi-liquide ou liquide, selon lesproportions de bentonite et d'eau.

Les propriétés essentielles de la bentonitesont les suivantes :➬ propriétés adsorbantes.➬ propriétés liantes, agglomérantes, adhé-

sives.

AFTES



➬ propriétés rhéologiques (suspensionscolloïdales).

➬ propriétés colmatantes (suspensions col-loïdales).

3.3 - BENTONITE POURTRAVAUX SOUTERRAINS

Selon leur utilisation : forage à grande pro-fondeur ou de surface, fondations spéciales,

coulis bentonite/ciment, tunneliers ou étan-chéité des sols, les producteurs de bentoniteproposent différentes bentonites adaptées àchaque besoin.

Les performances de ces produits dépen-dent de leur origine, du traitement de cesmatières premières en usine : activation (car-bonate de sodium ou autres sels pour lesbentonites calciques), séchage, broyage,

addition éventuelle de dopes minérales ouorganiques (CMC, acrylate/acrylamide…).

Il convient d’effectuer les tests nécessairespour sélectionner les produits répondant lemieux aux caractéristiques demandées dansle programme boue.

A ce sujet, les interactions bentonites/poly-mères , la stabilité dans le temps…devrontêtre soigneusement étudiées.


PPPPRRRRIIIINNNNCCCCIIIIPPPPEEEE DDDD’’’’EEEEVVVVAAAALLLLUUUUAAAATTTTIIIIOOOONNNN DDDDEEEESSSS CCCCAAAARRRRAAAACCCCTTTTEEEERRRRIIIISSSSTTTTIIIIQQQQUUUUEEEESSSS RRRRHHHHEEEEOOOOLLLLOOOOGGGGIIIIQQQQUUUUEEEESSSS DDDDEEEESSSS BBBBOOOOUUUUEEEESSSS DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE

Le principe même du soutènement par pres-sion de boue repose sur la possibilité demobiliser une pression dans un liquide face àun sol, saturé ou non, soumis à un état decontraintes.

Le sol est ainsi un milieu poreux, siège d’unécoulement d’un liquide dont les caractéris-tiques rhéologiques sont représentées par lemodèle de Bingham.

La pénétration de la boue a été étudiéeexpérimentalement par divers constructeurset laboratoires, à l’aide de perméamètresgrand modèle (voir Annexe 7). Les montagesutilisés comprennent un cylindre rempli dusol à étudier dans lequel on fait pénétrer laboue grâce à une différence de chargehydrostatique. On peut ainsi mesurer le gra-dient de pression, la longueur de pénétra-tion, le débit écoulé.

Dans le cas extrême d’un terrain très ouvertavec une boue très fluide, il s’établit un écou-lement sous l’effet de la (sur)pression" hydrodynamique " qui cesse de se produirelorsque la boue arrête de s’infiltrer dans leterrain sous l’effet des pertes de charges oudu seuil d’écoulement caractérisant la boue.

Expérimentalement, on constate que levolume de terrain à traverser peut être insuf-fisant pour bloquer l’infiltration de la boue etque dans ce cas, il s’établit un écoulementpermanent à travers le terrain, caractérisépar un débit.

Ce cas de figure extrême correspond à l’éta-blissement d’un régime hydraulique d’écou-lement dans un sol à partir d’une pressionhydrodynamique. La pression ne peut êtremaintenue qu’en contrepartie d’un débit

généralement élevé peu favorable àmoyen terme à l’effet de soutènementrecherché.

Par contre, dès qu’un " film " (film poly-ane par exemple) empêche cet écoule-ment, c’est la poussée hydrostatique quiest mobilisée. C’est le mécanisme recher-ché dans le soutènement à pression deboue : idéalement la formation d’un film oud’une membrane, plus généralement d’unezone colmatée appelée " cake " pour mobili-ser tout ou partie de la poussée hydrosta-tique potentielle.

Le cake est de type " membrane " ou" imprégnation " (voir chapitre 4.1.2 et 4.1.4)

La stabilité du massif de sol soutenu dépendde la stabilité des grains de sol au parement.Si l’on étudie la stabilité d’un volume infinité-simal d’un sol sans cohésion au bord de lasurface libre, on démontre [1] que le gradientde pression nécessaire pour assurer la stabi-lité peut être calculé par la relation

avec n = porosité du solγs = poids spécifique des grains solidesγb = poids spécifique de la boueϕ = angle de frottement interne du solα = inclinaison de la surface libre / hori-

zontale

Sol saturé par la boue γ - γb = (1 - n ) (γs - γb )

pour α = 90°

La boue, considérée comme agissantcomme un fluide de Bingham parfait,apporte un gradient dit " gradient de stag-nation " à cause de ses propriétés thixotro-piques, en relation avec les caractéristiquesde perméabilité et de porosité du terrain(diamètres des pores). Ce gradient de stag-nation fso a été étudié à la fois théorique-ment et expérimentalement :

1. Théoriquement : l’étude de la mobilisationde l’écoulement d’un fluide de Bingham pos-sédant un seuil de cisaillement τf dans untube circulaire de rayon R démontre que ledébit dans le tube s’annule si le gradienthydraulique δp /L satisfait la relation R = 2τf x[L/δp] soit une relation du type :

fso =

2. Des études expérimentales [2,3] ont mis enévidence une relation entre R et le d10 du ter-rain en place (d10 en mm) :

∆ρtgϕ.dS > (γ - γb ). dv soit

AFTES



fso = a. τf / d10, avec a variant de 0.25 à 2.a = coeff sans dimension

3. Plus récemment, des études théoriques etexpérimentales [4] ont conduit à l’établisse-ment d’une relation du type :

fso =

K étant la perméabilité horizontale du terrainen place (m/s), A un coefficient adimensionnelcompris entre 5 et 10, augmentant en théo-rie avec le degré de dispersion des dia-mètres des pores du terrain, et diminuant

avec le colmatage progressif du terrain par laboue.

La comparaison des 2 gradients, l’un exigépar le terrain et l’autre apporté par la boues’infiltrant dans le terrain, avec le coefficientde sécurité inhérent à l’incertitude sur lesvaleurs des paramètres (F ≥ 2) permet, enfonction des conditions de terrain, de déter-miner les valeurs du seuil de cisaillementnécessaire τf pour la boue.

Lorsque les pores sont de trop grandedimension, la valeur de τf à obtenir peut êtreélevée. En alternative à la démarche qui

consiste à jouer sur les caractéristiques de lasolution de bentonite (augmentation de laconcentration, additivation…) il peut êtreenvisagé de réduire le diamètre des pores,par exemple par adjonction de fines d’argileou de sable.

Les particules ajoutées forment un mélangegranulaire d’une dimension maximale dboueque l’on peut tenter de caractériser par :

d15sol ≤ 5dboue (condition de filtre)

Selon certains auteurs [2], l’expérience montreque des relations du type d15sol ≤ 8dboue ouencore d20sol = 3dboue sont acceptables.

REFERENCES[1] Les boucliers à pression de boue, par J. FERRAND et J. PERA – Annales de l’ITBTP n° 420 (décembre 1983)

[2] Stability of slurry trenches – MULLER–KIRCHENBAUER – 5è Congrès International de Mécanique des Sols Madrid 1972, IV-12.

[3] Nachweis des Sicherheit gegen den Schlitz gefährende gleitflägen im Boden, nach DIN 4126 Vornorm. KILCHER (M) et KARSTEDT (J).

[4] La prévention des fontis dans les travaux au tunnelier : des études en temps réel.

P. ARISTAGHES, F. BERBET, P. MICHELON – T.O.S. n° 128 Mars/Avril 1995.

[5] Imperméabilisation du front de taille par injection de boue bentonitique préalablement à des interventions hyperbares (BPNL) – B. DEMAY, L. NICOLAS – T.O.S. n° 150 – nov./déc. 1998.


TTTTAAAABBBBLLLLEEEEAAAAUUUU IIIINNNNDDDDIIIICCCCAAAATTTTIIIIFFFF DDDDEEEE PPPPAAAARRRRAAAAMMMMEEEETTTTRRRRAAAAGGGGEEEE DDDDEEEE LLLLAAAA BBBBOOOOUUUUEEEE DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE

Le tableau ci-dessous donne des ordres de grandeurs sous forme de fourchette de paramètres de la boue en fonction de la perméabilité pour unterrain homogène. Ces valeurs ne fournissent que des ordres de grandeur pour illustrer la recommandation.

SOLS TYPESParamètres Unité Type 1 Type 2 Type 3 Type 4

K>1*10-4 m/s 10-7<K<10-4 m/s K<1*10-7 m/s K<1*10-7 m/sperméables semi-perméables imperméables neutres imperméables réactifs(alluvions..) (sols sableux..) (craie..) (argile..)

Type 2

VA cp 15 - 40 10 - 20 8 - 20VP cp 5 - 20 5 - 10 5 - 10YP Pa 8 - 5 5 - 10 < 15Gels 0 / 10 Lbs/100ft2 10 - 30 3 - 20 sans objetFiltrat ml 20 - 50 15 - 30 sans objetCake (Test API) mm 2 - 6 1 - 5 1 - 5V Marsh s/946 ml 40 - 120 35 - 50 30 - 50Densité 1.02 - 1.15 1.02 - 1.20 1.02 - 1.60 1.02 - 1.30pH 7 - 10 7 - 10 7 - 10Sable % 1 – 5 1 - 5 1 - 5

(méthodes de test normalisé “ Recommended practice standard procedure for field testing water based drilling fluids API RP 13 B-1 du 01 juin 90)

AFTES



1 - DEFINITION DE LARHEOLOGIELa rhéologie peut être définie comme lascience de l’écoulement et de la déformationde la matière. Elle permet d’étudier les réac-tions de toutes les substances solides ouliquides aux forces déformantes et de lesclasser sous des vocables précis et, dans lescas les moins complexes, d’établir des équa-tions empiriques qui rendent compte desdéformations.

Ainsi elle permet de préciser les propriétésque nous désignons sous des termes vaguestels que : gras, maigre, poisseux, vis-queux…Mais remet en cause des conceptsqui nous semblent familiers tels que solide etliquide : soumis à des contraintes de longuedurée la plupart des " solides " s’écoulent etse déforment. Les vitraux des cathédrales,plus épais en base qu’au sommet, sont unedes preuves les plus spectaculaires du com-portement fluide du verre.

2 - RHEOLOGIE DES FLUIDESDE FORAGE La rhéologie des boues de forage peut êtredéfinie par un certain nombre de grandeurs :viscosité, gels, etc. … dont le contrôle et lamesure ont une grande importance pratiquecar elles conditionnent :

➬ Le dimensionnement des pompes

➬ Le nettoyage de l’excavation et la miseen suspension des déblais

➬ Des vitesses de circulation correctes

3 - DEFINITIONS ET TERMINOLOGIEFluide :Un fluide est un milieu matériel continudéformable, sans forme propre, et qui peuts’écouler et subir de grandes déformationssous l’action de forces qui peuvent être trèsfaibles. Les liquides et les gaz sont tous lesdeux des fluides mais là où un liquide occupeun volume déterminé qui varie peu avec lesconditions extérieures (température, pres-sion…), un gaz occupe toujours le maximumde volume qui s’offre à lui. Par la suite, onassimilera, par abus de langage, tout fluide àun liquide.

Ecoulement laminaire :Un écoulement laminaire correspond à unécoulement hydraulique particulier, caracté-risé par la conservation de la forme des filetsliquides au cours de leur déplacement.Reynolds a défini une grandeur qui porte sonnom et qui détermine le type d’écoulement(laminaire, transitoire ou turbulent) au seind’une conduite.

Viscosité :La viscosité traduit les forces de frottementexistant entre les particules d’un fluide ; elleatteste de " l’imperfection " de sa fluidité.On rappelle que la notion de viscosité n’estconcevable que dans le cas de mise en mou-vement d’un fluide.

Gradient de vitesse (de cisaillement) :Un fluide s’écoulant en régime laminaire estassimilable à un empilement de couches glis-sant les unes sur les autres, animées d’unevitesse propre. Le gradient de vitesse entredeux plans quelconques du fluide est donc le

quotient de la différence de vitesse des deuxplans, par la distance les séparant. Le gra-dient de vitesse, parfois appelé gradient decisaillement (ou encore taux de cisaillement),a pour dimension l’inverse d’un temps. Ils’exprime en s–1.

Contrainte de cisaillement :

La contrainte de cisaillement est la résultantedes forces de frottement internes qui s’op-posent à l’écoulement du liquide. Elledépend du gradient de vitesse du fluide etson évolution en fonction de ce derniercaractérise la réponse de la matière auxforces déformantes permettant donc dedéfinir son comportement rhéologique. Lacontrainte de cisaillement est parfois dési-gnée sous le terme de tension de cisaille-ment ; on la rapporte toujours à une unité desurface de sorte qu’elle est homogène à unepression et s’exprime donc en Pa dans le sys-tème international (S.I).

4 - MODELES RHEOLOGIQUESEn régime laminaire l’écoulement d’unliquide est caractérisé par une relation entreune contrainte de cisaillement et une vitessede déformation. Suivant les types de fluides,cette relation peut prendre plusieurs formesdont les plus usuelles sont :

Le modèle de NEWTON : τ = η x G avec τ : contrainte de cisaillement

G : gradient de vitesseη : viscosité

Le modèle de BINGHAM : τ = YP + VP x Gavec YP : limite d’écoulement

VP : viscosité plastique


RRRRHHHHEEEEOOOOLLLLOOOOGGGGIIIIEEEE DDDDEEEESSSS BBBBOOOOUUUUEEEESSSS DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE

AFTES



Le modèle de OSTWALD : τ = K x G Navec K : indice de consistance

N : indice de comportement rhéolo-gique

Ci-dessous les rhéogrammes représentatifsde ces trois modèles :

Pratiquement ces modèles théoriques trèssimples ne s’appliquent que de façon impar-faite aux fluides de forage qui possèdentgénéralement un comportement de typeplastique ou pseudo-plastique: ils ne peu-vent définir un fluide que sur une plage limi-tée de gradient de vitesse. C’est la raisonpour laquelle d’autres modèles ont été déve-loppés. Ils s’inspirent pour la plupart desmodèles de base vus précédemment.

Le modèle de HERSCHEL-BULKLEY : τ = YP + K x G N

Ce modèle constitue une synthèse des troismodèles précédents car il permet selon lavaleur des paramètres YP, K et N de pouvoirtous les représenter :

• YP = 0 , N = 1 : modèle de NEWTON (K = η)

• YP = 0 , N ≠ 1 : modèle de OSTWALD

• YP > 0 , N = 1 : modèle de BINGHAM (K = VP)

Ce modèle permet une représentation plusfidèle du comportement des boues deforage et permet d’introduire ultérieurementdes notions d’évolution de gel au cours dutemps (YP = f (t)) caractéristique des phéno-mènes de destructuration-restructuration

Le modèle de STEIGER-ORY : G = aτ 3 + cτIl a été développé à partir d’hypothèses desymétrie et de continuité ( courbe passantpar l’origine, symétrie de la représentation).La formule permettant de dessiner le rhéo-gramme représentatif est une fonctionmathématique G = f (t ) dont les termes n’ontpas vraiment de significa-tion physique mais cetteéquation présente l’avan-tage de pouvoir illustrer lecomportement de nom-breux fluides : newtonien,plastique, pseudo-plas-tique.

Nous nous bornerons àciter la formule empiriquedite de STEIGER-ORY età présenter les diffé-rentes variantes en fonc-tion du signe des coeffi-cients a et c.

Si :

a = 0, la courbe est une droite passant parl’origine, le fluide est newtonien de viscositéh = 1/c (1)

a < 0, n’a pas de signification

a > 0, le liquide est pseudo-plastique ouplastique selon le signe de c

c < 0, la courbe possède, en plus de l’origine,deux point d’intersection avec l’ordonnée. Ilexiste une limite d’écoulement, le liquide estplastique et voisin d’un binghamien (2)

c > ou = 0, le liquide est pseudo-plastique (3)c = 0 correspondant à un cas particulier où leliquide peut être considéré comme un plas-tique dont la limite d’écoulement a étédéplacée jusqu’à l’origine.

AFTES

157



PPPPRRRRIIIINNNNCCCCIIIIPPPPEEEE DDDDEEEE FFFFOOOONNNNCCCCTTTTIIIIOOOONNNNNNNNEEEEMMMMEEEENNNNTTTT DDDD’’’’UUUUNNNNEEEE SSSSTTTTAAAATTTTIIIIOOOONNNN

DDDDEEEE TTTTRRRRAAAAIIIITTTTEEEEMMMMEEEENNNNTTTT DDDDEEEESSSS BBBBOOOOUUUUEEEESSSS DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE

6.1 - SEPARATION DESDEBLAIS SOLIDES DE LABOUE : (en temps réel)

6.1.1 - Scalpage : Séparation des groséléments > 6 mm environ : graviers etcailloux mais également boules etcopeaux de terrain non dilués.

a) Scalpage par crible vibrant : Pour terrainssableux et caillouteux peu collants

b) Scalpage par trommel rotatif :Particulièrement adapté aux terrains argileuxcollants et colmatants

6.1.2 - Dessablage : Séparation dusable de la boue

Réalisé par 1, 2 ou 3 étages en série d’hydro-cyclones avec la possibilité d’utiliser des cen-trifugeuses pour affiner la séparation des silts.

6.1.3 - Essorage :

• Les essoreurs vibrants sont équipés degrilles à fissures présentant une légèrecontre-pente. Ils sont utilisés pour essorer lessous-verses des cyclones. Les sables et lessilts en sortie d’essoreur ont des humiditésrésiduelles comprises entre 10 et 20% selonles caractéristiques de la boue de marinage.

• A la différence du crible, Il existe un phé-nomène d’ " autodésaturation " au niveaud’un essoreur : avec une charge circulanteétablie, il se crée une sous-couche filtrantede matériaux.

➬ Du fait de la diversité des terrains rencon-trés et des importantes plages de viscositéde la boue de marinage, un ensemble dedessablage avec 2 étages de séparation +essorage est généralement adapté pour lamajorité des creusements, le deuxièmeétage permettant d’affiner la coupure relati-vement grossière effectuée par le 1° étage.

6.2 - SEPARATION DE LAFRACTION BOUE EXCEDEN-TAIRE DE LA BOUE RECYCLEE :(en temps réel)Les boues, après dessablage et dessiltage,sont en grande partie recyclées après correc-tion par de la boue neuve afin de maintenirles qualités rhéologiques souhaitées. La frac-tion excédentaire est évacuée pour maintenirl’équilibre volumique et massique (densité etniveaux).

6.3 - TRAITEMENT DE LABOUE EXCEDENTAIRE : (entemps partiellement mas-qué)Intimement lié à la consistance des déblaisrequise (liquide, pâteux ou solide) et à lanature des eaux de rejet et d’exhaure (PH, MES, Hydrocarbures…)

Le cyclonage est un procédé de séparation liquide/solide basé sur le principe de la force centrifuge. La boue estinjectée tangentiellement dans la partie cylindrique du cyclone. Le mouvement de vortex ainsi créé conduit les par-ticules lourdes et donc grossières à être plaquées sur les parois du cyclone et à descendre le long du cône avec leflux inférieur, alors que les particules les plus fines qui sont moins soumises à la force centrifuge sont emportées parle flux supérieur. La finesse de séparation augmente si la vitesse d’alimentation augmente, et un hydrocyclone depetit diamètre donne également une finesse plus élevée.

La maille de coupure, ou d50, est la dimension de la particule qui a autant de chances de se retrouver dans la sur-verse (overflow) que dans la sous-verse (underflow). Elle correspond à la classe granulométrique exactement parta-gée en deux par l’appareil. On peut utiliser la formule empirique de Yoshioka et Hotta pour calculer le d50 intégrantla viscosité :

0,2 x 106.Dc0,1 x D0

0,8 x Di0,6 x √η

d50 (µm) =√Q x √(ρs - ρp)

d50 : maille de coupure en µmDc : diamètre du cyclone en mD0 : diamètre de l’overflow en m

2 x d50

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002

Di : diamètre équivalent de l’entrée du cyclone en mη : viscosité apparente de la boue

≈ 1 + 2,5 x ((ρp –1) / (ρs –1) ) en mPa.s

ρp : densité pulpe en kg/ m3

ρs : densité réelledes solides en kg/ m3

Q : Débit d’alimentation en m3/s

On trace une courbe de partage en portant en abscisse la dimension des grains et en ordonnées le pourcentage massique de la tranche granu-lométrique passant dans la sous-verse. Une courbe est généralement linéaire entre les points d25 et d75 ce qui permet de caractériser la cou-pure par le coefficient d’imperfection I :

d75 – d25I = ;

plus I est faible, meilleure est la coupure (ª 0,3-0,4 pour les cyclones)

Fonctionnement d’un hydrocyclone : (source : Mines et Carrières / L’épuration physico-chimique des eaux)

AFTES



6.3.1 - Epaississement par floculation-décantation sous forme de boue pâteuse :

• La floculation nécessite des concentrationsd’effluents de l’ordre de 20 à 30 g/l dematière sèche ce qui implique généralementun important recyclage d’eau pour la dilutionavant traitement.

• Les particules d’argile sont formées d’unempilement de feuillets élémentaires desurface spécifique variable (≈ 20 m2/g pourla kaolinite / ≈ 100-150 m2/g pour la bento-nite de chantier) : cette structure explique lefort pouvoir de gonflement de la bentonite.On distingue une couche d’eau adsorbée à lasurface de la particule (double coucheionique) chargée électriquement de cations (+)facilement échangeables. Ce potentiel estcroissant avec la surface spécifique des parti-cules. La présence plus ou moins importantede bentonite implique généralement unephase de coagulation par adsorption decations diminuant le potentiel de la double-couche ionique suivi d’une adjonction d’unfloculant (généralement polymère synthé-tique type polyacrylamide) afin de formerdes ponts interparticulaires. (consommationde coagulant ≈ 100 - 200 ml/T de matièresèche - consommation de floculant ≈ 100 -200 g/T de matière sèche)

6.3.2 - Traitement complémentairepar pressage pour obtenir desdéblais solides manutentionnablesen vrac :

La filtrabilité des boues bentonitiques estgénéralement mauvaise (r0,5 = 1014 à 1015 m.kg–1)

• L’emploi de filtre à bande nécessite unesurfloculation des boues en amont et n’estpossible que dans le cas de boues ayant unefaible résistance spécifique (r0,5 < 1011 m.kg–1)et compressible (s>1) car les pressions de fil-tration utilisables sont relativement faibles(de 0,3 à 1 bar).

• Un filtre-presse permet dans la plupart descas d’obtenir des galettes dures de naturesolide pour des boues de forte résistancespécifique (r0,5 = 1015 m.kg–1) avec des pres-sions de filtration utilisables de 0 à 20 bars.Un traitement préalable par addition dechaux ou autre produit d’aide à la filtrationest généralement nécessaire afin de per-mettre la déshydratation d’une boue derésistance spécifique r0,5 / 1012 m.kg–1.

6.3.3 - Indices de filtrabilité desboues : (d’après le Mémento tech-nique de l’eau Degrémont)

6.3.3.1 Résistance spécifique à la filtra-tion

• Utiliser une cellule de filtration type filtre-presse Baroïd à air comprimé avec filtre enpapier.

• Verser 100 à 150 ml de boue dans la cellule

• Laisser s’écouler le filtrat et noter levolume V0

Appliquer la pression désirée (de 0,5 à 16bars) et noter le volume de filtrats toutes les10, 15, 20, 30 ou 60 secondes selon la vitessed’écoulement du filtrat.

• Les volumes des filtrats V0, V1, V2… corres-pondent au temps T0, T1, T2…

• Porter sur un graphique les points ayantpour abscisse Vx et pour ordonnées Tx / ( Vx

– V0) et mesurer la pente A de la partielinéaire de la courbe

r = résistance spécifique en m.kg-1

r = ( 2 A P S2 ) / ( η C )

Où P : pression de filtration en Pa

A : Pente de la droite obtenue dans l’es-sai de filtrabilité en s.m-6

S : surface de filtration en m2

η : viscosité dynamique du filtrat en Pa.s(voisin de 1,1 x 10-3 Pa.s à 20°C)

C : résidu sec à 105°C divisé par levolume des boues en kg.m-3

➬ Le comparatif entre les différentes bouesse fait généralement à partir de r0,5 (0,5bar de pression) :

➬ Si r0,5 = 1014 à 1015 m.kg-1 : boues très diffi-cilement pressables nécessitant un adju-vant type chaux pour aider à la filtration

➬ Si r0,5 = 1x1011 à 5x1011 m.kg-1 : boues faci-lement pressables ne nécessitant pasd’adjuvant de filtration

6.3.3.2 - Facteur de compressibilité

• Mesurer la résistance spécifique r à la filtra-tion sous plusieurs pressions P

• Tracer la courbe log r = f (log P)

La valeur de s est définie par la pente de ladroite = (log r1 – log r) / (log P1 – log P)➬ Si s < 1 : le débit de filtration augmenteavec P croissant => la boue est peu compres-sible et l’utilisation de fortes pressions (15-16bars) est préconisée

➬ Si s > 1 : le débit de filtration diminue avecP croissant => la boue est compressible etune montée en pression progressive pourfaciliter le drainage est préconisée.

Référence Aspect rejet Densité des rejets Détails

Evacuation sans traitement Liquide 1,15 – 1,25 L’évacuation se fait à la densité optimale en fonction des conditions de séparations

Epaississement par floculation-décantation Pâteux 1,20 – 1,40 Nécessite l’emploi d’un coagulant et d’un floculant

Epaississement par centrifugation Pâteux 1,25 – 1,45 Nécessite l’emploi d’un floculant

Traitement des boues au ciment avec lagunage Solide 1,30 – 1,50 Ajout de 20 à 40 % de ciment par rapport à la matière sèche + temps d’attente de 12 à 24 heures

Traitement par filtre à bande Solide 1,60 – 1,75 Ajout à la boue de floculant

Traitement par filtre-presse Solide 1,70 – 2,00 Ajout à la boue de 0 à 10 % de chaux éteinte par rapport à la matière sèche

AFTESRecommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue



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AFTES




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A titre d'exemple des cadres-types de suivi de la boue de forage sont donnés ci-après :

➬ Rapport de suivi journalier ➬ Rapport d’essais de contrôle

AFTES



AFTES Notes :

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GT4R4F1 boue de forage tunnelier pression de boue

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