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Lyon le 21 novembre 2011

MASTERE TUNNELS et

OUVRAGES SOUTERRAINS -techniques de construction

Les forages dirigés

Jean-Pierre BRAZZINI

Ingénieur-chercheurGDF-SUEZ

Vice-président de France Sans Tranchée

Technologies1

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1- Introduction

2- Domaine d’utilisation

3- Les différentes phases d’un forage dirigé

le forage pilotel’alésagele tirage de la canalisation

4- Préparation d’un chantier

paramètres affectant le chantierles reconnaissancesplan de foragechoix des machines et équipements

5- Conduite du chantier

guidagefluide de forage (choix, mise en œuvre, recyclage, traitement)alésagerecollement

6- Sécurité

7- Aspects sociaux-économiques

8- conclusion

Force de traction: 11 T

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1- Introduction

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2- Domaine d’utilisation

Les types de canalisation:

domaine PE PVC Fonte Acier

Eau X X X X

Assainissement X X X X

Gaz X X

Électricité X

Télécommunication X X

Drains de dépollution X

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Les longueurs usuelles:

Les diamètres:

matériau Diamètre mini

Diamètre nominal max

PE (eau et assainissement)

63 mm 630 mm

PE (autres) 63 mm 400 mm

PVC 40 mm 400 mm

Fonte 100 mm 300 mm

Acier 80 mm 1200 mm

Matériaux thermoplastiques (PE, PVC): 300-400 mFonte: 200-300 mAcier: jusqu’à 4000 m

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Les types de terrain: (tableau indicatif Source FOREXI)

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3- les différentes phases d’un forage dirigé

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Phase 1 : le forage pilote

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PHASES 2 et 3: Alésage et tirage de la canalisation

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4- préparation du chantier

4.1 Les paramètres affectant le chantier

Les paramètres liés au terrain

Les paramètres liés à la canalisation

Les paramètres de tir

Les paramètres techniques

Les paramètres liés à l’environnement

Les paramètres divers

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Paramètres liés au terrain:

nature du terrain

Type de terrain

classification Impact sur le projet

Classe A Sols fins: limons, argiles Collage, bourage

Classe B Sols sableux et graveleux: avec fines: sables à graves argileux

Abrasivité, déviation, éventuellement effondrement suivi de coincement

Classe C Sols comportant des fines et des gros éléments: argiles ou craie à silex, meulière, éboulis, moraines

Abrasivité, déviation (et éventuellement effondrement), suivi de coincement

Classe D Sols insensibles à l’eau: sables à graves propres

Pertes de boue (partielle ou totale), instabilité des matériaux pulvérulents

Classe R Roches: carbonatées, argileuses, siliceuses, salines, magmatiques et métamorphiques

Usure des outils et du train de tige, impossibilité de diriger le forage aux interfaces sols/roches, problème des zones fracturées (perte de boue, instabilité locale), possible contamination par les sels

Matériaux particuliers

Sols organiques, sous-produits industriels

Perte de boue, contamination par les matières organiques

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Présence d’une nappe phréatique etcomposition chimique de l’eau

présence d’obstacles

pollution du sol

peuvent affecter les caractéristiquesdu fluide de forage, ses propriétés rhéologiques ou de filtration

nappe phréatique et perméabilité des sols

Cavités ou structures enterrées (fondations, vestiges archéologiques, …)

Méthodes spécifiques : remblaiement, injection, …

Adaptation trajectoire

présence de pollution Traitements spécifiques et difficultés de mise en décharge des fluides de forage

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Paramètres liés à la nature de la canalisation (matériau, fluide transporté):

Matériau frottements , nombre d’alésagerayon de courbure

Gaz protéger le revêtement

Gravitaire respect de la pente

longueur du tir, terrain traversé

les caractéristiques du fluide de forage(nature, qualité, densité, mise en œuvre),

puissance de la foreuse, diamètre et nbr d’alésage

facilitent tir pilote, alésageou tirage de la canalisation

Paramètres techniques:

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longueur du tir,rayon de courbure,régularité du profil,

Paramètres liés à l’environnement:

Paramètres divers:délais

Paramètres du tir:

Puissance de la machine

encombrement du site:

- Faible recul possible

- Espace réduit

conditions climatiques:

- Température < 0°C

rayon de courbure entrée/sortie

difficultés de mise en œuvre des tuyaux

Limite emploi d’eauDoc

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4.2 Les reconnaissancesObjectifs:- Optimiser la géométrie du projet: tracé, implantation des puits- Choix de la foreuse, dimensionnement des tiges-Identifier les aléas possibles:

dureté du terrain usure des outilssols argileux frottementsSols perméables limite efficacité du fluideFractures pertes de fluideobstacles pouvant remettre en cause le projet

- esquisser méthode d’exécution et estimation des coûts et délais de réalisation

Les phases des reconnaissances:- Enquête documentaire,- Reconnaissance géophysique,- Sondages et essais géotechniques,- Synthèse et préparation du dossier géotechnique à joindre au DCE

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Données à recueillir :La configuration géologique du site (donnée fondamentale)

sous forme d’une coupe géologique longitudinale et comprenant: les hétérogénéité mécaniques (remblais, moraines, éboulis, silex noyés, …), les argiles plastiques, les terrains à granulométrie grossière, les sols mous (délicats pour le guidage), les interfaces entre couches, les cavités naturelles

Les conditions hydrogéologiquesavec le niveau probable et maximal de la nappe phréatiqueet si possible la composition chimique de l’eau etla vitesse d’écoulement horizontal si elle peut perturber le forage

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Paramètres obligatoires Paramètres complémentaires

Caractéristiques physiques

Granulométrie,Plasticité, valeur au bleu,

Poids volumique, teneur en eau

Minéralogie,Aptitude au collage, Ph

Caractéristiques mécaniques

Résistance, déformabilité,Abrasivité et dureté

Paramètre de fluage et de gonflementDilatance

Caractéristiqueshydrogéologiques

Niveau moyen et maximal de la nappe

PerméabilitéVitesse d’écoulement

Les caractéristiques géotechniques des terrains

Les cavités et obstacles artificiels:produits de démolition, anciennes fondations, vieux puits, caves, carrières, conduites actives ou abandonnées

Les paramètres d’environnement:état initial de pollution du terrain,identification des lieux possibles de dépôt des produits de marinage,implantation possible des puits d’accès ,état du bâti proche et des ouvrages souterrains voisins

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Méthodologies et moyens de reconnaissance

Enquête documentaire:données de sondages antérieurs, cartes géologiques dossiers d’ouvrages antérieurs

Objectifs:éviter des reconnaissances nouvelles, connaître la présence de réseaux ou obstacles souterrains,connaître le niveau historique de la nappe phréatiqueVisites du siteFouilles, déblais, affleurements dans l’environnement

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Reconnaissances géophysiques:

méthode Domaines d’application limitations

Radar géologique

Réflexion d’ondes électromagnétiques

Détection d’interfaces et obstacles diversRapide, peu gênante

Mise en œuvre, interprétation délicateAveugle en terrain argileux et sous nappeProf max: 5-10 mRésolution: 20mm à 2m

RMT (radio-magnétotellurique)Mesures de résistivité par perturbations du champ électro-magnétique d’un émetteur radio

Identification géologique des terrains et des obstacles enterrésProfil continu, rapide, bon marché

Prof mal contrôléePerturbée par réseaux métalliquesPeu adapté pour sites urbains

Méthodes électromagnétiquesCréation d’un courant de Foucault, Mesure du champ induit

Détection et localisation de réseaux métalliques Identification géologique du terrainMise en œuvre facile, efficace

Pénétration < 10 mProfils discontinusParasitage en site urbain

Méthode électriqueMesures de résistivité par injection d‘u n courant continu

Identification géologique des terrains Maîtrise profondeur et bonne résolution

Profils discontinusDélicat en milieu urbain

Méthode électrique en site aquatiqueMesures de résistivité par injection d‘u n courant continu, mesure P par électrodes au fond de l’eau

Identification géologique des terrains Maîtrise profondeur et bonne résolutionFaible coût, adapté à tous terrains

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Autres méthodes géophysiques:Quadripôle électrostatiqueSismique réfraction, Sismique réflexion,Sismique ondes de surface,Micro-gravimétrie Sondages et essais géotechniques in-situ:

-Définir précisément la coupe géologique du tracé

- mesurer niveau de la nappe et perméabilité

- prélever des échantillons pour essais en labo

Contenu du dossier géologique-géotechnique d’un projetpermet de préciser :- la situation de l’ouvrage à réaliser- un plan avec indication du départ et arrivée, des points de passage obligés,ou contraintes,- description du terrain de surface et du sous-sol- hétérogénéités du terrain et stratigraphie, cavités, failles, …- niveau nappe, composition chimique,- dureté du sol, cohésion, résistance à la compression- pour l’argile: si elle est collante ou gonflante, sa teneur en eau, plasticité

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4.3 Le plan de forage:

coupe longitudinale

Avec les indications de:

- nappe phréatique, topographie, les cours d’eau,

- angle d’entrée et sortie du forage, axe du forage,

- rayons de courbure verticaux, couverture dans zones critiques,

- obstacles connus, données sur les couches de terrain

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vue en plan avec:

- topographie de 5 à 20 m de part et d’autre du tir,- axe du forage et points d’entrée et sortie, - les rayons de courbure horizontaux, les obstacles connus,- l’emplacement de la machine et des principaux espaces de travail

plan d’installation de chantier:

- position de la machine, son ancrage- position des bassins de rétention des fluides de forage,- position des unités de recyclage,- position des stockages

Planification des travaux:Indispensable pour ne pas perdre un avantage du sans tranchée: la rapiditéChaque étape doit être organisée:

- installation du chantier,- forage pilote,- alésage,- préparation de la canalisation,- tirage,- repli du chantier,- remise en état

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angles d’entrée, sortie:- dépend du diamètre de la canalisation, en général de 10 à30 % (6-15 degrés)- peut-être augmenté pour les conduite en PE

rayon de courburele rayon de courbure minimal sera:

Petits forage ou tubes PE

Gros forage ou tubes acier

celui des tiges de forage

celui de la canalisation

Tiges de forage = 25 à 250 m selon constructeurs et type de tiges

Canalisations dépend du module d’élasticité et du diamètre du tube: Rmin =E*Da---------------

2*aut

avec R comb =

(Rh2 * Rv

2)------------(Rh

2 + Rv2)

E= module élasticité

Da= diamètre extérieuraut= contrainte de flexion autorisée

R comb = rayon combinéRh = rayon horizontal Rv = rayon vertical

Couverturerecommandée: 10 à 15 * diamètrejamais < 8 * diamètre

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notes de calcul

Pour la phase travaux: l’entreprisePour la phase exploitation: maîtrise d’œuvre

Phase travaux:Les canalisations résisteront-elles aux sollicitations et contraintes lors du tirage?L’équipement technique fournira-t-il les forces suffisantes?

- force de traction sur la tête de tirage; - frottement entre canalisation et paroi du trou;- frottement sur la rampe de lancement;- poids de la canalisation et flottaison;- forces de traction au niveau de la machine;- forces au niveau des appuis;- contraintes sur les tubes (traction, flexion);

Phase d’exploitation:Les contraintes de traction seront remplacées par descontraintes de pression intérieures

- Calcul des déformations géométriques en prenant en compte module élasticité long terme;

- Calcul durée de vie en fonction de l’environnement (sol corrosif ?, …)

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4.4 Choix des machines et équipementsEn forage dirigé changer de machine ou d’outil de coupe est quasi impossible,Tout blocage lors du forage est synonyme de perte de l’outil et du train de tiges

Choix des machines selon leurs puissances

Types de foreuses Force de traction (kN) Masse (T)

Mini ≤ 150 < 10

Midi > de 150 à ≤ 400 10 – 25

Maxi > de 400 à ≤ 2500 25 –60

Méga > 2500 > 60

Limites de capacité d’une machine dépend aussi de:- capacité hydraulique des pompes;- du tracé du forage (rayon de courbure, …);- des caractéristiques de la canalisation

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Choix des tiges de forage

C’est l’équipement qui subit le plus de contraintes. Il:- pousse la tête de forage,- fait tourner la tête et ses outils,- dirige le forage en courbe,- transporte le fluide de forage,- tire les aléseurs,- tire la canalisation.

Choix des outils de forage

Terrains meubles Tête de forage avec bec d’usure

Terrains durs Tête avec pics au carbure de tungstène

rochers Moteurs à boue avce trépan

Roches très dures Marteau « fond de trou

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5- conduite du chantier5.1 Le guidage

Le forage dirigé implique de:

- localiser en permanence la position de la tête de forage pour respecter la trajectoire: fonction de repérage;

- connaître l’inclinaison et l’orientation de la tête de forage pour la guider et modifier sa trajectoire: fonction de guidage

2 types de systèmes de détection:

- avec récepteur en surface,

- à câbleRécepteur

en surface

Sonde

émettrice

Report d ’informations

sur la foreuse

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5.2 Les fluides de forage:

GénéralitésRôle primordial:

- facilite le creusement,- maintien les déblais en suspension et les évacue- garantie la stabilité du forage, consolide les parois,- lubrifie le train de tige, la canalisation tirée,- refroidie la tête de forage et les outils

Paramètres caractéristiques:- densité (1 à 1.2),- viscosité (sols sableux: 50s; sols argileux: 32 à40s *) ,- seuil d’écoulement, thixotropie,- teneur en sable (<5%),- le pH (8 à 10),- conductivité et dureté

* Mesure au cône de Marsch

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Critères de sélection

La sélection se fait en répondant aux questions:- la boue sera-t-elle recyclée?- qu’elles sont les fonctions prioritaires (stabilité, marinage, lubrification, …)?- quel degré de complexité de mise en œuvre et contrôles possibles sur

le chantier?En pratique: Selon la qualité des informations disponibles sur la nature des sols Le matériel et la compétence propre de l’entreprise

Principaux produits utilisés- bentonites: argiles famille des smectites

associées à des additifs- polymères hydrosolubles augmentent la viscosité et répondent aux problèmes spécifiques (argiles collantes ou gonflantes,contaminations physiques ou chimiques, abrasivité, …)

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recyclage et traitement

Pour les chantiers nécessitant un fort volume de boue:

dessablage par tamis et cyclones et aussi centrifugeuse pour les éléments plus fins

Mais il ya toujours besoin de régénérer le fluide par ajout de boue neuve

ou d’adjuvants en fonction des problèmes rencontrés

La mise en œuvre sur chantier nécessite du matériel de fabrication , stockage, injection et traitement: mélangeurs, pompes, bacs à boue, cribles, hydro-cyclones, centrifugeuses, éventuellement traitement physicochimique des rejetsD

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traitement et évacuation

Après utilisation le fluide de forage doit être considéré comme un déchet et traité comme tel. En aucun cas laissé sur place.Le principal traitement à effectué avant mise en décharge est la déshydratation.Un minimum d’analyse est recommandé. Ainsi que la constitution d’un dossier pour la traçabilité

Dans tous les cas c’est le maître d’ouvrage qui est responsable des déchets et cette question doit être prévue en amont: traitement, collecte, transport, choix des décharges

- Prohiber tout rejet dans réseau d’assainissement - Mise en décharge sans traitement de plus en plus difficile- Mise en décharge : possible si siccité > 30%Classe 3: chantier dans sols non pollué, bentonite sans additifClasse 2: pour les fluides avec polymèresClasse 1: pour les fluides avec teneur en hydrocarbure > 1%,

ou passage dans des sols pollués

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Sols meublesou en phase finale pourlisser les parois

Sols très durs

Sols mixtes

Argile, sable compact

Sols hétérogènes

5.3 alésage

Aléseur à ailettes

Aléseur à goujuresAléseur à spirales compactants

Aléseurs à molettes

Aléseur à pistons

Choix des aléseurs

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Diamètre d’alésageSelon: diamètre et type de canalisation, longueur forage, nature du terrain,rayon de courbure

Exemples:L < 50 m 1,2 fois diamètre canalisationL 50 à 100 m 1,3 fois diamètre canalisationL < 300 m 1,5 fois diamètre canalisationrocher 1,5 fois diamètre canalisation cana acier 1,5 fois diamètre canalisation

Choix des séquences d’alésage

Il faut veiller à avoir un couple régulier donc une résistance semblableà chaque alésage. C’est la surface travaillée qui doit être la même à chaque passage

La vitesse d’alésagedoit être compatible avec capacité pompe à fluide

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Recollement

Utiliser et enregistrer les informations de localisation

de la tête de forage pour réaliser le recollement de la

canalisation posé e en fin de chantier

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6 sécurité

Des autres ouvragesLe risque d’endommagement des ouvrages enterrés peut être éviter

par une bonne reconnaissancepar le maintien d’une distance suffisante avec ces ouvrages;

Le soulèvement du sol peut-être éviter par une profondeur du tir suffisante en évitant une obstruction du trou de forage par une

surveillance du débit de retour du fluide;La création de fontis

par une surveillance du débit de fluide et du volume de cutting en retour .

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Des salariés

Les risques spécifiques au forage dirigé sont:

travail sur des outils en rotation; glissades dues le fluide de forage; inhalation de poussière de bentonite; manipulation de charge (tiges de forage, aléseurs, …); agression d’ouvrages enterrés en particulier éléctriques; travail sur la voie publique, aux intempéries, …

De l’environnementLes techniques sans tranchée sont plus respectueuses de l’environnementMais il faut veiller : au stockage du fluide de forage et sa récupérationà éviter les remontée intempestives de boue par des discontinuité du terrain à éviter de polluer les nappes phréatiques.

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7- aspects sociaux-économiques

Notion de coût social

Coût global = coût direct + coût indirect + coût social

IciCoût indirect = coût évité par la technique

Gêne de la circulation, déviationsDégradation de l’environnement (bruit, poussières, désordres)Dégradation des chausséesTransport des déblais-remblaisDécharges,Risques d’accidentsBaisse d’activité commerciale

Coût social : « le coût social d’une activité est définit comme l’ensemble des inconvénients que représente cette activité pour la société »

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conclusions

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Projet National Microtunnels

Forages dirigés

Microtunneliers

recommandations

FSTT

Édité avec le concours de l’IREX

et du Ministère de l’Equipement, des Transports et du

Logement

Éditions Hermes Science Publications

14 rue de Provigny

94236 Cachan cedex

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MERCI de votre attention

[email protected]

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