TRAITEMENT DES DEBLAIS DE CRAIE ISSUS DU LEE TUNNEL ET CROSSRAIL C 310

Yves Chouanard, directeur commercial & marketing

MS SAS www.m-s.fr

Résumé:

Le Lee Tunnel de la Tamise, avec son diamètre de 8,88 m, 6 904 m de longueur et sa géologie de plus de 98 % de craie, est un véritable défi en terme de traitement des déblais.

Le volume total de la boue de craie après la séparation des roches (5 à 25 %, 15 % en moyenne) représente plus de 1 200 000 m3 de boue liquide. Dans ce type de géologie, où 95 % des solides pourraient être transformés en extra fines, bien au-dessous du point de coupure pour des cyclones, plusieurs méthodes ont été essayées dans le passé pour faciliter le traitement des déblais, mais aucune n’a répondu aux exigences de la maitrise d’ouvrage, tant en terme de coûts et/ou de résultat final. Cette présentation décrit les méthodes et les résultats obtenus par le consortium Morgan Sindall Vinci Construction Grands Projets Solétanche Bachy pour réduire drastiquement le volume des déblais et faciliter leur élimination.

Cette présentation donnera également un aperçu des résultats obtenus sur un autre site ayant une géologie semblable, le tunnel Crossrail, par le consortium Hochtief Murphy. Après leur succès dans le tunnel 320 CTRL, HMJV a accepté de revoir sa méthode de traitement des boues excédentaires, ayant été convaincu par les arguments en faveur des filtres presses. Cela leur a permis d’expérimenter une approche différente de la gestion des boues.

 

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PRESENTATION DES PROJETS: LEE TUNNEL : Le Lee Tunnel fait partie du schéma Thames Tideway ayant pour but de collecter et envoyer en phase de traitement, les eaux usées et eaux pluviales de Londres, qui déborde actuellement dans la Tamise. D’une longueur de 6,9 km, le Lee Tunnel traverse East London sous les eaux et sous terre, transportant les eaux usées provenant des égouts londoniens à la station de traitement Beckton Sewage Treatment Works (STW) dans le district de Newham. Les travaux ont débuté en février 2012, et l'ensemble du projet devrait être achevé en 2015.

CROSSRAIL C 310 : Les deux tunnels jumeaux d’une longueur de 2,6 km constituent le seul itinéraire qui enjambe la Tamise. C'est également l’unique Slurry Shield TBM de ce projet, en raison de la craie et du sable de Thanet. Le forage a débuté en octobre 2012 et devrait être achevé début 2014.

 

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GEOLOGIE : Le Lee Tunnel traverse principalement une formation de craie de Seaford, avec une petite section de sables argileux fins de Thanet. Cette craie est composée de particules blanches, parfois d’un gris clair, plus ou moins opaque, avec des couches de roche allant de 5 à 25 %, avec une valeur moyenne attendue de 15 %. Une masse volumique de 2 kN/m3 a été pris en compte pour la conception. Au moment du dimensionnement de l’installation, nous avons noté deux points qui n'étaient pas pleinement définis dans le GIBR et qui étaient néanmoins d'importance majeure pour le dimensionnement le l’installation: l'un était la capacité de la craie à aller en suspension, et l'autre était la filtrabilité de la boue qui en résulte. Nous avons donc reçu 2 tonnes d'échantillons que nous avons testés dans notre laboratoire.

Le tunnel Crossrail est dans le même type de géologie, on note seulement une proportion de sable de Thanet légèrement meilleure.

 

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TRAVAUX PRELIMINAIRES ET ESSAIS EN LABORATOIRE Les feuilles de calcul « Volume & Mass Balance », ou « VMB », ont été développées par MS pour aider dans le dimensionnement d'une installation de traitement des boues en prenant en compte une géologie particulière d'un projet et pour les choix techniques de la maitrise d’ouvrage en termes de vitesse (instantanée) de forage et de progression journalière. Elles contribuent également à étudier les conséquences de toute modification d'un paramètre, comme la densité, la viscosité, ayant un impact direct sur le dimensionnement des composants, les consommables… Elles comprennent les sections suivantes : • Un résumé du profil géologique du tunnel, • Les calculs de VMB pour chaque géologie, • Un résumé indiquant les valeurs critiques données par la VMB dans ces différentes géologies - valeurs qui deviendront les critères de dimensionnement, • Un calcul des volumes de déblais et des consommables pour l'ensemble du tunnel.

 

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Ces feuilles de calcul donnent déjà un certain nombre de paramètres clés pour le dimensionnement de la STP à l’étape de l’appel d’offre, mais certains paramètres nécessitent confirmation. Nous avons reçu 500 kg d'échantillons en septembre 2010 et en avril 2011, provenant d’une carrière située à proximité, et nous avons réalisé une autre série d'essais en avril 2012, après le début des travaux, avec des échantillons d’Abbey Mills. Les objectifs des essais étaient : - Vérifier le % de craie qui va en suspension, en fonction du temps d’attrition dans une bétonnière qui simule la durée de transport - Réaliser des essais rhéologiques: VP (viscosité plastique), VA (viscosité apparente), Yv (valeur de rendement), API (filtrats).

 

 

 

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- Effectuer des tests de pressage, avec plateaux chambrés ou membranés de

différentes épaisseurs et avec différents additifs : chaux, polymères

Les résultats des tests ont confirmé les différentes hypothèses formulées par les feuilles de calcul et ont guidé les choix suivants :

- Pour conserver une marge de sécurité, il a été décidé de prendre en compte pour le dimensionnement - la possibilité que 100 % de la craie entrerait en solution et seulement 5 % de roche.

- Choisir des gâteaux de 40mm, étant donné que les tests ont montré une teneur en eau de 25 à 30 %, avec ajout de 0,5 à 1 % de chaux (beaucoup d'autres produits ont été testés, mais la chaux montre de meilleures performances). Des plateaux membranés ont été choisis pour maximiser le volume utile, et un nombre minimum de filtres presses équipés de ces plateaux membranés ont été conservés pour le traitement des boues bentonitiques.

- Pour minimiser le volume de boue excédentaire et d'optimiser le cycle des filtres presses, une valeur élevée de densité des boues a été choisie, à l'origine plus de 1,42, mais finalement réduite à 1,30 en raison de la viscosité de la craie.

 

 

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CHALLENGES TECHNIQUES: Flexibilité de la STP: Les deux géologies rencontrées ne conduisent pas seulement à un comportement différent de la boue, mais exigent également différentes propriétés rhéologiques, qui demandent une conception très souple et sur-mesure de la STP, afin de pouvoir gérer : - La haute densité de la pulpe de craie, contenant des roches très abrasives, où la principale préoccupation était un contrôle de la densité et une optimisation du volume de déblais. - Les sables argileux, parfois sous forme de conglomérats, où la préoccupation était la stabilité de la surface. Une première étape avec un trommel rotatif (point de coupure à 6mm) a été choisie, puis une étape de double cyclonage avec une coupure inférieure à 45µm (d50). Différentes méthodes de protection contre l’usure ont été testées : caoutchouc, acier, revêtements en céramique (carreaux ou pièces moulées). Gestion des boues : Avec une vitesse instantanée de forage de 8 à 10 cm/minute, la gestion des boues en terme de densité devient une question essentielle, et le brevet MS "gestion des boues" a prouvé son efficacité.

 

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Si nous prenons l’exemple des conditions de forage du Crossrail C310, nous pouvons résumer les spécificités des boues de la manière suivante:

Sable Thanet:

Densité Viscosité plastique (mPa.s)

Filtrats (ml) Epaisseur des gâteaux (mm)

pH

Min Max Moy Min Max Moy Min Max Moy Min Max Moy Min Max

1.17 1.25 23.00 16.79 62.50 46 33 67 3 1 5 8.5 7.86 10.87

Craie :

Densité Viscosité plastique (mPa.s)

Filtrats (ml) Epaisseur des gâteaux (mm)

pH

Min Max Moy Min Max Moy Min Max Moy Min Max Moy Min Max

1.21 1.25 6.78 5.94 8.51 197 160 226 14 10 18 11.01 10 12.15

En outre, les autres possibilités données par cette gestion des boues, tel que le mode « interventions hyperbares », facilitent également la maintenance de l'outil TBM:

 

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Traitement des boues excédentaires:

C'est le défi majeur de ce type de projet, qui devient encore plus difficile en raison du fait qu’une faible différence de taux d’humidité produit une énorme différence dans les déchets de craie :

Teneur en eau = 26.6% (ó Ratio

d’humidité = 21%)

Teneur en eau = 35,1% (ó Ratio

d’humidité = 26%)

Lee Tunnel: avec une densité moyenne de 1.21 et une densité de boues excédentaires de 1,253, nous obtenons 245 m3 de boues excédentaires pour un anneau, dont 140 tonnes de solides et 290 m3 d'eau. Avec la progression hebdomadaire de 200 m, cela représente 29 000 m3 de boues excédentaires à traiter.

Sur l’ensemble du LeeTunnel, nous devons traiter 624 400 tonnes de solides < 63µm, donnant la comparaison suivante entre les différentes solutions :

- Centrifugeuses (données basées sur les données récupérées du CTRL 320 *)

- Filtres presses (résultats obtenus sur ce site)

Boue excédentaire

Centrifugeuse (*) Filtres presses

Solides 624,400 tonnes 624,400 tonnes 624,400 tonnes

Eau 1,300,000 m3 275,000 m3 200,000 m3

Pulpe/Gâteau 1,535,000 m3 510,000 m3 435,900 m3

∆ = -75,000 m3

Teneur en eau

208% 44% 32%

Consistence Liquide Pâteuse Gâteau solide

(*) Warren Phear Schultheis Gregg 2003 : "Treatment and Placement of Chalk Spoil from the CTRL Thames Tunnel".

 

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Au delà de la réduction du volume total de déblais et du changement radical de son homogénéité, nous pouvons également noter une autre économie importante : la possibilité de réutiliser l'eau des filtrats provenant des filtres presses pour la dilution de la boue, après correction du pH, plutôt que des floculants avec centrifugeuses.

Crossrail C310: avec la même densité moyenne de 1,21 et une densité de boue excédentaire de 1,25, nous obtenons 180 m3 de boue pour un anneau, dont 73 tonnes de solides et 152 m3 d'eau. Sur l’ensemble du tunnel, nous devons traiter environ 108 000 tonnes de matières solides < 63µm, donnant la comparaison suivante entre centrifugeuses et filtres presses (les données de teneur en eau sont légèrement différentes des valeurs du Lee Tunnel, car ce sont des valeurs moyennes des différentes caractéristiques du sol et la proportion de craie en ce qui concerne le Thanet sand est différente).

Boue excédentaire

Centrifugeuse Filtres presses

Solides 108,000 tonnes 108,000 tonnes 108,000 tonnes

Eau 225,000 m3 55,000 m3 39,000 m3

Pulpe/Gâteau 266,000 m3 96,000 m3 80,000 m3

∆ = -16, 000 m3

Teneur en eau

208% 51% 36%

Consistence Liquide Pâteuse Gâteau solide

 

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CONCLUSION:

Les résultats obtenus sur ces deux sites ont démontré :

- Les avantages d'une gestion précise des caractéristiques des boues en temps réel, ajustant indépendamment la densité et viscosité.

- La supériorité des filtres presses pour le traitement des déblais de craie, en terme de teneur en eau finale des gâteaux et aussi en terme d’homogénéité.